¿Es cierto que, dices, nadie necesita uranio natural? Veamos el consumo.Actualmente, los siguientes tipos de uranio enriquecido están en demanda en el mundo:- 1. Uranio natural (0,712%). Reactores de agua pesada (PHWR), por ejemplo, CANDU
- 2. Uranio débilmente enriquecido (2-3%, 4-5%). Reactores de agua-grafito-circonio, reactores de agua-agua-circonio, reactores VVER, PWR, RBMK
- 3. Uranio medio enriquecido (15-25%), reactores rápidos, reactores de transporte (rompehielos, FNPP), centrales nucleares
- 4. Uranio altamente enriquecido (> 50%), TREAU (submarinos), reactores de investigación.
El uranio natural pasa solo en el primer punto. Si suponemos que en nuestro mundo los consumidores de uranio son solo reactores comerciales, entonces el PHWR de ellos es inferior al 10%. Y si considera todo lo demás (transporte, investigación) entonces ... en resumen, el uranio natural no es ni para el pueblo ni para la ciudad. Esto significa que casi cualquier consumidor requiere un aumento en el porcentaje de isótopos ligeros en una mezcla de 235-238. Además, el uranio se usa no solo en la energía nuclear, sino también en la producción de armaduras, municiones y algo más. Y allí es mejor tener uranio empobrecido, que en principio requiere los mismos procesos, todo lo contrario.Sobre los métodos de enriquecimiento y habrá un artículo.Como materia prima para el enriquecimiento, no se utiliza uranio metálico puro, sino hexafluoruro de uranio UF 6 , que, por su totalidad de propiedades, es el compuesto químico más adecuado para el enriquecimiento isotópico. Para los químicos, notamos que la fluoración de uranio ocurre en un reactor de plasma vertical.A pesar de la abundancia de métodos de enriquecimiento hasta la fecha, solo dos de ellos se utilizan a escala industrial: la difusión de gases y las centrífugas. En ambos casos, se usa gas - UF 6 .Más cerca del caso de la separación de isótopos. Para cualquier método, la eficiencia de la separación de isótopos se caracteriza por el coeficiente de separación α, la relación entre la fracción del isótopo "ligero" en el "producto" y su fracción en la mezcla primaria.Para la mayoría de los métodos, α es solo un poco más grande que la unidad; por lo tanto, para obtener una concentración isotópica alta, una sola operación de separación de isótopos debe repetirse muchas veces (cascadas). Por ejemplo, para el método de difusión de gas α = 1.00429, para las centrifugadoras el valor depende en gran medida de la velocidad periférica: a 250 m / s α = 1.026, a 600 m / s α = 1.233. Solo con separación electromagnética, α es 10-1000 por 1 ciclo de separación. Una tabla comparativa para varios parámetros estará al final.Toda la cascada de máquinas de enriquecimiento siempre se divide en pasos. En la primera etapa de la cascada de separación, la corriente de la mezcla inicial se divide en dos corrientes: agotada (eliminada de la cascada) y enriquecida. Enriquecido se alimenta a la segunda etapa. En la segunda etapa, la corriente una vez enriquecida es nuevamente sometida a separación:la secuencia enriquecida de la segunda etapa ingresa a la tercera, y su secuencia agotada regresa a la anterior (primera), etc. Desde la última etapa de la cascada, se selecciona un producto terminado con la concentración requerida de un isótopo dado.Hablaré brevemente sobre los principales métodos de separación que se han usado alguna vez en el mundo.Separación electromagnética
Con este método, es posible separar los componentes de la mezcla en un campo magnético y con alta pureza. La separación electromagnética es históricamente el primer método desarrollado para la separación de isótopos de uranio.Dado que la separación se puede realizar con iones de uranio, la conversión de uranio a UF 6en principio, no es obligatorio. Este método proporciona alta pureza, pero bajo rendimiento con alto consumo de energía. La sustancia cuyos isótopos deben separarse se coloca en el crisol de una fuente de iones, se evapora e ioniza. Los iones son extraídos de la cámara de ionización por un campo eléctrico fuerte. El haz de iones ingresa a la cámara de separación de vacío en un campo magnético H dirigido perpendicular al movimiento de iones. Como resultado, los iones se mueven a lo largo de sus círculos con diferentes radios de curvatura (dependiendo de la masa). Es suficiente mirar la imagen y recordar las lecciones de la escuela, donde todos consideramos el radio del electrón o protón en un campo magnético.
Diagrama que muestra el principio de separación electromagnética.La ventaja del método es el uso de tecnología relativamente simple ( calutrones: CAL ifornia U niversidad).Se usó para enriquecer uranio en la planta Y-12 (EE. UU.), Tenía 5184 cámaras de separación - kalutrones, y por primera vez se le permitió obtener cantidades en kilogramos de 235U de alto enriquecimiento - 80% o más.En el proyecto de Manhattan, los kalutones se usaron después de la difusión térmica: el 7% de las materias primas (alfa Y-12) se suministraron a los kalutrones alfa y se enriquecieron al 15%. Se obtuvo uranio de grado de arma (hasta 90%) en beta-calutrones en la planta Y-12. Los calutrones alfa y beta no tienen nada que ver con las partículas alfa y beta, son simplemente dos "líneas" de calutrones, una para el enriquecimiento preliminar y la segunda para el enriquecimiento final.El método le permite separar cualquier combinación de isótopos, tiene un grado muy alto de separación. Dos pases son suficientes para enriquecer más del 80% de una sustancia pobre con un contenido inicial de menos del 1%. La productividad está determinada por el valor de la corriente de iones y la eficiencia de la captura de iones: hasta varios gramos de isótopos por día (total para todos los isótopos).
Uno de los talleres de separación electromagnética en Oak Ridge (EE. UU.)
Alfa-calutrón gigante de la misma planta.Métodos de difusión
Se utilizaron métodos de difusión para el enriquecimiento inicial. Junto con el método electromagnético, históricamente uno de los primeros. El método de difusión generalmente se entiende como la difusión de gases, cuando el hexafluoruro de uranio se calienta a cierta temperatura y se pasa a través de un "tamiz", un filtro especialmente diseñado con agujeros de cierto tamaño.Brevemente de un informe de Cocoin (6 de septiembre de 1945):, ( ), , , , , . , , , ,… .., . , , , . , () .
El punto clave aquí es la frase sobre el tamaño de los agujeros. Inicialmente, las mallas se hicieron mecánicamente, como ahora, nadie lo sabe. Además, el material debería funcionar a temperaturas elevadas, y los agujeros en sí no deberían estar obstruidos, el tamaño no debería cambiar bajo la influencia de la corrosión, etc. Las tecnologías para fabricar barreras de difusión todavía están clasificadas, el mismo conocimiento que con las centrífugas.Más detalles bajo el spoiler, del mismo informe."Sobre el estado de la investigación y el trabajo práctico del Laboratorio No. 2 para la producción de uranio-235 por el método de difusión", . (), . , , ,
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Además, hay un buen vacío, que requiere una capacidad suficientemente grande de equipos de compresores, y la presencia de una gran cantidad de equipos de control de estanqueidad (que, en principio, no es un problema en el mundo moderno, pero el artículo trataba sobre el tiempo de posguerra donde todo era necesario, de forma inmediata y rápida).Fue utilizado como una de las primeras etapas de enriquecimiento. En el proyecto de Manhattan, la planta K-25 enriqueció uranio del 0,86% al 7%, luego las materias primas se destinaron a los calutrones. En la URSS: la planta D-1, que sufre desde hace mucho tiempo, así como las plantas D-2 y D-3 que le siguieron, y así sucesivamente.Además, el método de separación de "difusión" a veces se entiende como difusión líquida, también, solo en la fase líquida. Principio físico: las moléculas más ligeras se ensamblan en una región más cálida. Típicamente, una columna de separación consta de dos tubos dispuestos coaxialmente en los que se mantienen diferentes temperaturas. Se introduce una mezcla separable entre ellos. La diferencia de temperatura Δ provoca la aparición de flujos verticales convectivos, y se crea un flujo de isótopos de difusión entre las superficies de la tubería, lo que conduce a la aparición de una diferencia en la concentración de isótopos en la sección transversal de la columna. Como resultado, los isótopos más ligeros se acumulan cerca de la superficie caliente del tubo interno y se mueven hacia arriba. El método de difusión térmica permite que los isótopos se separen tanto en la fase gaseosa como en la fase líquida.En el proyecto de Manhattan, esta es una fábricaS-50 : enriqueció el uranio natural al 0,86%, es decir enriquecimiento solo 1.2 veces mayor en el quinto uranio. En la URSS, el Instituto de Radio realizó trabajos sobre difusión de líquidos en el período de posguerra, pero esta dirección no recibió ningún desarrollo.
Cascada de máquinas de separación de isótopos de difusión de gas.Firmas en la patente - F. Simon, C. Fuchs, R. Peierls.Separación aerodinámica
La separación aerodinámica es un tipo de opción de centrifugación, pero en lugar de girar el gas, gira en una boquilla especial. En lugar de mil palabras, vea el dibujo, el llamado Boquilla Becker para separación aerodinámica de isótopos de uranio (una mezcla de hidrógeno y hexafluoruro de uranio) a presión reducida. El hexafluoruro de uranio es un gas muy pesado y conduce al desgaste de pequeñas partes de las boquillas (ver escala), y puede volverse sólido en áreas de alta presión (por ejemplo, en la entrada de la boquilla), por lo que el hexafluoruro se diluye con hidrógeno. Está claro que con un contenido del 4% de materias primas en el gas, e incluso presión reducida, la efectividad de este método no es excelente. Desarrolló este método probado en Sudáfrica y Alemania.
Todo lo que necesita saber acerca de la separación aerodinámica es en esta imagen. Boquilla
opcionesCentrifugación de gas
Probablemente cada persona (¡e incluso un geek!) Que haya escuchado al menos una vez la energía atómica, las bombas y el enriquecimiento, en general sepa qué es una centrífuga, cómo funciona y que hay muchas dificultades, secretos y conocimientos en el diseño de tales dispositivos. Por lo tanto, diré algunas palabras sobre la centrifugación de gas. Sin embargo, honestamente hablando, las centrifugadoras de gas tienen una historia muy rica de desarrollo y merecen un artículo separado.El principio de funcionamiento es la separación debida a las fuerzas centrífugas, dependiendo de la diferencia absoluta en masa. Durante la rotación (hasta 1000 r / s, velocidad periférica - 100 - 600 m / s), las moléculas más pesadas van a la periferia, más livianas - en el centro (en el rotor). Este método es actualmente el más productivo y más barato (basado en el precio de $ / EPP).Google abunda en imágenes esquemáticas de un dispositivo centrífugo, solo daré un par de fotos de cómo se ve la cascada ensamblada. Por cierto, en una habitación así hace bastante calor: el hexafluoruro de uranio está lejos de la temperatura ambiente, y toda esta cascada también debe enfriarse.
Centrífuga URENCO en cascada. Grande, metros debajo de 3 en altura.
Hay otros más pequeños, de aproximadamente medio metro. Nuestro doméstico.
Para entender la escala, o lo que es un "taller de horizonte a horizonte".Enriquecimiento láser
El principio físico del enriquecimiento con láser es que los niveles de energía atómica de varios isótopos son ligeramente diferentes.Este efecto se puede utilizar para separar U-235 de U-238, tanto en forma atómica - AVLIS, como en forma molecular - MLIS.El método utiliza pares de uranio y láseres que se sintonizan con precisión a una longitud de onda específica, excitando los átomos del uranio 235. A continuación, los átomos ionizados se eliminan de la mezcla mediante un campo eléctrico o magnético.La tecnología es muy simple y, en términos generales, no requiere ningún dispositivo mecánico supercomplejo, como rejillas de difusión o centrifugadoras, hay otro problema.En septiembre de 2012, Global Laser Enrichment LLC (GLE), un consorcio de General Electric, Hitachi y Cameco, recibió una licencia de la Comisión Reguladora Nuclear de los Estados Unidos (NRC) para la construcción de una planta de separación por láser con una capacidad de hasta 6 millones de SWU en el sitio de la empresa conjunta existente GE, Toshiba y Fabricación de combustible Hitachi en Wilmington, Carolina del Norte. Enriquecimiento planificado: hasta 8%. Sin embargo, la licencia se suspendió debido a problemas con la difusión de tecnología. Las tecnologías modernas de enriquecimiento (difusión y centrifugación) requieren un equipo especial, tan especial que, en general, si lo desea, mediante el seguimiento de los contratos internacionales, puede asumir indirectamente quién va a enriquecer uranio "en silencio" (sin el conocimiento del OIEA) o trabajar en esta dirección.Y tal monitoreo está de hecho en curso. Si el método de enriquecimiento con láser demuestra su simplicidad y efectividad, el trabajo sobre uranio de grado armamentístico puede comenzar a realizarse donde realmente no se necesita. Por lo tanto, mientras que el método láser es de alguna manera aplastado.
Los métodos láser también pueden incluir el método molecular, basado en el hecho de que a frecuencias infrarrojas o ultravioletas se produce una absorción selectiva del espectro infrarrojo por el gas 235 UF 6 , que posteriormente permite el uso del método de disociación de moléculas excitadas o separación química.El contenido relativo de U-235 puede incrementarse en un orden de magnitud en la primera etapa. Por lo tanto, un solo pase es suficiente para proporcionar suficiente enriquecimiento de uranio para los reactores nucleares.
Explicaciones para el método "molecular" con separación química.Beneficios del enriquecimiento con láser:- Consumo de electricidad: 20 veces menos que para difusión.
- Cascada: el número de cascadas (de 0.7% a 3-5% U-235) es menor a 100, en comparación con 150,000 centrifugadoras.
- El costo de la planta es significativamente menor.
- Respetuoso con el medio ambiente: en lugar de hexafluoruro de uranio, se utiliza uranio metálico menos peligroso.
- La necesidad de uranio natural es un 30% menor.
- 30% menos de relaves (vertederos).
Comparación de diferentes métodos.
Enriquecimiento de uranio en Rusia
Actualmente, hay cuatro plantas de enriquecimiento en Rusia:Rusia tiene una industria poderosa para la separación de isótopos ~ 40% del mercado global, basada en el método centrífugo más económico (hoy).Para el año 2000 Las capacidades de enriquecimiento en Rusia se distribuyen de la siguiente manera: 40% para necesidades domésticas, 13% para procesar los vertederos de usuarios extranjeros, 30% para procesar HEU y LEU, y 17% para pedidos externos. Todo esto es un átomo pacífico. Hemos descontinuado la producción de uranio enriquecido para fines militares desde 1989. En 2004 170 toneladas (de ~ 500 toneladas) de HEU (uranio altamente enriquecido) fueron procesadas bajo el acuerdo de HEU-LEU.Eso es todo. Gracias por la atención.