Benarkah itu, katamu, tidak ada yang membutuhkan uranium alami? Mari kita lihat konsumsi.Saat ini, jenis uranium yang diperkaya berikut banyak diminati di dunia:- 1. uranium alami (0,712%). Heavy Water Reactor (PHWR), mis. CANDU
- 2. Uranium yang diperkaya lemah (2-3%, 4-5%). Reaktor air-grafit-zirkonium, air-air-zirkonium, VVER, PWR, reaktor RBMK
- 3. Uranium yang diperkaya sedang (15–25%), reaktor cepat, reaktor transpor (pemecah es, FNPP), pembangkit listrik tenaga nuklir
- 4. Uranium yang sangat diperkaya (> 50%), TREAU (kapal selam), reaktor riset.
Uranium alami melewati hanya pada titik pertama. Jika kita berasumsi bahwa di dunia kita uranium konsumen hanya reaktor komersial, maka PHWR mereka kurang dari 10%. Dan jika Anda mempertimbangkan segala sesuatu yang lain (transportasi, penelitian) maka ... singkatnya, uranium alami tidak untuk desa maupun kota. Ini berarti bahwa hampir semua konsumen memerlukan peningkatan persentase isotop cahaya dalam campuran 235-238. Selain itu, uranium digunakan tidak hanya dalam energi nuklir, tetapi juga dalam produksi baju besi, amunisi, dan sesuatu yang lain. Dan lebih baik menghabiskan uranium, yang pada prinsipnya membutuhkan proses yang sama, justru sebaliknya.Tentang metode pengayaan dan akan ada artikel.Sebagai bahan baku untuk pengayaan, bukan uranium logam murni yang digunakan, tetapi uranium heksafluorida UF 6 , yang, dengan totalitas sifatnya, adalah senyawa kimia yang paling cocok untuk pengayaan isotop. Untuk ahli kimia, kami mencatat bahwa fluorinasi uranium terjadi dalam reaktor plasma vertikal.Meskipun metode pengayaan yang melimpah sampai saat ini, hanya dua dari mereka yang digunakan pada skala industri - difusi gas dan sentrifugal. Dalam kedua kasus, gas digunakan - UF 6 .Lebih dekat dengan kasus pemisahan isotop. Untuk setiap metode, efisiensi pemisahan isotop dicirikan oleh koefisien pemisahan α - rasio fraksi isotop "cahaya" dalam "produk" dengan fraksinya dalam campuran primer.Untuk sebagian besar metode, α hanya sedikit lebih besar dari satu, oleh karena itu, untuk mendapatkan konsentrasi isotop yang tinggi, operasi pemisahan isotop tunggal harus diulang berkali-kali (cascades). Misalnya, untuk metode difusi gas α = 1,00429, untuk sentrifugal nilainya sangat tergantung pada kecepatan periferal - pada 250m / s α = 1,026, pada 600m / s α = 1,233. Hanya dengan pemisahan elektromagnetik, α adalah 10-1000 per 1 siklus pemisahan. Tabel perbandingan untuk beberapa parameter ada di bagian akhir.Seluruh kaskade mesin pengayaan selalu dipecah menjadi langkah-langkah. Pada tahap pertama dari kaskade pemisahan, aliran campuran awal dibagi menjadi dua aliran: habis (dikeluarkan dari kaskade), dan diperkaya. Diperkaya dimasukkan ke tahap 2. Pada tahap ke-2, aliran yang sebelumnya diperkaya kembali mengalami pemisahan:aliran yang diperkaya dari tahap ke-2 memasuki ke-3, dan alirannya yang sudah habis kembali ke sebelumnya (ke-1), dll Dari tahap terakhir kaskade, produk jadi dengan konsentrasi yang diperlukan dari isotop yang dipilih dipilih.Saya akan berbicara secara singkat tentang metode pemisahan utama yang telah digunakan di dunia.Pemisahan elektromagnetik
Dengan menggunakan metode ini, dimungkinkan untuk memisahkan komponen campuran dalam medan magnet, dan dengan kemurnian tinggi. Pemisahan elektromagnetik secara historis merupakan metode pertama yang dikembangkan untuk pemisahan isotop uranium.Karena pemisahan dapat dilakukan dengan ion uranium, konversi uranium menjadi UF 6pada prinsipnya - tidak diperlukan. Metode ini memberikan kemurnian tinggi, tetapi hasil rendah dengan konsumsi energi tinggi. Zat yang isotopnya harus dipisahkan ditempatkan di wadah sumber ion, menguap dan mengionisasi. Ion diambil dari ruang ionisasi oleh medan listrik yang kuat. Balok ion memasuki ruang pemisahan vakum dalam medan magnet H yang diarahkan tegak lurus terhadap pergerakan ion. Akibatnya, ion bergerak sepanjang lingkaran mereka dengan jari-jari kelengkungan yang berbeda (tergantung pada massa). Cukup dengan melihat gambar dan mengingat pelajaran sekolah, di mana kita semua mempertimbangkan jari-jari elektron atau proton dalam medan magnet.
Diagram menunjukkan prinsip pemisahan elektromagnetik.Keuntungan dari metode ini adalah penggunaan teknologi yang relatif sederhana ( calutron: CAL ifornia U niversity).Itu digunakan untuk memperkaya uranium di pabrik Y-12 (AS), memiliki 5184 ruang pemisahan - kalyutron, dan untuk pertama kalinya diizinkan untuk mendapatkan jumlah pengayaan tinggi 235U kiloan tinggi - 80% atau lebih tinggi.Dalam proyek Manhattan, kaluton digunakan setelah difusi termal - 7% dari bahan baku (alfa Y-12) dipasok ke kalyutron alfa dan diperkaya hingga 15%. Uranium tingkat senjata (hingga 90%) diperoleh dari beta-calutron di pabrik Y-12. Alpha dan beta calutron tidak ada hubungannya dengan partikel alfa dan beta, mereka hanya dua "garis" dari calutron, satu untuk pendahuluan, yang kedua untuk pengayaan akhir.Metode ini memungkinkan Anda untuk memisahkan setiap kombinasi isotop, memiliki tingkat pemisahan yang sangat tinggi. Dua pass cukup untuk memperkaya di atas 80% dari zat yang buruk dengan kandungan awal kurang dari 1%. Produktivitas ditentukan oleh nilai arus ion dan efisiensi penangkapan ion - hingga beberapa gram isotop per hari (total untuk semua isotop).
Salah satu bengkel pemisahan elektromagnetik di Oak Ridge (AS),
alpha-calutron raksasa dari tanaman yang sama.Metode difusi
Metode difusi digunakan untuk pengayaan awal. Seiring dengan metode elektromagnetik - secara historis salah satu yang pertama. Metode difusi biasanya dipahami sebagai difusi gas - ketika uranium heksafluorida dipanaskan hingga suhu tertentu dan melewati "saringan" - filter yang dirancang khusus dengan lubang dengan ukuran tertentu.Secara singkat dari laporan oleh Cocoin (6 September 1945):, ( ), , , , , . , , , ,… .., . , , , . , () .
Poin kunci di sini adalah frasa tentang ukuran lubang. Awalnya, jerat dibuat secara mekanis, seperti sekarang - tidak ada yang tahu. Selain itu, bahan tersebut harus bekerja pada suhu yang tinggi, dan lubang itu sendiri tidak boleh tersumbat, karena ukurannya tidak boleh berubah di bawah pengaruh korosi, dll. Teknologi untuk pembuatan hambatan difusi masih diklasifikasikan - pengetahuan yang sama seperti dengan sentrifugal.Lebih detail di bawah spoiler, dari laporan yang sama."Tentang keadaan penelitian dan kerja praktik Laboratorium No. 2 untuk produksi uranium-235 dengan metode difusi", . (), . , , ,
. , . , , . , , . 1/10000 . , 1/10 000 , .
5/1000 , .. 50 . , , , 1/50 . 0,01 , .. . , , . , , 90% ( ), 2000 . 75-100 -235 . 80-100 «», 20-25 . ( ) 8000 2. , , 20 000 .
Selain itu, ada ruang hampa udara yang baik, yang membutuhkan peralatan kompresor berkapasitas cukup besar, dan keberadaan sejumlah besar peralatan pengontrol ketat (yang, pada prinsipnya, tidak menjadi masalah di dunia modern, tetapi artikel ini membahas waktu pascaperang di mana segala sesuatu dibutuhkan, dengan segera dan cepat).Itu digunakan sebagai salah satu tahap pengayaan pertama. Dalam proyek Manhattan, pabrik K-25 memperkaya uranium dari 0,86% menjadi 7%, kemudian bahan baku pergi ke calutron. Di Uni Soviet - pabrik D-1 yang sudah lama menderita, serta pabrik D-2 dan D-3 yang mengikutinya, dan seterusnya.Juga, metode pemisahan "difusi" kadang-kadang dipahami sebagai difusi cair - juga, hanya dalam fase cair. Prinsip fisik - molekul yang lebih ringan berkumpul di daerah yang lebih hangat. Biasanya, kolom pemisahan terdiri dari dua tabung yang diatur secara koaksial di mana suhu yang berbeda dipertahankan. Campuran yang dapat dipisahkan dimasukkan di antara keduanya. Perbedaan suhu Δ mengarah pada tampilan aliran vertikal konvektif, dan fluks isotop difusi dibuat antara permukaan pipa, yang mengarah pada munculnya perbedaan konsentrasi isotop di penampang kolom. Akibatnya, isotop yang lebih ringan terakumulasi di dekat permukaan panas tabung bagian dalam dan bergerak ke atas. Metode difusi termal memungkinkan isotop untuk dipisahkan baik dalam gas dan fase cair.Dalam proyek Manhattan, ini adalah pabrikS-50 - itu memperkaya uranium alami hingga 0,86%, mis. hanya 1,2 kali peningkatan pengayaan di uranium kelima. Di Uni Soviet, pekerjaan difusi cair dilakukan oleh Radium Institute pada periode pasca-perang, tetapi arah ini tidak menerima perkembangan apa pun.
Kaskade mesin pemisahan isotop difusi gas.Tanda tangan pada paten - F. Simon, C. Fuchs, R. Peierls.Pemisahan aerodinamik
Pemisahan aerodinamis adalah semacam opsi sentrifugasi, tetapi alih-alih memutar gas, ia berputar dalam nosel khusus. Alih-alih seribu kata - lihat gambar, yang disebut Becker nozzle untuk pemisahan aerodinamis dari isotop uranium (campuran hidrogen dan uranium hexafluoride) di bawah tekanan rendah. Uranium hexafluoride adalah gas yang sangat berat dan menyebabkan keausan pada bagian kecil nozel (lihat skala), dan dapat menjadi padat di area bertekanan tinggi (misalnya, di pintu masuk nozzle), sehingga hexafluoride diencerkan dengan hidrogen. Jelas bahwa dengan kandungan bahan baku dalam gas 4%, dan bahkan tekanan berkurang, efektivitas metode ini tidak besar. Metode ini dikembangkan di Afrika Selatan dan Jerman.
Yang perlu Anda ketahui tentang pemisahan aerodinamis ada di gambar ini.
Opsi nozzleSentrifugasi gas
Mungkin setiap orang (dan bahkan geek!) Yang telah mendengar setidaknya sekali energi atom, bom, dan pengayaan, secara umum tahu apa itu centrifuge, cara kerjanya, dan bahwa ada banyak kesulitan, rahasia, dan pengetahuan dalam desain perangkat tersebut. Oleh karena itu, saya akan mengatakan beberapa kata tentang sentrifugasi gas. Namun, sejujurnya, sentrifugal gas memiliki sejarah pengembangan yang sangat kaya dan layak mendapatkan artikel terpisah.Prinsip operasi adalah pemisahan karena gaya sentrifugal, tergantung pada perbedaan absolut dalam massa. Selama rotasi (hingga 1000 r / s, kecepatan periferal - 100 - 600 m / s), molekul yang lebih berat menuju ke pinggiran, lebih ringan - di tengah (di rotor). Metode ini saat ini paling produktif dan termurah (berdasarkan harga $ / EPP).Google penuh dengan gambar skematis dari perangkat centrifuge, saya hanya akan memberikan beberapa foto tentang bagaimana kaskade yang dirakit terlihat. Ngomong-ngomong, di ruangan seperti itu cukup panas - uranium hexafluoride jauh dari suhu kamar, dan seluruh kaskade semacam itu perlu didinginkan juga.
Kaskade centrifuge URENCO. Besar, meter di bawah 3 tingginya.
Ada yang lebih kecil, sekitar setengah meter. Domestik kita.
Untuk memahami skala, atau apa itu "bengkel dari cakrawala ke cakrawala."Pengayaan laser
Prinsip fisik pengayaan laser adalah bahwa tingkat energi atom berbagai isotop sedikit berbeda.Efek ini dapat digunakan untuk memisahkan U-235 dari U-238, baik dalam bentuk atom - AVLIS, dan dalam bentuk molekul - MLIS.Metode ini menggunakan pasangan uranium, dan laser yang disesuaikan dengan panjang gelombang tertentu, menarik atom uranium ke-235. Selanjutnya, atom terionisasi dikeluarkan dari campuran oleh medan listrik atau magnet.Teknologi ini sangat sederhana, dan, secara umum, tidak memerlukan perangkat mekanis yang sangat kompleks seperti jaringan difusi atau sentrifugal, ada satu masalah lain.Pada September 2012, Global Laser Enrichment LLC (GLE) - sebuah konsorsium General Electric, Hitachi dan Cameco - menerima lisensi dari US Nuclear Regulatory Commission (NRC) untuk pembangunan pabrik pemisahan laser dengan kapasitas hingga 6 juta SWU di lokasi perusahaan patungan GE, Toshiba dan Fabrikasi Bahan Bakar Hitachi di Wilmington, Carolina Utara. Pengayaan terencana - hingga 8%. Namun, perizinan ditangguhkan karena masalah dengan difusi teknologi. Teknologi pengayaan modern (difusi dan sentrifugasi) memerlukan peralatan khusus, begitu istimewa sehingga, secara umum, jika Anda ingin, melalui pemantauan kontrak internasional, Anda secara tidak langsung dapat mengasumsikan siapa yang akan memperkaya uranium "dengan tenang" (tanpa sepengetahuan IAEA) atau bekerja ke arah ini.Dan pemantauan semacam itu memang sedang berlangsung. Jika metode pengayaan laser membuktikan kesederhanaan dan efektifitasnya, pengerjaan uranium tingkat senjata dapat mulai dilakukan di tempat yang tidak benar-benar dibutuhkan. Karena itu, sementara metode laser entah bagaimana dihancurkan.
Metode laser juga dapat mencakup metode molekuler, berdasarkan pada fakta bahwa pada frekuensi inframerah atau ultraviolet terjadi penyerapan selektif spektrum inframerah oleh gas 235 UF 6 , yang selanjutnya memungkinkan penggunaan metode pemisahan molekul tereksitasi atau pemisahan kimia.Konten relatif U-235 dapat ditingkatkan dengan urutan besarnya pada tahap pertama. Dengan demikian, satu lintasan sudah cukup untuk memberikan pengayaan uranium yang cukup untuk reaktor nuklir.
Penjelasan untuk metode "molekuler" dengan pemisahan kimia.Manfaat Pengayaan Laser:- Konsumsi listrik: 20 kali lebih sedikit daripada untuk difusi.
- Kaskade: jumlah kaskade (dari 0,7% menjadi 3-5% U-235) kurang dari 100, dibandingkan dengan 150.000 sentrifugal.
- Biaya pabrik jauh lebih sedikit.
- Ramah lingkungan: alih-alih uranium hexafluoride, uranium logam yang kurang berbahaya digunakan.
- Kebutuhan uranium alami adalah 30% lebih sedikit.
- 30% lebih sedikit tailing (tempat pembuangan).
Perbandingan berbagai metode
Pengayaan uranium di Rusia
Saat ini, ada empat pabrik pengayaan di Rusia:Rusia memiliki industri yang kuat untuk pemisahan isotop ~ 40% dari pasar global, berdasarkan metode centrifuge yang paling ekonomis (hari ini).Untuk tahun 2000 Kapasitas pengayaan di Rusia didistribusikan sebagai berikut: 40% untuk kebutuhan domestik, 13% untuk memproses dumping pengguna asing, 30% untuk memproses HEU dan LEU, dan 17% untuk pesanan eksternal. Semua ini adalah atom yang damai. Kami telah menghentikan produksi uranium yang diperkaya untuk keperluan militer sejak 1989. Pada 2004 170 ton (dari ~ 500 ton) HEU (uranium yang sangat diperkaya) diproses berdasarkan perjanjian HEU-LEU.Itu saja. Terimakasih atas perhatiannya.