É verdade que, você diz, ninguém precisa de urânio natural? Vamos olhar para o consumo.Atualmente, os seguintes tipos de urânio enriquecido estão em demanda no mundo:- 1. Urânio natural (0,712%). Reatores de água pesada (PHWR), por exemplo, CANDU
- 2. Urânio fracamente enriquecido (2-3%, 4-5%). Reatores de água-grafite-zircônio, água-água-zircônio, reatores VVER, PWR, RBMK
- 3. Urânio enriquecido médio (15–25%), reatores rápidos, reatores de transporte (quebra-gelo, FNPPs), usinas nucleares
- 4. Urânio altamente enriquecido (> 50%), TREAU (submarinos), reatores de pesquisa.
O urânio natural passa apenas no primeiro ponto. Se assumirmos que, em nosso mundo, os consumidores de urânio são apenas reatores comerciais, então o PHWR deles é inferior a 10%. E se você considerar todo o resto (transporte, pesquisa), então ... em suma, o urânio natural não é nem para a vila nem para a cidade. Isso significa que quase todo consumidor requer um aumento na porcentagem de isótopo de luz em uma mistura de 235-238. Além disso, o urânio é usado não apenas na energia nuclear, mas também na produção de armaduras, munições e outras coisas. E é melhor ter urânio empobrecido, o que, em princípio, requer os mesmos processos, exatamente o oposto.Sobre métodos de enriquecimento e haverá um artigo.Como matéria-prima para o enriquecimento, não é utilizado urânio metálico puro, mas o hexafluoreto de urânio UF 6 , que, por sua totalidade de propriedades, é o composto químico mais adequado para o enriquecimento isotópico. Para os químicos, observamos que a fluorinação do urânio ocorre em um reator de plasma vertical.Apesar da abundância de métodos de enriquecimento até o momento, apenas dois deles são usados em escala industrial - difusão de gás e centrífugas. Nos dois casos, é usado gás - UF 6 .Mais próximo do caso de separação isotópica. Para qualquer método, a eficiência da separação isotópica é caracterizada pelo coeficiente de separação α - a razão da fração do isótopo "leve" no "produto" e sua fração na mistura primária.Para a maioria dos métodos, α é apenas um pouco maior que a unidade; portanto, para obter uma alta concentração isotópica, uma única operação de separação de isótopos deve ser repetida várias vezes (cascatas). Por exemplo, para o método de difusão de gás α = 1.00429, para centrífugas, o valor depende fortemente da velocidade periférica - a 250m / s α = 1.026, a 600m / s α = 1.233. Somente com separação eletromagnética, α é 10-1000 por 1 ciclo de separação. Uma tabela comparativa para vários parâmetros estará no final.Toda a cascata de máquinas de enriquecimento é sempre dividida em etapas. No primeiro estágio da cascata de separação, a corrente da mistura inicial é dividida em duas correntes: esgotada (removida da cascata) e enriquecida. Enriquecido é alimentado para o 2º estágio. No 2º estágio, o fluxo outrora enriquecido é novamente submetido à separação:o fluxo enriquecido do 2º estágio entra no 3º e seu fluxo esgotado retorna ao anterior (1º), etc. A partir do último estágio da cascata, um produto acabado com a concentração necessária de um dado isótopo é selecionado.Vou falar brevemente sobre os principais métodos de separação que já foram usados no mundo.Separação eletromagnética
Usando este método, é possível separar os componentes da mistura em um campo magnético e com alta pureza. A separação eletromagnética é historicamente o primeiro método desenvolvido para a separação de isótopos de urânio.Como a separação pode ser realizada com íons urânio, a conversão de urânio em UF 6em princípio - não é necessário. Este método fornece alta pureza, mas baixo rendimento com alto consumo de energia. A substância cujos isótopos devem ser separados é colocada no cadinho de uma fonte de íons, evapora e ioniza. Os íons são retirados da câmara de ionização por um forte campo elétrico. O feixe de íons entra na câmara de separação a vácuo em um campo magnético H direcionado perpendicularmente ao movimento dos íons. Como resultado, os íons se movem ao longo de seus círculos com raios de curvatura diferentes (dependendo da massa). Basta olhar a figura e relembrar as lições da escola, onde todos consideramos o raio do elétron ou próton em um campo magnético.
Diagrama mostrando o princípio da separação eletromagnética.A vantagem do método é o uso de tecnologia relativamente simples ( calutrons: CAL ifornia U NIVERSIDADE).Foi utilizado para enriquecer urânio na planta Y-12 (EUA), possuía 5184 câmaras de separação - kalyutrons e, pela primeira vez, permitiu obter quantidades em quilogramas de 235U de alto enriquecimento - 80% ou mais.No projeto de Manhattan, os kalutons foram usados após a difusão térmica - 7% das matérias-primas (alfa Y-12) foram fornecidas aos alfa kalyutrons e enriquecidas em 15%. O urânio de grau de arma (até 90%) foi obtido em beta-calutrons na planta Y-12. Calutrons alfa e beta não têm nada a ver com partículas alfa e beta, são apenas duas "linhas" de calutrons, uma para preliminar e a segunda para enriquecimento final.O método permite separar qualquer combinação de isótopos, possui um alto grau de separação. Duas passagens são suficientes para enriquecer acima de 80% de uma substância pobre com um conteúdo inicial menor que 1%. A produtividade é determinada pelo valor da corrente de íons e pela eficiência da captura de íons - até vários gramas de isótopos por dia (total para todos os isótopos).
Uma das oficinas de separação eletromagnética em Oak Ridge (EUA),
alfa-calutron gigante da mesma planta.Métodos de difusão
Métodos de difusão foram utilizados para o enriquecimento inicial. Junto com o método eletromagnético - historicamente um dos primeiros. O método de difusão é geralmente entendido como difusão de gás - quando o hexafluoreto de urânio é aquecido a uma certa temperatura e passado por uma "peneira" - um filtro especialmente projetado com furos de um determinado tamanho.Resumidamente, de um relatório de Cocoin (6 de setembro de 1945):, ( ), , , , , . , , , ,… .., . , , , . , () .
O ponto chave aqui é a frase sobre o tamanho dos furos. Inicialmente, as malhas foram feitas mecanicamente, como agora - ninguém sabe. Além disso, o material deve funcionar a temperaturas elevadas e os furos não devem estar entupidos, o tamanho não deve mudar sob a influência da corrosão etc. As tecnologias para a fabricação de barreiras de difusão ainda são classificadas - o mesmo know-how das centrífugas.Mais detalhes no spoiler, do mesmo relatório.“Sobre o estado das pesquisas e trabalhos práticos do Laboratório nº 2 para a produção de urânio-235 pelo método de difusão”, . (), . , , ,
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Além disso, existe um bom vácuo, que requer uma capacidade suficientemente grande de equipamentos de compressor e a presença de um grande número de equipamentos de controle de estanqueidade (o que, em princípio, não é um problema no mundo moderno, mas o artigo tratava do período do pós-guerra em que tudo era necessário, imediata e rapidamente).Foi utilizado como um dos primeiros estágios do enriquecimento. No projeto de Manhattan, a planta K-25 enriqueceu urânio de 0,86% a 7%, depois as matérias-primas foram para calutrons. Na URSS - a planta sofredora D-1, bem como as plantas D-2 e D-3 que a seguiram, e assim por diante.Além disso, o método de separação por "difusão" às vezes é entendido como difusão líquida - também apenas na fase líquida. Princípio físico - moléculas mais leves se reúnem em uma região mais quente. Normalmente, uma coluna de separação consiste em dois tubos dispostos coaxialmente, nos quais diferentes temperaturas são mantidas. Uma mistura separável é introduzida entre eles. A diferença de temperatura Δ leva ao aparecimento de fluxos verticais convectivos, e um fluxo isotópico de difusão é criado entre as superfícies do tubo, o que leva ao aparecimento de uma diferença na concentração de isótopos na seção transversal da coluna. Como resultado, isótopos mais leves se acumulam perto da superfície quente do tubo interno e sobem. O método de difusão térmica permite que os isótopos sejam separados tanto na fase gasosa quanto na líquida.No projeto de Manhattan, esta é uma fábricaS-50 - enriqueceu urânio natural para 0,86%, ou seja, apenas 1,2 vezes aumentou o enriquecimento no quinto urânio. Na URSS, o Radium Institute realizou um trabalho sobre difusão de líquidos no período pós-guerra, mas essa direção não recebeu nenhum desenvolvimento.
Cascata de máquinas de separação isotópica por difusão de gás.Assinaturas sobre a patente - F. Simon, C. Fuchs, R. Peierls.Separação aerodinâmica
A separação aerodinâmica é um tipo de opção de centrifugação, mas em vez de girar o gás, ele roda em um bico especial. Em vez de mil palavras - veja o desenho, o chamado Bico Becker para separação aerodinâmica de isótopos de urânio (uma mistura de hidrogênio e hexafluoreto de urânio) sob pressão reduzida. O hexafluoreto de urânio é um gás muito pesado e leva ao desgaste de pequenas partes dos bicos (veja a escala) e pode se tornar sólido em áreas de alta pressão (por exemplo, na entrada do bocal), de modo que o hexafluoreto é diluído com hidrogênio. É claro que, com um teor de 4% de matérias-primas no gás e até pressão reduzida, a eficácia desse método não é grande. Desenvolvi esse método experimentado na África do Sul e na Alemanha.
Tudo que você precisa saber sobre a separação aerodinâmica é neste quadro. Bico
opçõesCentrifugação de gás
Provavelmente toda pessoa (e até um nerd!) Que já ouviu ao menos uma vez energia atômica, bombas e enriquecimento, em geral sabe o que é uma centrífuga, como funciona e que existem muitas dificuldades, segredos e know-how no design de tais dispositivos. Portanto, direi algumas palavras sobre a centrifugação de gás. No entanto, honestamente, as centrífugas a gás têm uma história muito rica de desenvolvimento e merecem um artigo separado.O princípio de operação é a separação devido a forças centrífugas, dependendo da diferença absoluta em massa. Durante a rotação (até 1000 r / s, velocidade periférica - 100 - 600 m / s), as moléculas mais pesadas vão para a periferia, mais leves - no centro (no rotor). Atualmente, este método é o mais produtivo e mais barato (com base no preço de $ / EPP).O Google está repleto de imagens esquemáticas de um dispositivo de centrifugação; darei apenas algumas fotos de como é a cascata montada. A propósito, em uma sala desse tipo, está bastante quente - o hexafluoreto de urânio está longe da temperatura ambiente e toda essa cascata também precisa ser resfriada.
Cascata de centrífuga URENCO. Grande, metros abaixo de 3 de altura.
Existem outros menores, cerca de meio metro. Nossa doméstica.
Para entender a escala, ou o que é uma "oficina de horizonte a horizonte".Enriquecimento a laser
O princípio físico do enriquecimento a laser é que os níveis de energia atômica de vários isótopos são ligeiramente diferentes.Este efeito pode ser usado para separar o U-235 do U-238, tanto na forma atômica - AVLIS, quanto na forma molecular - MLIS.O método utiliza pares de urânio e lasers que são sintonizados com precisão para um comprimento de onda específico, estimulando os átomos do 235º urânio. Em seguida, os átomos ionizados são removidos da mistura por um campo elétrico ou magnético.A tecnologia é muito simples e, de um modo geral, não requer dispositivos mecânicos super complexos, como grades de difusão ou centrífugas, existe outro problema.Em setembro de 2012, a Global Laser Enrichment LLC (GLE) - um consórcio da General Electric, Hitachi e Cameco - recebeu uma licença da Comissão Reguladora Nuclear dos EUA (NRC) para a construção de uma planta de separação a laser com capacidade de até 6 milhões de SWU no local da joint venture existente GE, Toshiba e Hitachi Fuel Fabrication em Wilmington, Carolina do Norte. Enriquecimento planejado - até 8%. No entanto, o licenciamento foi suspenso devido a problemas com a difusão da tecnologia. As modernas tecnologias de enriquecimento (difusão e centrifugação) requerem equipamentos especiais, tão especiais que, de um modo geral, se você quiser, através do monitoramento de contratos internacionais, pode indiretamente assumir quem enriquecerá o urânio "silenciosamente" (sem o conhecimento da AIEA) ou trabalhará nessa direção.E esse monitoramento está de fato em andamento. Se o método de enriquecimento a laser provar sua simplicidade e eficácia, o trabalho com urânio para armas pode começar a ser realizado onde não for realmente necessário. Portanto, enquanto o método a laser é de alguma forma esmagado.
Métodos de laser também pode incluir o método molecular, com base no facto da frequências de infravermelho ou ultravioleta uma absorção selectiva do espectro de infravermelhos por 235 UF 6 gás ocorre , o que permite que, subsequentemente, o uso do método de dissociação de moléculas excitadas ou separação química.O conteúdo relativo do U-235 pode ser aumentado em uma ordem de magnitude no primeiro estágio. Assim, uma única passagem é suficiente para fornecer enriquecimento de urânio suficiente para reatores nucleares.
Explicações para o método "molecular" com separação química.Benefícios do enriquecimento a laser:- Consumo de eletricidade: 20 vezes menor que o da difusão.
- Cascata: o número de cascatas (de 0,7% a 3-5% do U-235) é inferior a 100, em comparação com 150.000 centrífugas.
- O custo da planta é significativamente menor.
- Amigo do ambiente: em vez de hexafluoreto de urânio, é utilizado urânio metálico menos perigoso.
- A necessidade de urânio natural é 30% menor.
- 30% menos rejeitos (lixões).
Comparação de diferentes métodos
Enriquecimento de urânio na Rússia
Atualmente, existem quatro plantas de enriquecimento na Rússia:A Rússia possui uma indústria poderosa para a separação de isótopos ~ 40% do mercado global, com base no método de centrifugação mais econômico (hoje).Para o ano 2000 As capacidades de enriquecimento na Rússia estão distribuídas da seguinte forma: 40% para necessidades domésticas, 13% para processamento de lixões de usuários estrangeiros, 30% para processamento de HEU e LEU e 17% para pedidos externos. Tudo isso é um átomo pacífico. Interrompemos a produção de urânio enriquecido para fins militares desde 1989. Até 2004 170 toneladas (de aproximadamente 500 toneladas) de HEU (urânio altamente enriquecido) foram processadas sob o acordo da HEU-LEU.Isso é tudo. Obrigado pela atenção.