Uraani rikastamise põhimõte. Kui keegi ei vaja looduslikku uraani, siis kuidas me saame rikastatud uraani? Uraani rikastamise tehnoloogiad
Tuumarelvad, tahame või mitte, on reaalsus, millega inimkond on elanud alates eelmise sajandi keskpaigast. Tuumareaktorid annavad energiasüsteemidesse olulise panuse, hoolimata sellest, kuidas tuumaenergia kriitikud vaidlevad. erinevad riigid. Mõlemal juhul kasutatakse radioaktiivset materjali. See on peamiselt uraan, perioodilisuse tabeli 92. element.
Erinevad uudisteallikad edastavad regulaarselt oma lehtedelt, et see või teine osariik on alustanud uraani rikastamist. Miks see maailma üldsusele nii muret teeb, mis selles hirmutavat on ja kuidas see rikastamine toimub?
Miks on rikastatud uraan nii hirmutav?
Uraan ehk relvade kvaliteediga plutoonium on puhtal kujul ohtlik ühel lihtsal põhjusel: teatud tehnilise baasi olemasolul saab neist valmistada lõhkeaine tuumaseadet.
Joonisel on skemaatiline kujutis lihtsast tuumalõhkepeast. Tuumakütuse toorikud 1 ja 2 asuvad kesta sees. Igaüks neist moodustab ühe osa kogu kuulist ja kaalub veidi vähem kui pommis kasutatud relvakvaliteediga metalli kriitiline mass.
TNT detoneeriva laengu plahvatamisel ühendatakse uraani valuplokid 1 ja 2 üheks, nende kogumass ületab kindlalt antud materjali kriitilise massi, mis põhjustab tuuma ahelreaktsiooni ja vastavalt aatomiplahvatuse.
See ei tundu midagi keerulist, kuid tegelikult pole see muidugi nii. Vastasel juhul oleks planeedil tuumarelvi omavaid riike suurusjärgu võrra rohkem. Lisaks suureneks oluliselt oht, et sellised ohtlikud tehnoloogiad satuvad piisavalt võimsate ja arenenud terrorirühmituste kätte.
Trikk seisneb selles, et ainult väga rikkad jõud, kellel on arenenud teaduslik infrastruktuur, suudavad uraani rikastada isegi praeguse tehnoloogia arenguga. Uraani isotoopide 235 ja 238 eraldamine on veelgi keerulisem, ilma milleta aatomiseade ei tööta.
Uraanikaevandused: tõde ja väljamõeldis
NSV Liidus oli vilistide tasemel hüpotees, et uraanikaevandustes töötasid surmale määratud kurjategijad, lunastades sellega oma süüd partei ja nõukogude rahva ees. See pole muidugi tõsi.
Uraani kaevandamine on mäetööstuse kõrgtehnoloogiline haru ja on ebatõenäoline, et keegi lubaks paadunud tapjatel ja röövlitel töötada keerukate ja väga kallite seadmetega. Veelgi enam, kuulujutud, et uraanikaevurid peavad kandma gaasimaski ja pliipesu, pole samuti muud kui müüt.
Uraani kaevandatakse mõnikord kuni kilomeetri sügavustes kaevandustes. Selle elemendi suurimad varud on Kanadas, Venemaal, Kasahstanis ja Austraalias. Venemaal saadakse ühest tonnist maagist keskmiselt umbes poolteist kilogrammi uraani. See pole kaugeltki suurim näitaja. Mõnes Euroopa kaevanduses ulatub see näitaja 22 kg tonni kohta.
Kaevanduses on kiirgusfoon ligikaudu sama, mis stratosfääri piiril, kus lapitakse tsiviilreisilennukeid.
Uraani maak
Uraani rikastamine algab kohe pärast kaevandamist, otse kaevanduse kõrval. Lisaks metallile sisaldab uraan, nagu iga teinegi maak, jääkkivi. Rikastamise algetapp taandub kaevandusest tõstetud munakivide sorteerimisele: uraanirikkaks ja uraanivaeseks. Sõna otseses mõttes iga tükk kaalutakse, mõõdetakse automaatsete masinatega ja saadetakse sõltuvalt selle omadustest ühte või teise voolu.
Seejärel tuleb mängu veski, mis jahvatab uraanirikka maagi peeneks pulbriks. See pole aga veel uraan, vaid ainult selle oksiid. Puhta metalli saamine on keeruline keemiliste reaktsioonide ja muundumiste ahel.
Siiski ei piisa ainult esiletõstmisest puhas metall algsetest keemilistest ühenditest. Kogu looduses leiduvast uraanist on 99% isotoop 238 hõivatud, jättes selle 235. vennale alla ühe protsendi. Nende eraldamine on kõige raskem ülesanne, mida iga riik ei suuda lahendada.
Gaasi difusiooni rikastamise meetod
See on esimene meetod, mille abil uraani rikastati. Seda kasutatakse endiselt USA-s ja Prantsusmaal. Põhineb 235 ja 238 isotoopide tiheduse erinevusel. Oksiidist eraldatud uraangaas pumbatakse kõrge rõhu all membraaniga eraldatud kambrisse. 235 isotoobi aatomid on kergemad, seetõttu liiguvad nad tekkivast soojusosast kiiremini kui uraani 238 "aeglased" aatomid ja vastavalt sellele tabavad nad membraani sagedamini ja intensiivsemalt. Tõenäosusteooria seaduste kohaselt on neil suurem võimalus sattuda ühte mikropoori ja sattuda selle sama membraani teisele poole.
Selle meetodi efektiivsus on madal, kuna isotoopide erinevus on väga-väga ebaoluline. Aga kuidas teha kasutatavat rikastatud uraani? Vastus on selle meetodi kasutamine palju, mitu korda. Elektrijaama reaktori kütuse tootmiseks sobiva uraani saamiseks korratakse gaasi difusioonpuhastussüsteemi mitusada korda.
Ekspertide ülevaated selle meetodi kohta on erinevad. Ühest küljest oli gaasi difusioonieraldusmeetod esimene, mis andis USA-le kvaliteetse uraani, muutes USA-st mõneks ajaks sõjalise sfääri liidriks. Teisest küljest arvatakse, et gaasiline difusioon tekitab vähem jäätmeid. Ainus, mis meid alt veab, on sel juhul, - lõpptoote kõrge hind.
Tsentrifuugi meetod
See on nõukogude inseneride areng. Praegu on lisaks Venemaale hulk riike, kus nad rikastavad uraani NSV Liidus avastatud meetodil. Need on Brasiilia, Suurbritannia, Saksamaa, Jaapan ja mõned teised osariigid. Meetod sarnaneb gaasilise difusioonitehnoloogiaga, kuna selles kasutatakse 235 ja 238 isotoobi massivahet.
Gaasi uraan tsentrifuugis tsentrifuugitakse kiirusel kuni 1500 pööret minutis. Erineva tiheduse tõttu mõjuvad isotoopidele erineva suurusega tsentrifugaaljõud. Uraan 238, olles raskem, koguneb tsentrifuugi seinte lähedusse, samas kui 235. isotoop koguneb keskmele lähemale. Gaasi segu pumbatakse silindri ülaossa. Pärast tsentrifuugi põhja jõudmist on isotoopidel aega osaliselt eralduda ja need valitakse eraldi.
Hoolimata asjaolust, et meetod ei taga ka isotoopide 100% eraldamist ja seda tuleb vajaliku rikastusastme saavutamiseks kasutada mitu korda, on see majanduslikult palju tõhusam kui gaasi difusioon. Seega on Venemaal tsentrifuugitehnoloogia abil rikastatud uraan ligikaudu 3 korda odavam kui Ameerika membraanide abil saadud uraan.
Rikastatud uraani kasutamine
Milleks kogu see keeruline ja kallis bürokraatia koos puhastamisega, metalli eraldamine oksiididest, isotoopide eraldamine? Tuumaenergeetikas kasutatavatest rikastatud uraan 235 (vardad - kütusevardad) on sellistest 7 grammi kaaluvatest "tablettidest" kokku pandud, mis asendab ligikaudu kolm 200-liitrist barrelit bensiini või umbes tonni kivisütt.
Sõltuvalt puhtusest ja isotoopide 235 ja 238 vahekorrast kasutatakse rikastatud ja vaesestatud uraani erinevalt.
Isotoop 235 on energiamahukam kütus. Uraani loetakse rikastatuks, kui 235 isotoobi sisaldus on üle 20%. See on tuumarelvade alus.
Samuti kasutatakse rikastatud energiarikkaid tooraineid tuumareaktorite kütusena allveelaevad ja kosmoselaevadel piiratud massi ja suuruse tõttu.
Vaesestatud uraan, mis sisaldab peamiselt isotoopi 238, on statsionaarne kütus tuumareaktorid tsiviilotstarbel. Looduslikku uraani kasutavaid reaktoreid peetakse vähem plahvatusohtlikeks.
Muide, Venemaa majandusteadlaste arvutuste kohaselt hakkavad perioodilisuse tabeli 92 elemendi praeguse tootmismäära säilitamisel aastaks 2030 ammenduma selle varud uuritud kaevandustes üle maailma. Seetõttu ootavad teadlased seda kui odava ja kättesaadava energia allikat tulevikus.
See on ülikõrgtehnoloogiline ala. Kui Lääs (eelkõige USA) läks gaasi difusioonirikastamise teed, siis NSV Liit tsentrifuugide teed. Selle tulemusena selgus, et nii uraani rikastamise energiakulu kui ka rikastamise efektiivsuse poolest on “vene meetod” vähemalt 20 korda parem kui Ameerika oma. ...
See, kes kaevandab ja rikastab uraani paremini ja odavamalt, saab samal ajal võimaluse domineerida tuumajaamade ehitusturul – mis on nii kiiresti arenev kui ka kõrgtehnoloogiline. See on üks maailma peamisi turge, kus müüakse kõige kasumlikumaid tooteid: nagu majandusteadlased ütlevad, "kõrge lisandväärtusega". Venemaal pole selles vallas veel võrdset.
Originaal võetud arctus
* * *
Loodusliku uraani kaevandamine on pool võitu. Selleks, et see töötaks reaktoris, andes energiat, tuleb seda rikastada. See tähendab, et suurendada U235 isotoobi sisaldust selles umbes viis korda. Ja see ülesanne on väga-väga raske, kuna U235 erineb väga vähesel määral oma täielikust keemilisest “suhtlikust” U238-st – tuumas on vaid kolm neutronit enam kui kahesajast kolmekümnest.
Uraani rikastamiseks on teada kolm meetodit. Lisaks nõuavad need kõik uraani kasutamist gaasilise ühendi kujul, mille molekulis on minimaalselt "lisa" aatomeid. Kõige mugavam neist ühenditest osutus heksafluoriidiks, milles "raske" uraani aatom on ühendatud kuue "kerge" fluoriaatomiga ja mis muutub temperatuuril 56,5 ° C gaasiks.
Esimene rikastamismeetod on gaasi difusioon. Selles "pressitakse" uraanheksafluoriid läbi peeneks poorse keskkonna ja selle tulemusena "jooksevad ette" kergemad molekulid koos U235-ga, mis kogunevad gaasi difusioonikolonni esiossa.
Teine rikastamismeetod on gaasitsentrifuug. Selles siseneb uraanheksafluoriid suurel kiirusel pöörlevasse tsentrifuugi ja selles kogunevad pöörlemisteljele lähemale kergemad U235 molekulid ning raskemad U238 molekulid "visatakse" seintele ja eemaldatakse.
Kolmas meetod (mis ei ole veel katsetootmise etapist väljunud) on laser-elektrostaatiline. Selles väga täpselt valitud energiatasemega laserkiirgus "lööb" heksafluoriidis olevatest U235 aatomitest valikuliselt välja elektronid, muutes need positiivselt laetud ioonideks. Ja siis need ioonid “kleepuvad” rikastustehase negatiivse elektroodi külge.
Raske? Tegelikult on see palju keerulisem, kui siin kirjas. Ja see pole mitte ainult raske, vaid ka väga kallis. Seetõttu on maailmas vaid 15 riiki, millel on oma uraani rikastamise võimsused.Tähestikulises järjekorras: Argentina, Brasiilia, Suurbritannia, Saksamaa, Iisrael, India, Iraan, Hiina, Belgia, Põhja-Korea, Pakistan, Venemaa, USA, Prantsusmaa, Jaapan. Veelgi enam, Venemaal on 40% maailma uraani rikastamise võimsusest, USA-l 20%, Prantsusmaal 15%, Saksamaal, Suurbritannial ja Belgial kokku 22% ning ülejäänud maailmal vaid 3%.
Kuid uraani saab rikastada erineval viisil. Võite jõuda 3,5% U235 energiakvaliteedini või 80–90% U235-ni (ja seejärel tuumarelvi valmistada). Seetõttu on uraani rikastamisega tegelevad riigid kohustatud andma oma rikastamiskompleksid IAEA kontrolli ja kontrolli alla.
Meie teema jaoks on aga olulisem midagi muud.
Kuna pommid olid Lääne ja NSV Liidu vahelise "tuumavõidusõidu" algfaasis põhiprobleemiks, oli uraani rikastamise valdkond rangelt salastatud. Ja kui Lääs (eelkõige USA) läks gaasi difusioonirikastamise teed, siis NSV Liit tsentrifuugide teed.
Selle tulemusena selgus, et nii uraani rikastamise energiakulu kui ka rikastamise efektiivsuse poolest on “vene meetod” vähemalt 20 korda parem kui Ameerika oma! See on selline "majanduslik tuumarelv", mille Nõukogude käsitöölised leiutasid ja lõid. Veelgi enam, enam kui 20 aasta jooksul, mis on möödunud mõnede nõukogude "tsentrifuugi" saladuste avalikustamisest, ei ole USA ega ükski teine riik selles piirkonnas suutnud Venemaale "järele jõuda ja mööduda". Nüüd on USA ja Prantsusmaa alles saamas kaasaegseid kvaliteetseid tsentrifuuge, kuid veel pole piisavalt tehaseid, mis suudaksid pakkuda odavat ja head rikastamist tööstusvoolule. Ja selliste tehaste ehitamine on jällegi keeruline ja aeganõudev ülesanne.
* * *
Väljavõttest Yu.V. Byaly tuumaenergia tsükli "Suur energiasõda" osana.
H loe:
- tuumaenergia ressursside kättesaadavuse kohta;
- kümme esimest riiki, kellele need reservid kuuluvad;
- ülemaailmne võitlus olemasolevate suurte uraanimaardlate kontrolli eest, kuum ja vaikne;
- tuumaelektrijaamade ehitamise lepingute olulised nüansid.
Kust tuli uraan? Tõenäoliselt ilmub see supernoova plahvatuste ajal. Fakt on see, et rauast raskemate elementide nukleosünteesiks peab olema võimas neutronite voog, mis toimub just supernoova plahvatuse ajal. Näib, et siis peaks selle moodustatud uute tähesüsteemide pilvest kondenseerumisel protoplanetaarsesse pilve kogunenud ja väga raske uraan planeetide sügavusse vajuma. Aga see pole tõsi. Uraan on radioaktiivne element ja lagunedes eraldab see soojust. Arvutused näitavad, et kui uraan oleks jaotunud ühtlaselt kogu planeedi paksusele, vähemalt sama kontsentratsiooniga kui pinnal, eraldaks see liiga palju soojust. Pealegi peaks selle vool uraani tarbimisel nõrgenema. Kuna midagi sellist pole täheldatud, arvavad geoloogid, et vähemalt kolmandik uraanist ja võib-olla kogu see on koondunud maakooresse, kus selle sisaldus on 2,5∙10–4%. Miks see juhtus, sellest ei räägita.
Kust uraani kaevandatakse? Uraani pole Maal nii vähe – see on külluse poolest 38. kohal. Ja suurem osa sellest elemendist sisse settekivimid- süsinikku sisaldavad kiltkivid ja fosforiidid: vastavalt kuni 8∙10 –3 ja 2,5∙10 –2%. Kokku sisaldab maakoor 10 14 tonni uraani, kuid peamine probleem on see, et see on väga hajutatud ega moodusta võimsaid ladestusi. Tööstuslik tähtsus sisaldab umbes 15 uraani mineraali. See on uraanitõrv - selle aluseks on neljavalentne uraanioksiid, uraani vilgukivi - mitmesugused silikaadid, fosfaadid ja keerukamad ühendid vanaadiumi või kuuevalentse uraani baasil titaaniga.
Mis on Becquereli kiired? Pärast röntgenikiirte avastamist Wolfgang Roentgeni poolt hakkas prantsuse füüsik Antoine-Henri Becquerel huvi tundma uraanisoolade kuma vastu, mis tekib päikesevalguse mõjul. Ta tahtis aru saada, kas siin on ka röntgenikiirgus. Tõepoolest, nad olid kohal – sool valgustas fotoplaati läbi musta paberi. Ühes katses aga soola ei valgustatud, kuid fotoplaat tumenes siiski. Kui soola ja fotoplaadi vahele asetati metallese, oli tumenemine selle all väiksem. Seetõttu ei tekkinud uued kiired uraani valguse ergastamise tõttu ega läbinud metalli osaliselt. Algselt nimetati neid "Becquereli kiirteks". Hiljem avastati, et need on peamiselt alfakiired, millele on lisatud väike beetakiirte sisaldus: tõsiasi on see, et uraani peamised isotoobid eraldavad lagunemise käigus alfaosakesi ja ka tütarproduktid kogevad beeta-lagunemist.
Kui radioaktiivne on uraan? Uraanil pole stabiilseid isotoope, need on kõik radioaktiivsed. Kõige pikema elueaga on uraan-238, mille poolestusaeg on 4,4 miljardit aastat. Edasi tuleb uraan-235 – 0,7 miljardit aastat. Mõlemad läbivad alfalagunemise ja neist saavad vastavad tooriumi isotoobid. Uraan-238 moodustab üle 99% kogu looduslikust uraanist. Tänu oma tohutule poolestusajale on selle elemendi radioaktiivsus madal ja lisaks ei suuda alfaosakesed tungida läbi inimkeha pinnal oleva sarvkihi. Nad ütlevad, et pärast uraaniga töötamist pühkis I. V. Kurchatov lihtsalt käed taskurätikuga ega põdenud ühtegi radioaktiivsusega seotud haigust.
Teadlased on korduvalt pöördunud uraanikaevanduste ja -töötlemistehaste töötajate haiguste statistika poole. Siin on näiteks Kanada ja Ameerika spetsialistide hiljutine artikkel, mis analüüsis enam kui 17 tuhande töötaja terviseandmeid Kanadas Saskatchewani provintsis asuvas Eldorado kaevanduses aastatel 1950–1999 ( Keskkonnauuringud, 2014, 130, 43–50, DOI:10.1016/j.envres.2014.01.002). Nad lähtusid sellest, et kiiritus mõjutab kõige tugevamalt kiiresti paljunevaid vererakke, mis viib vastavate vähiliikideni. Statistika on näidanud, et kaevandustöölistel on esinemissagedus erinevat tüüpi Verevähki esineb vähem kui kanadalastel keskmiselt. Sel juhul ei peeta peamiseks kiirgusallikaks uraani ennast, vaid selle tekitatavat gaasilist radooni ja selle lagunemissaadusi, mis võivad kopsude kaudu organismi sattuda.
Miks on uraan kahjulik?? See, nagu ka teised raskmetallid, on väga mürgine ja võib põhjustada neeru- ja maksapuudulikkust. Seevastu uraan on hajutatud elemendina paratamatult vees, pinnases ja toiduahelasse koondudes satub inimkehasse. On mõistlik eeldada, et evolutsiooni käigus on elusolendid õppinud neutraliseerima uraani looduslikes kontsentratsioonides. Uraan on vees kõige ohtlikum, mistõttu WHO seadis piiri: algul oli see 15 µg/l, kuid 2011. aastal tõsteti norm 30 µg/g-ni. Uraani on vees reeglina palju vähem: USA-s keskmiselt 6,7 µg/l, Hiinas ja Prantsusmaal - 2,2 µg/l. Kuid on ka tugevaid kõrvalekaldeid. Nii et mõnes California piirkonnas ületab see normi - 2,5 mg/l - sada korda ja Lõuna-Soomes ulatub 7,8 mg/l. Teadlased püüavad mõista, kas WHO standard on liiga range, uurides uraani mõju loomadele. Siin tüüpiline töö (BioMed Research International, 2014, ID 181989; DOI:10.1155/2014/181989). Prantsuse teadlased toitsid rotte üheksa kuud vett vaesestatud uraani lisanditega ja suhteliselt suurtes kontsentratsioonides - 0,2–120 mg/l. Alumine väärtus on vesi kaevanduse lähedal, ülemist aga kusagilt ei leia - uraani maksimaalne kontsentratsioon Soomes mõõdetuna on 20 mg/l. Autorite üllatuseks - artikkel kannab nime: "Uraani märgatava mõju ootamatu puudumine füsioloogilistele süsteemidele ..." - uraanil ei olnud rottide tervist praktiliselt mingit mõju. Loomad sõid hästi, võtsid korralikult kaalus juurde, ei kurtnud haiguste üle ega surnud vähki. Uraan ladestus nii nagu peabki eelkõige neerudesse ja luudesse ning sada korda väiksemates kogustes maksa ning selle kogunemine sõltus eeldatavasti vee sisaldusest. Kuid see ei põhjustanud neerupuudulikkust ega isegi põletiku molekulaarsete markerite märgatavat ilmnemist. Autorid soovitasid alustada WHO rangete juhiste läbivaatamist. Siiski on üks hoiatus: mõju ajule. Uraani oli rottide ajus vähem kui maksas, kuid selle sisaldus ei sõltunud vees olevast kogusest. Kuid uraan mõjutas aju antioksüdantide süsteemi toimimist: katalaasi aktiivsus suurenes 20%, glutatioonperoksidaasi aktiivsus 68–90% ja superoksiiddismutaasi aktiivsus vähenes 50% sõltumata annusest. See tähendab, et uraan põhjustas ajus selgelt oksüdatiivse stressi ja keha reageeris sellele. Seda efekti - uraani tugevat mõju ajule selle akumuleerumise puudumisel, muide, nagu ka suguelundites - märgati varem. Veelgi enam, vesi koos uraaniga kontsentratsioonis 75–150 mg/l, mida Nebraska ülikooli teadlased rottidele kuus kuud toitsid ( Neurotoksikoloogia ja teratoloogia, 2005, 27, 1, 135–144; DOI:10.1016/j.ntt.2004.09.001), mõjutas põllule lastud loomade, peamiselt isaste käitumist: nad ületasid jooni, tõusid tagajalgadele püsti ja karustavad karva teistmoodi kui kontrollrühmad. On tõendeid, et uraan põhjustab ka loomade mäluhäireid. Käitumismuutused olid korrelatsioonis lipiidide oksüdatsiooni tasemega ajus. Selgub, et uraanivesi muutis rotid terveks, kuid üsna rumalaks. Need andmed on meile kasulikud nn Lahesõja sündroomi analüüsimisel.
Kas uraan saastab kildagaasi arenduskohti? See sõltub sellest, kui palju uraani on gaasi sisaldavates kivimites ja kuidas see on nendega seotud. Näiteks uuris Buffalo ülikooli dotsent Tracy Bank Marcellus Shale'i, mis ulatub New Yorgi lääneosast Pennsylvania ja Ohio kaudu Lääne-Virginiasse. Selgus, et uraan on keemiliselt seotud täpselt süsivesinike allikaga (pidage meeles, et kõige suurema uraanisisaldusega on seotud süsinikkildad). Katsed on näidanud, et purustamisel kasutatav lahus lahustab uraani suurepäraselt. "Kui uraan nendes vetes jõuab maapinnale, võib see põhjustada ümbritseva piirkonna saastumist. See ei kujuta endast kiirgusohtu, kuid uraan on mürgine element,” märgib Tracy Bank ülikooli pressiteates 25. oktoobril 2010. Seni ei ole koostatud üksikasjalikke artikleid uraani või tooriumiga keskkonna saastumise ohu kohta kildagaasi tootmisel.
Miks on uraani vaja? Varem kasutati seda pigmendina keraamika ja värvilise klaasi valmistamisel. Nüüd on uraan tuumaenergia ja aatomirelvade aluseks. Sel juhul kasutatakse selle ainulaadset omadust - tuuma jagunemisvõimet.
Mis on tuuma lõhustumine? Tuuma lagunemine kaheks ebavõrdseks suureks tükiks. Just selle omaduse tõttu tekivad neutronkiirgusest tingitud nukleosünteesi käigus suurte raskustega uraanist raskemad tuumad. Nähtuse olemus on järgmine. Kui neutronite ja prootonite arvu suhe tuumas ei ole optimaalne, muutub see ebastabiilseks. Tavaliselt kiirgab selline tuum kas alfaosakest – kaks prootonit ja kaks neutronit või beetaosakest – positroni, millega kaasneb ühe neutroni muundumine prootoniks. Esimesel juhul saadakse perioodilisuse tabeli element, mis on paigutatud kaks lahtrit tagasi, teisel - üks lahter edasi. Kuid lisaks alfa- ja beetaosakeste kiirgamisele on uraani tuum võimeline ka lõhustuma – lagunema kahe perioodilisustabeli keskel oleva elemendi, näiteks baariumi ja krüptoni tuumadeks, mida ta teebki, olles saanud uue neutroni. See nähtus avastati vahetult pärast radioaktiivsuse avastamist, kui füüsikud eksponeerisid äsja avastatud kiirgust kõigele, mida nad suutsid. Sündmustest osavõtja Otto Frisch kirjutab sellest järgmiselt (“Füüsikaliste teaduste edusammud”, 1968, 96, 4). Pärast berülliumkiirte – neutronite – avastamist kiiritas Enrico Fermi nendega uraani eelkõige beetalagunemise tekitamiseks – lootis ta seda kasutada järgmise, 93. elemendi, mida nüüd nimetatakse neptuuniumiks, saamiseks. See oli tema, kes avastas kiiritatud uraani uut tüüpi radioaktiivsus, mis oli seotud transuraani elementide ilmumisega. Samal ajal suurendas neutronite aeglustamine, mille jaoks berülliumi allikas oli kaetud parafiinikihiga, seda indutseeritud radioaktiivsust. Ameerika raadiokeemik Aristide von Grosse arvas, et üks neist elementidest oli protaktiinium, kuid ta eksis. Kuid Otto Hahn, kes töötas toona Viini ülikoolis ja pidas 1917. aastal avastatud protaktiiniumi oma vaimusünnituseks, otsustas, et ta on kohustatud välja selgitama, millised elemendid on saadud. Koos Lise Meitneriga pakkus Hahn 1938. aasta alguses katsetulemustele tuginedes välja, et uraan-238 ja selle tütarelementide neutroneid neelavate tuumade mitmekordse beetalagunemise tõttu tekivad terved radioaktiivsete elementide ahelad. Peagi oli Lise Meitner sunnitud põgenema Rootsi, kartes natside võimalikku kättemaksu pärast Austria anšlussi. Hahn, jätkanud Fritz Strassmanniga katseid, avastas, et toodete hulgas on ka baariumit, elementi number 56, mida uraanist kuidagi ei saa: kõik uraani alfalagunemise ahelad lõpevad palju raskema pliiga. Teadlased olid tulemusest nii üllatunud, et nad seda ei avaldanud; nad kirjutasid kirju ainult sõpradele, eriti Lise Meitnerile Göteborgis. Seal, 1938. aasta jõulude ajal, külastas teda vennapoeg Otto Frisch, kes talvise linna läheduses jalutades – tema suuskadel, tädi jalgsi – arutasid baariumi ilmumise võimalust uraani kiiritamise ajal. tuuma lõhustumise tulemus (lisateavet Lise Meitneri kohta vt “Keemia ja elu”, 2013, nr 4). Kopenhaagenisse naastes püüdis Frisch sõna otseses mõttes kinni Niels Bohri USA-sse suunduva laeva käiguteelt ja rääkis talle lõhustumise ideest. Bohr ütles endale vastu lauba lüües: „Oi, millised lollid me olime! Oleksime pidanud seda varem märkama." 1939. aasta jaanuaris avaldasid Frisch ja Meitner artikli uraani tuumade lõhustumisest neutronite mõjul. Selleks ajaks oli Otto Frisch juba läbi viinud kontrollkatse, samuti paljud Ameerika rühmad, kes said Bohrilt sõnumi. Nad ütlevad, et füüsikud hakkasid oma laboritesse laiali minema just tema ettekande ajal 26. jaanuaril 1939 Washingtonis teoreetilise füüsika aastakonverentsil, kui nad mõistsid idee olemust. Pärast lõhustumise avastamist vaatasid Hahn ja Strassmann oma katsed üle ja leidsid, nagu ka nende kolleegid, et kiiritatud uraani radioaktiivsust ei seostata mitte transuraanidega, vaid perioodilisustabeli keskelt pärinevate lõhustumisel tekkinud radioaktiivsete elementide lagunemisega.
Kuidas toimub uraanis ahelreaktsioon? Varsti pärast seda, kui uraani ja tooriumi tuumade lõhustumise võimalikkus oli eksperimentaalselt tõestatud (ja muid lõhustuvaid elemente Maal märkimisväärses koguses ei leidu), uurisid Princetonis töötanud Niels Bohr ja John Wheeler, aga ka neist sõltumatult. Nõukogude teoreetiline füüsik Ya. I. Frenkel ning sakslased Siegfried Flügge ja Gottfried von Droste lõid tuuma lõhustumise teooria. Sellest järgnes kaks mehhanismi. Üks on seotud kiirete neutronite neeldumislävega. Selle kohaselt peab neutronil lõhustumise algatamiseks olema üsna kõrge energia, peamiste isotoopide - uraan-238 ja toorium-232 - tuumade jaoks üle 1 MeV. Madalama energia korral on uraan-238 neutronite neeldumisel resonantsne iseloom. Seega on 25 eV energiaga neutroni püüdmisristlõike pindala tuhandeid kordi suurem kui teiste energiate puhul. Sel juhul lõhustumist ei toimu: uraan-238 muutub uraan-239-ks, mis poolväärtusajaga 23,54 minutit muutub neptuunium-239-ks, mis poolväärtusajaga 2,33 päeva muutub pikaealiseks. plutoonium-239. Toorium-232-st saab uraan-233.
Teiseks mehhanismiks on neutroni läveta neeldumine, sellele järgneb kolmas enam-vähem levinud lõhustuv isotoop - uraan-235 (nagu ka plutoonium-239 ja uraan-233, mida looduses ei leidu): neelates mis tahes neutronit, isegi aeglast, nn termilist energiat nagu soojusliikumises osalevate molekulide puhul - 0,025 eV, siis selline tuum jaguneb. Ja see on väga hea: termiliste neutronite ristlõikepindala on neli korda suurem kui kiiretel megaelektronvoltistel neutronitel. See on uraan-235 tähtsus kogu järgneva tuumaenergia ajaloo jaoks: just see tagab neutronite paljunemise looduslikus uraanis. Pärast neutroni tabamust muutub uraan-235 tuum ebastabiilseks ja jaguneb kiiresti kaheks ebavõrdseks osaks. Teel eraldub mitu (keskmiselt 2,75) uut neutronit. Kui need tabavad sama uraani tuumasid, panevad nad neutronite eksponentsiaalset paljunema – toimub ahelreaktsioon, mis tohutu soojushulga kiire vabanemise tõttu toob kaasa plahvatuse. Ei uraan-238 ega toorium-232 ei saa niimoodi töötada: lõhustumise ajal eralduvad ju neutronid keskmise energiaga 1–3 MeV, st kui energialävi on 1 MeV, on oluline osa neutronid ei saa kindlasti reaktsiooni tekitada ja paljunemist ei toimu. See tähendab, et need isotoobid tuleks unustada ja neutronid tuleb aeglustada soojusenergiaks, et nad saaksid võimalikult tõhusalt suhelda uraan-235 tuumadega. Samal ajal ei saa lubada nende resonantsne neeldumist uraan-238 poolt: lõppude lõpuks on looduslikus uraanis seda isotoopi veidi alla 99,3% ja neutronid põrkuvad sagedamini sellega, mitte aga sihtmärgiga uraan-235. Ja moderaatorina tegutsedes on võimalik hoida neutronite paljunemist konstantsel tasemel ja vältida plahvatust – juhtida ahelreaktsiooni.
Samal saatuslikul 1939. aastal Ya. B. Zeldovitši ja Yu. B. Kharitoni tehtud arvutus näitas, et selleks on vaja kasutada neutronite moderaatorit raske vee või grafiidi kujul ja rikastada looduslikku uraani uraaniga. 235 vähemalt 1,83 korda. Siis tundus see idee neile puhta fantaasiana: "Tuleb märkida, et umbes kahekordne rikastamine nende üsna oluliste uraanikoguste jaoks, mis on vajalikud ahelplahvatuse läbiviimiseks,<...>on äärmiselt tülikas ülesanne, mis on peaaegu praktiliselt võimatu. Nüüd on see probleem lahendatud ja tuumatööstus toodab elektrijaamade jaoks uraan-235-ga rikastatud uraani massiliselt 3,5%-ni.
Mis on tuuma spontaanne lõhustumine? 1940. aastal avastasid G. N. Flerov ja K. A. Petrzhak, et uraani lõhustumine võib toimuda spontaanselt, ilma igasuguse välismõjuta, kuigi poolestusaeg on palju pikem kui tavalise alfalagunemise korral. Kuna selline lõhustumine tekitab ka neutroneid, siis kui neil ei lasta reaktsioonitsoonist välja pääseda, toimivad nad ahelreaktsiooni initsiaatoritena. Just seda nähtust kasutatakse tuumareaktorite loomisel.
Miks on tuumaenergiat vaja? Zeldovitš ja Khariton olid esimeste seas, kes arvutasid majanduslik mõju tuumaenergia (“Uspekhi Fizicheskikh Nauk”, 1940, 23, 4). “...Hetkel on veel võimatu teha lõplikke järeldusi lõpmatult hargnevate ahelatega tuuma lõhustumise reaktsiooni läbiviimise võimalikkuse või võimatuse kohta uraanis. Kui selline reaktsioon on teostatav, reguleeritakse reaktsiooni kiirust automaatselt, et tagada selle sujuv kulgemine, hoolimata eksperimenteerija käsutuses olevast tohutust energiahulgast. See asjaolu on reaktsiooni energiakasutuse seisukohalt äärmiselt soodne. Seetõttu esitagem - kuigi see on tapmata karu naha jaotus - mõned numbrid, mis iseloomustavad uraani energiakasutuse võimalusi. Kui jagamisprotsess jätkub kiired neutronid Seetõttu haarab reaktsioon uraani peamise isotoobi (U238), siis<исходя из соотношения теплотворных способностей и цен на уголь и уран>uraani põhiisotoobi kalori maksumus osutub ligikaudu 4000 korda odavamaks kui kivisöel (muidugi juhul, kui "põlemis" ja soojuse eemaldamise protsessid uraani puhul palju kallimaks ei osutu kui kivisöe puhul). Aeglaste neutronite puhul on "uraani" kalori maksumus (ülaltoodud arvude põhjal), arvestades, et U235 isotoobi arvukus on 0,007, juba vaid 30 korda odavam kui "söe" kalor, kõik muud asjad on võrdsed."
Esimese kontrollitud ahelreaktsiooni viis 1942. aastal läbi Enrico Fermi Chicago ülikoolis ja reaktorit juhiti käsitsi – neutronivoo muutudes lükates sisse ja välja grafiitvardaid. Esimene elektrijaam ehitati Obninskisse 1954. aastal. Lisaks energia tootmisele töötasid esimesed reaktorid ka relvade kvaliteediga plutooniumi tootmiseks.
Kuidas tuumaelektrijaam töötab? Tänapäeval töötab enamik reaktoreid aeglastel neutronitel. Rikastatud uraan metalli, sulami, näiteks alumiiniumi või oksiidi kujul asetatakse pikkadesse silindritesse, mida nimetatakse kütuseelementideks. Need paigaldatakse reaktorisse teatud viisil ja nende vahele on sisestatud moderaatorivardad, mis juhivad ahelreaktsiooni. Aja jooksul kogunevad kütuseelemendisse reaktorimürgid – uraani lõhustumisproduktid, mis on samuti võimelised neutroneid neelama. Kui uraan-235 kontsentratsioon langeb alla kriitilise taseme, võetakse element kasutusest välja. See sisaldab aga palju tugeva radioaktiivsusega lõhustumisfragmente, mis aastatega väheneb, mistõttu elemendid eraldavad pikka aega märkimisväärsel hulgal soojust. Neid hoitakse jahutusbasseinides ning seejärel kas maetakse maha või üritatakse neid töödelda – ekstraheerida põletamata uraan-235, toota plutooniumi (sellest valmistati aatomipomme) ja muid kasutatavaid isotoope. Kasutamata osa saadetakse matmispaika.
Niinimetatud kiirreaktorites ehk aretusreaktorites paigaldatakse elementide ümber uraan-238-st või toorium-232-st helkurid. Need aeglustavad ja saadavad reaktsioonitsooni tagasi liiga kiired neutronid. Resonantskiiruseni aeglustunud neutronid neelavad neid isotoope, muutudes vastavalt plutoonium-239-ks või uraan-233-ks, mida saab kasutada tuumaelektrijaama kütusena. Kuna kiired neutronid reageerivad uraan-235-ga halvasti, tuleb selle kontsentratsiooni oluliselt tõsta, kuid see tasub end ära tugevama neutronivooga. Hoolimata asjaolust, et aretusreaktoreid peetakse tuumaenergia tulevikuks, kuna need toodavad rohkem tuumakütust kui tarbivad, on katsed näidanud, et neid on raske hallata. Nüüd on maailmas alles vaid üks selline reaktor - Belojarski tuumaelektrijaama neljandas energiaplokis.
Kuidas nad kritiseerivad tuumaenergia? Kui õnnetustest ei räägita, siis tuumaenergeetika vastaste argumentide põhipunktiks on täna ettepanek lisada selle efektiivsuse arvutusse keskkonnakaitse kulud pärast jaama dekomisjoneerimist ja kütusega töötamisel. Mõlemal juhul tekivad väljakutsed radioaktiivsete jäätmete usaldusväärseks kõrvaldamiseks ja need on riigi kanda. Arvatakse, et kui need üle kanda energiakuludesse, kaob selle majanduslik atraktiivsus.
Vastuseis on ka tuumaenergia pooldajate seas. Selle esindajad viitavad uraan-235 ainulaadsusele, millel pole asendust, sest alternatiivseid isotoope, mis lõhustuvad termiliste neutronitega - plutoonium-239 ja uraan-233 - nende poolestusaja tõttu tuhandeid aastaid, looduses ei leidu. Ja need saadakse just uraan-235 lõhustumise tulemusena. Kui see otsa saab, kaob imeline looduslik neutronite allikas tuuma ahelreaktsiooni jaoks. Sellise raiskamise tagajärjel kaotab inimkond tulevikus võimaluse kaasata energiaringesse toorium-232, mille varud on uraanist kordades suuremad.
Teoreetiliselt saab osakeste kiirendeid kasutada megaelektronvolti energiaga kiirete neutronite voo tekitamiseks. Kui aga me räägime Näiteks tuumamootori planeetidevaheliste lendude kohta, siis on mahuka kiirendiga skeemi rakendamine väga keeruline. Uraan-235 ammendumine teeb sellistele projektidele lõpu.
Mis on relvakvaliteediga uraan? See on kõrgelt rikastatud uraan-235. Selle kriitiline mass – see vastab ainetüki suurusele, milles toimub spontaanselt ahelreaktsioon – on laskemoona tootmiseks piisavalt väike. Sellist uraani saab kasutada aatomipommi valmistamiseks ja ka termotuumapommi kaitsmena.
Millised katastroofid on seotud uraani kasutamisega? Lõhustuvate elementide tuumadesse salvestatud energia on tohutu. Kui see tähelepanuta jätmise tõttu või tahtlikult kontrolli alt väljub, võib see energia tekitada palju probleeme. Kaks kõige hullemat tuumakatastroofi toimusid 6. ja 8. augustil 1945, kui USA õhujõud viskasid Hiroshimale ja Nagasakile aatomipommid, tappes ja vigastades sadu tuhandeid tsiviilisikuid. Väiksemad katastroofid on seotud õnnetustega tuumaelektrijaamades ja tuumatsükli ettevõtetes. Esimene suurem õnnetus juhtus 1949. aastal NSV Liidus Tšeljabinski lähedal asuvas Majaki tehases, kus toodeti plutooniumi; Vedelad radioaktiivsed jäätmed sattusid Techa jõkke. Septembris 1957 toimus sellel plahvatus, mille käigus paiskus välja suur hulk radioaktiivset materjali. Üksteist päeva hiljem põles Briti plutooniumitootmisreaktor Windscale'is maha ja pilv koos plahvatusproduktidega hajus. Lääne-Euroopa. 1979. aastal põles Pennsylvanias Three Mail Islandi tuumaelektrijaama reaktor. Õnnetused kell Tšernobõli tuumaelektrijaam(1986) ja Fukushima tuumaelektrijaam (2011), mil miljonid inimesed puutusid kokku kiirgusega. Esimesed risustasid tohutuid alasid, millest eraldus plahvatuse tagajärjel 8 tonni uraanikütust ja lagunemissaadusi, mis levisid üle Euroopa. Teine reostunud ja kolm aastat pärast õnnetust saastab jätkuvalt Vaikse ookeani püügipiirkondades. Nende õnnetuste tagajärgede likvideerimine oli väga kulukas ja kui need kulud elektrikuluks jaotada, kasvaks see oluliselt.
Omaette teema on tagajärjed inimeste tervisele. Ametliku statistika järgi said paljud pommitamise ellujäänud või saastunud aladel elanud inimesed kiirgusest kasu – esimestel on pikem eluiga, teistel vähem vähki ning eksperdid peavad mõningase suremuse tõusu põhjuseks sotsiaalset stressi. Just õnnetuste või nende likvideerimise tagajärjel hukkunute arv ulatub sadadesse inimestesse. Vastased tuumaelektrijaamad näitavad, et õnnetused on Euroopa mandril põhjustanud mitu miljonit enneaegset surma, on need statistilisel taustal lihtsalt nähtamatud.
Maade eemaldamine inimkasutusest õnnetustsoonides annab huvitava tulemuse: neist saavad omamoodi looduskaitsealad, kus kasvab elurikkus. Tõsi, mõned loomad põevad kiirgusega seotud haigusi. Küsimus, kui kiiresti nad suurenenud taustaga kohanevad, jääb lahtiseks. Samuti on levinud arvamus, et kroonilise kiiritamise tagajärjeks on “valik lollidele” (vt “Keemia ja elu”, 2010, nr 5): ka embrüonaalses staadiumis jäävad ellu primitiivsemad organismid. Eelkõige inimeste puhul peaks see kaasa tooma vaimsete võimete languse põlvkonnal, kes on sündinud saastunud aladel vahetult pärast õnnetust.
Mis on vaesestatud uraan? See on uraan-238, mis jääb alles pärast uraan-235 eraldamist sellest. Relvakvaliteediga uraani ja kütuseelementide tootmisel tekkivate jäätmete mahud on suured – ainuüksi USA-sse on sellist uraanheksafluoriidi kogunenud 600 tuhat tonni (sellega seotud probleemide kohta vt Chemistry and Life, 2008, nr 5) . Uraan-235 sisaldus selles on 0,2%. Neid jäätmeid tuleb kas hoida kuni paremate aegadeni, mil luuakse kiired neutronreaktorid ja uraan-238 on võimalik töödelda plutooniumiks, või kuidagi ära kasutada.
Nad leidsid sellele kasutuse. Uraani, nagu ka teisi üleminekuelemente, kasutatakse katalüsaatorina. Näiteks artikli autorid aastal ACS Nano 30. juunil 2014 kirjutavad nad, et uraanist või tooriumist koos grafeeniga valmistatud katalüsaatoril hapniku ja vesinikperoksiidi redutseerimiseks "on tohutu potentsiaal kasutada energiasektoris". Kuna uraanil on suur tihedus, toimib see laevade ballastina ja lennukite vastukaaluna. See metall sobib ka kiirguskaitseks kiirgusallikatega meditsiiniseadmetes.
Milliseid relvi saab valmistada vaesestatud uraanist? Kuulid ja südamikud soomust läbistavate mürskude jaoks. Siin on arvutus järgmine. Mida raskem on mürsk, seda suurem on selle kineetiline energia. Kuid mida suurem on mürsk, seda vähem kontsentreeritud on selle löök. See tähendab, et vaja on suure tihedusega raskmetalle. Kuulid on valmistatud pliist (Uurali jahimehed kasutasid omal ajal ka looduslikku plaatinat, kuni said aru, et see on väärismetall), kesta südamikud aga volframisulamist. Keskkonnakaitsjad juhivad tähelepanu, et plii saastab pinnast sõjategevuse või jahipidamise kohtades ning parem oleks asendada see millegi vähemkahjulikuga, näiteks volframiga. Kuid volfram ei ole odav ja uraan, mille tihedus on sarnane, on kahjulik jäätmed. Samal ajal on pinnase ja vee lubatud saastatus uraaniga ligikaudu kaks korda kõrgem kui plii puhul. See juhtub seetõttu, et vaesestatud uraani nõrk radioaktiivsus (ja see on ka 40% väiksem kui looduslikul uraanil) jäetakse tähelepanuta ja see on tõeliselt ohtlik. keemiline tegur: uraan, nagu mäletame, on mürgine. Samal ajal on selle tihedus 1,7 korda suurem kui plii oma, mis tähendab, et uraani kuulide suurust saab poole võrra vähendada; uraan on palju tulekindlam ja kõvem kui plii – see aurustub tulistamisel vähem ja sihtmärki tabades tekitab see vähem mikroosakesi. Üldiselt on uraani kuul vähem saastav keskkond Uraani selline kasutamine pole aga kindlalt teada.
Kuid on teada, et vaesestatud uraanist valmistatud plaate kasutatakse Ameerika tankide soomuse tugevdamiseks (sellele aitavad kaasa selle kõrge tihedus ja sulamistemperatuur) ning soomust läbistavate mürskude südamike jaoks ka volframisulami asemel. Uraani tuum on hea ka seetõttu, et uraan on pürofooriline: selle kuumad väikesed osakesed, mis tekivad kokkupõrkel soomustega, süttivad ja süttivad kõik ümberringi. Mõlemat rakendust peetakse kiirgusohutuks. Nii näitas arvutus, et isegi pärast aastat istumist uraani laskemoonaga laetud uraansoomusega tankis saaks meeskond vaid veerandi lubatud doosist. Ja aastase lubatud annuse saamiseks peate sellist laskemoona 250 tunniks naha pinnale kruvima.
Ameeriklased on viimastes sõdades, alustades 1991. aasta Iraagi kampaaniast, kasutanud uraanisüdamikuga kestasid – 30-mm lennukisuurtükkide või suurtükiväe alamkaliibrite jaoks. Sel aastal sadas neid Kuveidis Iraagi soomusüksustele ja nende taganemise ajal tulistati lennukirelvadest 300 tonni vaesestatud uraani, millest 250 tonni ehk 780 tuhat padrunit. Bosnias ja Hertsegoviinas kulutati tunnustamata Serblaste Vabariigi armee pommitamisel 2,75 tonni uraani ning Jugoslaavia armee pommitamisel Kosovo ja Metohija piirkonnas - 8,5 tonni ehk 31 tuhat padrunit. Kuna WHO oli selleks ajaks mures uraani kasutamise tagajärgede pärast, viidi läbi järelevalve. Ta näitas, et üks salv koosnes ligikaudu 300 padrunist, millest 80% sisaldas vaesestatud uraani. 10% tabas sihtmärke ja 82% kukkus neist 100 meetri kaugusele. Ülejäänud hajusid 1,85 km kaugusele. Tanki tabanud kest põles ära ja muutus aerosooliks; uraani kest tungis läbi kergete sihtmärkide nagu soomustransportöörid. Seega võib Iraagis uraanitolmuks muutuda maksimaalselt poolteist tonni kestasid. Ameerika strateegiliste uuringute keskuse RAND Corporation ekspertide sõnul muutus 10–35% kasutatud uraanist aerosooliks. Horvaatia uraanivastase lahingumoona aktivist Asaf Durakovic, kes on töötanud erinevates organisatsioonides alates Riyadhi King Faisali haiglast kuni Washingtoni Uraani meditsiiniuuringute keskuseni, arvab, et ainuüksi Lõuna-Iraagis tekkis 1991. aastal 3–6 tonni submikronilisi uraaniosakesi. mis olid laiali laiali laiali, see tähendab, et uraani saastatus on võrreldav Tšernobõliga.
Artikli sisu
URAANITÖÖSTUS. Uraan on tuumaenergia peamine energiaallikas, mis toodab umbes 20% maailma elektrienergiast. Uraanitööstus hõlmab kõiki uraani tootmise etappe, sealhulgas uurimist, väljatöötamist ja maagi rikastamist. Uraani töötlemist reaktorikütuseks võib pidada uraanitööstuse loomulikuks haruks.
Vahendid.
Maailmas piisavalt usaldusväärselt uuritud uraanivarud, mida saab eraldada maagist hinnaga kuni 100 dollarit kilogrammi kohta, on hinnanguliselt ligikaudu 3,3 miljardit kg U 3 O 8 . Sellest ligikaudu 20% (umbes 0,7 miljardit kg U 3 O 8, cm. Joonis) langeb Austraaliale, millele järgneb USA (ca 0,45 miljardit kg U 3 O 8). Lõuna-Aafrikal ja Kanadal on uraani tootmiseks märkimisväärsed ressursid.
Uraani tootmine.
Uraani tootmise peamised etapid on maagi kaevandamine maa all või avatud meetod, maagi rikastamine (sorteerimine) ja uraani ekstraheerimine maagist leostumise teel. Kaevanduses ekstraheeritakse kivimassist uraanimaak puur-lõhkemeetodil, purustatud maak sorteeritakse ja purustatakse ning seejärel kantakse üle tugevasse happe lahusesse (väävel) või leeliselisse lahusesse (eelistatavaim naatriumkarbonaat). karbonaatmaakide puhul). Uraani sisaldav lahus eraldatakse lahustumata osakestest, kontsentreeritakse ja puhastatakse sorptsiooniga ioonivahetusvaikudel või ekstraheerimisega orgaaniliste lahustitega. Kontsentraat, tavaliselt U 3 O 8 oksiidi kujul, mida nimetatakse kollaseks koogiks, sadestatakse seejärel lahusest, kuivatatakse ja asetatakse terasmahutitesse, mille maht on umbes. 1000 l.
Uraani ekstraheerimiseks poorsetest maakidest setteline päritoluÜha enam kasutatakse in situ leotamist. Aluselist või happelist lahust juhitakse pidevalt läbi maagikehasse puuritud kaevude. See lahus sinna sattunud uraaniga kontsentreeritakse ja puhastatakse ning seejärel saadakse see sadestamisel. kollane kook.
Uraani töötlemine tuumakütuseks.
Loodusliku uraani kontsentraat – kollane kook – on tuumkütuse tsükli lähteaine. Loodusliku uraani muutmiseks nõuetele vastavaks kütuseks tuumareaktor, on vaja veel kolme etappi: üleminek UF 6-ks, uraani rikastamine ja kütuseelementide (kütuseelementide) tootmine.
Teisendamine UF6-ks.
Uraanoksiidi U 3 O 8 muundamiseks uraanheksafluoriidiks UF 6 redutseeritakse kollane kook tavaliselt veevaba ammoniaagiga UO 2-ks, millest seejärel saadakse UF 4 vesinikfluoriidhappe abil. Viimases etapis, toimides puhta fluoriga UF 4-le, saadakse UF 6 - tahke toode, mis sublimeerub toatemperatuuril ja normaalrõhul ning sulab kõrgendatud rõhul. Viis suurimad tootjad uraan (Kanada, Venemaa, Niger, Kasahstan ja Usbekistan) võivad kokku toota 65 000 tonni UF 6 aastas.
Uraani rikastamine.
Tuumkütusetsükli järgmises etapis suureneb U-235 sisaldus UF 6-s. Looduslik uraan koosneb kolmest isotoobist: U-238 (99,28%), U-235 (0,71%) ja U-234 (0,01%). Lõhustumisreaktsioon tuumareaktoris nõuab suuremat U-235 isotoobi sisaldust. Uraani rikastamine toimub kahe peamise isotoopide eraldamise meetodi abil: gaasi difusiooni meetod ja gaasi tsentrifuugimise meetod. (Uraani rikastamiseks kulutatud energiat mõõdetakse eraldustööühikutes, SWU.)
Gaaside difusioonimeetodil muudetakse tahke uraanheksafluoriid UF 6 rõhu alandamise teel gaasiliseks ja pumbatakse seejärel läbi spetsiaalsest sulamist valmistatud poorsete torude, mille seinte kaudu saab gaas difundeeruda. Kuna U-235 aatomite mass on väiksem kui U-238 aatomitel, hajuvad nad kergemini ja kiiremini. Difusiooniprotsessi käigus rikastub gaas U-235 isotoobiga ja torusid läbiv gaas ammendub. Rikastatud gaas juhitakse uuesti läbi torude ning protsess jätkub seni, kuni U-235 isotoobi sisaldus proovis saavutab tuumareaktori tööks vajaliku taseme (3–5%). (Relvakvaliteediga uraan vajab rikastamist tasemeni, mis on suurem kui 90% U-235.) Ainult 0,2–0,3% U-235 isotoobist jääb rikastamisjäätmete hulka. Gaasi difusioonimeetodit iseloomustab kõrge energiaintensiivsus. Sellel meetodil põhinevad tehased on saadaval ainult USA-s, Prantsusmaal ja Hiinas.
Venemaal, Suurbritannias, Saksamaal, Hollandis ja Jaapanis kasutatakse tsentrifuugimise meetodit, mille puhul UF 6 gaasi pööratakse väga kiiresti. Aatomite masside erinevuse ja seega ka aatomitele mõjuvate tsentrifugaaljõudude erinevuse tõttu rikastub voolu pöörlemistelje lähedal olev gaas kerge isotoobiga U-235. Rikastatud gaas kogutakse ja ekstraheeritakse.
Kütusevardade valmistamine.
Rikastatud UF 6 saabub tehasesse 2,5-tonnistes teraskonteinerites. Sellest saadakse hüdrolüüsi teel UO 2 F 2, mida seejärel töödeldakse ammooniumhüdroksiidiga. Sadestunud ammooniumdiuranaat filtreeritakse ja põletatakse, et saada uraandioksiid UO 2 , mis pressitakse ja paagutatakse väikesteks keraamilisteks graanuliteks. Tabletid asetatakse tsirkooniumisulamist (Zircaloy) valmistatud torudesse ja saadakse kütusevardad, nn. kütuseelemendid (kütuseelemendid), mis ühendavad ligikaudu 200 tükki terviklikeks kütusesõlmedeks, mis on valmis kasutamiseks tuumaelektrijaamades.
Kasutatud tuumkütus on väga radioaktiivne ja nõuab ladustamisel ja kõrvaldamisel erilisi ettevaatusabinõusid. Põhimõtteliselt saab seda taaskasutada, eraldades uraani- ja plutooniumijääkidest lõhustumisproduktid, mida saab taaskasutada tuumakütus. Kuid selline töötlemine on kallis ja vastav kaubandusettevõtted saadaval ainult mõnes riigis, näiteks Prantsusmaal ja Ühendkuningriigis.
Tootmismaht.
1980. aastate keskpaigaks, kui lootused tuumaenergia kiireks kasvuks luhtusid, langes uraani tootmine järsult. Paljude uute reaktorite ehitamine peatati ja olemasolevatesse ettevõtetesse hakkasid kogunema uraanikütuse varud. Nõukogude Liidu kokkuvarisemisega suurenes uraani pakkumine läänes veelgi.
Kas on tõsi, et keegi ei vaja looduslikku uraani? Vaatame tarbimist.
Hetkel maailmas nõutud järgmised tüübid rikastatud uraan:
- 1. Looduslik uraan (0,712%). Raskeveereaktorid (PHWR), näiteks CANDU
- 2. Nõrgalt rikastatud uraan (2-3%, 4-5%). Vesi-grafiit-tsirkoonium, vesi-vesi-tsirkoonium reaktorid, VVER, PWR, RBMK reaktorid
- 3. Keskmise rikastusega uraan (15-25%), kiirreaktorid, transpordireaktorid (jäämurdjad, ujuvad tuumajaamad) tuumaelektrijaamad
- 4. Kõrgrikastatud uraan (>50%), tuumaelektrijaamad (allveelaevad), uurimisreaktorid.
Rikastamismeetodite kohta tuleb artikkel.
Rikastamise tooraineks ei ole puhas metalliline uraan, vaid uraanheksafluoriid UF 6, mis oma omaduste kombinatsiooni tõttu on isotoopide rikastamiseks sobivaim keemiline ühend. Keemikute jaoks märgime, et uraani fluorimine toimub vertikaalses plasmareaktoris.
Vaatamata rikastamismeetodite rohkusele kasutatakse tänapäeval tööstuslikus mastaabis neist vaid kahte – gaasidifusiooni ja tsentrifuuge. Mõlemal juhul kasutatakse gaasi UF 6.
Lähemal isotoopide eraldamise küsimusele. Mis tahes meetodi puhul iseloomustab isotoopide eraldamise efektiivsust eralduskoefitsient α - "kerge" isotoobi osakaalu suhe "tootes" ja selle osakaalu esmases segus.
Enamiku meetodite puhul on α vaid veidi suurem kui ühtsus, nii et kõrge isotoobi kontsentratsiooni saamiseks tuleb ühe isotoobi eraldamise toimingut korrata mitu korda (kaskaade). Näiteks gaasi difusioonimeetodil α = 1,00429, tsentrifuugidel sõltub väärtus tugevalt perifeersest kiirusest - 250 m/s α = 1,026, 600 m/s α = 1,233. Ainult elektromagnetilise eraldamise korral on α 10-1000 1 eraldustsükli kohta. võrdlustabel mitme parameetri järgi on see lõpuks.
Kogu rikastusmasinate kaskaad on alati jagatud etappideks. Eralduskaskaadi esimeses etapis jagatakse algsegu vool kaheks vooluks: lahja (kaskaadist eemaldatud) ja rikastatud. Rikastatud söödetakse 2. etappi. Teises etapis eraldatakse kord rikastatud voog teist korda:
2. etapi rikastatud vool siseneb 3. astmesse ja selle ammendatud vool naaseb eelmisele (1.) jne. Kaskaadi viimasest etapist võetakse see lõpetatud toode antud isotoobi vajaliku kontsentratsiooniga.
Räägin teile lühidalt peamistest eraldamismeetoditest, mida maailmas on kunagi kasutatud.
Elektromagnetiline eraldamine
Seda meetodit kasutades on võimalik eraldada segu komponente magnetväljas ja kõrge puhtusastmega. Elektromagnetiline eraldamine on ajalooliselt esimene uraani isotoopide eraldamise meetod.Kuna eraldamist saab teostada uraaniioonidega, ei ole uraani muundamine UF 6-ks põhimõtteliselt vajalik. See meetod annab kõrge puhtuse, kuid väikese saagise suure energiatarbimise juures. Aine, mille isotoobid tuleb eraldada, asetatakse iooniallika tiiglisse, aurustatakse ja ioniseeritakse. Ioonid tõmmatakse ionisatsioonikambrist välja kange elektriväli. Ioonikiir siseneb vaakumeralduskambrisse magnetväljas H, mis on suunatud ioonide liikumisega risti. Selle tulemusena liiguvad ioonid mööda oma ringe erineva (sõltuvalt massist) kõverusraadiusega. Vaadake lihtsalt pilti ja meenutage koolitunde, kus me kõik arvutasime raadiuse, mida mööda elektron või prooton magnetväljas lendab.
Elektromagnetilise eraldamise põhimõtet demonstreeriv diagramm.
Selle meetodi eeliseks on suhteliselt lihtsa tehnoloogia kasutamine (kalutronid: CAL ifornia Uülikool).
Seda kasutati uraani rikastamiseks Y-12 tehases (USA), sellel oli 5184 eralduskambrit - "kalutroni" ja see võimaldas esmakordselt saada kilogrammides koguses tugevalt rikastatud 235U - 80% või rohkem.
Manhattani projektis kasutati kalutoone pärast termilist difusiooni – alfakalutronitesse (Y-12 tehas) tarniti 7% toorainet ja rikastati 15%ni. Relvaklassi uraani (kuni 90%) toodeti Y-12 tehases beetakalutronitega. Alfa- ja beetakalutronitel pole alfa- ja beetaosakestega midagi pistmist, need on lihtsalt kaks kalutronite “rida”, millest üks on mõeldud esialgseks rikastamiseks ja teine lõplikuks rikastamiseks.
Meetod võimaldab eraldada mis tahes isotoopide kombinatsiooni ja sellel on väga kõrge eraldusaste. Kahest läbikäigust piisab, et rikastada üle 80% lahjast materjalist, mille algsisaldus on alla 1%. Tootlikkuse määrab ioonvoolu väärtus ja ioonide püüdmise efektiivsus – kuni mitu grammi isotoope päevas (kõikide isotoopide kohta kokku).
Üks elektromagnetilise eraldamise töökodadest Oak Ridge'is (USA)
Samalt taimelt pärinev hiiglaslik alfakalutroon
Difusioonimeetodid
Esialgseks rikastamiseks kasutati difusioonimeetodeid. Elektromagnetilise meetodi kõrval on see ajalooliselt üks esimesi. Difusioonimeetod viitab tavaliselt gaasi difusioonile - kui uraanheksafluoriidi kuumutatakse teatud temperatuurini ja lastakse läbi "sõela" - spetsiaalselt ette nähtud teatud suurusega aukudega filtri.Kui lasta kahte tüüpi molekulidest (meie puhul kahest isotoobist) koosnev gaas läbi väikese augu või läbi suurest hulgast väikestest aukudest koosneva võrgu, siis selgub, et kergemaid gaasimolekule läbivad suuremas koguses kui rasked. ühed. Oluline on märkida, et see nähtus ilmneb ainult siis, kui molekulid läbivad augu ilma selles kokku põrkamata... st kui molekuli keskmine vaba tee on suurem kui augu läbimõõt. Sellest lähtuvalt osutub võredest mööda liikuv gaas valgusmolekulides ammendunud. Peaaegu alati toimub läbi võrgu gaasi vastupidine leke, mille tulemusena tegelikkuses osutub valguse isotoobi kontsentratsiooni tõus (rikastamine) mõnevõrra väiksemaks.
Võtmepunkt on siin lause aukude suuruse kohta. Esialgu tehti võrke mehaaniliselt, keegi ei tea kuidas praegu on. Pealegi peab materjal töötama kõrgel temperatuuril ning augud ise ei tohi olla ummistunud, nende suurus ei tohi muutuda korrosiooni mõjul jne. Difusioonitõkete valmistamise tehnoloogiad on endiselt klassifitseeritud – sama oskusteave, mis tsentrifuugide puhul .
Täpsem info spoileri all, samast reportaažist.
“Uraan-235 difusioonimeetodil tootmisega tegeleva labori nr 2 uurimistöö ja praktilise töö seisust”
Mida suurem on rõhulang kogu võrgus, seda suurem on rikastus. Rõhuvahe tekitab tavaliselt kompressor (pump), mis liigutab gaasi võre vahel. Selline süsteem, mis koosneb restidest ja gaasi liigutavast kompressorist, on eraldusaste
Gaasina kasutame uraanheksafluoriidi. See on sool, millel on toatemperatuuril üsna kõrge aururõhk. Võrkude osas nõutakse, et nende ava läbimõõt oleks väiksem kui uraanheksafluoriidi molekulide vaba tee. Viimane, nagu hästi teada, on pöördvõrdeline gaasirõhuga. Atmosfäärirõhul on molekulide vaba tee ligikaudu 1/10000 mm. Seega, kui saaksime teha peene võrgusilma, mille augud on väiksemad kui 1/10 000 mm, saaksime töötada gaasiga atmosfäärirõhul.
Praegu oleme õppinud tegema umbes 5/1000 mm aukudega võrke, st. 50 korda suurem kui molekulide vaba tee atmosfäärirõhul. Järelikult peab gaasirõhk, mille juures toimub isotoopide eraldumine sellistel võredel, olema väiksem kui 1/50 atmosfäärirõhust. Praktikas eeldame töötamist umbes 0,01 atmosfääri rõhul, s.o. heades vaakumtingimustes. Gaasi mitmekordset rikastamist pideva protsessi käigus saab läbi viia kaskaadpaigaldise abil, mis koosneb suurest arvust järjestikku ühendatud astmetest. Arvutused näitavad, et kerge isotoobiga 90% kontsentratsioonini rikastatud toote saamiseks (sellest kontsentratsioonist piisab lõhkeaine tootmiseks), on vaja kaskaadina kombineerida umbes 2000 sellist etappi. Meie projekteeritavas ja osaliselt valmistatavas masinas oodatakse 75-100 g uraan-235 tootmist päevas. Installatsioon koosneb ligikaudu 80-100 "tulbast", millest igaühele on paigaldatud 20-25 etappi. Võrkude kogupindala (võrede pindala määrab kogu paigaldise tootlikkuse) on umbes 8000 m2. Kompressorite tarbitav koguvõimsus on 20 000 kW.
Lisaks hea vaakum, mis nõuab üsna suurt kompressoriseadmete võimsust ja suure hulga lekketiheduse jälgimise seadmete olemasolu (mis põhimõtteliselt kaasaegne maailm pole probleem, aga artikkel rääkis sõjajärgsest ajast, kus kõike oli vaja, kohe ja kiiresti).
Seda kasutati rikastamise ühe esimese etapina. Manhattani projektis rikastas K-25 tehas uraani 0,86%-lt 7%-ni, seejärel kasutati toorainet kalutronite jaoks. NSV Liidus - kauakannatanud D-1 tehas, samuti sellele järgnenud D-2 ja D-3 tehased jne.
Samuti mõistetakse "difusiooni" eraldusmeetodit mõnikord vedeliku difusioonina - ka ainult vedelas faasis. Füüsikaline põhimõte on see, et kergemad molekulid kogunevad kuumemasse piirkonda. Tavaliselt koosneb eralduskolonn kahest koaksiaalselt paiknevast torust, milles hoitakse erinevat temperatuuri. Nende vahele sisestatakse eraldatav segu. Temperatuuride erinevus ΔТ põhjustab konvektiivsete vertikaalsete voolude tekkimist ja torude pindade vahel tekib isotoopide difusioonivoog, mis põhjustab isotoopide kontsentratsioonide erinevuse tekkimist kolonni ristlõikes. Selle tulemusena kogunevad sisekummi kuumale pinnale kergemad isotoobid ja liiguvad ülespoole. Termilise difusiooni meetod võimaldab eraldada isotoope nii gaasilises kui ka vedelas faasis.
Manhattani projektis on selleks S-50 tehas – see rikastas looduslikku uraani 0,86%-ni, s.o. suurendas viienda uraani rikastamist vaid 1,2 korda. NSV Liidus tegeles vedelike difusiooniga sõjajärgsel perioodil Raadiumi Instituut, kuid see suund ei saanud mingit arengut.
Gaasi difusiooni isotoopide eraldamise masinate kaskaad.
Allkirjad patendil - F. Simon, K. Fuchs, R. Peierls.
Aerodünaamiline eraldamine
Aerodünaamiline eraldamine on omamoodi tsentrifuugimine, kuid gaasi keerutamise asemel keerleb see spetsiaalses otsikus. Tuhande sõna asemel - vaata pilti, nö. „Beckeri otsik” uraani isotoopide (vesiniku ja uraanheksafluoriidi segu) aerodünaamiliseks eraldamiseks alandatud rõhul. Uraanheksafluoriid on väga raske gaas ja põhjustab pihustite väikeste osade kulumist (vt skaalat) ja võib muutuda tahkes olekus kõrge rõhuga piirkondades (näiteks düüsi sisselaskeava juures), nii et heksafluoriid lahjendatakse vesinikuga. On selge, et 4% toorainesisaldusega gaasis ja isegi madalal rõhul ei ole selle meetodi tõhusus suur. See meetod töötati välja Lõuna-Aafrikas ja Saksamaal.
Kõik, mida peate aerodünaamilise eraldamise kohta teadma, on sellel pildil
Pihusti valikud
Gaasi tsentrifuugimine
Tõenäoliselt teab iga inimene (ja veelgi enam nohik!), kes on vähemalt korra kuulnud tuumaenergiast, pommidest ja rikastamisest, mis on tsentrifuug, kuidas see töötab ja et sellega kaasneb palju raskusi, saladusi ja oskusteavet. selliste seadmete disain. Seetõttu ütlen vaid paar sõna gaasitsentrifuugimise kohta. Kuid ausalt öeldes on gaasitsentrifuugidel väga rikas arengulugu ja nad väärivad eraldi artiklit.Tööpõhimõte on tsentrifugaaljõudude toimel eraldumine sõltuvalt massi absoluutsest erinevusest. Pöörlemisel (kuni 1000 p/s, perifeerne kiirus - 100 - 600 m/s) lähevad raskemad molekulid perifeeriasse, kergemad - keskele (rootori juures). See meetod on praegu kõige produktiivsem ja odavam (põhineb $/EPP hinnal).
Google on täis tsentrifuugiseadme skemaatilisi pilte, annan lihtsalt paar fotot sellest, kuidas kokkupandud kaskaad välja näeb. Sellises ruumis on muide üsna palav - sealne uraanheksafosforiid pole kaugeltki toatemperatuuril ja kogu see kaskaad vajab ka jahutamist.
URENCO tsentrifuugide kaskaad. Suur, umbes 3 meetrit kõrge.
On ka väiksemaid, umbes poolemeetriseid. Meie kodumaised.
Et mõista ulatust või seda, mis on "pood silmapiirist silmapiirini".
Laseri rikastamine
Laserrikastamise füüsikaline põhimõte seisneb selles, et erinevate isotoopide aatomienergia tasemed erinevad veidi.Seda efekti saab kasutada U-235 eraldamiseks U-238-st nii aatomi kujul - AVLIS kui ka molekulaarsel kujul - MLIS.
Meetod kasutab uraani auru ja lasereid, mis on täpselt häälestatud kindlale lainepikkusele, põnevaid aatomeid täpselt 235. uraanist. Järgmisena eemaldatakse ioniseeritud aatomid segust elektri- või magnetvälja abil.
Tehnoloogia on väga lihtne ja üldiselt ei nõua ülikeerulisi mehaanilisi seadmeid, nagu difusioonvõre või tsentrifuugi, on üks probleem.
2012. aasta septembris sai General Electricu, Hitachi ja Cameco konsortsium Global Laser Enrichment LLC (GLE) komisjonilt litsentsi. tuumaregulatsioon(NRC) USA kuni 6 miljoni SWU võimsusega lasereraldustehase ehitamiseks olemasoleva asukohale. ühisettevõte GE, Toshiba ja Hitachi kütusetootmisettevõte Wilmingtonis, Põhja-Carolinas. Kavandatav rikastus on kuni 8%. Litsentsiandmine aga peatati tehnoloogia levikuga seotud probleemide tõttu. Kaasaegsed tehnoloogiad rikastamiseks (difusioon ja tsentrifuugimine) on vaja spetsiaalset varustust, mis on nii eriline, et üldiselt võib soovi korral rahvusvaheliste lepingute jälgimise kaudu kaudselt oletada, kes hakkab "vaikselt" (ilma IAEA teadmata) uraani rikastama või selles töid tegema. suunas. Ja sellist järelevalvet ka tegelikult tehakse. Kui laserrikastamise meetod tõestab oma lihtsust ja tõhusust, võib relvade kvaliteediga uraani kallal hakata töid tegema seal, kus seda tegelikult vaja pole. Seetõttu purustatakse praegu lasermeetodit.
Lasermeetodid võivad hõlmata ka molekulaarset meetodit, mis põhineb asjaolul, et infrapuna- või ultraviolettkiirguse sagedustel toimub infrapunaspektri selektiivne neeldumine gaasi 235 UF 6 poolt, mis võimaldab hiljem kasutada ergastatud molekulide dissotsiatsiooni või keemilise eraldamise meetodit.
U-235 suhtelist sisaldust saab suurusjärgu võrra suurendada juba esimeses etapis. Seega piisab ühest läbimisest, et tagada tuumareaktorite piisav uraani rikastamine.
Keemilise eraldamisega molekulaarse meetodi seletus.
Laseri rikastamise eelised:
- Elektrikulu: 20 korda väiksem kui difusioonil.
- Kaskaad: kaskaadide arv (0,7% kuni 3-5% U-235 puhul) on alla 100, võrreldes 150 000 tsentrifuugiga.
- Tehase maksumus on oluliselt väiksem.
- Keskkonnasõbralikkus: uraanheksafluoriidi asemel kasutatakse vähem ohtlikku uraani.
- Loodusliku uraani vajadus on 30% väiksem.
- 30% vähem aheraine ladustamist (dmp ladustamine).
Erinevate meetodite toimivuse võrdlus
