Uran wird als Energiequelle in Kernreaktoren verwendet und wurde verwendet, um die erste Atombombe herzustellen, die 1945 auf Hiroshima abgeworfen wurde. Uran wird als Erz namens Pechblende abgebaut und besteht aus mehreren Isotopen mit Atomgewicht und mehreren unterschiedlichen Gehalten der Radioaktivität. Für die Verwendung in Spaltreaktionen ist die Anzahl der Isotope 235U muss im Reaktor oder in der Bombe auf ein spaltungsbereites Niveau angehoben werden. Dieser Prozess wird Urananreicherung genannt und es gibt mehrere Möglichkeiten, dies zu tun.
Schritt
Methode 1 von 7: Grundlegender Anreicherungsprozess
Schritt 1. Entscheiden Sie, wofür das Uran verwendet werden soll
Das meiste abgebaute Uran enthält nur etwa 0,7 Prozent 235U, wobei der Rest das Isotop ist 238stabiler u. Die Art der Spaltungsreaktion, die Sie mit Uran durchführen möchten, bestimmt, wie stark die Erhöhung ist 235Sie müssen dies tun, damit Uran effektiv genutzt werden kann.
- Das in den meisten Kernkraftwerken verwendete Uran muss auf 3-5 Prozent angereichert werden 235U. (Einige Kernreaktoren, wie der CANDU-Reaktor in Kanada und der Magnox-Reaktor im Vereinigten Königreich, sind für die Verwendung von nicht angereichertem Uran ausgelegt.)
- Dagegen muss Uran, das für Atombomben und Sprengköpfe verwendet wird, auf 90 Prozent angereichert werden 235u.
Schritt 2. Uranerz in Gas umwandeln
Die meisten der derzeit verfügbaren Urananreicherungsmethoden erfordern die Umwandlung des Uranerzes in ein Niedertemperaturgas. Fluorgas wird normalerweise in die Erzumwandlungsmaschine gepumpt; Uranoxidgas reagiert mit Fluor zu Uranhexafluorid (UF6). Das Gas wird dann verarbeitet, um die Isotope zu trennen und zu sammeln 235u.
Schritt 3. Uran anreichern
Spätere Abschnitte dieses Artikels beschreiben die verschiedenen verfügbaren Verfahren zur Anreicherung von Uran. Von allen Verfahren sind Gasdiffusion und Gaszentrifugation die beiden gebräuchlichsten, aber die Laserisotopentrennung soll die beiden ersetzen.
Schritt 4. UF-Gas wechseln6 zu Urandioxid (UO2).
Nach der Anreicherung muss das Uran für die gewünschte Verwendung in eine stabile feste Form umgewandelt werden.
Urandioxid, das als Brennstoff für Kernreaktoren verwendet wird, wird zu keramischen Kernkörnern verarbeitet, die in Metallrohre zu bis zu 4 m hohen Stäben gewickelt werden
Methode 2 von 7: Gasdiffusionsprozess
Schritt 1. Pumpen Sie UF-Gasgas6 durch das Rohr.
Schritt 2. Pumpen Sie das Gas durch einen Filter oder eine poröse Membran
Aufgrund des Isotops 235U ist leichter als das Isotop 238U, UF6 leichtere Isotope diffundieren schneller durch die Membran als schwerere Isotope.
Schritt 3. Wiederholen Sie den Diffusionsprozess, bis genug vorhanden ist 235U gesammelt.
Wiederholte Diffusion wird als geschichtet bezeichnet. Es kann bis zu 1.400 Filtrationen durch eine poröse Membran dauern, um genug zu bekommen 235U Uran gut anzureichern.
Schritt 4. Kondensation von UF-Gasgas6 in flüssiger Form.
Sobald das Gas ausreichend angereichert ist, wird das Gas zu einer Flüssigkeit kondensiert, dann in einem Behälter gespeichert, wo es abkühlt und verfestigt, um transportiert und zu Brennstoffkörnern verarbeitet zu werden.
Aufgrund des hohen Filteraufwands ist dieser Vorgang energieintensiv und wird daher gestoppt. In den Vereinigten Staaten gibt es nur noch eine Gasdiffusionsanreicherungsanlage in Paducah, Kentucky
Methode 3 von 7: Gaszentrifugenprozess
Schritt 1. Installieren Sie eine Reihe von Hochgeschwindigkeits-Rotationszylindern
Dieser Zylinder ist eine Zentrifuge. Die Zentrifuge wird in Reihe oder parallel installiert.
Schritt 2. Flow UF.gas6 in den Spinner.
Die Zentrifuge verwendet die Zentripetalbeschleunigung, um ein Gas zu liefern, das 238schwereres U zur Zylinderwand und gashaltig 235leichteres U zur Mitte des Zylinders.
Schritt 3. Extrahieren Sie die abgetrennten Gase
Schritt 4. Aufbereiten der beiden getrennten Gase in zwei separaten Zentrifugen
Reichhaltiges Gas 235U wurde zu einer Zentrifuge geschickt, wo 235U wird noch mehr extrahiert, während das Gas enthaltend 235Das reduzierte U wird einer weiteren Zentrifuge zugeführt, um zu extrahieren 235Die restlichen u. Dadurch kann das Zentrifugieren viel mehr extrahieren 235U als durch den Gasdiffusionsprozess extrahiert werden kann.
Das Gaszentrifugenverfahren wurde erstmals in den 1940er Jahren entwickelt, aber erst in den 1960er Jahren in nennenswertem Umfang eingesetzt, als seine Fähigkeit zur Durchführung von Urananreicherungsprozessen mit niedrigerer Energie wichtig wurde. Derzeit befindet sich die Gaszentrifugenanlage in den USA in Eunice, New Mexico. Im Gegensatz dazu gibt es derzeit in Russland vier Fabriken dieser Art, in Japan und China jeweils zwei, in Großbritannien, den Niederlanden und Deutschland jeweils eine
Methode 4 von 7: Aerodynamischer Trennprozess
Schritt 1. Erstellen Sie eine Reihe schmaler, feststehender Zylinder
Schritt 2. Injizieren Sie UF-Gasgas6 mit hoher Geschwindigkeit in den Zylinder.
Das Gas wird so in den Zylinder geschossen, dass das Gas wie ein Zyklon rotiert und so eine Art Abscheidung erzeugt wird 235U und 238das gleiche U wie beim Rotationszentrifugenverfahren.
Eine in Südafrika entwickelte Methode besteht darin, Gas nebeneinander in Zylinder einzuspritzen. Diese Methode wird derzeit mit leichteren Isotopen, wie sie in Silizium vorkommen, getestet
Methode 5 von 7: Flüssigkeits-Thermodiffusionsprozess
Schritt 1. UF-Gas verflüssigen6 unter Druck.
Schritt 2. Stellen Sie ein Paar Konzentratrohre her
Das Rohr muss hoch genug sein, da das höhere Rohr mehr Isotopentrennung ermöglicht 235U und 238u.
Schritt 3. Beschichten Sie das Rohr mit einer Wasserschicht
Dadurch wird die Außenseite des Rohres gekühlt.
Schritt 4. Pumpe UF6 Flüssigkeit zwischen den Rohren.
Schritt 5. Erhitzen Sie das Innenrohr mit Dampf
Hitze verursacht Konvektionsströme in UF6 die das Isotop anzieht 235Das leichtere U zum heißeren Innenrohr und schiebt das Isotop 238das schwerere U zum kühleren Außenrohr.
Dieses Verfahren wurde 1940 im Rahmen des Manhattan-Projekts erforscht, aber in einem frühen Entwicklungsstadium aufgegeben, als effizientere Gasdiffusionsverfahren entwickelt wurden
Methode 6 von 7: Elektromagnetischer Isotopentrennungsprozess
Schritt 1. Ionisation von UF.gas6.
Schritt 2. Führen Sie das Gas durch ein starkes Magnetfeld
Schritt 3. Trennen Sie die Isotope des ionisierten Urans basierend auf den Spuren, die beim Durchgang durch das Magnetfeld zurückbleiben
Ion 235U hinterlässt eine Spur mit einem anderen Bogen als das Ion 238U. Die Ionen können isoliert werden, um Uran anzureichern.
Diese Methode wurde verwendet, um Uran für die 1945 auf Hiroshima abgeworfene Atombombe aufzubereiten und ist auch die Anreicherungsmethode, die der Irak 1992 in seinem Atomwaffenprogramm verwendet hat. Anreicherung in großem Maßstab
Methode 7 von 7: Laserisotopentrennungsprozess
Schritt 1. Stellen Sie den Laser auf eine bestimmte Farbe ein
Der Laserstrahl muss vollständig von einer bestimmten Wellenlänge sein (monochromatisch). Diese Wellenlänge zielt nur auf Atome 235U, und lass das Atom 238U sind nicht betroffen.
Schritt 2. Richten Sie einen Laserstrahl auf das Uran
Im Gegensatz zu anderen Urananreicherungsverfahren müssen Sie kein Uranhexafluorid-Gas verwenden, obwohl dies bei den meisten Laserverfahren der Fall ist. Sie können auch Uran und Eisenlegierungen als Uranquelle verwenden, die im Prozess der Atomic Vapor Laser Isotope Separation (AVLIS) verwendet wird.
Schritt 3. Extraktion von Uranatomen mit angeregten Elektronen
Es wird Atom sein 235u.
Tipps
Einige Länder bereiten abgebrannten Kernbrennstoff wieder auf, um das darin enthaltene Uran und Plutonium zurückzugewinnen, das während des Spaltungsprozesses gebildet wurde. Aufbereitetes Uran muss aus dem Isotop entfernt werden 232U und 236U wird während der Kernspaltung gebildet und muss, wenn es angereichert ist, auf einen höheren Gehalt als „frisches“Uran angereichert werden, weil 236U absorbiert Neutronen und hemmt dadurch den Spaltprozess. Daher muss wiederaufbereitetes Uran getrennt von neu angereichertem Uran gelagert werden.
Warnung
- Uran emittiert nur schwache Radioaktivität; jedoch bei Verarbeitung zu UF.gas6, wird es zu einer giftigen chemischen Substanz, die mit Wasser reagiert und ätzende Flusssäure bildet. (Diese Säure wird allgemein als „Ätzsäure“bezeichnet, da sie zum Ätzen von Glas verwendet wird.) Daher erfordern Urananreicherungsanlagen die gleichen Schutzmaßnahmen wie Chemieanlagen, die mit Fluor arbeiten, einschließlich der Abwehr von UF-Gas.6 Bleiben Sie die meiste Zeit unter niedrigem Druck und verwenden Sie in Bereichen, in denen hoher Druck erforderlich ist, eine zusätzliche Sicherheitsstufe.
- Aufbereitetes Uran muss in dicken Gehäusen gelagert werden, weil 232Das darin enthaltene U zerfällt in Elemente, die starke Gammastrahlung aussenden.
- Angereichertes Uran kann in der Regel nur einmal aufbereitet werden.
