L'urani s'utilitza com a font d'energia en reactors nuclears i es va utilitzar per fabricar la primera bomba atòmica, llançada a Hiroshima el 1945. L'urani s'extreu com a mineral anomenat pitchblenda i està compost per diversos isòtops de pes atòmic i diversos nivells diferents. de radioactivitat. Per a ús en reaccions de fissió, el nombre d’isòtops 235Cal augmentar la U fins a un nivell que estigui preparat per a la fissió al reactor o a la bomba. Aquest procés s’anomena enriquiment d’urani i hi ha diverses maneres de fer-ho.
Pas
Mètode 1 de 7: Procés bàsic d’enriquiment
Pas 1. Decidiu per a què s’utilitzarà l’urani
La majoria de l’urani extret només conté aproximadament el 0,7 per cent 235U, sent la major part de la resta l’isòtop 238U més estable El tipus de reacció de fissió que vulgueu fer amb l’urani determina l’augment 235Heu de fer-ho perquè l'urani es pugui utilitzar amb eficàcia.
- L’urani que s’utilitza a la majoria de motors d’energia nuclear s’ha d’enriquir fins al 3-5% 235U. (Alguns reactors nuclears, com el reactor CANDU al Canadà i el reactor Magnox al Regne Unit, estan dissenyats per utilitzar urani no enriquit).
- En canvi, l’urani, que s’utilitza per a bombes atòmiques i ogives, s’ha d’enriquir fins al 90% 235U.
Pas 2. Converteix el mineral d’urani en gas
La majoria dels mètodes d’enriquiment d’urani disponibles actualment requereixen que el mineral d’urani es converteixi en un gas a baixa temperatura. El gas fluor es sol bombar a la màquina de conversió de mineral; el gas òxid d’urani reacciona amb el fluor per produir hexafluorur d’urani (UF6). El gas es processa per separar i recollir els isòtops 235U.
Pas 3. Enriquir l’urani
Les seccions posteriors d’aquest article descriuen els diversos processos disponibles per enriquir l’urani. De tots els processos, la difusió de gasos i la centrifugació de gasos són els dos més comuns, però s’espera que la separació d’isòtops làser substitueixi els dos.
Pas 4. Canvieu el gas UF6 al diòxid d’urani (UO2).
Un cop enriquit, l’urani s’ha de convertir en una forma sòlida estable per utilitzar-lo segons es desitgi.
El diòxid d’urani que s’utilitza com a combustible per als reactors nuclears es transforma en grans de ceràmica que s’envolten en tubs metàl·lics de manera que es converteixen en barres de fins a 4 m d’alçada
Mètode 2 de 7: Procés de difusió del gas
Pas 1. Bomba de gas UF6 a través de la canonada.
Pas 2. Bombeu el gas a través d’un filtre o membrana porosa
A causa de l’isòtop 235U és més lleuger que l’isòtop 238U, UF6 els isòtops més lleugers es difondran a través de la membrana més ràpidament que els isòtops més pesats.
Pas 3. Repetiu el procés de difusió fins que n'hi hagi prou 235U recollit.
La difusió repetida s’anomena estratificada. Es pot trigar fins a 1.400 filtracions a través d’una membrana porosa per obtenir-ne prou 235U per enriquir bé l’urani.
Pas 4. Condensació del gas gas UF6 en forma líquida.
Una vegada que el gas s’ha enriquit prou, el gas es condensa en un líquid i després s’emmagatzema en un recipient on es refreda i es solidifica per transportar-lo i convertir-lo en grans de combustible.
A causa de la gran quantitat de filtrat que es requereix, aquest procés consumeix molta energia, de manera que es deté. Als Estats Units, només queda una planta d’enriquiment per difusió de gas, situada a Paducah, Kentucky
Mètode 3 de 7: Procés de centrifugació de gas
Pas 1. Instal·leu diversos cilindres giratoris d'alta velocitat
Aquest cilindre és una centrífuga. La centrífuga s’instal·la en sèrie o en paral·lel.
Pas 2. Flux de gas UF6 a la filadora.
La centrífuga utilitza l'acceleració centrípeta per lliurar un gas que conté 238U més pesat a la paret del cilindre i que conté gas 235més lleuger U al centre del cilindre.
Pas 3. Extraieu els gasos separats
Pas 4. Torneu a processar els dos gasos separats en dues centrífugues separades
Gas ric 235U va ser enviat a una centrífuga on 235L'U encara és més extret, mentre que el gas que conté 235La U reduïda s’alimenta en una altra centrífuga per extreure-la 235La resta de la U. Això permet que la centrifugació en tregui molt més 235U que es pot extreure mitjançant el procés de difusió del gas.
El procés de centrifugació de gas es va desenvolupar per primera vegada a la dècada de 1940, però no es va fer un ús significatiu fins a la dècada de 1960, quan la seva capacitat per dur a terme processos d’enriquiment d’urani amb menor energia va ser important. Actualment, la planta de procés de centrifugació de gas als Estats Units es troba a Eunice, Nou Mèxic. En canvi, Rússia compta actualment amb quatre fàbriques d’aquest tipus, Japó i Xina en tenen dues, mentre que el Regne Unit, els Països Baixos i Alemanya en tenen una cadascuna
Mètode 4 de 7: Procés de separació aerodinàmica
Pas 1. Creeu una sèrie de cilindres estacionaris i estrets
Pas 2. Injecteu gas gas UF6 al cilindre a gran velocitat.
El gas es dispara al cilindre d'una manera que fa que el gas giri com un cicló, produint així un tipus de separació 235U i 238la mateixa U que en el procés de centrifugació rotativa.
Un mètode desenvolupat a Sud-àfrica és injectar gas a les bombones un al costat de l’altre. Actualment, aquest mètode s’està provant amb isòtops més lleugers com els del silici
Mètode 5 de 7: procés de difusió tèrmica de líquids
Pas 1. Gas UF liquat6 sota pressió.
Pas 2. Feu un parell de canonades de concentrat
La canonada ha de ser prou alta, perquè la canonada més alta permet una major separació dels isòtops 235U i 238U.
Pas 3. Cobriu la canonada amb una capa d’aigua
Això refredarà l'exterior de la canonada.
Pas 4. Bomba UF6 líquid entre les canonades.
Pas 5. Escalfeu el tub interior amb vapor
La calor provocarà corrents de convecció a UF6 que atraurà l’isòtop 235L’encenedor U cap al tub interior més calent i empeny l’isòtop 238la U més pesada cap al tub exterior més fresc.
Aquest procés es va investigar el 1940 com a part del Projecte Manhattan, però va ser abandonat en una etapa inicial del desenvolupament quan es van desenvolupar processos de difusió de gas més eficients
Mètode 6 de 7: Procés de separació d'isòtops electromagnètics
Pas 1. Ionització del gas UF6.
Pas 2. Passeu el gas a través d’un fort camp magnètic
Pas 3. Separeu els isòtops de l’urani ionitzat en funció de les traces que queden mentre passen pel camp magnètic
Ion 235U deixa un rastre amb un arc diferent de l’ió 238U. Els ions es poden aïllar per enriquir l’urani.
Aquest mètode es va utilitzar per processar l’urani per a la bomba atòmica llançada a Hiroshima el 1945 i també és el mètode d’enriquiment utilitzat per l’Iraq en el seu programa d’armes nuclears el 1992. Aquest mètode requereix 10 vegades més energia que la difusió gasosa, cosa que fa que no sigui pràctic per al programa Enriquiment a gran escala
Mètode 7 de 7: Procés de separació d'isòtops làser
Pas 1. Configureu el làser a un color específic
El feix làser ha de tenir completament una longitud d’ona particular (monocromàtica). Aquesta longitud d’ona només es dirigirà als àtoms 235U, i deixa que l'àtom 238U no es veuen afectats.
Pas 2. Brilleu un raig làser sobre l’urani
A diferència d’altres processos d’enriquiment d’urani, no cal que utilitzeu gas hexafluorur d’urani, tot i que la majoria dels processos làser sí. També podeu utilitzar aliatges d’urani i ferro com a font d’urani, que s’utilitza en el procés de separació d’isòtops làser de vapor atòmic (AVLIS).
Pas 3. Extracció d’àtoms d’urani amb electrons excitats
Serà àtom 235U.
Consells
Alguns països van reprocessar el combustible nuclear gastat per recuperar l'urani i el plutoni que es va formar durant el procés de fissió. Cal retirar l’urani reprocessat de l’isòtop 232U i 236L’U es forma durant la fissió i, si s’enriqueix, s’ha d’enriquir fins a obtenir un grau superior a l’urani “fresc” perquè 236L’U absorbeix neutrons inhibint així el procés de fissió. Per tant, l’urani processat s’ha d’emmagatzemar per separat de l’urani que s’ha enriquit recentment per primera vegada.
Advertiment
- L’urani només emet una radioactivitat feble; no obstant això, quan es processa en gas UF6, es converteix en una substància química tòxica que reacciona amb l’aigua formant àcid fluorhídric corrosiu. (Aquest àcid se sol anomenar "àcid de gravat" perquè s'utilitza per gravar vidre.) Per tant, les plantes d'enriquiment d'urani requereixen les mateixes mesures de protecció que les plantes químiques que treballen amb fluor, que inclouen mantenir el gas UF a ratlla.6 Mantingueu-vos a baixa pressió la major part del temps i utilitzeu un nivell addicional de contenció a les zones on es requereixi una pressió alta.
- L'urani processat s'ha d'emmagatzemar en recintes gruixuts, perquè 232La U que hi ha es descompon en elements que emeten una forta radiació gamma.
- L’urani enriquit normalment només es pot reprocessar una vegada.
