Uranium được sử dụng làm nguồn năng lượng trong các lò phản ứng hạt nhân và được sử dụng để chế tạo quả bom nguyên tử đầu tiên được thả xuống Hiroshima vào năm 1945. Uranium được khai thác dưới dạng quặng gọi là pitchblende, và bao gồm một số đồng vị có trọng lượng nguyên tử và một số cấp độ khác nhau. của phóng xạ. Để sử dụng trong các phản ứng phân hạch, số lượng đồng vị 235U phải được tăng lên đến mức sẵn sàng để phân hạch trong lò phản ứng hoặc bom. Quá trình này được gọi là làm giàu uranium, và có một số cách để thực hiện.
Bươc chân
Phương pháp 1/7: Quy trình làm giàu cơ bản
Bước 1. Quyết định uranium sẽ được sử dụng để làm gì
Hầu hết uranium được khai thác chỉ chứa khoảng 0,7% 235U, với phần lớn phần còn lại là đồng vị 238U ổn định hơn. Loại phản ứng phân hạch bạn muốn thực hiện với uranium sẽ xác định mức độ gia tăng 235U phải làm sao để uranium có thể được sử dụng một cách hiệu quả.
- Uranium được sử dụng trong hầu hết các động cơ điện hạt nhân cần được làm giàu lên 3-5% 235U. (Một số lò phản ứng hạt nhân, chẳng hạn như lò phản ứng CANDU ở Canada và lò phản ứng Magnox ở Vương quốc Anh, được thiết kế để sử dụng uranium chưa được định giá.)
- Ngược lại, uranium, được sử dụng cho bom nguyên tử và đầu đạn, cần được làm giàu đến 90% 235U.
Bước 2. Biến quặng uranium thành khí
Hầu hết các phương pháp làm giàu uranium hiện có đều yêu cầu quặng uranium phải chuyển hóa thành khí ở nhiệt độ thấp. Khí flo thường được bơm vào máy chuyển quặng; khí uranium oxit phản ứng với flo để tạo ra uranium hexafluoride (UF6). Sau đó khí được xử lý để tách và thu các đồng vị 235U.
Bước 3. Làm giàu uranium
Các phần sau của bài viết này mô tả các quy trình khác nhau hiện có để làm giàu uranium. Trong tất cả các quy trình, khuếch tán khí và ly tâm khí là hai quy trình phổ biến nhất, nhưng tách đồng vị bằng laser được cho là sẽ thay thế hai quy trình này.
Bước 4. Thay đổi khí UF6 thành uranium dioxide (UO2).
Sau khi được làm giàu, uranium cần được chuyển đổi thành dạng rắn ổn định để sử dụng như mong muốn.
Uranium dioxide được sử dụng làm nhiên liệu cho các lò phản ứng hạt nhân được chế tạo thành các hạt lõi bằng gốm được bọc trong các ống kim loại để chúng trở thành các thanh cao tới 4 m
Phương pháp 2/7: Quá trình khuếch tán khí
Bước 1. Bơm khí gas UF6 qua đường ống.
Bước 2. Bơm khí qua bộ lọc hoặc màng xốp
Do đồng vị 235U nhẹ hơn đồng vị 238U, UF6 đồng vị nhẹ hơn sẽ khuếch tán qua màng nhanh hơn đồng vị nặng hơn.
Bước 3. Lặp lại quá trình khuếch tán cho đến khi có đủ 235U thu thập.
Sự khuếch tán lặp đi lặp lại được gọi là phân tầng. Có thể cần tới 1.400 lần lọc qua màng xốp để có đủ 235U để làm giàu uranium tốt.
Bước 4. Ngưng tụ khí gas UF6 thành dạng lỏng.
Khi khí đã được làm giàu đủ, khí được ngưng tụ thành chất lỏng, sau đó được lưu trữ trong một bình chứa, nơi nó nguội đi và đông đặc lại để được vận chuyển và tạo thành các hạt nhiên liệu.
Do yêu cầu số lượng lọc lớn, quá trình này tiêu tốn nhiều năng lượng nên nó bị dừng lại. Tại Hoa Kỳ, chỉ còn lại một nhà máy làm giàu khuếch tán khí, đặt tại Paducah, Kentucky
Phương pháp 3/7: Quy trình ly tâm khí
Bước 1. Lắp một số xi lanh quay tốc độ cao
Xi lanh này là một máy ly tâm. Máy ly tâm được lắp nối tiếp hoặc song song.
Bước 2. Dòng khí UF.6 vào máy quay.
Máy ly tâm sử dụng gia tốc hướng tâm để cung cấp khí có chứa 238nặng hơn U vào thành xi lanh và chứa khí 235nhẹ hơn U đến tâm của hình trụ.
Bước 3. Chiết các khí đã tách ra
Bước 4. Xử lý lại hai khí đã tách trong hai máy ly tâm riêng biệt
Giàu khí 235U đã được gửi đến một máy ly tâm, nơi 235U vẫn bị chiết ra nhiều hơn, còn khí chứa 235U đã khử được đưa vào một máy ly tâm khác để chiết xuất 235Các chữ U còn lại. Điều này cho phép ly tâm chiết xuất nhiều hơn 235U than có thể được chiết xuất bằng quá trình khuếch tán khí.
Quy trình ly tâm khí lần đầu tiên được phát triển vào những năm 1940, nhưng không được đưa vào sử dụng đáng kể cho đến những năm 1960, khi khả năng thực hiện các quy trình làm giàu uranium năng lượng thấp hơn của nó trở nên quan trọng. Hiện tại, nhà máy chế biến ly tâm khí ở Hoa Kỳ nằm ở Eunice, New Mexico. Ngược lại, Nga hiện có bốn nhà máy loại này, Nhật Bản và Trung Quốc có hai nhà máy, trong khi Vương quốc Anh, Hà Lan và Đức mỗi nước có một nhà máy
Phương pháp 4/7: Quá trình tách khí động học
Bước 1. Tạo một loạt các hình trụ tĩnh, hẹp
Bước 2. Bơm khí gas UF6 vào xi lanh với tốc độ cao.
Khí được bắn vào xi lanh theo cách làm cho khí quay như một lốc xoáy, do đó sinh ra kiểu tách 235U và 238U giống như trong quá trình ly tâm quay.
Một phương pháp được phát triển ở Nam Phi là bơm khí vào các bình đặt cạnh nhau. Phương pháp này hiện đang được thử nghiệm với các chất đồng vị nhẹ hơn như chất được tìm thấy trong silicon
Phương pháp 5/7: Quá trình khuếch tán nhiệt chất lỏng
Bước 1. Hóa lỏng khí UF6 chịu AP lực.
Bước 2. Làm một cặp ống cô đặc
Đường ống phải đủ cao, vì đường ống cao hơn cho phép tách nhiều đồng vị hơn 235U và 238U.
Bước 3. Phủ một lớp nước lên ống
Điều này sẽ làm mát bên ngoài của đường ống.
Bước 4. Bơm UF6 chất lỏng giữa các đường ống.
Bước 5. Đun nóng ống bên trong bằng hơi nước
Nhiệt sẽ tạo ra dòng đối lưu trong UF6 cái nào sẽ thu hút đồng vị 235U càng nhẹ về phía lòng ống càng nóng và đẩy đồng vị 238càng nặng U về phía ống ngoài mát hơn.
Quá trình này được nghiên cứu vào năm 1940 như một phần của Dự án Manhattan, nhưng đã bị bỏ rơi ở giai đoạn đầu của quá trình phát triển khi các quá trình khuếch tán khí hiệu quả hơn được phát triển
Phương pháp 6/7: Quy trình tách đồng vị điện từ
Bước 1. Ion hóa khí UF.6.
Bước 2. Cho chất khí đi qua một từ trường mạnh
Bước 3. Tách các đồng vị của uranium bị ion hóa dựa trên các dấu vết để lại khi chúng đi qua từ trường
Ion 235U để lại một đường mòn với một cung khác với ion 238U. Có thể phân lập các ion để làm giàu uranium.
Phương pháp này được sử dụng để xử lý uranium cho quả bom nguyên tử thả xuống Hiroshima năm 1945 và cũng là phương pháp làm giàu được Iraq sử dụng trong chương trình vũ khí hạt nhân năm 1992. Phương pháp này đòi hỏi năng lượng gấp 10 lần so với khuếch tán khí, khiến chương trình không thực tế..làm giàu quy mô lớn
Phương pháp 7/7: Quy trình tách đồng vị bằng laser
Bước 1. Đặt tia laser thành một màu cụ thể
Chùm tia laze cần hoàn toàn có một bước sóng cụ thể (đơn sắc). Bước sóng này sẽ chỉ nhắm mục tiêu đến các nguyên tử 235U, và để nguyên tử 238U không bị ảnh hưởng.
Bước 2. Chiếu một chùm tia laze vào uranium
Không giống như các quy trình làm giàu uranium khác, bạn không cần phải sử dụng khí uranium hexafluoride, mặc dù hầu hết các quy trình laser đều có. Bạn cũng có thể sử dụng uranium và hợp kim sắt làm nguồn uranium, được sử dụng trong quy trình Tách đồng vị bằng tia laser hơi nguyên tử (AVLIS).
Bước 3. Tách nguyên tử uranium bằng các electron kích thích
Nó sẽ là nguyên tử 235U.
Lời khuyên
Một số quốc gia đã sử dụng nhiên liệu hạt nhân để thu hồi uranium và plutonium được hình thành trong quá trình phân hạch. Uranium được xử lý lại phải được loại bỏ khỏi đồng vị 232U và 236U được hình thành trong quá trình phân hạch, và nếu được làm giàu, phải được làm giàu lên cấp cao hơn uranium “tươi” vì 236U hấp thụ neutron do đó ức chế quá trình phân hạch. Do đó, uranium đã được xử lý lại phải được bảo quản riêng biệt với uranium mới được làm giàu lần đầu tiên.
Cảnh báo
- Uranium chỉ phát ra tính phóng xạ yếu; tuy nhiên, khi được xử lý thành khí UF.6, nó trở thành một chất hóa học độc hại phản ứng với nước để tạo thành axit flohydric ăn mòn. (Axit này thường được gọi là “axit ăn mòn” vì nó được sử dụng để khắc thủy tinh.) Do đó, các nhà máy làm giàu uranium yêu cầu các biện pháp bảo vệ tương tự như các nhà máy hóa chất làm việc với flo, bao gồm giữ khí UF.6 luôn ở dưới áp suất thấp và sử dụng thêm mức ngăn chặn ở những nơi cần áp suất cao.
- Uranium đã qua xử lý lại phải được bảo quản trong các thùng dày, bởi vì 232Chữ U trong nó phân hủy thành các nguyên tố phát ra bức xạ gamma mạnh.
- Uranium đã được làm giàu thường chỉ có thể được xử lý lại một lần.
