Îmbogățirea cu uraniu

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită la 6 februarie 2020; verificarea necesită 1 editare .

Îmbogățirea uraniului  este un proces tehnologic de creștere a proporției izotopului 235 U în uraniu . Ca urmare, uraniul natural este împărțit în uraniu îmbogățit și uraniu sărăcit .

Uraniul natural conține trei izotopi ai uraniului: 238 U (fracție de masă 99,2745%), 235 U (cotă 0,72%) și 234 U (cotă 0,0055%). Izotopul 238U este un izotop relativ stabil, incapabil de reacție nucleară spontană în lanț , spre deosebire de rarul 235U . În prezent, 235U este materialul fisionabil primar din lanțul tehnologic al reactorului nuclear și al armelor nucleare . Cu toate acestea, pentru multe aplicații, proporția izotopului 235U din uraniul natural este mică, iar prepararea combustibilului nuclear include de obicei o etapă de îmbogățire a uraniului.

Motive pentru a te îmbogăți

O reacție nucleară în lanț implică faptul că cel puțin unul dintre neutronii formați prin dezintegrarea unui atom de uraniu va fi captat de un alt atom și, în consecință, va provoca dezintegrarea acestuia. În prima aproximare, aceasta înseamnă că neutronul trebuie să se „împieci” de atomul de 235 U înainte de a părăsi reactorul. Aceasta înseamnă că proiectarea cu uraniu trebuie să fie suficient de compactă, astfel încât probabilitatea de a găsi următorul atom de uraniu pentru un neutron să fie suficient de mare. Dar pe măsură ce reactorul funcționează, 235 U se arde treptat, ceea ce reduce probabilitatea unei întâlniri între un neutron și un atom de 235 U, ceea ce forțează ca o anumită marjă a acestei probabilități să fie construită în reactoare. În consecință, proporția scăzută de 235 U în combustibilul nuclear necesită:

În procesul de îmbunătățire a tehnologiilor nucleare s-au găsit soluții optime din punct de vedere economic și tehnologic care necesită o creștere a conținutului de 235 U din combustibil, adică îmbogățirea uraniului.

În armele nucleare, sarcina de îmbogățire este practic aceeași: se cere ca, în timpul extrem de scurt al unei explozii nucleare, numărul maxim de 235 de atomi de U să-și găsească neutronul, să se descompună și să elibereze energia. Acest lucru necesită densitatea volumetrică maximă posibilă de 235 de atomi de U, care este realizabilă la îmbogățirea maximă.

Niveluri de îmbogățire a uraniului

Uraniul natural cu un conținut de 235 U de 0,72% este utilizat în unele reactoare de putere (de exemplu, în CANDU canadian ), în reactoarele producătoare de plutoniu (de exemplu, A-1 ).

Uraniul cu un conținut de 235 U până la 20% se numește low enriched ( LEU , engleză  Low enriched uranium, LEU ). Uraniul cu o îmbogățire de 2-5% este în prezent utilizat pe scară largă în reactoarele de putere din întreaga lume. Uraniul îmbogățit cu până la 20% este utilizat în reactoare de cercetare și experimentale. LEU cu un conținut ridicat de probe (High-assay LEU, HALEU ) - uraniu îmbogățit până la 5–20%.

Uraniul cu un conținut de 235 U peste 20% este numit înalt îmbogățit ( în engleză  Highly enriched uranium, HEU ) sau arme . În zorii erei nucleare, au fost construite mai multe tipuri de arme nucleare pe bază de uraniu cu o îmbogățire de aproximativ 90%. Uraniul foarte îmbogățit poate fi utilizat în armele termonucleare ca un tamper (carcasa de comprimare) a unei încărcături termonucleare. În plus, uraniul foarte îmbogățit este utilizat în reactoarele de energie nucleară cu o durată lungă de funcționare a combustibilului (adică cu realimentare rară sau fără realimentare), cum ar fi reactoarele pentru nave spațiale sau reactoarele de bord.

Uraniul sărăcit cu un conținut de 235U de 0,1–0,3% rămâne în haldele instalațiilor de îmbogățire . Este utilizat pe scară largă ca nucleu al obuzelor de artilerie care perfora armura datorită densității mari a uraniului și ieftinității uraniului sărăcit. În viitor, se plănuiește utilizarea uraniului sărăcit în reactoare cu neutroni rapidi , unde uraniul-238 , care nu suportă o reacție în lanț , poate fi transmutat în plutoniu-239 , care susține o reacție în lanț. Combustibilul MOX rezultat poate fi utilizat în reactoare tradiționale de putere cu neutroni termici .

Tehnologie

Există multe metode de separare a izotopilor [1] . Majoritatea metodelor se bazează pe diferitele mase de atomi ale diferiților izotopi: al 235-lea este puțin mai ușor decât al 238-lea datorită diferenței dintre numărul de neutroni din nucleu. Acest lucru se manifestă în inerția diferită a atomilor. De exemplu, dacă faceți atomi să se miște într-un arc, atunci cei grei vor tinde să se miște pe o rază mai mare decât cei ușoare. Metodele electromagnetice și aerodinamice sunt construite pe acest principiu. În metoda electromagnetică , ionii de uraniu sunt accelerați într- un accelerator de particule elementar și răsuciți într-un câmp magnetic. În metoda aerodinamică , un compus gazos de uraniu este suflat printr-o duză specială cu volute. Un principiu similar este în centrifugarea cu gaz : un compus gazos de uraniu este plasat într-o centrifugă, unde inerția face ca moleculele grele să se concentreze pe peretele centrifugei. Metodele de difuzie termică și difuzie a gazelor folosesc diferența de mobilitate a moleculelor: moleculele de gaz cu izotop ușor de uraniu sunt mai mobile decât cele grele. Prin urmare, ele pătrund mai ușor în porii mici ai membranelor speciale folosind tehnologia de difuzie a gazelor . În metoda difuziei termice , moleculele mai puțin mobile sunt concentrate în partea inferioară mai rece a coloanei de separare, deplasându-le pe cele mai mobile în partea superioară fierbinte. Majoritatea metodelor de separare funcționează cu compuși gazoși de uraniu, cel mai frecvent UF 6 .

Multe dintre metodele au fost încercate pentru îmbogățirea industrială a uraniului, dar în prezent practic toate instalațiile de îmbogățire funcționează pe baza centrifugării cu gaz . Alături de centrifugare, metoda difuziei gazelor a fost utilizată pe scară largă în trecut. În zorii erei nucleare, s-au folosit metode electromagnetice, de difuzie termică și aerodinamică. Până în prezent, centrifugarea demonstrează cei mai buni parametri economici pentru îmbogățirea uraniului. Cu toate acestea, cercetările sunt în curs de desfășurare privind metodele de separare promițătoare, cum ar fi separarea izotopilor cu laser.

Producția de uraniu îmbogățit la nivel mondial

Lucrările de separare a izotopilor se calculează în unități speciale de lucru de separare ( SWU ) .  Capacitatea instalației de separare a izotopilor de uraniu în mii de SWU pe an, conform WNA Market Report .

Țară Companie, fabrică 2012 2013 2015 2018 2020
Rusia Rosatom 25000 26000 26578 28215 28663
Germania, Olanda, Anglia URENCO 12800 14200 14400 18600 14900
Franţa Orano 2500 5500 7000 7500 7500
China CNNC 1500 2200 4220 6750 10700+
STATELE UNITE ALE AMERICII URENCO 2000 3500 4700 ? 4700
Pakistan, Brazilia, Iran, India, Argentina 100 75 100 ? 170
Japonia JNFL 150 75 75 ? 75
STATELE UNITE ALE AMERICII USEC : Paducah & Piketon 5000 0 0 0 0
Total 49000 51550 57073 61111 66700


Vezi și

Note

  1. ↑ Îmbogățirea mai ieftină. Expert atomic. Arhivat din original pe 8 aprilie 2014. Trecere în revistă a istoriei și tehnologiilor de îmbogățire a uraniului.

Link -uri

  Accesați articolul Wikidata  În cataloagele bibliografice