7 วิธีในการเสริมสมรรถนะยูเรเนียม

2024 ผู้เขียน: Jason Gerald | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-15 08:25

ยูเรเนียมถูกใช้เป็นแหล่งพลังงานในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์และถูกใช้เพื่อทำระเบิดปรมาณูลูกแรก ซึ่งทิ้งที่ฮิโรชิมาในปี 1945 ยูเรเนียมถูกขุดขึ้นมาเป็นแร่ที่เรียกว่า pitchblende และประกอบด้วยไอโซโทปที่มีน้ำหนักอะตอมหลายระดับและหลายระดับที่แตกต่างกัน ของกัมมันตภาพรังสี สำหรับใช้ในปฏิกิริยาฟิชชัน จำนวนของไอโซโทป ²³⁵คุณต้องเพิ่มระดับให้พร้อมสำหรับการแตกตัวในเครื่องปฏิกรณ์หรือระเบิด กระบวนการนี้เรียกว่าการเสริมสมรรถนะยูเรเนียม และมีหลายวิธีที่จะทำ

ขั้นตอน

วิธีที่ 1 จาก 7: กระบวนการเสริมคุณค่าขั้นพื้นฐาน

ขั้นตอนที่ 1 ตัดสินใจว่าจะใช้ยูเรเนียมเพื่ออะไร

ยูเรเนียมที่ขุดได้ส่วนใหญ่มีเพียง 0.7 เปอร์เซ็นต์เท่านั้น ²³⁵U โดยที่เหลือส่วนใหญ่เป็นไอโซโทป ²³⁸U มีเสถียรภาพมากขึ้น ประเภทของปฏิกิริยาฟิชชันที่คุณต้องการทำกับยูเรเนียมเป็นตัวกำหนดว่าจะเพิ่มขึ้นมากแค่ไหน ²³⁵คุณต้องทำเพื่อให้สามารถใช้ยูเรเนียมได้อย่างมีประสิทธิภาพ

• ยูเรเนียมที่ใช้ในเครื่องยนต์พลังงานนิวเคลียร์ส่วนใหญ่ต้องได้รับการเสริมสมรรถนะถึง 3-5 เปอร์เซ็นต์ ²³⁵U. (เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์บางเครื่อง เช่น เครื่องปฏิกรณ์ CANDU ในแคนาดา และเครื่องปฏิกรณ์ Magnox ในสหราชอาณาจักร ได้รับการออกแบบให้ใช้ยูเรเนียมที่ไม่ผ่านการเสริมสมรรถนะ)
• ในทางตรงกันข้าม ยูเรเนียมซึ่งใช้สำหรับระเบิดปรมาณูและหัวรบจะต้องได้รับการเสริมสมรรถนะถึง 90 เปอร์เซ็นต์ ²³⁵ยู.

ขั้นตอนที่ 2 เปลี่ยนแร่ยูเรเนียมเป็นก๊าซ

วิธีการเสริมสมรรถนะยูเรเนียมที่มีอยู่ในปัจจุบันส่วนใหญ่ต้องการให้แร่ยูเรเนียมถูกแปลงเป็นก๊าซที่อุณหภูมิต่ำ ก๊าซฟลูออรีนมักจะถูกสูบเข้าไปในเครื่องแปลงแร่ ก๊าซยูเรเนียมออกไซด์ทำปฏิกิริยากับฟลูออรีนเพื่อผลิตยูเรเนียมเฮกซาฟลูออไรด์ (UF₆). จากนั้นก๊าซจะถูกแปรรูปเพื่อแยกและรวบรวมไอโซโทป ²³⁵ยู.

ขั้นตอนที่ 3 เสริมสมรรถนะยูเรเนียม

ส่วนหลังของบทความนี้จะอธิบายกระบวนการต่างๆ ที่มีอยู่เพื่อเพิ่มสมรรถนะของยูเรเนียม ในบรรดากระบวนการทั้งหมด การแพร่กระจายของแก๊สและการหมุนเหวี่ยงของแก๊สเป็นกระบวนการที่พบได้บ่อยที่สุด แต่การแยกด้วยเลเซอร์ไอโซโทปคาดว่าจะเข้ามาแทนที่ทั้งสองกระบวนการ

ขั้นตอนที่ 4. เปลี่ยน UF gas₆ เป็นยูเรเนียมไดออกไซด์ (UO₂).

เมื่อเสริมสมรรถนะแล้ว ยูเรเนียมจะต้องถูกแปลงให้อยู่ในรูปของแข็งที่เสถียรเพื่อใช้ได้ตามต้องการ

ยูเรเนียมไดออกไซด์ที่ใช้เป็นเชื้อเพลิงสำหรับเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ทำเป็นเมล็ดพืชแกนเซรามิกที่ห่อด้วยท่อโลหะเพื่อให้กลายเป็นแท่งที่มีความสูงไม่เกิน 4 เมตร

วิธีที่ 2 จาก 7: กระบวนการแพร่ก๊าซ

ขั้นตอนที่ 1. ปั๊ม UF gas gas₆ ผ่านท่อ

ขั้นตอนที่ 2 ปั๊มแก๊สผ่านตัวกรองหรือเมมเบรนที่มีรูพรุน

เนื่องจากไอโซโทป ²³⁵U มีน้ำหนักเบากว่าไอโซโทป ²³⁸U, UF₆ ไอโซโทปที่เบากว่าจะกระจายผ่านเมมเบรนเร็วกว่าไอโซโทปที่หนักกว่า

ขั้นตอนที่ 3 ทำซ้ำขั้นตอนการแพร่กระจายจนกว่าจะเพียงพอ ²³⁵ยูรวบรวม

การแพร่กระจายซ้ำๆ เรียกว่า stratified สามารถกรองผ่านเมมเบรนที่มีรูพรุนได้มากถึง 1,400 แผ่นจึงจะเพียงพอ ²³⁵ยูเพื่อเสริมสมรรถนะยูเรเนียมได้ดี

ขั้นตอนที่ 4 การควบแน่นของก๊าซ UF แก๊ส₆ ให้อยู่ในรูปของเหลว

เมื่อก๊าซได้รับการปรับปรุงคุณภาพอย่างเพียงพอแล้ว ก๊าซจะถูกควบแน่นเป็นของเหลว แล้วเก็บไว้ในภาชนะที่เย็นตัวลงและแข็งตัวเพื่อขนส่งและทำเป็นเมล็ดเชื้อเพลิง

เนื่องจากต้องใช้การกรองจำนวนมาก กระบวนการนี้จึงใช้พลังงานมากจึงหยุดทำงาน ในสหรัฐอเมริกา เหลือโรงงานเสริมสมรรถนะการแพร่ก๊าซเพียงแห่งเดียวที่ตั้งอยู่ในเมืองพาดูกาห์ รัฐเคนตักกี้

วิธีที่ 3 จาก 7: กระบวนการหมุนเหวี่ยงแก๊ส

ขั้นตอนที่ 1 ติดตั้งกระบอกสูบหมุนความเร็วสูงจำนวนหนึ่ง

กระบอกนี้เป็นเครื่องหมุนเหวี่ยง เครื่องหมุนเหวี่ยงติดตั้งแบบอนุกรมหรือขนาน

ขั้นตอนที่ 2. Flow UF. gas₆ ลงในสปินเนอร์

เครื่องหมุนเหวี่ยงใช้ความเร่งสู่ศูนย์กลางเพื่อส่งก๊าซที่มี ²³⁸U ที่หนักกว่าถึงผนังกระบอกสูบและก๊าซที่มี ²³⁵ไฟแช็ก U ไปที่กึ่งกลางของกระบอกสูบ

ขั้นตอนที่ 3 แยกก๊าซที่แยกออกมา

ขั้นตอนที่ 4 ประมวลผลก๊าซทั้งสองที่แยกจากกันอีกครั้งในเครื่องหมุนเหวี่ยงแยกกันสองเครื่อง

อุดมไปด้วยแก๊ส ²³⁵คุณถูกส่งไปยังเครื่องหมุนเหวี่ยงที่ ²³⁵U ยังคงถูกสกัดมากกว่าในขณะที่ก๊าซที่มี ²³⁵U ที่ลดลงจะถูกป้อนเข้าสู่เครื่องหมุนเหวี่ยงอื่นเพื่อแยกออก ²³⁵ยู ที่เหลือ ซึ่งช่วยให้การหมุนเหวี่ยงสามารถสกัดได้มากขึ้น ²³⁵U than สามารถสกัดได้โดยกระบวนการกระจายก๊าซ

กระบวนการหมุนเหวี่ยงด้วยแก๊สได้รับการพัฒนาขึ้นครั้งแรกในทศวรรษที่ 1940 แต่ไม่ได้ถูกนำมาใช้อย่างมีนัยสำคัญจนกระทั่งทศวรรษ 1960 เมื่อความสามารถในการดำเนินการในกระบวนการเสริมสมรรถนะยูเรเนียมที่มีพลังงานต่ำกลายเป็นสิ่งสำคัญ ปัจจุบัน โรงงานแปรรูปแก๊สหมุนเหวี่ยงในสหรัฐอเมริกาตั้งอยู่ในเมืองยูนีซ รัฐนิวเม็กซิโก ในทางตรงกันข้าม รัสเซียมีโรงงานประเภทนี้อยู่ 4 แห่ง ญี่ปุ่นและจีนมีโรงงานละ 2 แห่ง ในขณะที่สหราชอาณาจักร เนเธอร์แลนด์ และเยอรมนีมีโรงงานละแห่ง

วิธีที่ 4 จาก 7: กระบวนการแยกตามหลักอากาศพลศาสตร์

ขั้นตอนที่ 1 สร้างชุดกระบอกสูบที่แคบและอยู่กับที่

ขั้นตอนที่ 2 ฉีดแก๊ส UF แก๊ส₆ เข้าไปในกระบอกสูบด้วยความเร็วสูง

ก๊าซถูกยิงเข้าไปในกระบอกสูบในลักษณะที่ทำให้ก๊าซหมุนเหมือนพายุไซโคลนจึงทำให้เกิดการแยกตัวออกมา ²³⁵คุณและ ²³⁸U เดียวกันกับในกระบวนการหมุนเหวี่ยง

วิธีหนึ่งที่พัฒนาขึ้นในแอฟริกาใต้คือการฉีดก๊าซลงในกระบอกสูบแบบเคียงข้างกัน วิธีนี้อยู่ในระหว่างการทดสอบกับไอโซโทปที่เบากว่า เช่น ไอโซโทปที่พบในซิลิคอน

วิธีที่ 5 จาก 7: กระบวนการกระจายความร้อนด้วยของเหลว

ขั้นตอนที่ 1 ทำให้เหลว UF gas₆ ภายใต้ความกดดัน.

ขั้นตอนที่ 2. ทำท่อคอนเดนเสทคู่หนึ่ง

ท่อต้องสูงพอ เพราะท่อที่สูงกว่าจะทำให้แยกไอโซโทปได้มากขึ้น ²³⁵คุณและ ²³⁸ยู.

ขั้นตอนที่ 3 เคลือบท่อด้วยชั้นน้ำ

สิ่งนี้จะทำให้ด้านนอกของท่อเย็นลง

ขั้นตอนที่ 4. ปั๊ม UF₆ ของเหลวระหว่างท่อ

ขั้นตอนที่ 5. อุ่นยางในด้วยไอน้ำ

ความร้อนจะทำให้เกิดกระแสพาในUF₆ ซึ่งจะดึงดูดไอโซโทป ²³⁵U ที่เบากว่าเข้าหายางในที่ร้อนกว่าและผลักไอโซโทป ²³⁸U ที่หนักกว่าไปทางท่อด้านนอกที่เย็นกว่า

กระบวนการนี้ได้รับการวิจัยในปี พ.ศ. 2483 โดยเป็นส่วนหนึ่งของโครงการแมนฮัตตัน แต่ถูกยกเลิกในช่วงเริ่มต้นของการพัฒนาเมื่อมีการพัฒนากระบวนการแพร่ก๊าซที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น

วิธีที่ 6 จาก 7: กระบวนการแยกไอโซโทปแม่เหล็กไฟฟ้า

ขั้นตอนที่ 1 Ionization of UF. gas₆.

ขั้นตอนที่ 2 ส่งก๊าซผ่านสนามแม่เหล็กแรงสูง

ขั้นตอนที่ 3 แยกไอโซโทปของยูเรเนียมที่แตกตัวเป็นไอออนตามร่องรอยที่หลงเหลือไว้ขณะที่พวกมันผ่านสนามแม่เหล็ก

ไอออน ²³⁵คุณทิ้งร่องรอยไว้ด้วยส่วนโค้งที่แตกต่างจากไอออน ²³⁸U. ไอออนสามารถแยกออกได้เพื่อเพิ่มสมรรถนะของยูเรเนียม

วิธีนี้ใช้ในการประมวลผลยูเรเนียมสำหรับระเบิดปรมาณูที่ทิ้งบนฮิโรชิมาในปี 2488 และยังเป็นวิธีเสริมสมรรถนะที่อิรักใช้ในโครงการอาวุธนิวเคลียร์ในปี 2535 วิธีนี้ต้องใช้พลังงานมากกว่าการแพร่กระจายของก๊าซถึง 10 เท่า ทำให้ไม่สามารถทำได้สำหรับโปรแกรม. การตกแต่งขนาดใหญ่

วิธีที่ 7 จาก 7: กระบวนการแยกไอโซโทปด้วยเลเซอร์

ขั้นตอนที่ 1. ตั้งค่าเลเซอร์ให้เป็นสีเฉพาะ

ลำแสงเลเซอร์จะต้องมีความยาวคลื่นเพียงช่วงเดียว (ขาวดำ) ความยาวคลื่นนี้จะกำหนดเป้าหมายอะตอมเท่านั้น ²³⁵U และให้อะตอม ²³⁸คุณไม่ได้รับผลกระทบ

ขั้นตอนที่ 2. ฉายแสงเลเซอร์ไปที่ยูเรเนียม

ต่างจากกระบวนการเสริมสมรรถนะยูเรเนียมอื่น ๆ คุณไม่จำเป็นต้องใช้ก๊าซยูเรเนียมเฮกซาฟลูออไรด์ แม้ว่ากระบวนการเลเซอร์ส่วนใหญ่จะใช้ก็ตาม คุณยังสามารถใช้ยูเรเนียมและโลหะผสมของเหล็กเป็นแหล่งยูเรเนียม ซึ่งใช้ในกระบวนการแยกไอโซโทปด้วยเลเซอร์ไอโซโทปของอะตอม (AVLIS)

ขั้นตอนที่ 3 การสกัดอะตอมยูเรเนียมด้วยอิเล็กตรอนที่ตื่นเต้น

มันจะเป็นอะตอม ²³⁵ยู.

เคล็ดลับ

บางประเทศใช้เชื้อเพลิงนิวเคลียร์ในกระบวนการผลิตซ้ำเพื่อกู้คืนยูเรเนียมและพลูโทเนียมที่เกิดขึ้นระหว่างกระบวนการฟิชชัน ยูเรเนียมที่ผ่านการแปรรูปแล้วจะต้องถูกกำจัดออกจากไอโซโทป ²³²คุณและ ²³⁶U ก่อตัวขึ้นในระหว่างการแตกตัว และหากได้รับการเสริมสมรรถนะ จะต้องเสริมสมรรถนะให้ได้เกรดที่สูงกว่ายูเรเนียม "สด" เพราะ ²³⁶U ดูดซับนิวตรอนจึงยับยั้งกระบวนการฟิชชัน ดังนั้นจึงต้องเก็บยูเรเนียมที่ผ่านการแปรรูปใหม่แยกต่างหากจากยูเรเนียมที่ได้รับการเสริมสมรรถนะใหม่เป็นครั้งแรก

คำเตือน

• ยูเรเนียมปล่อยกัมมันตภาพรังสีที่อ่อนแอเท่านั้น อย่างไรก็ตามเมื่อแปรรูปเป็น UF. gas₆กลายเป็นสารเคมีที่เป็นพิษซึ่งทำปฏิกิริยากับน้ำทำให้เกิดกรดไฮโดรฟลูออริกที่มีฤทธิ์กัดกร่อน (กรดนี้เรียกกันทั่วไปว่า “กรดกัดกรด” เพราะใช้ในการกัดกระจก) ดังนั้น โรงงานเสริมสมรรถนะยูเรเนียมจึงต้องการมาตรการป้องกันเช่นเดียวกับโรงงานเคมีที่ทำงานกับฟลูออรีน ซึ่งรวมถึงการเก็บก๊าซ UF ไว้ที่อ่าว₆ อยู่ภายใต้ความกดอากาศต่ำเป็นส่วนใหญ่ และใช้การกักกันระดับพิเศษในบริเวณที่ต้องการแรงดันสูง
• ยูเรเนียมที่ผ่านการแปรรูปแล้วต้องเก็บไว้ในเปลือกหนาเพราะ ²³²U ในนั้นสลายตัวเป็นองค์ประกอบที่ปล่อยรังสีแกมมาอย่างแรง
• ยูเรเนียมเสริมสมรรถนะมักจะถูกแปรรูปใหม่เพียงครั้งเดียวเท่านั้น