Koristni nasveti

Obogatenje urana

Obogatenje urana je eden ključnih korakov pri ustvarjanju jedrskega orožja. V jedrskih reaktorjih in bombah deluje le določena vrsta urana.

Za ločitev te vrste urana od bolj razširjene sorte je potrebna velika inženirska spretnost, kljub temu, da tehnologija, potrebna za to, obstaja že desetletja. Naloga ni ugotoviti, kako ločiti uran, temveč zgraditi in zagnati opremo, potrebno za dokončanje te naloge.

Uranove atome, tako kot atome elementov, ki jih v naravi najdemo v različnih vrstah, imenujemo izotopi. (Vsak izotop ima v jedru različno število nevtronov.) Uran-235, izotop, ki predstavlja manj kot 1 odstotek vsega naravnega urana, zagotavlja gorivo za jedrske reaktorje in jedrske bombe, medtem ko uran-238, izotop, ki predstavlja 99 odstotkov naravni uran, nima jedrske uporabe.

Stopnje obogatitve urana

Jedrska verižna reakcija pomeni, da bo vsaj en nevron iz razpada uranovega atoma ujel drug atom in bo posledično razpadel. V prvem približanju to pomeni, da se mora nevtron "spotakniti" na atom 235 U, preden zapusti reaktor. To pomeni, da mora biti konstrukcija z uranom dovolj kompaktna, da je verjetnost, da bomo za nevtronov našli naslednji atom urana, dovolj visoka. Ko pa reaktor 235 U deluje, postopoma izgoreva, kar zmanjšuje verjetnost, da se nevtronov sreča z atomom 235 U, kar jih prisili, da določijo mejo te verjetnosti v reaktorjih. Skladno s tem nizek delež 235 U jedrskega goriva zahteva:

  • večji volumen reaktorja, tako da je nevtron v njem dlje
  • večji delež reaktorske prostornine bi moral zasedati gorivo, da bi povečali verjetnost trka nevtrona in uranovega atoma,
  • pogosteje je potrebno ponovno napolniti gorivo na sveže, da se v reaktorju ohrani določena gostota 235 U,
  • visok delež dragocenih 235 U v izrabljenem gorivu.

V procesu izboljšanja jedrske tehnologije so bile najdene ekonomsko in tehnološko optimalne rešitve, ki zahtevajo povečanje vsebnosti 235 U v gorivu, to je obogatitev urana.

V jedrskem orožju je naloga za obogatitev skoraj enaka: potrebno je, da v izjemno kratkem času jedrske eksplozije največ 255 atomov U najde svoj nevtron, razpade in sprosti energijo. Za to je potrebna največja možna prostornina gostote atomov 235 U, kar je mogoče doseči s končno obogatitvijo.

Stopnje obogatitve urana [uredi |

Ključ ločitve

Ključno pri njihovi ločitvi je, da atomi urana-235 tehtajo nekoliko manj kot atomi urana-238.

Da bi ločili majhno količino urana-235, ki je prisoten v vsakem naravnem vzorcu uranove rude, inženirji najprej pretvorijo uran v plin s kemično reakcijo.

Nato se plin vnese v cev za centrifugo v valjasti obliki velikosti osebe ali več. Vsaka cev se vrti na svoji osi z neverjetno velikimi hitrostmi, vleče težje molekule plina urana-238 v sredino cevi, pri čemer se lažje molekule plina urana-235 približajo robom cevi, kjer jih je mogoče izsesati.

Vsakič, ko se plin vrti v centrifugi, se iz mešanice odstrani le majhna količina plina urana-238, zato se cevi uporabljajo zaporedno. Vsaka centrifuga izvleče malo urana-238, nato pa rahlo prečiščeno mešanico plinov prenese v naslednjo cev itd.

Pretvorba uranovega plina

Po ločitvi plinastega urana-235 na številnih stopnjah centrifug inženirji uporabijo drugačno kemijsko reakcijo za pretvorbo uranovega plina nazaj v trdno kovino. Ta kovina se lahko kasneje oblikuje za uporabo bodisi v reaktorjih bodisi v bombicah.

Ker vsak korak očisti mešanico uranovega plina le v majhni količini, si države lahko privoščijo le centrifuge, ki so zasnovane na najvišji stopnji učinkovitosti. V nasprotnem primeru postane proizvodnja celo majhne količine čistega urana-235 neizmerno draga.

Oblikovanje in izdelava teh cevi za centrifugo zahteva določeno raven naložb in tehničnega znanja izven dosega mnogih držav. Cevi zahtevajo posebne vrste jekla ali mešanice, ki vzdržijo pomemben pritisk med vrtenjem, morajo biti popolnoma valjaste in izdelane iz specializiranih strojev, ki jih je težko sestaviti.

Tu je primer bombe, ki so jo ZDA spustile na Hirošimo. Za izdelavo bombe je potrebno 62 kg urana-235 v skladu z "gradnjo atomske bombe" (Simon in Schuster, 1995).

Ločitev teh 62 kg od skoraj 4 tone uranove rude se je zgodila v največji stavbi na svetu in je porabila 10 odstotkov električne energije v državi. "Za gradnjo objekta je bilo potrebnih 20.000 ljudi, objekt je upravljalo 12.000 ljudi, leta 1944 pa je stalo več kot 500 milijonov dolarjev." To je v letu 2018 približno 7,2 milijarde dolarjev.

Zakaj je obogateni uran tako grozen?

Uran ali orožje plutonija je v svoji čisti obliki nevarno iz enega preprostega razloga: iz njih se lahko z določeno tehnično podlago izdela eksplozivna jedrska naprava.

Slika prikazuje shematski prikaz preproste jedrske bojne glave. Gredici 1 in 2 jedrskega goriva sta znotraj lupine. Vsak od njih je eden od delov celotne žoge in tehta nekoliko manj kot kritična masa kovine orožja, uporabljene v bombi.

Ko se eksplodirajo naboji TNT, se urani ingoti 1 in 2 združijo v eno, njihova skupna masa zagotovo presega kritično maso tega materiala, kar vodi v reakcijo jedrske verige in posledično do atomske eksplozije.

Zdelo bi se nič zapletenega, a v resnici to seveda ni tako. V nasprotnem primeru bi bilo na planetu več držav z jedrskim orožjem. Poleg tega bi se tveganje, da takšne nevarne tehnologije padejo v roke dovolj močnih in razvitih terorističnih skupin, močno povečalo.

Trik je v tem, da so samo zelo bogate sile z razvito znanstveno infrastrukturo sposobne obogatiti uran, tudi s trenutnim razvojem tehnologije. Še težje, brez katerih atomska naprava ne bi delovala, ločimo izotope 235 in 238 urana.

Rudniki urana: resnica in fikcija

V ZSSR je bila na mehiški ravni hipoteza, da obsojeni kriminalci delajo v rudnikih urana in s tem izničijo svojo krivdo pred stranko in sovjetskim ljudstvom. To seveda ni res.

Rudarstvo urana je visokotehnološka rudarska industrija in malo je verjetno, da bi kdo priznal, da dela s prefinjeno in zelo drago opremo ter nabijalimi morilci z roparji. Poleg tega govorice, da rudarji urana nujno nosijo plinsko masko in svinčeno spodnje perilo, niso nič drugega kot mit.

Uran je miniran v rudnikih včasih tudi do kilometra globoko. Največje rezerve tega elementa so v Kanadi, Rusiji, Kazahstanu in Avstraliji. V Rusiji ena tona rude v povprečju proizvede približno en in pol kilogramov urana. To nikakor ni največji kazalnik. V nekaterih evropskih rudnikih ta številka dosega 22 kg na tono.

Sevalno ozadje v rudniku je približno enako kot na meji stratosfere, kjer se zakrpajo civilna potniška letala.

Uranova ruda

Obogati uran se začne takoj po kopanju, neposredno v bližini rudnika. Uran poleg kovine, kot katera koli druga ruda, vsebuje tudi odpadne kamnine. Začetna stopnja obogatitve je omejena na razvrščanje kamna, ki je bilo dvignjeno iz rudnika: bogatega urana in revnih. Dobesedno vsak kos stehtamo, ga izmerimo s stroji in odvisno od lastnosti pošljemo v določen potok.

Nato pride v poštev mlin, ki melje rudo, bogato z uranom, v droben prah. Vendar to ni uran, ampak le njegov oksid. Pridobivanje čiste kovine je najbolj zapletena veriga kemičnih reakcij in transformacij.

Vendar pa ni dovolj samo izolirati čisto kovino iz začetnih kemičnih spojin. Od vsega urana, ki ga vsebuje narava, 99% zavzema izotop 238, njegov 235. kolegij pa manj kot en odstotek. Ločevanje le-teh je zelo težka naloga, ki je ne more rešiti vsaka država.

Metoda obogatitve plinske difuzije

To je prva metoda, s katero se je obogatil uran. Še vedno se uporablja v ZDA in Franciji. Na podlagi razlike v gostoti 235 in 238 izotopov. Uran, sproščen iz oksida, se pod visokim tlakom črpa v komoro, ločeno z membrano. Atomi 235 izotopa so lažji, zato se od prejetega deleža toplote gibljejo hitreje kot "počasni" atomi urana 238, pogosteje in intenzivneje se bijejo proti membrani. Po zakonih teorije verjetnosti je večja verjetnost, da bodo vstopili v eno od mikropor in bili na drugi strani te membrane.

Učinkovitost te metode je majhna, saj je razlika med izotopi zelo, zelo majhna. Toda kako narediti obogateni uran uporaben? Odgovor je ta metoda uporabljati veliko, velikokrat. Da bi dobili uran, primeren za proizvodnjo goriva iz reaktorja v elektrarni, se sistem za difuzijsko obdelavo plina ponovi več stokrat.

Ocene strokovnjakov o tej metodi so mešane. Po eni strani je metoda ločevanja plinske difuzije prva, ki zagotavlja ZDA visokokakovostni uran, zaradi česar so začasno vodilni na vojaškem področju. Po drugi strani naj bi difuzija plina povzročila manj odpadkov. Edino, kar v tem primeru ne uspe, je visoka cena končnega izdelka.

Metoda centrifuge

To je razvoj sovjetskih inženirjev. Trenutno poleg Rusije obstaja vrsta držav, v katerih se uran obogati z metodo, odkrito v ZSSR. To so Brazilija, Velika Britanija, Nemčija, Japonska in nekatere druge države. Metoda je podobna tehnologiji difuzije plina, saj uporablja masno razliko 235 in 238 izotopov.

Uran se v centrifugi vrti do 1.500 vrt / min. Zaradi različnih gostot na izotope vplivajo centrifugalne sile različnih velikosti. Uran 238 se kot težji nabira v bližini sten centrifuge, 235. izotop pa se nabira bližje središču. Plinska zmes se črpa na vrh jeklenke. Ko so prehodili pot do dna centrifuge, imajo izotopi čas, da se delno ločijo in so izbrani ločeno.

Kljub dejstvu, da metoda prav tako ne zagotavlja 100% ločevanja izotopov, za dosego potrebne stopnje obogatitve pa jo je treba večkrat uporabiti, je veliko bolj ekonomično kot difuzija plinov. Tako je obogateni uran v Rusiji s pomočjo tehnologije centrifuge približno 3-krat cenejši od tistega, pridobljenega na ameriških membranah.

Uporaba obogatenega urana

Zakaj je vse to zapleteno in drago birokracija s čiščenjem, odvajanjem kovin od oksidov, ločevanjem izotopov? Ena podložka obogatenega urana 235, uporabljena v jedrski energiji (iz takšnih "tabletk" so sestavljene palice - gorivne palice), ki tehtajo 7 gramov, nadomesti približno tri 200-litrske sodčke bencina ali približno tono premoga.

Obogaten in osiromašen uran se uporablja različno, odvisno od čistosti in razmerja 235 in 238 izotopov.

Isotope 235 je energijsko bolj intenzivno gorivo. Za obogateni uran velja, da je vsebnost 235 izotopov več kot 20%. To je osnova jedrskega orožja.

Obogatene energijsko nasičene surovine se zaradi omejene mase in velikosti uporabljajo tudi kot jedrsko reaktorje v podmornicah in vesoljskih plovilih.

Osiromašeni uran, ki vsebuje predvsem 238 izotopov, je gorivo za civilne stacionarne jedrske reaktorje. Naravni uranovi reaktorji veljajo za manj eksplozivne.

Mimogrede, glede na izračune ruskih ekonomistov, ob ohranjanju trenutne stopnje proizvodnje 92 elementov periodične tabele bodo njene rezerve v raziskanih rudnikih po svetu že do leta 2030 izčrpane. Zato se znanstveniki v prihodnosti veselijo fuzije kot vira poceni in cenovno dostopne energije.