Пайдалы кеңестер

Уранды байыту

Уранды байыту ядролық қаруды жасаудағы маңызды қадамдардың бірі болып табылады. Уранның белгілі бір түрі ғана ядролық реакторлар мен бомбаларда жұмыс істейді.

Уранның бұл түрін неғұрлым кең таралған түрлерден бөлу үлкен инженерлік шеберлікті қажет етеді, дегенмен бұл үшін қажетті технологиялар ондаған жылдар бойы болған. Тапсырма уранды қалай бөліп алу керектігін анықтау емес, осы тапсырманы орындау үшін қажетті жабдықты құру және іске қосу болып табылады.

Табиғатта әр түрлі кездесетін элемент атомдары сияқты уран атомдары изотоптар деп аталады. (Әрбір изотоптың ядросында әр түрлі нейтрондар бар.) Уран-235, барлық табиғи уранның 1 пайызынан азын құрайтын изотоп, ядролық реакторлар мен ядролық бомбаларды отынмен қамтамасыз етеді, ал уран-238 - 99 пайызды құрайтын изотоп. табиғи уран, ядролық қолданылмайды.

Уранды байыту дәрежелері

Ядролық тізбектік реакция уран атомының ыдырауынан кем дегенде бір нейтронның басқа атомға түсіп, сәйкесінше оның ыдырауына алып келеді дегенді білдіреді. Алғашқы жуықтауда бұл нейтрон реактордан шыққанға дейін 235 U атомына «сүрінуі» керек дегенді білдіреді. Бұл уранмен жасалған конструкцияның нейтрон үшін келесі уран атомын табу ықтималдығы жоғары болуы үшін жеткілікті ықшамды болуы керек дегенді білдіреді. Бірақ 235 U реакторы жұмыс істеп тұрған кезде біртіндеп жанып кетеді, бұл 235 U атомының нейтронмен кездесуі ықтималдығын төмендетеді, бұл оларды реакторларда осы ықтималдылықтың белгілі бір шегін қоюға мәжбүр етеді. Тиісінше, ядролық отындағы 235 U-ның төмен үлесі мыналарды қажет етеді:

  • одан үлкенірек реактордың көлемі, нейтрон ұзағырақ болуы үшін
  • реактор көлемінің көп бөлігін нейтрон мен уран атомының соқтығысу ықтималдығын арттыру үшін отынмен қамту керек;
  • реактордағы берілген тығыздықты 235 U сақтау үшін отынды жаңадан толтыру қажет болады,
  • жұмсалған отындағы 235 U құндылығы жоғары.

Ядролық технологияны жетілдіру процесінде отын құрамындағы 235 U мөлшерін, яғни уранды байытуды қажет ететін экономикалық және технологиялық тұрғыдан оңтайлы шешімдер табылды.

Ядролық қаруда байыту міндеті бірдей: ядролық жарылыстың тым қысқа мерзімінде 235 U атомының максималды саны өздерінің нейтронын, ыдырауын және босататын энергиясын табуы қажет. Ол үшін 235 U атомының максималды көлемдегі тығыздығы қажет, оны түпкілікті байытумен қол жеткізуге болады.

Уранды байыту дәрежелері [өңдеу |

Бөлінудің кілті

Олардың бөлінуінің басты мәні уран-235 атомдарының салмағы уран-238 атомдарынан сәл аз.

Уран кенінің әрбір табиғи сынамасында кездесетін уранның аз мөлшерін бөлу үшін инженерлер алдымен уранды химиялық реакция көмегімен газға айналдырады.

Содан кейін газ цилиндр тәрізді адам немесе одан көп мөлшерде центрифуга түтігіне енгізіледі. Әрбір түтік өз осінде керемет жоғары жылдамдықпен айналады, ауыр уран-238 газ молекулаларын түтіктің ортасына қарай тартып, жеңіл-желпі уран-235 газ молекулаларын оларды шығаруға болатын түтіктің шетіне жақын қалдырады.

Газ центрифугада айналған сайын қоспадан уран-238 газының аз ғана мөлшері шығарылады, сондықтан құбырлар қатармен қолданылады. Әр центрифуга біршама уран-238 шығарады, содан кейін сәл тазартылған газ қоспасын келесі құбырға өткізеді және т.б.

Уран газын конверсиялау

Газ тәріздес уран-235 центрифуганың көптеген сатыларында бөлінгеннен кейін инженерлер уран газын қатты металлға айналдыру үшін әртүрлі химиялық реакцияны қолданады. Бұл металды кейінірек реакторларда немесе бомбаларда қолдану үшін қалыптастыруға болады.

Әр қадам уран газының қоспасын аз ғана мөлшерде тазартады, сондықтан елдер тиімділіктің ең жоғары деңгейіне есептелген центрифугаларды ғана қолдана алады. Әйтпесе, аз мөлшерде таза уран-235 өндіру де өте қымбатқа түседі.

Бұл центрифугалық түтіктерді жобалау және өндіру көптеген елдердің қолынан келмейтін белгілі бір инвестициялар мен техникалық ноу-хауды қажет етеді. Құбырларға айналдыру кезінде айтарлықтай қысымға төтеп беретін болаттың немесе қоспалардың арнайы түрлері қажет, олар толығымен цилиндрлік болуы керек және оларды құрастыру қиын болатын мамандандырылған машиналар жасау керек.

Америка Құрама Штаттары Хиросимаға тастаған бомбаның мысалы. Бомбаны жасау үшін 62 кг уран-235 қажет, «атом бомбасын салу» (Саймон мен Шустер, 1995).

Осы 62 кг-ны 4 тонна уран кенінен бөлу әлемдегі ең үлкен ғимаратта орын алып, елдің электр энергиясының 10 пайызын пайдаланды. «Нысанды салу үшін 20 000 адам қажет болды, құрылысты 12000 адам пайдаланды, ал 1944 жылы оны жабдықтауға 500 миллион доллардан астам қаражат жұмсалды». Бұл 2018 жылы шамамен 7,2 миллиард доллар.

Неліктен байытылған уран соншалықты қорқынышты?

Уран немесе қару деңгейіндегі плутоний өзінің таза түрінде қарапайым қарапайым себеппен қауіпті: олардан белгілі бір техникалық базасы бар жарылғыш ядролық құрылғы жасалуы мүмкін.

Суретте қарапайым ядролық оқтұмсықтың схемалық бейнесі көрсетілген. 1 және 2 ядролық отынның шпаттары қабықтың ішінде орналасқан. Олардың әрқайсысы - бүкіл шардың бір бөлігі және салмағы бомбада қолданылатын қару металлының критикалық массасынан сәл аз.

ТНТ зарядының жарылуы кезінде 1 және 2-ші уран құймалары бір-біріне біріктіріледі, олардың жалпы массасы бұл материал үшін критикалық массадан асып түседі, бұл ядролық тізбекті реакцияға, демек, атом жарылысына әкеледі.

Бұл қиын ештеңе көрінбейді, бірақ іс жүзінде бұл олай емес. Әйтпесе, планетада ядролық қаруы бар елдер саны көбірек болуы мүмкін. Сонымен қатар, осындай қауіпті технологиялардың жеткілікті қуатты және дамыған террористік топтардың қолына түсу қаупі едәуір артады.

Қиындық - дамыған ғылыми инфрақұрылымы бар өте бай державалар уранды байытуда, тіпті қазіргі технологияның дамуында. Атомдық құрылғы жұмыс істемей, одан да қиын 235 және 238 уран изотоптарын бөліп алыңыз.

Уран кеніштері: ақиқат және көркем әдебиет

КСРО-да филистік деңгейде қылмыскерлер уран кеніштерінде жұмыс істейді деген болжам пайда болды, осылайша партия мен кеңес халқы алдында өз кінәсін мойнына алды. Бұл, әрине, дұрыс емес.

Уран өндіру - бұл жоғары технологиялық тау-кен өндірісі, сондықтан күрделі және өте қымбат жабдықтармен және қарақшылармен бірге өлтіретіндермен жұмыс істеуге ешкімнің мойындауы екіталай. Сонымен қатар, уран өндірушілері міндетті түрде газ маскасы мен қорғасын іш киімін киеді деген қауесеттер де мифтен басқа.

Уран шахталарда кейде тереңдікке дейін алынады. Бұл элементтің ең үлкен қоры Канада, Ресей, Қазақстан және Австралияда кездеседі. Ресейде бір тонна руда орташа есеппен бір жарым килограмм уран өндіреді. Бұл ең үлкен көрсеткіш емес. Кейбір еуропалық шахталарда бұл көрсеткіш тоннасына 22 кг жетеді.

Шахтадағы радиациялық фон стратосфераның шекарасындағы, азаматтық жолаушылар ұшағын жөндейтін жермен бірдей.

Уран кені

Уранды байыту пайдалы қазбадан кейін бірден, шахтаға жақын жерде басталады. Металлдан басқа, кез-келген кен сияқты уран құрамында бос жыныстар бар. Байытудың бастапқы кезеңі шахтадан алынған тастарды сұрыптауға байланысты: уранға бай және кедей. Іс жүзінде әрбір бөлік өлшенеді, машиналармен өлшенеді және қасиеттеріне байланысты белгілі бір ағымға жіберіледі.

Содан кейін уранға бай руданы ұсақ ұнтаққа ұсақтайтын диірмен іске қосылады. Алайда, бұл уран емес, тек оның оксиді. Таза металл алу - бұл химиялық реакциялар мен түрлендірулердің ең күрделі тізбегі.

Дегенмен, таза металды бастапқы химиялық қосылыстардан бөліп алу жеткіліксіз. Табиғаттағы уранның 99% -ы 238 изотопына тиесілі, ал оның 235-ші құрамы бір пайыздан аз. Оларды бөлу өте қиын міндет, оны әр ел шеше алмайды.

Газды диффузиялық байыту әдісі

Бұл уранмен байытылған алғашқы әдіс. Ол әлі күнге дейін АҚШ пен Францияда қолданылады. 235 және 238 изотоптарының тығыздығының айырмашылығына негізделген. Тотыққаннан шыққан уран газы жоғары қысыммен мембранамен бөлінген камераға жіберіледі. 235 изотопының атомдары жеңілірек, сондықтан олар алынған жылу бөлігінен «баяу» уран 238 атомдарынан тезірек қозғалады, сәйкесінше мембранаға жиі және қарқынды соққы береді. Ықтималдықтар теориясының заңдарына сәйкес олар микроорганизмдердің біріне түсіп, осы мембрананың екінші жағында болуы ықтимал.

Бұл әдістің тиімділігі аз, өйткені изотоптардың арасындағы айырмашылық өте аз. Байытылған уранды қолдануға жарамды ету үшін не істеу керек? Жауап бұл әдісті бірнеше рет қолданады. Электр стансасындағы реактордан отын алуға жарамды уран алу үшін газды тарату жүйесі бірнеше жүз рет қайталанады.

Бұл әдіс туралы сарапшылардың пікірлері аралас. Бір жағынан, газды диффузиялық бөлу әдісі бірінші болып АҚШ-ты жоғары сапалы уранмен қамтамасыз етіп, оларды әскери салада уақытша көшбасшы етеді. Екінші жағынан, газдың диффузиясы аз қалдық шығарады деп саналады. Бұл жағдайда сәтсіздікке ұшырайтын жалғыз нәрсе - бұл түпкілікті өнімнің жоғары бағасы.

Центрифуга әдісі

Бұл кеңес инженерлерінің дамуы. Қазіргі уақытта Ресейден басқа, КСРО-да ашылған әдіспен уран байытылған бірқатар елдер бар. Бұл Бразилия, Ұлыбритания, Германия, Жапония және тағы басқа мемлекеттер. Бұл әдіс газдың диффузиялық технологиясына ұқсас, өйткені ол 235 және 238 изотоптарының массалық айырмашылығын қолданады.

Уран газы центрифугада 1500 айн / мин айналады. Әр түрлі тығыздыққа байланысты изотоптарға әртүрлі мөлшердегі центрифугациялық күштер әсер етеді. Уран 238 ауыр болған сайын центрифуга қабырғаларына жақын жерде жиналады, ал 235-ші изотоп орталыққа жақындайды. Газ қоспасы цилиндрдің жоғарғы жағына жіберіледі. Центрифуганың түбіне баратын жолдан өтіп, изотоптардың жартылай бөлінуіне уақыт бар және олар бөлек таңдалады.

Бұл әдіс изотоптардың 100% бөлінуін қамтамасыз етпейтіндігіне қарамастан және қажетті байыту дәрежесіне жету үшін оны бірнеше рет қолдану қажет, бірақ ол газдың таралуына қарағанда әлдеқайда тиімді. Осылайша, центрифуга технологиясын қолдана отырып, Ресейде байытылған уран американдық мембраналармен салыстырғанда шамамен 3 есе арзан.

Байытылған уран қолдану

Неліктен мұның бәрі күрделі және қымбат қызыл таспаны тазартумен, металды оксидтерден, изотоптармен бөліп тастайды? 235 байытылған уранның бір шайбасы, атом энергиясында пайдаланылатын (осындай «таблеткалардан» жиналған шыбықтар - отын шыбықтары), салмағы 7 грамм, шамамен 200 литрлік бөшкеге үш тонна бензин немесе тонна көмір келеді.

Байытылған және таусылған уран 235 және 238 изотоптарының тазалығы мен қатынасына байланысты әр түрлі қолданылады.

235 изотопы - энергияны көп қажет ететін отын. 235 изотоптың құрамы 20% -дан жоғары болған кезде байытылған уран қарастырылады. Бұл ядролық қарудың негізі.

Байытылған энергиямен қаныққан шикізат массасы мен мөлшері шектеулі болғандықтан суасты қайықтары мен ғарыш аппараттарындағы ядролық реакторларға отын ретінде қолданылады.

Негізінен құрамында 238 изотопы бар уран, стационарлық ядролық реакторларға арналған отын болып табылады. Табиғи уран реакторлары азырақ жарылғыш болып саналады.

Айтпақшы, ресейлік экономистердің есептеулеріне сәйкес, мерзімді кестенің 92 элементінің қазіргі өндіріс қарқынын сақтай отырып, оның әлемдегі барланған шахталардағы қоры 2030 жылға қарай таусылып қалуы мүмкін. Сондықтан ғалымдар болашақта арзан және қол жетімді энергия көзі ретінде синтездеуді асыға күтуде.