Uraani kasutatakse tuumareaktorites jõuallikana ja sellest valmistati esimene aatomipomm, mis visati Hiroshimale 1945. aastal. Uraani kaevandatakse maagina, mida nimetatakse pigiseguks ning see koosneb mitmest erineva aatommassi ja erineva radioaktiivsusega isotoobist. Lõhustumisreaktsioonides kasutamiseks tuleb 235U isotoobi kogust suurendada tasemeni, mis võimaldab reaktoris või pommis hõlpsat lõhustumist. Seda protsessi nimetatakse uraani rikastamiseks ja selleks on mitu võimalust.
1
Otsustage, milleks uraani kasutatakse. Enamik kaevandatud uraani sisaldab ainult umbes 0,7 protsenti 235U, kusjuures suurem osa ülejäänud osast on suhteliselt stabiilne isotoop 238U. See, millist tüüpi lõhustumisreaktsiooniks uraani kasutatakse, määrab, millise tasemeni 235 U tuleb tõsta, et uraani saaks tõhusalt kasutada. Enamikus tuumaelektrijaamades kasutatav uraan tuleb rikastada tasemeni 3–5 protsenti 235 U. (Mõned tuumareaktorid, nagu CANDU reaktor Kanadas ja Magnox reaktor Ühendkuningriigis, on kavandatud kasutama rikastamata uraani.) Aatomipommide ja lõhkepeade jaoks kasutatav uraan seevastu tuleb rikastada 90 protsendini 235 U.
2
Muutke uraanimaak gaasiks. Enamik praegu olemasolevaid uraani rikastamise meetodeid nõuab maagi muutmist madala temperatuuriga gaasiks. Fluorgaas pumbatakse tavaliselt maagi muundamise tehasesse; gaas uraanoksiid reageerib fluoriga, moodustades uraanheksafluoriidi (UF6). Seejärel rakendatakse gaasi 235U isotoobi eraldamiseks ja kogumiseks.
3
Rikastage uraani. Selle artikli ülejäänud osad kirjeldavad erinevaid uraani rikastamise protsesse. Neist gaasdifusioon ja gaasitsentrifuug on kaks levinumat, kuid eeldatavasti asendab laserisotoopide eraldamise protsess.
4
Muudab UF6 gaas uraandioksiidiks (UO2). Kui uraan on rikastatud, tuleb see eesmärgipäraseks kasutamiseks muuta stabiilseks tahkeks. Tuumareaktorites kütusena kasutatavast uraandioksiidist valmistatakse tsentreeritud keraamilised graanulid, mis on ümbritsetud metalltorudesse, et saada 4 m (13,12 jala) pikkuseid vardaid.
5
UF6 pumpamine läbi torustike.
6
Suruge gaas läbi poorse filtri või membraani. Kuna 235U isotoop on kergem kui 238U isotoop, difundeerub kergemat isotoopi sisaldav UF6 läbi membraani kiiremini kui raskem isotoop.
7
Korrake difusiooniprotsessi, kuni kogutakse piisavalt 235 U. Korduvat difusiooni nimetatakse kaskaadiks. Uraani piisavaks rikastamiseks 235 U saamiseks võib kuluda kuni 1400 läbimist läbi poorsete membraanide.
8
Kondenseerida UF6 gaas vedelaks. Kui gaas on piisavalt rikastatud, kondenseeritakse see vedelikuks ja ladustatakse seejärel konteineritesse, kus see jahtub ja tahkub ning transporditakse kütusegraanuliteks. Vajalike läbikäikude arvu tõttu on see protsess energiamahukas ja seda hakatakse kasutama. järk-järgult. Ameerika Ühendriikides on alles vaid üks gaasilise difusiooni rikastamise tehas, mis asub Kentucky osariigis Paducah’s.
9
Pange kokku mitu suurel kiirusel pöörlevat silindrit. Need silindrid on tsentrifuugid. Tsentrifuugid on kokku pandud nii seeria- kui ka paralleelse paigutusega.
10
Juhtige UF6 gaas tsentrifuugidesse. Tsentrifuugid kasutavad tsentripetaalset kiirendust, et saata raskem 238U kandev gaas silindri seinale ja kergem 235U kandev gaas keskele.
11
Eraldatud gaasid ekstraheeritakse.
12
Eraldatud gaasid töödeldakse eraldi tsentrifuugides. 235U-rikkad gaasid saadetakse tsentrifuugi, kust ekstraheeritakse veel 235U, samas kui 235U-ga ammendatud gaas suunatakse teise tsentrifuugi, et eraldada veel rohkem ülejäänud 235U-st. See võimaldab tsentrifuugiprotsessiga eraldada palju rohkem 235 U kui gaasilise difusiooniga. Gaastsentrifuugiprotsess töötati esmakordselt välja 1940. aastatel, kuid seda hakati kasutama alles 1960. aastatel, mil muutus oluliseks selle madalam energiavajadus rikastatud uraani tootmiseks. .Praegu on Ameerika Ühendriikides New Mexico osariigis Eunice’is gaasitsentrifuugi töötlemise tehas. Seevastu Venemaal on praegu neli sellist tehast, Jaapanil ja Hiinal kummalgi kaks, Ühendkuningriigil, Hollandil ja Saksamaal aga kummalgi üks.
13
Ehitage statsionaarsete kitsaste silindrite seeria.
14
Sisestage UF6 gaas balloonidesse suurel kiirusel. Gaas puhutakse silindritesse nii, et see indutseeritakse tsükloniliselt pöörlema, tekitades samasuguse eraldumise 235U ja 238U vahel, nagu saavutatakse pöörlevas tsentrifuugis. Üks Lõuna-Aafrikas väljatöötatav meetod süstib gaasi silinder puutujal. Praegu katsetatakse seda kergete isotoopidega, näiteks räni isotoopidega.
15
UF6 gaas veeldada rõhu all.
16
Ehitage paar kontsentrilist toru. Torud peaksid olema üsna kõrged, kõrgemate torudega, mis võimaldavad 235U ja 238U isotoope paremini eraldada.
17
Ümbritsege torud vedela vee särgiga. See jahutab välimist toru.
18
Pumbake vedelik UF6 torude vahele.
19
Kuumutage sisemist toru auruga. Kuumus tekitab UF6-s konvektsioonivoolu, mis tõmbab kergema 235U isotoobi kuumema sisemise toru poole ja surub raskema 238U isotoobi külmema välimise toru poole. Seda protsessi uuriti 1940. aastal Manhattani projekti osana, kuid see jäeti pooleli. olles veel varajases arengujärgus, kui töötati välja tõhusam gaaside difusiooniprotsess.
20
Ioniseerige gaas UF6.
21
Laske gaas läbi tugeva magnetvälja.
22
Eraldage ioniseeritud uraani isotoobid nende radade järgi, millest nad magnetvälja läbimisel lahkuvad. 235U ioonid jätavad jäljed, mis kõverduvad teistmoodi kui 238U omad. Neid ioone saab isoleerida uraani rikastamiseks. Seda meetodit kasutati 1945. aastal Hiroshimale heidetud aatomipommi uraani töötlemiseks ja see oli ka rikastamismeetod, mida Iraak kasutas oma 1992. aasta tuumarelvaprogrammis. See nõuab 10 korda rohkem energiat kui gaasiline difusioon. , mis muudab selle suuremahuliste rikastamisprogrammide jaoks ebapraktiliseks.
23
Häälestage laser kindlale värvile. Laservalgus peab olema täielikult kindla lainepikkusega (monokromaatiline). See lainepikkus sihib ainult 235U aatomit, jättes 238U aatomid puutumata.
24
Pane laservalgus uraanile. Erinevalt teistest uraani rikastamise protsessidest ei pea te kasutama uraanheksafluoriidi gaasi, kuigi enamik laserprotsesse seda teeb. Uraaniallikana saate kasutada ka uraani ja raua sulamit, mida teeb aatomiauru laserisotoopide eraldamise (AVLIS) protsess.
25
Ekstraheerige uraani aatomid ergastatud elektronidega. Need on 235 U aatomid.