Uraanirikastaminen on prosessi, jolla lisätään halkeavan isotooppin uraani-235[] pitoisuutta verrattuna runsaampaan uraani-238. Tämä vaihe on välttämätön polttoaineen tuottamiseksi kaupallisiin ydinreaktoreihin ja historiallisesti ydinaseisiin. Varhaisimpiin teollisen mittakaavan rikastusteknologioihin kuului ] kaasudiffuusio[], menetelmä, joka määritteli ydiniän lähes puoleksi vuosisadaksi. Vaikka sen kehitys olikin nyt suurelta osin vanhentunutta, se merkitsi käännekohtaa sekä fysiikassa että tekniikkatekniikassa, ja sen lasku tarjoaa arvokkaita opetuksia teknologian kehityksestä, taloudesta ja luonnonvarojen hallinnasta.

Fysiikka takana kaasumainen diffuusio

Kaasudiffuusio hyödyntää kineettisen kaasuteorian perusperiaatetta Grahamin laki[: tietyssä lämpötilassa kaasueffuusien (huokoisen esteen läpi kulkevan) nopeus on käänteisesti verrannollinen uraanin molekyylimassan neliöjuuriin. Uraaniin sovellettuna elementti muunnetaan ensin kaasumaiseksi yhdisteeksi.UF6[][[]]]). Molikkelit, jotka sisältävät sytytintä [].235[U isotooppi (molekyylipaino ~349), liikkuvat hieman nopeammin kuin ne, jotka sisältävät [238[]U (~ (~352).

Yhdessä diffuusiovaiheessa kaasu pakotetaan paineessa mikroskooppisten huokosten kalvon läpi. Sytyttimien molekyylit kulkevat läpi hieman korkeammalla nopeudella, jolloin pienin rikastaminen on noin [0,2%[]] astetta kohti. Jotta saavutetaan 3...5% .235[]U pitoisuus, jota tarvitaan useimmissa valovesireaktoreissa.Tätä prosessia on toistettava tuhansia kertoja ]-kakadussa [[]], joka on yhdistetty toisiinsa.Jokaisessa vaiheessa ....

Esteet ja kalvot

Kaikkien kaasumaisten diffuusiolaitosten sydän on sen huokoinen este. Varhaiset esteet tehtiin nikkelistä tai sintratuista materiaaleista, jotka myöhemmin parannettiin ohuiksi nikkeli- tai alumiinioksidiputkiksi. Huokosten on oltava poikkeuksellisen pieniä 0.01-0,1 mikronin (]]) järjestyksessä, jotta molekyylieffuusio sallittaisiin ja samalla säilytettäisiin rakenteellinen eheys paineen alla. Suojan suorituskyky vaikuttaa suoraan sekä rikastustekijään että energiankulutukseen. Vuosikymmenten kuluessa insinöörit kehittivät esteitä, joiden yhdenmukaisuutta ja korroosionkestävyys on suurempi, mikä lisää laitoksen läpimenoa.

Puristus ja jäähdytys

Kaasu on puristaa ajaa sen läpi este, sitten jäähdytetään poistaa lämpöä pakkaus. Tämä tekee kaasudiffuusio [ erittäin energiaintensiivinen[]. Suuret kompressorit, usein powered by omistettu sähköasemat, kulutti valtava määrä sähköä. Suurimmat diffuusiolaitokset tarvitaan yhtä paljon tehoa kuin keskikokoinen kaupunki. Esimerkiksi Paducah BKT Kentuckyn rakennettu 3000 megawattia[ huippukäytössä.

Historiallinen kehitys: Laboratoriosta teollisuusmittakaavaan

Manhattan-hanke (1942.1945)

Kiireinen tarve rikastettua uraania World War II ajan ajoi nopea skaalautuminen kaasudiffuusio. Alle [Manhattan Project[, tiedemiehet ja insinöörit rakensivat [] K-25[] laitoksen Oak Ridge, Tennessee. Tuolloin se oli suurin rakennus maailmassa lattia-alueittain. Yli 4 miljoonaa neliömetriä. Laitos aloitti toimintansa vuonna 1945, tuottaa uraania rikastettu noin 80% 235[ U ensimmäisen atomipommin avulla yhdistelmä diffuusio- ja lämpödiffuusiomenetelmiä.

Samanaikaisesti S-50 nestemäisen lämpödiffuusio tarjosi osittaisen rikastusrehun, mutta osoittautui tehottomaksi. Vuoteen 1946 mennessä K-25:stä oli tullut maailman rikastetun uraanin ensisijainen lähde, joka tasoittaa tietä kylmän sodan ydinaseille.

Sodan jälkeinen laajentuminen

Toisen maailmansodan jälkeen Yhdysvallat rakensi kaksi uutta kaasudiffuusiolaitosta: [Paducah, Kentucky[] (aloitettu 1952) ja [ Portsmouth, Ohio[] (käytetty 1954). Yhdessä Oak Ridge. K-25:n kanssa nämä kolme laitosta muodostivat Yhdysvaltain rikastusyrityksen selkärangan vuosikymmeniä. Samanlaisia laitoksia rakennettiin Neuvostoliitossa, Yhdistyneessä kuningaskunnassa, Ranskassa ja Kiinassa. 1960-luvulla kaasudiffuusio toimitti pääosin kaiken rikastetun uraanin maailman ydinohjelmiin.

Teknologian kehitys

Jatkuvat parannukset pidensivät diffuusiolaitosten käyttöikää. Keskeisiä innovaatioita olivat:

  • Nikkelipohjaiset esteseokset, joiden käyttöikä on pidempi ja korroosiota on vähemmän.
  • High-effective aksial-flow companies that device equipment for stage.
  • Computer-optimoidut kaskadit[, jotka minimoivat kierrätysvirtoja ja parantavat eriyttämisen kokonaishyötysuhdetta.
  • Parennettu UF6 käsittelytekniikka[, joka vähensi vuoto- ja turvallisuusriskejä.

Näiden parannusten ansiosta laitokset pystyivät toimimaan suuremmalla käytettävyydellä ja pienemmillä toimintakustannuksilla, mutta perusfysiikan alalla tehokkuus parani vain vähän. 1980-luvulle mennessä diffuusion energiakustannukset olivat noin 8...10 kertaa suuremmat kuin nousevan kaasusentrifugiteknologian.

Kaasumaisen diffuusion heikkeneminen

Taloudelliset paineet

Kaasudiffuusion ensisijainen aiheuttaja oli taloustiede[. Sentrifugilaitokset kuluttavat vain noin 2.15 prosenttia samasta rikastustuotoksesta saatavasta sähköstä. Öljyn ja sähkön hintojen noustessa 1970-luvulla diffuusiosta tuli yhä vähemmän kilpailua. Myös uusien sentrifugikaskadien rakentamisen kustannukset laskivat, kun taas olemassa olevan diffuusiolaitoksen laajentaminen vaati valtavia pääomalisäyksiä valtaville rakennuksille, esteille ja kompressoreille.

Ympäristö- ja turvallisuusnäkökohdat

Suuret diffuusiolaitokset jättivät merkittäviä ympäristöjalanjälkiä. Suuret määrät UF]:aa:aa] kaasua, jos se vapautuisi, voisi muodostua syövyttäväksi vedyksi ja uraanyylifluoridiksi. Vanhojen laitosten käytöstä poistaminen edellyttää saastuneiden esteiden, putkistojen ja rakennusmateriaalien käsittelyä. K-25-tehdas vaati pelkästään vuosikymmeniä korjaustöitä ja miljardeja. Sen sijaan sentrifugit käyttävät vähemmän UF:a[:a ja tuottavat vähemmän jätettä SWU:ta kohti.

Laitokset, jotka on suljettu

Kylmän sodan loppu ja ydinteollisuuden konsolidointi nopeutivat sulkemisia. K-25-tehdas suljettiin vuonna 1985. Portsmouthin BKT suljettiin vuonna 2001. Paducah oli edelleen viimeinen toimiva Yhdysvaltain diffuusiolaitos, joka tuotti rikastettua uraania ydinlaivoille ja joillekin siviilireaktoreille, kunnes sen pysyvä sulkeminen [2013[]. Venäjän ja Ranskan diffuusiolaitokset lopettivat toimintansa myös 2010-luvun alkupuolella. Tänään missään maailmassa ei ole käytössä kaupallista kaasudiffuusiolaitosta.

Nykyaikaiset rikastusmenetelmät

Kaasusentrifugitekniikka

Nykyajan hallitseva teknologia on kaasusentrifugi[]. Sentrifugissa UF6[ kaasua pyöritetään suurella nopeudella (tuhatta kierrosta) roottorissa. Keskipakovoima aiheuttaa raskaamman []238[]U keskittymään lähelle seinää, kun taas kevyempi 235]U liikkuu keskustaan. Yksi sentrifugi antaa monta kertaa suuremman erotuskertoimen kuin diffuusiovaihe, jolloin kaskadit, joissa on paljon vähemmän vaiheita ja paljon pienempi energiankäyttö.

Nykyaikaiset sentrifugilaitokset, kuten URENCO -laitokset Yhdistyneessä kuningaskunnassa, Alankomaissa, Saksassa ja Yhdysvalloissa (Eagle Rock Enrichment Facility) sekä Venäjä... Rosatom[ -laitokset, tuottavat satoja tonneja vähän rikastutettua uraania vuodessa. Uusimmat sentrifugimallit voivat saavuttaa rikastusasteen jopa 20%:iin asti (korkean tason LEU) kehittyneissä reaktoreissa.

Laserrikastaminen

Tuoreempi mutta kaupallisesti epäkypsä teknologia on []laser-isotooppien erotus [. SILEX (Laser-mestauksen avulla tapahtuva Isotooppien erotus) -prosessi käyttää viritettyä laservaloa valikoidusti kiihottamaan [235[] U atomi- tai molekyylimuodossa olevia atomeja, kerää sitten jännittyneitä lajeja. Se lupaa vieläkin pienempää energiankäyttöä ja pienempiä kasvien jalanjälkiä, mutta on kohdannut teknisiä ja taloudellisia esteitä. Global Laser-rikastaminen (GLE) on jatkanut lisensointia Yhdysvalloissa, mutta täysimittainen käyttöönotto on edelleen epävarmaa.

Vertailutaulukko

Huomaa: HTML:ssä ei voida tehdä yksinkertaista vertailua ilman taulukkoelementtiä; sen sijaan listaamme avainmittarit jäsennellyssä kappaleluettelossa.[

  • Energiakulutus: Diffuusio ~2500 kWh/SWU; Sentrifugi ~50 kWh/SWU; Laser <50 kWh/SWU (arvioitu).
  • Kaskadikoko:[ Diffuusio vaatii 1000.2000 vaiheita; Sentrifugi 10...20 vaiheita; laser mahdollisesti vähemmän.
  • Kapitalistiset kustannukset:[ Diffuusiolaitokset maksavat miljardeja suuren laitoksen; Sentrifugilaitokset ovat modulaarisia ja halvempia SWU:ta kohti.
  • Toimintajoustavuus:[ Sentrifugit voidaan käynnistää/pysäyttää nopeasti; diffuusiolaitokset vaativat jatkuvaa täyttä tehoa.

Kaasudiffuusion nousun ja laskun opetukset

Kaasudiffuusion historia on esimerkki siitä, miten teknologian alkupää voi tuottaa tuloksia tehokkaampiin korvauksiin. Esteisiin, kompressoreihin ja infrastruktuuriin tehdyt valtavat investoinnit tekivät diffuusiolaitoksista liian suuria kaatumaan vuosikymmeniä, mutta lopulta raaka-aine-voima-energia-ajattelu antoi tilaa tehokkaammalle mekaaniselle erottelulle.

Yksi kriittinen opetus on se, että on tärkeää [] energiatehokkuutta teknologian häiriöiden aiheuttajana. Toinen on suurten pääomavaltaisten laitosten sulkeutuminen: myös kylmän sodan aikana niin voimakkaan diffuusion aiheuttama mittakaava hidasti sopeutumista. Lisäksi vanhentuneiden teknologioiden ympäristökustannukset on otettava huomioon tärkeimpien teollisuusprosessien elinkaarianalyyseissä.

Maat, joissa harkitaan nyt uutta rikastuskapasiteettia, ovat selvillä. Kukaan ei rakentaisi uutta kaasudiffuusiolaitosta tänään. Sen sijaan sentrifugiteknologia ja potentiaalisesti lasermenetelmät . Määrittelevät uraaninrikastuksen tulevaisuuden. Kaasudiffuusion perintö on kuitenkin edelleen: se tarjosi rikastunutta polttoainetta, joka käynnisti ydinajan ja kylmän sodan geopoliittiset aseet. Sen nousun ja laskun ymmärtäminen auttaa meitä arvioimaan minkä tahansa suuren mittakaavan energiateknologian korvaavia vaikutuksia.

Lue lisää ja lisää