הבנה של הפרדה איאיזוטופית ב תהליכי האנרגיום

הקרן: הבנת אוראן איסטופים ותפקידם

כדי לתפוס את ההפרדה איזוטופית, יש להבין קודם את האופי האטומי של אורניום.אורניום כפי שנמצא בטבע הוא תערובת של שתי איזוטופות עיקריות: FLT:0Uranium-235cioFLT:1 (U-235) ו-FLT:2U2Uranium-238Uranium-238FLT 3: 3 (U38) יש 92 פרוטונים, אבל U-235 יש לנו 238 תהליכים זעירים של רכוש זה רק 1.

U-235 הוא איזוטופ טבעי היחיד המתרחש הוא FLT:0 [Fisileph 1], כלומר הוא יכול לקיים תגובת שרשרת גרעינית עם נויטרונים תרמיים. U-238, מצד שני, הוא פורייה: הוא יכול ללכוד נויטרונים ו transmute לתוך plutonium-239, אך הוא אינו יכול לקיים תגובה שרשרת על שלו באורניום טבעי, כלומר, בין 1% ל-235, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, בדרך כלל, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 של פחמן, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 של פחמן, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 לפחות, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 לפחות, 000, 000 000 000 000, 000

מאחר ששתי האיזוטופים חולקים תכונות כימיות זהות, הפרדה חייבת להסתמך על תהליכים פיזיים המבחינים אותם על ידי מסה.אתגר בסיסי זה הוביל לפיתוח של טכניקות תעשייתיות מרובות במהלך שמונה העשורים האחרונים.

ארכיון תגיות: The Race to Enrich Uranium

הצורך בהפרדה איזוטופית נעשה דחוף במהלך פרויקט מנהטן בשנות ה-40.מדענים חקרו ארבע שיטות בו זמנית: הפרדה אלקטרומגנטית (calutrons), דיפוזיה גזית, דיפוזיה תרמית וצנטריפוגות בלבד. רק דיפוזיה גזית והפרדה אלקטרומגנטית הוצבו בקנה מידה במהלך מלחמת העולם השנייה, עם תחנת ה-K-25 הגז הענקית באוררידג', טנסי, והצמח האלקטרומגנטי-Y-12.

לאחר המלחמה, דיפוזיה גזית שלטו ביכולת ההעשרה העולמית במשך עשרות שנים, למרות צריכת האנרגיה העצומה שלה.ארה"ב בנתה מפעלים נוספים בפאדוקה, קנטקי, ופורטסמות', אוהיו.הברית המועצות הלכה בעקבותיה, ויצרה מתקנים מסיביים.זה לא היה עד שנות ה-70 וה-80 שהגזיפג'ה את הטכנולוגיה, המציעה יעילות גבוהה יותר כיום, העשרת אחוזית התגברות, התגברה בעיקרה, עם התרחבות לייזר, שהפכה, שזכתה לכדי שיפור משמעותי.

שיטות של הפרדה איאיזוטופית בפירוט

גזיוז: הענק התעשייתי הראשון

(הופנה מהדף גאסי מנצל את העיקרון כי מולקולות קלות יותר מאשר כבדות באותה טמפרטורה.בתהליך זה, אורניום מומר לראשונה ל-FLT:0uranium hexafluorideFLT:1 (UFreaFLT:2603FLT 3: 3), גז אשר מסתכם ב 56.5 מעלות צלזיוס.

הגז נאלץ בלחץ באמצעות מזכר ⁇ עם מיליוני נקבובים מיקרוסקופיים לסנטימטר רבוע. Lighter UFLACFLT:060303FLT:1 מולקולות מתנדנדות עם קירות membrane פחות לעתים קרובות ועוברות מעט יותר לעתים קרובות, וכתוצאה מכך גורם העשרה מינימלי - באופן מזערי בערך 0.2% בשלב.

האתגרים המרכזיים של דיפוזיה גזית כוללים:

(FLT:0) צריכת האנרגיה האנרגמית: FLT:1 התהליך דורש דחוסים בלחץ גבוה כי לצרוך כמויות עצומות של חשמל. צמח דיפוזיה טיפוסי עשוי להשתמש באותה עוצמה כמו עיר בגודל בינוני.
(ב) ⁇ (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
(ב) ⁇ :0) טביעת רגל פיזית: 1FLT:1 מבני Cascade יכולים למתוח מאות מטרים.

למרות שרוב צמחי ההיתוך הגזיים כבר בוטלו בשל עלויות תפעול גבוהות, הטכנולוגיה מילאה תפקיד יסוד בעידן הגרעיני.הצמח האחרון בארה"ב, בפדוקאה, נסגר בשנת 2013.

Gas Centrifuge: The Modern Workhorse

שיטת הגזים היא הרבה יותר יעילה באנרגיה מאשר דיפוזיה, הדורשת רק 1/50 של חשמל ליחידת עבודת הפרדה.העיקרון הוא פשוט: כאשר UFirFLT:0600FLT:1 גז 1/50 של חשמל ליחידת העבודה של הפרדה (עד 70 אלף RPM או יותר), כוח צנטריפוגה יוצר שטף רדיוני.

זרם נגדי הוקם בתוך הרקטור: גז ליד ציר נע למעלה, וגז ליד הקיר נע מטה.המחזור האקסקלי הזה, בשילוב עם הפרדה קורנל, מייצר גורם העשרה לשלב של 1.3 עד 1.5 - גבוה הרבה יותר מאשר דיפוזיה.

הצנטריפוגות המודרניות הן פלאים של הנדסה מדויקת:

רוג'רים עשויים מחומרים גבוהים כמו פלדה או סיבים פחמן מרוכבים לעמוד בלחצים עצומים.
בדים משתמשים לעתים קרובות בעומס מגנטי או במשכות גז מיוחדות כדי למזער חיכוך.
כל הרוטב מסתובב במתחם ואקום כדי להפחית את גרר.

טכנולוגיה Centrifuge מעלה גם חששות להפצת תפוצה, כי ניתן לבנות ארקדיות במתקנים קומפקטיים יחסית, מה שהופך את ההעשרה חשאית קשה יותר לזהות.TheFLT:0.NCOevolveFLT:1 קונסורציום (מיזם משותף של גרמניה, הולנד ובריטניה) מפעילה מפעלי העשרה באירופה ובארה"ב.

לייזר: הגבול הבא

הפרדת איזוטופ לייזר מייצגת עזיבה בסיסית של דיפוזיה וצמציות במקום להסתמך על הבדלים המוניים, היא מנצלת את ההבדלים הקלים ברמות האנרגיה של אלקטרונים ב- U-235 לעומת אטומי U-238.

אטומי Vapor לייזר Isotope הפרדה (AVLIS)

ב AVLIS, מתכת אורניום הוא מפונק על ידי קרן אלקטרונים בתא ריק. לייזרים בצבע בלתי ניתן לזיהוי הם מכוונים לאחר מכן לאורכי גל ספציפיים אשר ionizes רק אטומי U-235. U-235 ionized U-235 נאסף על צלחות טעון חשמלית, בעוד 238 אטומים של ארה"ב ממשיכים בעבר.

למרות הפגנות מוצלחות של טייסים בקנה מידה, AVLIS הוכיחה כי הן מורכבות ויקרה מבחינה טכנית כדי להגיע לרמה גבוהה של התוכנית האמריקנית ננטשה ברובה בשנות ה-90 לטובת טכנולוגיית הצנטריפוגה, אך המחקר נמשך במדינות אחרות.

הפרדה מולקולארית לייזר (MLIS)

MLIS משתמשת UFearFLT:0.6FLT3 גז במקום אורניום Vapor. לייזר אינפרא אדום מעורר באופן סלקטיבי U-235 המכיל UFigFLT:26FLT 3 מולקולות, מה שהופך אותם למולקולות כימיות יותר תגובתי עם גז מכווץ, ויצר תרכובת מוצקה שיכולה להיות מסונן את הגישה הזו, אך למנוע את הטמפרטורות גבוהות יותר של טיפול בלייזר, אך ורק עם אתגרים גבוהים יותר.

כיום, (FLT:0)SILEXFLT:1 (הפרדה של Isotopes על ידי לייזר Exציטוט) טכנולוגיה, שפותחה על ידי חברת Silex Systems ומסחרנית על ידי Global לייזר Enrichment (מיזם משותף עם GE Hitachi אנרגיה גרעינית ו- Cameco), הוא תהליך ההעשרה המתקדם ביותר של לייזר.

העשרה לייזר מחזיקה בהבטחה של עלויות הון נמוכות, צריכת אנרגיה מופחתת, ומתקני קטנים יותר.עם זאת, היא גם מהווה סיכון משמעותי להפצת סיכונים, כי מתקן קטן יחסית יכול לייצר חומר במהירות גבוהה של כיתה כלי נשק.

שיטות עשירות אחרות

בעוד דיפוזיה גזית, צנטריפוגה, לייזרים שולטים הנוף, שיטות אחרות נחקרו:

(FLT:0) הפרדה אלקטרומגנטית (Calutron): ibph:1 בשימוש בפרויקט מנהטן, קלוטרונים להאיץ את הזרמים אורניום דרך שדה מגנטי, פיצול אותם לזרמים נפרדים המבוססים על מסה, למרות יעיל מאוד לייצור כמויות קטנות של איזוטופים טהורים, השיטה היא רגישה אנרגיה ואימפולסיבית להעשרת בקנה מידה גדול.
(FLT:0) תהליכי האירודינמיקה: שיטות כמו ה- Becker nozzle או צינור מערבול (Helikon) משתמשים בזרימת גזים עתיריות גבוהה כדי ליצור כוחות צנטריפוגיים ללא חלקים נעים.
(FLT:0Chemical Exchange: FLT:1 Exploits מיני שינויים קלים בשיעורי התגובה בין U-235 לבין U-238 במערכות החילוץ נוזליות-ליקוויות.תהליך CHEMEX הצרפתי הגיע לסולם הטייס, אך מעולם לא היה מסחרי.
הפרדה:0 (Plasma Separation: FLT:1) משתמשת בחזרת ציקלון בפלזמה כדי להפריד איזוטופים.

התפקיד הקריטי של ה- Cascade

אין שלב העשרה יחיד - בין אם דיפוזיה, צנטריפוגה או לייזר - יכול לייצר את הריכוז הנדרש U-235 בשלב אחד. במקום זאת, שלבים מרובים מחוברים בסדרה כדי ליצור קזק.ב cascade, המוצר המועשר חלקית משלב אחד הופך להאכיל עבור הבא, בעוד הזנבים המנופל ממוחזרים לשלבים קודמים או נזרקים.

עיצוב Cascade כרוך בעסקאות מורכבות סחר בין מספר השלבים, שערי זרימת, ואת הגורם העשרה לשלב.אופטימיזציה של קסקיה עבור מוצר ספציפי כפי אומר (למשל, 4.5% עבור כור מים קלים) בעוד צמצום כמות של מזון אורניום טבעי הוא אתגר הנדסי מרכזי.

ניתן גם להגדיר Cascades לייצר אסימונים שונים על ידי שינוי מספר השלבים ואת נקודות הנסיגה. גמישות זו היא גם יתרון תעשייתי ודאגה לתפוצה, כמו קסקיה המיועדת לדלק עשיר נמוך ניתן להחזיר מחדש כדי לייצר אורניום מועשר מאוד עם שינויים.

משמרות, התרחבות, ובקרת בינלאומיות

מכיוון שטכנולוגיית ההעשרה מפרשת את הקו בין אנרגיה גרעינית ופוטנציאל נשק של שלום, היא כפופה לראייה בינלאומית קפדנית.ה-FLT:0 International Atomic Energy Agency (IAEA) ייצוב 1 לפקח על מתקני העשרה תחת הסכמי הגנה, ולוודא כי מתקנים המוצהרים אינם משמשים לתוכניות נשק חשאיות.

חששות להפצת מפתח כוללים:

טכנולוגיית FLT:0Centrifuge: FLT:1 Centrifuges הם קומפקטיים, ניתן להסתיר במבנים קטנים.תוכנית ההעשרה של איראן בנאנץ ובפורדו הייתה מוקד למשא ומתן דיפלומטי.
(FLT:0) להעשרת לייזר: 1FLT:1 מתקני לייזר עתידיים יכול להיות קשה עוד יותר לזהות בגלל גודלם הקטן וחתימה נמוכה של אנרגיה.
(FLT:0Technology transfer:FLT:1, רשת AQ. Khan הוכיחה כיצד עיצובים ורכיבים של צנטריפוגה יכולים להיות מנוצלים ללא תקנה על פני גבולות.

כדי להפחית את הסיכונים, קבוצת הספקים של ספקי הכוכבים (NSG)Felo 1 הקימה הנחיות לייצוא ציוד מעשי העשרה וטכנולוגיה.בנוסף, להעשיר מרכזי רב-לאומיים, כגון מתקני TERNCO באירופה ומרכז ההשכלה הבינלאומי של אורניום ברוסיה, במטרה לספק שירותי דלק אמינים תוך הגבלת התפשטות טכנולוגיות רגישות.

שיקולים סביבתיים וכלכליים

הנדסת חשמל היא גורם כלכלי משמעותי במחזור הדלק הגרעיני.עלות שירותי ההעשרה (מחוש ב SWU) תלויה במחירי החשמל, השקעה הון, ובחירה טכנולוגית.גז צנטריפוגות יש יתרון כלכלי ברור על פני דיפוזיה בשל צריכת אנרגיה נמוכה יותר.

השפעות סביבתיות כוללות:

(ב) (הזנבים:0) אורניום מדולדל (DU): ההרחבה של 1 (DU): הזנבים מן ההעשרה מכילים כ- 0.2–0.3% U-235 ומאוחסנים כ- UFishFLT:2603) בגלדי פלדה.האמריקאים לבדה מחזיקים מעל 700,000 טון מטרי של DU, בעוד DU הוא פחות רדיואקטיבי, רעילות ואתגרי ארוך הטווח שלה נשאר.
(FLT:0) השימוש באנרגיה: FLT:1 צמחי דיפוזיה גזיים נצרכים כמויות עצומות של חשמל, לעתים קרובות מתחנות כוח מכופות פחם, לתרום פליטות פחמן.
(FLT:0Waste from Decommissioning: 1) מתקני ההעשרה האחרונים שנותרו מאחורי ציוד מזוהם, מבנים וקרקעות.הניקוי של אתרי Paducah ו Portsmouth עלה מיליארדי דולרים.

כיוונים עתידיים וחדשנות

המחקר ממשיך להיות אפילו יותר יעיל וטכנולוגיות להעשרת עמידות.חלק מהתחומים המבטיחים כוללים:

חומרים מתקדמים:0 (FLT:0) חומרים מתקדמים של צנטריפוגה: 1Rtors עשויים מתרכובות פחמן-פיבר או ⁇ אלומיניום גבוהה יכול לספין מהר יותר, להגדיל את יעילות ההפרדה.
שיטות מונעות:0 (Laser-assisted Method: FIRLT:1) גישות היברידיות המשתמשות לייזרים לחומרי מזון לפני enrich לפני ארקדי צנטריפוגה יכול להפחית את מספר השלבים הדרושים.
(FLT:0) טכניקות מבוססות פלזמה: FLT:1 , שרידים בפלזמה באמצעות שדות אלקטרומגנטיים יכולים להציע יעילות גבוהה במנגנון קומפקטי.
(FLT:0)העשרה של כורים מחקר: תכניות ההרחבה:ראהFLT:1 כדי להמיר כורים מחקר אורניום מועשר מאוד (HEU) אורניום עשיר נמוך (LEU) לעזור להפחית את הסיכון לתפוצה.

בעוד העולם מבקש להרחיב את הכוח הגרעיני של הדור הנמוך של חשמל פחמן, הביקוש לשירותי העשרה צפוי לגדול. Balancing את היתרונות של דלק סביר עם הסיכונים של התפוצה יהיה אתגר מתמשך עבור הקהילה הבינלאומית.

מסקנה: החשיבות הסופית של הפרדה איאיזוטופ

הפרדה איאיזוטופ בהעשרה אורניום היא אבן הפינה של האנרגיה הגרעינית האזרחית והביטחון הגרעיני.ממנה התפוצות של פרויקט מנהטן, מערים התפוצות הגזים ועד לשיטות הקיפוגות המתקדמות של ימינו וטכנולוגיות לייזר מתפתחות, הדרך להגדיל את ריכוז U-235 הובילה כמה מההישגים ההנדסיים הבולטים ביותר של המאה ה-20 וה-21.

הבנת העקרונות הפיזיים – הבדלים בפיזור גזי, כוחות צנטריפוגאלים בצנטריפוגות, ורמות אנרגיה אטומיות בשיטות לייזר – מספק תובנה כיצד ניתן לנצל את הוורקטורות הקטנטנות בקנה מידה תעשייתי.הבחירה של טכנולוגיית ההעשרה יש השלכות עמוקות על כלכלה, השפעה סביבתית, והימנעות.

ככל שכורים חדשים ומחזורי דלק עולים, שיטות הפרדת איזוטופ ימשיכו להתפתח.אבל האתגר הבסיסי נותר זהה: הפרדת אטומים שונים רק על ידי כמה נויטרונים, תוך שימוש באנרגיה ובכושר לחימה כדי לפתוח את הכוח של גרעין האטום.

לקריאה נוספת, ייעוץ משאבים מ-FLT:0 (World Nuclear Association of Reverse Association) 1:1, The FLT:2 International Atomic Energy Agency, Revastation FLT 3, and Technical Reports from the FLT:4U.