เคล็ดลับที่เป็นประโยชน์

การเสริมสมรรถนะยูเรเนียม

การเสริมสมรรถนะยูเรเนียม เป็นหนึ่งในขั้นตอนสำคัญในการสร้างอาวุธนิวเคลียร์ มียูเรเนียมบางประเภทเท่านั้นที่ทำงานในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์และระเบิด

การแยกยูเรเนียมประเภทนี้ออกจากความหลากหลายที่แพร่หลายยิ่งขึ้นนั้นต้องใช้ทักษะทางวิศวกรรมที่ยอดเยี่ยมแม้ว่าความจริงที่ว่าเทคโนโลยีที่จำเป็นสำหรับสิ่งนี้มีมานานหลายทศวรรษแล้ว ภารกิจนี้ไม่ได้เป็นการหาวิธีแยกยูเรเนียมออกมา แต่เพื่อสร้างและเรียกใช้อุปกรณ์ที่จำเป็นเพื่อให้งานนี้สำเร็จ

อะตอมยูเรเนียมเช่นอะตอมของธาตุที่พบในธรรมชาติในหลากหลายเรียกว่าไอโซโทป (ไอโซโทปแต่ละไอโซโทปมีจำนวนนิวตรอนในนิวเคลียสแตกต่างกัน) ไอโซโทปยูเรเนียม -235 ที่สร้างไอโซโทปยูเรเนียมธรรมชาติน้อยกว่า 1 เปอร์เซ็นต์ของเชื้อเพลิงยูเรเนียม -235 เป็นเชื้อเพลิงสำหรับเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์และระเบิดนิวเคลียร์ในขณะที่ยูเรเนียม -238 ยูเรเนียมธรรมชาติไม่มีการใช้นิวเคลียร์

องศาการเสริมสมรรถนะของยูเรเนียม

ปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์แสดงให้เห็นว่าอย่างน้อยหนึ่งนิวตรอนจากการสลายตัวของอะตอมยูเรเนียมจะถูกจับโดยอะตอมอื่นและดังนั้นจะทำให้เกิดการสลายตัวของมัน ในการประมาณครั้งแรกนั่นหมายความว่านิวตรอนจะต้อง "สะดุด" กับอะตอม 235 U ก่อนออกจากเครื่องปฏิกรณ์ ซึ่งหมายความว่าการออกแบบด้วยยูเรเนียมควรมีขนาดกะทัดรัดเพียงพอเพื่อให้โอกาสในการค้นหาอะตอมยูเรเนียมถัดไปสำหรับนิวตรอนนั้นสูงพอ แต่ในขณะที่เครื่องปฏิกรณ์ 235 U ทำงานมันจะค่อย ๆ ดับลงซึ่งจะลดความน่าจะเป็นของนิวตรอนที่จะพบกับอะตอม 235 U ซึ่งบังคับให้พวกเขาวางความน่าจะเป็นนี้ในเครื่องปฏิกรณ์ ดังนั้นสัดส่วนที่ต่ำของ 235 U ในเชื้อเพลิงนิวเคลียร์จึงมีความจำเป็น:

  • ปริมาตรของเครื่องปฏิกรณ์ที่มีขนาดใหญ่ขึ้นเพื่อให้นิวตรอนอยู่ในนั้นได้นานขึ้น
  • ส่วนใหญ่ของปริมาตรเครื่องปฏิกรณ์ควรถูกครอบครองด้วยเชื้อเพลิงเพื่อเพิ่มโอกาสในการชนของนิวตรอนและอะตอมยูเรเนียม
  • บ่อยครั้งที่ต้องมีการเติมน้ำมันเชื้อเพลิงใหม่เพื่อรักษาความหนาแน่นที่กำหนดไว้ที่ 235 U ในเครื่องปฏิกรณ์
  • สัดส่วนที่มีค่าสูงถึง 235 U ในเชื้อเพลิงที่ใช้แล้ว

ในกระบวนการปรับปรุงเทคโนโลยีนิวเคลียร์พบทางออกที่ดีที่สุดทางเศรษฐกิจและเทคโนโลยีที่จำเป็นต้องมีการเพิ่มเนื้อหาของ 235 U ในเชื้อเพลิงนั่นคือยูเรเนียมเสริมสมรรถนะ

ในอาวุธนิวเคลียร์งานเสริมสมรรถนะเกือบจะเหมือนกัน: มันเป็นสิ่งจำเป็นในช่วงเวลาสั้น ๆ ที่เกิดการระเบิดของนิวเคลียร์จำนวน 235 U อะตอมจะพบนิวตรอนสลายตัวและปลดปล่อยพลังงาน สำหรับสิ่งนี้ความหนาแน่นรวมสูงสุดที่เป็นไปได้ของอะตอม 235 U เป็นสิ่งจำเป็นซึ่งทำได้ด้วยการเพิ่มประสิทธิภาพสูงสุด

องศาการเสริมสมรรถนะของยูเรเนียม

กุญแจสำคัญในการแยก

กุญแจสำคัญในการแยกของพวกเขาคืออะตอมยูเรเนียม -235 มีน้ำหนักน้อยกว่าอะตอมยูเรเนียม -238 เล็กน้อย

ในการแยกยูเรเนียม -235 จำนวนเล็กน้อยที่มีอยู่ในตัวอย่างแร่ยูเรเนียมตามธรรมชาติวิศวกรจะทำการแปลงยูเรเนียมให้เป็นแก๊สโดยใช้ปฏิกิริยาทางเคมีก่อน

จากนั้นก๊าซจะถูกนำเข้าสู่หลอดหมุนเหวี่ยงในรูปทรงกระบอกขนาดของบุคคลหรือมากกว่า แต่ละหลอดหมุนบนแกนของมันด้วยความเร็วสูงอย่างไม่น่าเชื่อโดยดึงโมเลกุลก๊าซยูเรเนียม -238 ที่หนักกว่าไปยังกึ่งกลางของหลอดทำให้โมเลกุลของก๊าซยูเรเนียม -235 ที่เบากว่าเข้ามาใกล้กับขอบของท่อที่สามารถดูดออกได้

ทุกครั้งที่ก๊าซหมุนในเครื่องหมุนเหวี่ยงก๊าซยูเรเนียม -238 เพียงเล็กน้อยจะถูกกำจัดออกจากส่วนผสมดังนั้นท่อจะถูกใช้เป็นอนุกรม เครื่องหมุนเหวี่ยงแต่ละอันจะดึงยูเรเนียม -238 ออกมาเล็กน้อยจากนั้นถ่ายโอนส่วนผสมของก๊าซบริสุทธิ์เล็กน้อยไปยังท่อถัดไปเป็นต้น

การเปลี่ยนแก๊สยูเรเนียม

หลังจากการแยกก๊าซยูเรเนียม -235 ในหลายขั้นตอนของการหมุนเหวี่ยงวิศวกรใช้ปฏิกิริยาทางเคมีที่แตกต่างกันเพื่อเปลี่ยนแก๊สยูเรเนียมให้กลับมาเป็นโลหะแข็ง โลหะนี้สามารถเกิดขึ้นภายหลังเพื่อใช้ในเครื่องปฏิกรณ์หรือระเบิด

เนื่องจากแต่ละขั้นตอนจะทำความสะอาดส่วนผสมของก๊าซยูเรเนียมเพียงเล็กน้อยเท่านั้นประเทศต่างๆจึงสามารถทำการหมุนเหวี่ยงที่ออกแบบมาให้มีประสิทธิภาพสูงสุดเท่านั้น ไม่เช่นนั้นการผลิตยูเรเนียมบริสุทธิ์จำนวนเล็กน้อยถึง 235 จะกลายเป็นค่าใช้จ่ายที่สูงมาก

และการออกแบบและการผลิตหลอดหมุนเหวี่ยงเหล่านี้ต้องการการลงทุนและความรู้ทางเทคนิคในระดับหนึ่งนอกเหนือจากการเข้าถึงของหลายประเทศ ท่อต้องการเหล็กชนิดพิเศษหรือส่วนผสมที่ทนต่อแรงดันที่สำคัญในระหว่างการหมุนจะต้องเป็นรูปทรงกระบอกอย่างสมบูรณ์และทำโดยเครื่องจักรพิเศษที่ยากต่อการสร้าง

นี่คือตัวอย่างของการวางระเบิดที่สหรัฐอเมริกาส่งให้ฮิโรชิมา ใช้ยูเรเนียม - 235 62 กิโลกรัมในการสร้างระเบิดตาม“ การสร้างระเบิดปรมาณู” (Simon and Schuster, 1995)

การแยกแร่ยูเรเนียม 62 กิโลกรัมจากแร่ยูเรเนียมเกือบ 4 ตันนั้นเกิดขึ้นในอาคารที่ใหญ่ที่สุดในโลกและใช้ไฟฟ้า 10 เปอร์เซ็นต์ของประเทศ “ ต้องใช้คน 20,000 คนในการสร้างสิ่งอำนวยความสะดวก, 12,000 คนดำเนินงานสิ่งอำนวยความสะดวก, และในปี 1944 มีค่าใช้จ่ายมากกว่า $ 500 ล้าน” นั่นคือประมาณ 7.2 พันล้านดอลลาร์ในปี 2018

ทำไมยูเรเนียมเสริมสมรรถนะจึงมีความน่ากลัวมาก?

พลูโทเนียมเกรดยูเรเนียมหรืออาวุธเป็นอันตรายในรูปแบบบริสุทธิ์ด้วยเหตุผลง่ายๆ: จากพวกเขาด้วยฐานทางเทคนิคที่แน่นอนสามารถสร้างอุปกรณ์ระเบิดนิวเคลียร์ได้

รูปแสดงการแสดงแผนผังของหัวรบนิวเคลียร์แบบง่าย เชื้อเพลิงนิวเคลียร์ Billets 1 และ 2 อยู่ภายในเปลือก แต่ละคนเป็นส่วนหนึ่งของลูกบอลทั้งหมดและมีน้ำหนักน้อยกว่ามวลวิกฤตของโลหะอาวุธที่ใช้ในการระเบิด

เมื่อระเบิดระเบิดทีเอ็นทีแท่งยูเรเนียม 1 และ 2 จะรวมกันเป็นหนึ่งมวลรวมของพวกเขาจะสูงกว่ามวลวิกฤตสำหรับวัสดุนี้ซึ่งนำไปสู่ปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์และทำให้เกิดการระเบิดของอะตอม

ดูเหมือนว่าจะไม่มีอะไรซับซ้อน แต่ในความเป็นจริงแน่นอนว่ามันไม่เป็นเช่นนั้น มิฉะนั้นจะมีลำดับประเทศที่มีขนาดใหญ่ขึ้นด้วยอาวุธนิวเคลียร์บนโลกใบนี้ ยิ่งกว่านั้นความเสี่ยงของเทคโนโลยีอันตรายเช่นนั้นที่ตกอยู่ในมือของผู้มีอำนาจเพียงพอและกลุ่มก่อการร้ายที่พัฒนาแล้วจะเพิ่มขึ้นอย่างมาก

เคล็ดลับก็คือมีเพียงมหาเศรษฐีที่มีโครงสร้างพื้นฐานทางวิทยาศาสตร์ที่พัฒนาแล้วเท่านั้นที่สามารถเสริมสมรรถนะยูเรเนียมได้แม้จะมีการพัฒนาเทคโนโลยีในปัจจุบัน ยิ่งยากขึ้นโดยที่อุปกรณ์อะตอมจะไม่ทำงานแยกไอโซโทปยูเรเนียม 235 และ 238 ออกจากกัน

เหมืองแร่ยูเรเนียม: ความจริงและนิยาย

ในสหภาพโซเวียตในระดับฟิลิสเตียมีข้อสันนิษฐานว่าอาชญากรอีกต่อไปทำงานในเหมืองยูเรเนียมซึ่งจะทำให้พวกเขารู้สึกผิดก่อนงานปาร์ตี้และคนโซเวียต แน่นอนว่านี่ไม่เป็นความจริง

การขุดยูเรเนียมเป็นอุตสาหกรรมการขุดที่มีเทคโนโลยีสูงและไม่น่าเป็นไปได้ที่ทุกคนจะยอมรับว่าทำงานกับอุปกรณ์ที่มีความซับซ้อนและมีราคาแพงมาก นอกจากนี้ข่าวลือที่ว่านักขุดยูเรเนียมจำเป็นต้องสวมหน้ากากป้องกันแก๊สพิษและชุดชั้นในนำก็ไม่ได้มีอะไรมากไปกว่าตำนาน

บางครั้งยูเรเนียมจะขุดในเหมืองลึกถึงหนึ่งกิโลเมตร เงินสำรองที่ใหญ่ที่สุดขององค์ประกอบนี้พบได้ในแคนาดารัสเซียคาซัคสถานและออสเตรเลีย ในรัสเซียแร่หนึ่งตันผลิตยูเรเนียมเฉลี่ยประมาณหนึ่งกิโลกรัมครึ่ง นี่ไม่ใช่ตัวบ่งชี้ที่ใหญ่ที่สุด ในเหมืองบางแห่งในยุโรปตัวเลขนี้สูงถึง 22 กิโลกรัมต่อตัน

พื้นหลังการแผ่รังสีในเหมืองนั้นใกล้เคียงกับเส้นขอบของสตราโตสเฟียร์ซึ่งมีการโดยสารเครื่องบินพลเรือน

แร่ยูเรเนียม

เสริมสมรรถนะยูเรเนียมเริ่มต้นทันทีหลังจากการทำเหมืองใกล้กับเหมืองโดยตรง นอกเหนือจากโลหะเช่นเดียวกับแร่อื่น ๆ แล้วยูเรเนียมยังมีเศษหิน ระยะแรกของการตกแต่งจะลดลงไปจนถึงการคัดแยกก้อนหินที่ถูกยกขึ้นจากเหมือง: พวกที่อุดมไปด้วยยูเรเนียมและคนจน แท้จริงทุกชิ้นถูกชั่งน้ำหนักวัดโดยเครื่องและขึ้นอยู่กับคุณสมบัติที่ส่งไปยังกระแสข้อมูลเฉพาะ

จากนั้นมีโรงโม่บดแร่ที่อุดมด้วยยูเรเนียมให้เป็นผงละเอียด อย่างไรก็ตามนี่ไม่ใช่ยูเรเนียม แต่เป็นออกไซด์เท่านั้น การรับโลหะบริสุทธิ์เป็นห่วงโซ่ที่ซับซ้อนที่สุดของปฏิกิริยาเคมีและการเปลี่ยนแปลง

อย่างไรก็ตามมันไม่เพียงพอที่จะแยกโลหะบริสุทธิ์ออกจากสารประกอบทางเคมีที่เริ่มต้น จากยูเรเนียมทั้งหมดที่มีอยู่ในธรรมชาติ 99% นั้นถูกครอบครองโดยไอโซโทป 238 และที่สองที่ 235 นั้นน้อยกว่าหนึ่งเปอร์เซ็นต์ การแยกพวกเขาออกเป็นงานที่ยากมากซึ่งไม่ใช่ทุกประเทศที่สามารถแก้ปัญหาได้

วิธีการเสริมสมรรถนะการกระจายแก๊ส

นี่เป็นวิธีแรกที่ยูเรเนียมเสริมสมรรถนะ มันยังคงใช้ในสหรัฐอเมริกาและฝรั่งเศส ขึ้นอยู่กับความแตกต่างของความหนาแน่นของไอโซโทป 235 และ 238 ก๊าซยูเรเนียมที่ปล่อยออกมาจากออกไซด์จะถูกสูบภายใต้แรงดันสูงเข้าไปในห้องที่คั่นด้วยเมมเบรน อะตอมของไอโซโทป 235 มีน้ำหนักเบาดังนั้นจากส่วนของความร้อนที่ได้รับพวกมันเคลื่อนที่เร็วกว่าอะตอมยูเรเนียม 238 ตามลำดับมักจะถูกกระแทกกับพังผืด ตามกฎของทฤษฎีความน่าจะเป็นพวกเขามีแนวโน้มที่จะเข้าสู่หนึ่งใน micropores และอยู่อีกด้านหนึ่งของเยื่อหุ้มเซลล์นี้

ประสิทธิผลของวิธีการนี้มีขนาดเล็กเพราะความแตกต่างระหว่างไอโซโทปมีน้อยมาก แต่จะทำให้ยูเรเนียมเสริมสมรรถนะเหมาะกับการใช้งานอย่างไร คำตอบคือใช้วิธีนี้หลาย ๆ ครั้ง เพื่อให้ได้ยูเรเนียมที่เหมาะสมสำหรับการผลิตเชื้อเพลิงจากเครื่องปฏิกรณ์ในโรงไฟฟ้าระบบบำบัดการแพร่กระจายของก๊าซจะทำซ้ำหลายร้อยครั้ง

ความคิดเห็นจากผู้เชี่ยวชาญเกี่ยวกับวิธีนี้ได้รับการผสมกัน ในอีกด้านหนึ่งวิธีการแยกแก๊ส - ฟิวชั่นเป็นวิธีแรกในการจัดหายูเรเนียมคุณภาพสูงให้กับสหรัฐอเมริกาทำให้พวกเขากลายเป็นผู้นำในวงการทหารชั่วคราว ในทางตรงกันข้ามการแพร่กระจายของก๊าซเป็นความคิดที่จะสร้างของเสียน้อยลง สิ่งเดียวที่ล้มเหลวในกรณีนี้คือราคาสูงของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย

วิธีการปั่นแยก

นี่คือการพัฒนาของวิศวกรโซเวียต ในปัจจุบันนอกเหนือจากรัสเซียแล้วยังมีอีกหลายประเทศที่ยูเรเนียมเสริมสมรรถนะด้วยวิธีที่ค้นพบในสหภาพโซเวียต เหล่านี้คือบราซิลบริเตนใหญ่เยอรมนีญี่ปุ่นและรัฐอื่น ๆ วิธีนี้คล้ายกับเทคโนโลยีการแพร่กระจายของก๊าซโดยใช้ความแตกต่างของมวลของไอโซโทป 235 และ 238

ก๊าซยูเรเนียมหมุนด้วยการหมุนเหวี่ยงถึง 1,500 รอบต่อนาที เนื่องจากความหนาแน่นที่แตกต่างกันไอโซโทปจะได้รับผลกระทบจากแรงเหวี่ยงที่มีขนาดต่างกัน ยูเรเนียม 238 มีน้ำหนักมากสะสมอยู่ใกล้กับผนังของเครื่องหมุนเหวี่ยงขณะที่ไอโซโทปที่ 235 รวบรวมใกล้กับศูนย์กลาง ส่วนผสมของก๊าซจะถูกสูบไปที่ด้านบนของกระบอกสูบ ไอโซโทปมีเวลาที่จะแยกจากกันบางส่วนและถูกเลือกแยกต่างหาก

แม้จะมีความจริงที่ว่าวิธีการนี้ยังไม่ได้แยกไอโซโทป 100% และเพื่อให้ได้ระดับการตกแต่งที่จำเป็นต้องใช้ซ้ำ ๆ แต่ก็มีประสิทธิภาพเชิงเศรษฐกิจมากกว่าการแพร่กระจายของก๊าซ ดังนั้นยูเรเนียมเสริมสมรรถนะในรัสเซียที่ใช้เทคโนโลยีเครื่องปั่นแยกมีราคาถูกกว่าประมาณ 3 เท่าของเยื่อหุ้มอเมริกัน

แอพลิเคชันยูเรเนียมที่ตกแต่งแล้ว

ทำไมเทปสีแดงที่ซับซ้อนและมีราคาแพงถึงต้องทำให้บริสุทธิ์การแยกโลหะจากออกไซด์การแยกไอโซโทป เครื่องซักผ้าหนึ่งของยูเรเนียม 235 ที่เสริมสมรรถนะซึ่งใช้ในพลังงานนิวเคลียร์ (จาก "เม็ดยา" นั้นประกอบไปด้วยแท่ง - แท่งเชื้อเพลิง) การชั่งน้ำหนัก 7 กรัมแทนที่น้ำมันเบนซินประมาณ 200 ลิตรสามถังหรือประมาณหนึ่งตันของถ่านหิน

ยูเรเนียมเสริมสมรรถนะและยูเรเนียมที่หมดลงนั้นแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับความบริสุทธิ์และอัตราส่วนของไอโซโทป 235 และ 238

ไอโซโทป 235 เป็นเชื้อเพลิงที่ใช้พลังงานมากกว่า ยูเรเนียมที่ได้รับการพิจารณาจะพิจารณาเมื่อเนื้อหาของไอโซโทป 235 มากกว่า 20% นี่คือพื้นฐานของอาวุธนิวเคลียร์

วัตถุดิบที่อิ่มตัวด้วยพลังงานที่อุดมไปนั้นถูกนำมาใช้เป็นเชื้อเพลิงสำหรับเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ในเรือดำน้ำและยานอวกาศเนื่องจากมีขนาดและขนาดที่ จำกัด

ยูเรเนียมที่หมดไปซึ่งประกอบด้วยไอโซโทป 238 ส่วนใหญ่เป็นเชื้อเพลิงสำหรับเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่อยู่กับที่ เครื่องปฏิกรณ์ยูเรเนียมธรรมชาติถือว่ามีการระเบิดน้อยกว่า

โดยวิธีการตามการคำนวณของนักเศรษฐศาสตร์รัสเซียในขณะที่การรักษาอัตราการผลิตในปัจจุบันจาก 92 องค์ประกอบของตารางธาตุสำรองในเหมืองสำรวจทั่วโลกจะหมดลงในปี 2030 นั่นคือเหตุผลที่นักวิทยาศาสตร์รอคอยที่จะหลอมรวมเป็นแหล่งพลังงานราคาถูกและราคาไม่แพงในอนาคต