Uranium digunakan sebagai sumber tenaga dalam reaktor nuklear dan digunakan untuk membuat bom atom pertama, yang dijatuhkan di Hiroshima pada tahun 1945. Uranium ditambang sebagai bijih yang disebut pitchblende, dan terdiri dari beberapa isotop berat atom dan beberapa tahap yang berbeza radioaktif. Untuk digunakan dalam reaksi pembelahan, bilangan isotop 235U mesti ditingkatkan ke tahap yang siap untuk pembelahan di reaktor atau bom. Proses ini disebut pengayaan uranium, dan ada beberapa cara untuk melakukannya.
Langkah
Kaedah 1 dari 7: Proses Pengayaan Asas
Langkah 1. Tentukan uranium akan digunakan
Kebanyakan uranium yang dilombong hanya mengandungi sekitar 0.7 peratus 235U, dengan sebahagian besar selebihnya adalah isotop 238lebih stabil U. Jenis reaksi pembelahan yang ingin anda buat dengan uranium menentukan berapa banyak kenaikan 235U mesti berbuat demikian agar uranium dapat digunakan dengan berkesan.
- Uranium yang digunakan di kebanyakan enjin tenaga nuklear perlu diperkaya hingga 3-5 persen 235U. (Beberapa reaktor nuklear, seperti reaktor CANDU di Kanada dan reaktor Magnox di United Kingdom, dirancang untuk menggunakan uranium yang tidak diperkaya.)
- Sebaliknya, uranium, yang digunakan untuk bom atom dan hulu ledak, perlu diperkaya hingga 90 persen 235U.
Langkah 2. Ubah bijih uranium menjadi gas
Sebilangan besar kaedah pengayaan uranium yang ada sekarang memerlukan bijih uranium ditukar menjadi gas suhu rendah. Gas fluor biasanya dipam ke mesin penukaran bijih; gas uranium oksida bertindak balas dengan fluor untuk menghasilkan uranium hexafluoride (UF6). Gas kemudian diproses untuk memisahkan dan mengumpulkan isotop 235U.
Langkah 3. Memperkaya uranium
Bahagian kemudian artikel ini menerangkan pelbagai proses yang tersedia untuk memperkaya uranium. Dari semua proses, penyebaran gas dan sentrifugasi gas adalah dua yang paling biasa, tetapi pemisahan isotop laser diharapkan dapat menggantikan keduanya.
Langkah 4. Tukar gas UF6 kepada uranium dioksida (UO2).
Setelah diperkaya, uranium perlu ditukar menjadi bentuk pepejal yang stabil untuk digunakan seperti yang dikehendaki.
Uranium dioksida yang digunakan sebagai bahan bakar untuk reaktor nuklear dibuat menjadi butiran teras seramik yang dibungkus dalam tiub logam sehingga menjadi batang setinggi 4 m
Kaedah 2 dari 7: Proses Penyebaran Gas
Langkah 1. Pam gas gas UF6 melalui paip.
Langkah 2. Pam gas melalui penapis atau membran berpori
Kerana isotop 235U lebih ringan daripada isotop 238U, UF6 isotop yang lebih ringan akan meresap melalui membran lebih cepat daripada isotop yang lebih berat.
Langkah 3. Ulangi proses penyebaran sehingga cukup 235U dikumpulkan.
Penyebaran berulang disebut berstrata. Ia memerlukan sebanyak 1,400 penapisan melalui membran berpori untuk mendapatkan cukup 235U untuk memperkaya uranium dengan baik.
Langkah 4. Pemeluwapan gas gas UF6 ke dalam bentuk cecair.
Setelah gas cukup diperkaya, gas itu dikondensasikan menjadi cairan, kemudian disimpan di dalam wadah, di mana ia menyejuk dan padat untuk diangkut dan dibuat menjadi biji-bijian bahan bakar.
Oleh kerana penyaringan yang banyak diperlukan, proses ini memerlukan tenaga sehingga dihentikan. Di Amerika Syarikat, hanya tinggal satu kilang pengayaan penyebaran gas, yang terletak di Paducah, Kentucky
Kaedah 3 dari 7: Proses Centrifuge Gas
Langkah 1. Pasang sebilangan silinder berputar berkelajuan tinggi
Silinder ini adalah empar. Sentrifugal dipasang secara bersiri atau selari.
Langkah 2. Alirkan gas UF6 menjadi pemintal.
Sentrifuge menggunakan pecutan sentripetal untuk menyampaikan gas yang berisi 238lebih berat U ke dinding silinder dan gas yang berisi 235ringan U ke pusat silinder.
Langkah 3. Ekstrak gas yang dipisahkan
Langkah 4. Memproses semula dua gas yang dipisahkan dalam dua empar yang berasingan
Gas kaya 235U dihantar ke emparan di mana 235U masih lebih banyak diekstrak, sementara gas yang berisi 235U yang dikurangkan dimasukkan ke dalam empar lain untuk diekstrak 235Baki U. Ini membolehkan sentrifugasi mengekstrak lebih banyak lagi 235U daripada yang dapat diekstrak dengan proses penyebaran gas.
Proses emparan gas pertama kali dikembangkan pada tahun 1940-an, tetapi tidak digunakan hingga tahun 1960-an, ketika kemampuannya untuk melakukan proses pengayaan uranium tenaga yang lebih rendah menjadi penting. Pada masa ini, kilang proses emparan gas di Amerika Syarikat berada di Eunice, New Mexico. Sebaliknya, Rusia kini mempunyai empat kilang jenis ini, Jepun dan China memiliki dua kilang masing-masing, sementara United Kingdom, Belanda dan Jerman masing-masing memiliki satu
Kaedah 4 dari 7: Proses Pemisahan Aerodinamik
Langkah 1. Buat satu siri silinder pegun yang sempit
Langkah 2. Suntikan gas gas UF6 ke dalam silinder dengan kelajuan tinggi.
Gas disalurkan ke dalam silinder dengan cara yang menyebabkan gas berputar seperti siklon, sehingga menghasilkan sejenis pemisahan 235U dan 238U yang sama seperti dalam proses emparan berpusing.
Salah satu kaedah yang dikembangkan di Afrika Selatan adalah menyuntikkan gas ke dalam silinder berdampingan. Kaedah ini sedang diuji dengan isotop yang lebih ringan seperti yang terdapat dalam silikon
Kaedah 5 dari 7: Proses Penyebaran Termal Cecair
Langkah 1. Gas UF cair6 dibawah tekanan.
Langkah 2. Buat sepasang paip pekat
Paip mesti cukup tinggi, kerana paip yang lebih tinggi memungkinkan lebih banyak pemisahan isotop 235U dan 238U.
Langkah 3. Lapisi paip dengan lapisan air
Ini akan menyejukkan bahagian luar paip.
Langkah 4. Pam UF6 cecair antara paip.
Langkah 5. Panaskan tiub dalaman dengan stim
Haba akan menyebabkan arus perolakan di UF6 yang akan menarik isotop 235U yang lebih ringan ke arah tiub dalaman yang lebih panas dan mendorong isotop 238semakin berat U ke arah paip luar yang lebih sejuk.
Proses ini diteliti pada tahun 1940 sebagai bagian dari Manhattan Project, tetapi ditinggalkan pada tahap awal pengembangan ketika proses penyebaran gas yang lebih efisien dikembangkan
Kaedah 6 dari 7: Proses Pemisahan Isotop Elektromagnetik
Langkah 1. Pengionan gas UF6.
Langkah 2. Hantar gas melalui medan magnet yang kuat
Langkah 3. Pisahkan isotop uranium terion berdasarkan jejak yang ditinggalkan semasa mereka melalui medan magnet
Ion 235U meninggalkan jejak dengan busur yang berbeza daripada ion 238U. Ion boleh diasingkan untuk memperkaya uranium.
Kaedah ini digunakan untuk memproses uranium untuk bom atom yang dijatuhkan di Hiroshima pada tahun 1945 dan juga merupakan kaedah pengayaan yang digunakan oleh Iraq dalam program senjata nuklearnya pada tahun 1992. Kaedah ini memerlukan 10 kali lebih banyak tenaga daripada penyebaran gas, menjadikannya tidak praktikal untuk program ini pengayaan berskala besar
Kaedah 7 dari 7: Proses Pemisahan Isotop Laser
Langkah 1. Tetapkan laser ke warna tertentu
Rasuk laser mestilah satu panjang gelombang tertentu (monokromatik). Panjang gelombang ini hanya akan menyasarkan atom 235U, dan biarkan atom 238U tidak terjejas.
Langkah 2. Bersinar pancaran laser ke uranium
Tidak seperti proses pengayaan uranium yang lain, anda tidak perlu menggunakan gas heksafluorida uranium, walaupun kebanyakan proses laser dilakukan. Anda juga boleh menggunakan aloi uranium dan besi sebagai sumber uranium, yang digunakan dalam proses Pemisahan Isotop Laser Atom (AVLIS).
Langkah 3. Pengekstrakan atom uranium dengan elektron teruja
Ia akan menjadi atom 235U.
Petua
Beberapa negara memproses kembali bahan bakar nuklear untuk mendapatkan kembali uranium dan plutonium di dalamnya yang terbentuk semasa proses pembelahan. Uranium yang diproses semula mesti dikeluarkan dari isotop 232U dan 236U terbentuk semasa pembelahan, dan jika diperkaya, mesti diperkaya ke kelas yang lebih tinggi daripada uranium "segar" kerana 236U menyerap neutron sehingga menghalang proses pembelahan. Oleh itu, uranium yang diproses semula mesti disimpan secara berasingan daripada uranium yang baru diperkaya untuk pertama kalinya.
Amaran
- Uranium hanya mengeluarkan radioaktif yang lemah; namun, apabila diproses menjadi gas UF6, ia menjadi bahan kimia toksik yang bertindak balas dengan air untuk membentuk asid hidrofluorik yang menghakis. (Asid ini biasanya disebut "etching acid" kerana digunakan untuk menggelas kaca.) Oleh itu, kilang pengayaan uranium memerlukan langkah perlindungan yang sama dengan kilang kimia yang bekerja dengan fluorin, yang meliputi menjaga gas UF.6 selalu berada di bawah tekanan rendah dan gunakan tahap penahanan tambahan di kawasan yang memerlukan tekanan tinggi.
- Uranium yang diproses semula mesti disimpan dalam kandang tebal, kerana 232U di dalamnya terurai menjadi unsur yang memancarkan sinaran gamma yang kuat.
- Uranium yang diperkaya biasanya hanya dapat diproses sekali sahaja.
