유용한 팁

우라늄 농축

우라늄 농축 핵무기를 만드는 핵심 단계 중 하나입니다. 특정 유형의 우라늄 만 원자로와 폭탄에서 작동합니다.

이 유형의 우라늄을보다 광범위한 품종에서 분리하려면 필요한 기술이 수십 년 동안 존재했다는 사실에도 불구하고 훌륭한 엔지니어링 기술이 필요합니다. 이 작업은 우라늄을 분리하는 방법을 파악하는 것이 아니라이 작업을 완료하는 데 필요한 장비를 구축하고 운영하는 것입니다.

다양한 자연에서 발견되는 원소 원자와 같은 우라늄 원자는 동위 원소라고 불립니다. (각 동위 원소는 핵에 다른 수의 중성자를 가지고있다.) 모든 천연 우라늄의 1 % 미만을 차지하는 동위 원소 인 우라늄 -235는 원자로와 핵폭탄에 연료를 공급하는 반면, 우라늄 -238은 99 %를 구성한다 천연 우라늄은 핵 사용이 없습니다.

우라늄 농축도

핵 사슬 반응은 우라늄 원자의 붕괴로 인한 적어도 하나의 중성자가 다른 원자에 의해 포획되어 그 붕괴를 유발할 것임을 암시한다. 첫 번째 근사에서, 이것은 중성자가 원자로를 떠나기 전에 235 U 원자에서 "비틀어 져야"한다는 것을 의미합니다. 이것은 우라늄을 사용한 설계가 중성자를위한 다음 우라늄 원자를 찾을 확률이 충분히 높을 정도로 충분히 작아야 함을 의미합니다. 그러나 235 U 원자로가 작동함에 따라 점차적으로 소실되어 중성자가 235 U 원자를 만나는 가능성을 줄임으로써 원자로에서이 확률의 일정한 마진을 놓을 수 있습니다. 따라서 핵연료에서 235 U의 낮은 비율은 다음을 필요로합니다.

  • 중성자가 더 길도록 더 큰 반응기 부피
  • 중성자와 우라늄 원자의 충돌 가능성을 증가시키기 위해 원자로 부피의 더 큰 비율이 연료에 의해 점유되어야한다.
  • 더 자주 원자로에서 주어진 벌크 밀도 235 U를 유지하기 위해 연료를 신선하게 재장 전해야하며,
  • 사용 후 핵연료에서 귀중한 235 U의 높은 비율.

핵 기술을 개선하는 과정에서, 연료에서 235 U의 함량, 즉 우라늄 농축의 증가가 필요한 경제적이고 기술적으로 최적의 솔루션이 발견되었습니다.

핵무기에서 농축 작업은 거의 동일합니다. 핵 폭발이 매우 짧은 시간에 최대 235 개의 U 원자가 중성자를 찾아서 에너지를 방출해야합니다. 이를 위해서는 원자 235 U의 가능한 최대 벌크 밀도가 필요하며, 궁극적 인 농축으로 달성 할 수 있습니다.

우라늄 농축도 [편집 |

분리의 열쇠

분리의 핵심은 우라늄 -235 원자가 우라늄 -238 원자보다 약간 작다는 것입니다.

우라늄 광석의 모든 천연 샘플에 존재하는 소량의 우라늄 -235를 분리하기 위해 엔지니어는 먼저 화학 반응을 사용하여 우라늄을 가스로 변환합니다.

그 후, 가스는 사람 이상의 크기의 원통형으로 원심 분리 튜브에 도입된다. 각 튜브는 축에서 엄청나게 빠른 속도로 회전하여 더 무거운 우라늄 -238 가스 분자를 튜브 중앙으로 끌어 당겨 더 가벼운 우라늄 -235 가스 분자를 튜브 가장자리에 더 가깝게 남겨 둘 수 있습니다.

가스가 원심 분리기에서 회전 할 때마다 소량의 우라늄 -238 가스 만 혼합물에서 제거되므로 파이프가 직렬로 사용됩니다. 각 원심 분리기는 약간의 우라늄 -238을 빼낸 다음 약간 정제 된 가스 혼합물을 다음 파이프 등으로 옮깁니다.

우라늄 가스 변환

여러 단계의 원심 분리기에서 가스상 우라늄 -235를 분리 한 후 엔지니어들은 우라늄 가스를 다시 고체 금속으로 변환하기 위해 다른 화학 반응을 사용합니다. 이 금속은 나중에 원자로 나 폭탄에 사용하기 위해 형성 될 수 있습니다.

각 단계는 우라늄 가스 혼합물을 소량 만 청소하기 때문에 국가는 최고 수준의 효율로 설계된 원심 분리기 만 가동 할 수 있습니다. 그렇지 않으면, 소량의 순수한 우라늄 -235조차도 엄청나게 비싸게된다.

또한 이러한 원심 분리 튜브의 설계 및 제조에는 많은 국가에서 도달 할 수없는 일정 수준의 투자 및 기술 노하우가 필요합니다. 파이프는 회전하는 동안 상당한 압력을 견딜 수있는 특수한 유형의 강철 또는 혼합물을 필요로하며 완전히 원통형이어야하며 제작하기 어려운 특수 기계로 만들어야합니다.

다음은 미국이 히로시마에 떨어 뜨린 폭탄의 예입니다. “원자 폭탄 제작”(Simon and Schuster, 1995)에 따르면 폭탄을 만드는 데 62kg의 우라늄 -235가 필요합니다.

약 4 톤의 우라늄 광석에서 62kg을 분리하는 것은 세계에서 가장 큰 건물에서 발생했으며 국가 전력의 10 %를 사용했습니다. “시설을 건설하는 데 2 ​​만 명이 필요했고 12,000 명이 시설을 운영했으며 1944 년에 5 억 달러 이상이 들었습니다.”2018 년 약 72 억 달러입니다.

농축 우라늄이 끔찍한 이유는 무엇입니까?

우라늄 또는 무기 등급 플루토늄은 단순한 기술적 인 이유로 위험합니다. 특정 기술 기반으로 폭발성 핵 장치를 만들 수 있습니다.

이 그림은 단순한 핵탄두를 개략적으로 나타낸 것입니다. 핵연료 빌릿 1과 2는 껍질 안에 있습니다. 그들 각각은 전체 공의 일부 중 하나이며 폭탄에 사용되는 무기 금속의 임계 질량보다 약간 작습니다.

TNT 폭발 전하가 폭발 할 때, 우라늄 잉곳 1과 2가 하나로 결합 될 때, 그들의 총 질량은 반드시이 물질의 임계 질량을 초과하여 핵 연쇄 반응을 일으켜 결과적으로 원자 폭발을 일으킨다.

복잡해 보이지는 않지만 실제로는 그렇지 않습니다. 그렇지 않으면 행성에 핵무기를 보유한 국가가 더 많아 질 것입니다. 더욱이, 그러한 위험한 기술이 충분히 강력하고 개발 된 테러 단체의 손에 넘어 질 위험이 크게 증가 할 것입니다.

비결은 과학 기술이 발달 된 매우 강력한 힘만이 현재의 기술 개발에도 불구하고 우라늄을 풍부하게 할 수 있다는 것입니다. 원자 장치가 작동하지 않으면 235와 238 우라늄 동위 원소를 분리하는 것이 훨씬 더 어렵습니다.

우라늄 광산 : 진실과 허구

소련에서는 블레셋 수준에서 범죄자들이 우라늄 광산에서 파업을한다는 가설이 있었으며, 따라서 당과 소비에트 국민들 앞에서 죄책감을 소멸시켰다. 물론 이것은 사실이 아닙니다.

우라늄 채굴은 하이테크 채굴 산업이며, 누군가가 정교하고 매우 비싼 장비를 사용하고 강도를 가진 살인범을 심문 할 가능성은 거의 없습니다. 또한 우라늄 광부가 반드시 방독면을 착용하고 속옷을 입는다는 소문도 신화에 지나지 않습니다.

우라늄은 때때로 최대 1km 깊이의 광산에서 채굴됩니다. 이 요소의 가장 큰 매장량은 캐나다, 러시아, 카자흐스탄 및 호주에서 찾을 수 있습니다. 러시아에서는 1 톤의 광석이 평균 약 1.5 킬로그램의 우라늄을 생산합니다. 이것이 가장 큰 지표는 아닙니다. 일부 유럽 광산에서는이 수치가 톤당 22kg에 이릅니다.

광산의 방사선 배경은 민간 여객기가 패치되는 성층권의 경계와 거의 같습니다.

우라늄 광석

농축 우라늄은 채광 직후 광산 근처에서 시작됩니다. 다른 광석과 마찬가지로 금속 외에 우라늄에는 폐석이 함유되어 있습니다. 농축의 초기 단계는 광산에서 자란 조약돌, 즉 우라늄이 풍부하고 가난한 사람들을 분류하는 것입니다. 말 그대로 모든 조각의 무게는 기계로 측정되며 특성에 따라 특정 스트림으로 보내집니다.

그런 다음 우라늄이 풍부한 광석을 미세 분말로 분쇄하여 분쇄기가 작동합니다. 그러나 이것은 우라늄이 아니라 산화물입니다. 순수한 금속을 얻는 것은 화학 반응과 변형의 가장 복잡한 연쇄입니다.

그러나, 순수한 화합물을 출발 화합물로부터 분리하는 것만으로는 충분하지 않습니다. 자연에 포함 된 총 우라늄 중 99 %는 동위 원소 238이 차지하고 235 번째는 1 % 미만입니다. 그것들을 분리하는 것은 매우 어려운 일이며, 모든 국가가 해결할 수있는 것은 아닙니다.

가스 확산 농축 법

이것이 우라늄이 농축 된 첫 번째 방법입니다. 그것은 여전히 ​​미국과 프랑스에서 사용됩니다. 235 및 238 동위 원소의 밀도 차이를 기준으로합니다. 산화물로부터 방출 된 우라늄 가스는 고압으로 막에 의해 분리 된 챔버로 펌핑된다. 동위 원소의 원자 (235)는 더 가벼워서, 수용된 열로부터 그들은 "느린"우라늄 원자 (238)보다 더 빠르게 이동하며, 막에 대해 더욱 빈번하고 더 강하게 이길 수있다. 확률 이론의 법칙에 따르면, 그들은 미세 구멍 중 하나에 들어가서이 막의 다른쪽에있을 가능성이 더 높습니다.

동위 원소 간의 차이가 매우 작기 때문에이 방법의 효과는 적습니다. 그러나 농축 우라늄을 사용하기에 적합한 방법은 무엇입니까? 그 대답은이 방법을 여러 번 적용하는 것입니다. 발전소의 반응기로부터 연료의 제조에 적합한 우라늄을 얻기 위해, 가스 확산 처리 시스템은 수백 번 반복된다.

이 방법에 대한 전문가 리뷰는 혼합되어 있습니다. 한편으로, 가스 확산 분리 방법은 미국에 고품질 우라늄을 최초로 제공하여 일시적으로 군사 분야의 리더가되었습니다. 다른 한편으로, 가스 확산은 폐기물을 덜 생성하는 것으로 생각된다. 이 경우 실패하는 유일한 것은 최종 제품의 높은 가격입니다.

원심 분리기 방법

이것은 소련 엔지니어의 발전입니다. 현재 러시아 외에도 소련에서 발견 된 방법에 의해 우라늄이 농축 된 여러 국가가 있습니다. 이들은 브라질, 영국, 독일, 일본 및 기타 국가입니다. 이 방법은 235 및 238 동위 원소의 질량 차이를 사용한다는 점에서 가스 확산 기술과 유사합니다.

우라늄 가스는 원심 분리기에서 1,500 rpm으로 회전합니다. 밀도가 다르기 때문에 동위 원소는 크기가 다른 원심력의 영향을받습니다. 우라늄 238은 무거울수록 원심 분리기 벽 근처에 축적되며 235 번째 동위 원소는 중앙에 더 가깝게 모입니다. 가스 혼합물은 실린더 상단으로 펌핑됩니다. 원심 분리기 바닥으로 이동 한 동위 원소는 부분적으로 분리 할 시간이 있으며 별도로 선택됩니다.

상기 방법이 또한 동위 원소의 100 % 분리를 제공하지 않고 필요한 수준의 농축을 달성하기 위해서는 반복적으로 사용해야하지만 가스 확산보다 훨씬 경제적이다. 따라서 원심 분리 기술을 사용하는 러시아의 농축 우라늄은 미국 막에서 얻은 것보다 약 3 배 저렴합니다.

농축 우라늄 응용

정화, 산화물에서 금속 분리, 동위 원소 분리를 통해이 복잡하고 값 비싼 적색 테이프가 왜 필요한가? 원자력 에너지에 사용되는 농축 우라늄 235의 한 와셔 (이러한 "알약"은 조립 된 막대-연료봉), 무게는 7 그램으로 약 200 리터 배럴의 가솔린 ​​3 톤 또는 석탄 1 톤을 대체합니다.

농축 및 고갈 된 우라늄은 235 및 238 동위 원소의 순도와 비율에 따라 다르게 사용됩니다.

동위 원소 235는 에너지 집약적 인 연료입니다. 농축 우라늄은 235 개의 동위 원소 함량이 20 % 이상일 때 고려됩니다. 이것이 핵무기의 기초입니다.

풍부한 에너지 포화 원료는 또한 질량과 크기가 제한되어있어 잠수함 및 우주선의 원자로 연료로 사용됩니다.

주로 238 개의 동위 원소를 함유 한 고갈 된 우라늄은 민간 고정 원자로의 연료입니다. 천연 우라늄 원자로는 덜 폭발적인 것으로 간주됩니다.

그런데 러시아 경제학자의 계산에 따르면 주기율표의 92 요소에 대한 현재 생산 속도를 유지하면서 전세계 탐험 광산의 매장량은 이미 2030 년까지 고갈 될 것입니다. 그래서 과학자들은 미래에 저렴하고 저렴한 에너지의 원천으로 융합을 기대하고 있습니다.