Tips Berguna

Pengayaan uranium

Pin
Send
Share
Send
Send


Pengayaan uranium adalah salah satu langkah kunci dalam menciptakan senjata nuklir. Hanya uranium jenis tertentu yang bekerja di reaktor dan bom nuklir.

Memisahkan uranium jenis ini dari varietas yang lebih luas membutuhkan keterampilan teknik yang hebat, meskipun teknologi yang diperlukan untuk ini sudah ada selama beberapa dekade. Tugasnya bukan untuk mencari cara memisahkan uranium, tetapi untuk membangun dan menjalankan peralatan yang diperlukan untuk menyelesaikan tugas ini.

Atom uranium, seperti atom unsur yang ditemukan di alam dalam suatu varietas, disebut isotop. (Setiap isotop memiliki jumlah neutron yang berbeda dalam nukleusnya.) Uranium-235, isotop yang membentuk kurang dari 1 persen dari semua uranium alami, menyediakan bahan bakar untuk reaktor nuklir dan bom nuklir, sedangkan uranium-238, isotop yang membentuk 99 persen uranium alami, tidak memiliki penggunaan nuklir.

Derajat Pengayaan Uranium

Reaksi berantai nuklir menyiratkan bahwa setidaknya satu neutron dari peluruhan atom uranium akan ditangkap oleh atom lain dan, karenanya, akan menyebabkan peluruhannya. Dalam perkiraan pertama, ini berarti bahwa neutron harus "tersandung" pada atom 235 U sebelum meninggalkan reaktor. Ini berarti bahwa desain dengan uranium harus cukup kompak sehingga kemungkinan menemukan atom uranium berikutnya untuk neutron cukup tinggi. Tetapi ketika reaktor 235 U beroperasi, ia berangsur-angsur terbakar, yang mengurangi kemungkinan neutron memenuhi atom 235 U, yang memaksa mereka untuk meletakkan batas tertentu dari probabilitas ini di reaktor. Karenanya, rendahnya proporsi 235 U dalam bahan bakar nuklir mengharuskan:

  • volume reaktor yang lebih besar sehingga neutron berada di dalamnya lebih lama
  • proporsi yang lebih besar dari volume reaktor harus ditempati oleh bahan bakar untuk meningkatkan kemungkinan tabrakan neutron dan atom uranium,
  • lebih sering diperlukan untuk mengisi ulang bahan bakar ke segar untuk mempertahankan kepadatan bulk yang diberikan 235 U dalam reaktor,
  • proporsi yang tinggi dari 235 U dalam bahan bakar bekas.

Dalam proses meningkatkan teknologi nuklir, ditemukan solusi optimal secara ekonomi dan teknologi yang membutuhkan peningkatan kandungan 235 U dalam bahan bakar, mis. Pengayaan uranium.

Dalam senjata nuklir, tugas pengayaan hampir sama: diperlukan bahwa dalam waktu yang sangat singkat dari ledakan nuklir, jumlah maksimum atom 235 U menemukan neutron, pembusukan, dan melepaskan energi. Untuk ini, kepadatan maksimum yang mungkin dari atom 235 U diperlukan, yang dapat dicapai dengan pengayaan akhir.

Derajat Pengayaan Uranium [sunting |

Kunci pemisahan

Kunci untuk pemisahan mereka adalah bahwa atom uranium-235 memiliki berat sedikit lebih rendah dari atom uranium-238.

Untuk memisahkan sejumlah kecil uranium-235 yang ada dalam setiap sampel alami bijih uranium, para insinyur pertama-tama mengubah uranium menjadi gas menggunakan reaksi kimia.

Kemudian gas dimasukkan ke dalam tabung centrifuge dalam bentuk silinder seukuran seseorang atau lebih. Setiap tabung berputar pada porosnya pada kecepatan yang sangat tinggi, menarik molekul gas uranium-238 yang lebih berat ke pusat tabung, membuat molekul gas uranium-235 yang lebih ringan lebih dekat ke tepi tabung tempat mereka dapat dihisap.

Setiap kali gas diputar dalam centrifuge, hanya sejumlah kecil uranium-238 gas dikeluarkan dari campuran, sehingga pipa digunakan secara seri. Setiap centrifuge mengeluarkan sedikit uranium-238, dan kemudian mentransfer campuran gas yang sedikit dimurnikan ke pipa berikutnya, dll.

Konversi gas uranium

Setelah pemisahan gas uranium-235 pada banyak tahap sentrifugal, para insinyur menggunakan reaksi kimia yang berbeda untuk mengubah gas uranium kembali menjadi logam padat. Logam ini nantinya dapat dibentuk untuk digunakan dalam reaktor atau bom.

Karena setiap langkah hanya membersihkan campuran gas uranium dalam jumlah kecil, negara hanya dapat menjalankan sentrifugal yang dirancang untuk tingkat efisiensi tertinggi. Kalau tidak, produksi uranium-235 murni dalam jumlah kecil pun menjadi sangat mahal.

Dan desain dan pembuatan tabung centrifuge ini membutuhkan tingkat investasi dan pengetahuan teknis tertentu di luar jangkauan banyak negara. Pipa membutuhkan jenis baja khusus atau campuran yang tahan tekanan signifikan selama rotasi, harus sepenuhnya berbentuk silinder dan dibuat oleh mesin khusus yang sulit dibangun.

Ini contoh bom yang dijatuhkan Amerika Serikat di Hiroshima. Dibutuhkan 62 kg uranium-235 untuk membuat bom, menurut "membangun bom atom" (Simon dan Schuster, 1995).

Pemisahan 62 kg ini dari hampir 4 ton bijih uranium terjadi di gedung terbesar di dunia dan menggunakan 10 persen listrik negara. "Butuh 20.000 orang untuk membangun fasilitas itu, 12.000 orang mengoperasikan fasilitas itu, dan pada tahun 1944 biaya yang dibutuhkan lebih dari $ 500 juta."

Mengapa uranium yang diperkaya begitu mengerikan?

Uranium atau plutonium tingkat senjata berbahaya dalam bentuk murni karena satu alasan sederhana: dari mereka, dengan basis teknis tertentu, sebuah perangkat nuklir yang dapat meledak dapat dibuat.

Gambar tersebut menunjukkan representasi skematis hulu ledak nuklir sederhana. Billet 1 dan 2 bahan bakar nuklir ada di dalam shell. Masing-masing dari mereka adalah salah satu bagian dari keseluruhan bola dan beratnya sedikit kurang dari massa kritis logam senjata yang digunakan dalam bom.

Ketika muatan detonasi TNT meledak, uranium ingot 1 dan 2 digabungkan menjadi satu, massa totalnya pasti melebihi massa kritis untuk bahan ini, yang mengarah ke reaksi berantai nuklir dan, akibatnya, menjadi ledakan atom.

Tampaknya tidak ada yang rumit, tetapi dalam kenyataannya hal ini, tentu saja, tidak demikian. Jika tidak, akan ada lebih banyak negara dengan senjata nuklir di planet ini. Selain itu, risiko teknologi berbahaya seperti itu jatuh ke tangan kelompok teroris yang cukup kuat dan berkembang akan sangat meningkat.

Kuncinya adalah bahwa hanya kekuatan yang sangat kaya dengan infrastruktur ilmiah yang dikembangkan yang dapat memperkaya uranium, bahkan dengan perkembangan teknologi saat ini. Lebih sulit lagi, tanpanya perangkat atom tidak akan berfungsi, pisahkan isotop uranium 235 dan 238.

Tambang Uranium: Kebenaran dan Fiksi

Di Uni Soviet, di tingkat filistin, ada hipotesis bahwa penjahat yang malang bekerja di tambang uranium, sehingga menghilangkan rasa bersalah mereka di hadapan partai dan rakyat Soviet. Tentu saja ini tidak benar.

Penambangan Uranium adalah industri pertambangan berteknologi tinggi, dan kecil kemungkinannya bahwa siapa pun akan mengaku bekerja dengan peralatan canggih dan sangat mahal serta pembunuh berantai dengan perampok. Selain itu, rumor bahwa penambang uranium harus mengenakan masker gas dan pakaian dalam juga tidak lebih dari mitos.

Uranium ditambang di tambang kadang-kadang hingga kedalaman satu kilometer. Cadangan terbesar dari unsur ini ditemukan di Kanada, Rusia, Kazakhstan, dan Australia. Di Rusia, satu ton bijih menghasilkan rata-rata sekitar satu setengah kilogram uranium. Ini bukan indikator terbesar. Di beberapa tambang Eropa, angka ini mencapai 22 kg per ton.

Latar belakang radiasi di tambang hampir sama dengan di perbatasan stratosfer, di mana pesawat penumpang sipil ditambal.

Bijih uranium

Pengayaan uranium dimulai segera setelah penambangan, langsung di dekat tambang. Selain logam, seperti bijih lainnya, uranium mengandung batuan sisa. Tahap awal pengayaan dimulai dengan memilah batu-batu bulat yang diangkat dari tambang: mereka yang kaya uranium dan miskin. Secara harfiah setiap bagian ditimbang, diukur dengan mesin dan, tergantung pada propertinya, dikirim ke aliran tertentu.

Kemudian sebuah penggilingan mulai berperan, menggiling bijih kaya uranium menjadi bubuk halus. Namun, ini bukan uranium, tetapi hanya oksida. Mendapatkan logam murni adalah rantai reaksi kimia dan transformasi yang paling rumit.

Namun, tidak cukup hanya dengan mengisolasi logam murni dari senyawa kimia awal. Dari total uranium yang terkandung di alam, 99% ditempati oleh isotop 238, dan pasangan ke-235-nya kurang dari satu persen. Memisahkan mereka adalah tugas yang sangat sulit, yang tidak dapat diselesaikan oleh setiap negara.

Metode pengayaan difusi gas

Ini adalah metode pertama dimana uranium diperkaya. Itu masih digunakan di Amerika Serikat dan Perancis. Berdasarkan perbedaan kepadatan 235 dan 238 isotop. Gas uranium yang dilepaskan dari oksida dipompa di bawah tekanan tinggi ke dalam ruang yang dipisahkan oleh membran. Atom 235 isotop lebih ringan, oleh karena itu, dari bagian panas yang diterima, mereka bergerak lebih cepat daripada atom uranium “lambat” 238, yang masing-masing, lebih sering dan lebih intensif menghantam membran. Menurut hukum teori probabilitas, mereka lebih cenderung masuk ke salah satu mikropori dan berada di sisi lain membran ini.

Efektivitas metode ini kecil, karena perbedaan antara isotop sangat, sangat kecil. Tetapi bagaimana membuat uranium yang diperkaya cocok untuk digunakan? Jawabannya adalah menerapkan metode ini berkali-kali. Untuk mendapatkan uranium yang cocok untuk pembuatan bahan bakar dari reaktor di pembangkit listrik, sistem pengolahan difusi gas diulang beberapa ratus kali.

Ulasan pakar tentang metode ini beragam. Di satu sisi, metode pemisahan difusi gas adalah yang pertama memberi Amerika Serikat uranium berkualitas tinggi, menjadikan mereka sementara pemimpin di bidang militer. Di sisi lain, difusi gas dianggap menghasilkan lebih sedikit limbah. Satu-satunya hal yang gagal dalam hal ini adalah tingginya harga produk akhir.

Metode centrifuge

Ini adalah pengembangan insinyur Soviet. Saat ini, selain Rusia, ada sejumlah negara tempat uranium diperkaya dengan metode yang ditemukan di Uni Soviet. Ini adalah Brasil, Inggris, Jerman, Jepang dan beberapa negara lain. Metode ini mirip dengan teknologi difusi gas karena menggunakan perbedaan massa 235 dan 238 isotop.

Gas uranium berputar dalam centrifuge hingga 1.500 rpm. Karena kepadatan yang berbeda, isotop dipengaruhi oleh gaya sentrifugal dengan ukuran berbeda. Uranium 238, karena lebih berat, terakumulasi di dekat dinding centrifuge, sedangkan isotop 235 berkumpul lebih dekat ke pusat. Campuran gas dipompa ke bagian atas silinder. Setelah melewati jalan ke bagian bawah centrifuge, isotop memiliki waktu untuk memisahkan sebagian dan dipilih secara terpisah.

Terlepas dari kenyataan bahwa metode ini juga tidak memberikan pemisahan isotop 100%, dan untuk mencapai tingkat pengayaan yang diperlukan, metode ini harus digunakan berulang kali, jauh lebih efisien secara ekonomi daripada difusi gas. Dengan demikian, uranium yang diperkaya di Rusia menggunakan teknologi centrifuge sekitar 3 kali lebih murah daripada yang diperoleh pada membran Amerika.

Aplikasi Uranium yang Diperkaya

Mengapa semua birokrasi ini rumit dan mahal dengan pemurnian, pemisahan logam dari oksida, pemisahan isotop? Salah satu mesin cuci dari uranium 235 yang diperkaya, dari yang digunakan dalam energi nuklir (dari “pil” tersebut dirakit batang - batang bahan bakar), dengan berat 7 gram menggantikan sekitar tiga liter bensin 200 liter atau sekitar satu ton batubara.

Uranium yang diperkaya dan habis digunakan secara berbeda tergantung pada kemurnian dan rasio 235 dan 238 isotop.

Isotop 235 adalah bahan bakar yang lebih intensif energi. Uranium yang diperkaya dipertimbangkan ketika kandungan 235 isotop lebih dari 20%. Ini adalah dasar dari senjata nuklir.

Bahan baku jenuh energi yang diperkaya juga digunakan sebagai bahan bakar untuk reaktor nuklir di kapal selam dan pesawat ruang angkasa karena massa dan ukuran yang terbatas.

Uranium yang habis, terutama mengandung 238 isotop, adalah bahan bakar untuk reaktor nuklir stasioner sipil. Reaktor uranium alami dianggap kurang eksplosif.

Ngomong-ngomong, menurut perhitungan para ekonom Rusia, sambil mempertahankan tingkat produksi saat ini dari 92 elemen tabel periodik, cadangannya di tambang yang dieksplorasi di seluruh dunia sudah akan habis pada tahun 2030. Itulah sebabnya para ilmuwan berharap untuk fusi sebagai sumber energi murah dan terjangkau di masa depan.

Pin
Send
Share
Send
Send