Uraniumverrijking is een van de belangrijkste stappen bij het maken van kernwapens. Alleen een bepaald type uranium werkt in kernreactoren en bommen.
Het scheiden van dit type uranium van een meer wijdverspreide variëteit vereist grote technische vaardigheden, ondanks het feit dat de daarvoor benodigde technologie al tientallen jaren bestaat. De taak is niet om erachter te komen hoe uranium te scheiden, maar om de apparatuur te bouwen en te gebruiken die nodig is om deze taak te voltooien.
Uraniumatomen, zoals elementatomen die in de natuur in een verscheidenheid worden gevonden, worden isotopen genoemd. (Elke isotoop heeft een ander aantal neutronen in zijn kern.) Uranium-235, de isotoop die minder dan 1 procent van alle natuurlijke uranium uitmaakt, levert brandstof voor kernreactoren en nucleaire bommen, terwijl uranium-238, de isotoop die 99 procent uitmaakt natuurlijk uranium, heeft geen nucleair gebruik.
Uraniumverrijkingsgraden
Een nucleaire kettingreactie houdt in dat ten minste één neutron van het verval van een uraniumatoom wordt gevangen door een ander atoom en dienovereenkomstig het verval veroorzaakt. In een eerste benadering betekent dit dat het neutron moet "struikelen" op het 235 U-atoom voordat het de reactor verlaat. Dit betekent dat het ontwerp met uranium compact genoeg moet zijn, zodat de waarschijnlijkheid van het vinden van het volgende uraniumatoom voor het neutron groot genoeg is. Maar terwijl de 235 U-reactor werkt, brandt deze geleidelijk uit, wat de kans verkleint dat een neutron het 235 U-atoom ontmoet, waardoor ze een bepaalde marge van deze waarschijnlijkheid in de reactoren moeten leggen. Dienovereenkomstig vereist het lage aandeel van 235 U in nucleaire brandstof:
- een groter reactorvolume zodat het neutron er langer in zit
- een groter deel van het reactorvolume moet worden ingenomen door brandstof om de kans op een botsing van een neutron en een uraniumatoom te vergroten,
- vaker is het nodig om brandstof opnieuw vers te laden om een gegeven bulkdichtheid van 235 U in de reactor te handhaven,
- een hoog aandeel waardevolle 235 U aan verbruikte splijtstof.
In het proces van het verbeteren van nucleaire technologie, werden economisch en technologisch optimale oplossingen gevonden die een verhoging van het gehalte van 235 U in de brandstof vereisten, dat wil zeggen uraniumverrijking.
In nucleaire wapens is de verrijkingstaak bijna hetzelfde: het is vereist dat in een extreem korte tijd van een nucleaire explosie het maximale aantal van 235 U-atomen hun neutronen vindt, vervalt en energie afgeeft. Hiervoor is de maximaal mogelijke bulkdichtheid van atomen 235 U vereist, wat met de ultieme verrijking kan worden bereikt.
Uranium Enrichment Degrees [bewerken |De sleutel tot scheiding
De sleutel tot hun scheiding is dat de uranium-235-atomen iets minder wegen dan de uranium-238-atomen.
Om de kleine hoeveelheid uranium-235 die aanwezig is in elk natuurlijk monster van uraniumerts te scheiden, zetten ingenieurs eerst het uranium om in gas met behulp van een chemische reactie.
Vervolgens wordt het gas ingebracht in een centrifugebuis in een cilindrische vorm met de grootte van een persoon of meer. Elke buis roteert op zijn as met ongelooflijk hoge snelheden, waardoor zwaardere uranium-238-gasmoleculen naar het midden van de buis worden getrokken, waardoor lichtere uranium-235-gasmoleculen dichter bij de randen van de buis achterblijven waar ze kunnen worden weggezogen.
Elke keer dat het gas in een centrifuge wordt geroteerd, wordt slechts een kleine hoeveelheid uranium-238-gas uit het mengsel verwijderd, zodat de pijpen in serie worden gebruikt. Elke centrifuge trekt een beetje uranium-238 eruit en brengt het enigszins gezuiverde gasmengsel over naar de volgende pijp, enz.
Uranium gas conversie
Na de scheiding van gasvormig uranium-235 in vele stadia van centrifuges, gebruiken ingenieurs een andere chemische reactie om uraniumgas terug in vast metaal om te zetten. Dit metaal kan later worden gevormd voor gebruik in reactoren of bommen.
Aangezien elke stap het mengsel van uraniumgas slechts met een kleine hoeveelheid reinigt, kunnen landen het zich alleen veroorloven centrifuges te laten draaien die zijn ontworpen met het hoogste rendement. Anders wordt de productie van zelfs een kleine hoeveelheid zuiver uranium-235 onbetaalbaar.
En het ontwerp en de fabricage van deze centrifugebuizen vereisen een bepaald investeringsniveau en technische knowhow die buiten het bereik van veel landen ligt. Buizen vereisen speciale soorten staal of mengsels die bestand zijn tegen aanzienlijke druk tijdens rotatie, moeten volledig cilindrisch zijn en worden gemaakt door gespecialiseerde machines die moeilijk te bouwen zijn.
Hier is een voorbeeld van een bom die de Verenigde Staten op Hiroshima hebben laten vallen. Er is 62 kg uranium-235 nodig om een bom te maken, volgens "een atoombom bouwen" (Simon and Schuster, 1995).
De scheiding van deze 62 kg van bijna 4 ton uraniumerts vond plaats in het grootste gebouw ter wereld en gebruikte 10 procent van de elektriciteit van het land. "Er waren 20.000 mensen nodig om de faciliteit te bouwen, 12.000 mensen bedienden de faciliteit en in 1944 kostte de uitrusting meer dan $ 500 miljoen." Dat is ongeveer $ 7,2 miljard in 2018.
Waarom is verrijkt uranium zo verschrikkelijk?
Uranium of plutonium van wapenkwaliteit is in pure vorm gevaarlijk om een eenvoudige reden: van hen kan met een bepaalde technische basis een explosief nucleair apparaat worden gemaakt.
De figuur toont een schematische weergave van een eenvoudige kernkop. Billets 1 en 2 van nucleaire brandstof bevinden zich in de schaal. Elk van hen is een van de delen van de hele bal en weegt iets minder dan de kritische massa van het wapenmetaal dat in de bom wordt gebruikt.
Wanneer de TNT-detonerende lading tot ontploffing wordt gebracht, worden de uraniumblokken 1 en 2 gecombineerd tot één, hun totale massa overschrijdt zeker de kritische massa voor dit materiaal, wat leidt tot een nucleaire kettingreactie en dienovereenkomstig tot een atoomexplosie.
Het lijkt niets ingewikkelds, maar in werkelijkheid is dit natuurlijk niet zo. Anders zou er een orde van grootte meer landen met kernwapens op de planeet zijn. Bovendien zou het risico dat dergelijke gevaarlijke technologieën in handen van voldoende krachtige en ontwikkelde terroristische groeperingen vallen, aanzienlijk toenemen.
De truc is dat alleen zeer rijke krachten met ontwikkelde wetenschappelijke infrastructuur in staat zijn om uranium te verrijken, zelfs met de huidige ontwikkeling van technologie. Nog moeilijker, zonder welke het atomaire apparaat niet zou werken, scheidt de uraniumisotopen 235 en 238.
Uranium-mijnen: waarheid en fictie
In de Sovjet-Unie, op filistijns niveau, was er een hypothese dat gedoemde criminelen in uraniummijnen werken, waardoor hun schuld tegenover de partij en het Sovjet-volk afloopt. Dit is natuurlijk niet waar.
Uraniummijnbouw is een hightech mijnbouwindustrie en het is onwaarschijnlijk dat iemand zou hebben toegegeven te werken met geavanceerde en zeer dure apparatuur en onverbiddelijke moordenaars met rovers. Bovendien zijn de geruchten dat uranium-mijnwerkers noodzakelijkerwijs een gasmasker en loodondergoed dragen, niet meer dan een mythe.
Uranium wordt in mijnen gedolven, soms tot een kilometer diep. De grootste reserves van dit element zijn te vinden in Canada, Rusland, Kazachstan en Australië. In Rusland produceert een ton erts gemiddeld ongeveer anderhalve kilogram uranium. Dit is zeker niet de grootste indicator. In sommige Europese mijnen bereikt dit cijfer 22 kg per ton.
De stralingsachtergrond in de mijn is ongeveer hetzelfde als op de grens van de stratosfeer, waar burgerluchtvaartuigen worden gepatcht.
Uraniumerts
Verrijk uranium begint direct na de mijnbouw, direct bij de mijn. Naast metaal bevat uranium, net als elk ander erts, afvalsteen. De eerste fase van verrijking komt neer op het sorteren van de kasseien die uit de mijn zijn opgewekt: rijk aan uranium en arm. Letterlijk wordt elk stuk gewogen, gemeten door machines en, afhankelijk van de eigenschappen, naar een bepaalde stroom gestuurd.
Dan komt een molen in het spel, die het uraniumrijke erts tot fijn poeder vermaalt. Dit is echter geen uranium, maar alleen het oxide. Het verkrijgen van puur metaal is de meest gecompliceerde keten van chemische reacties en transformaties.
Het is echter niet voldoende om puur metaal te isoleren van de chemische startstoffen. Van het totale uranium in de natuur, wordt 99% bezet door de isotoop 238 en is zijn 235ste tegenhanger minder dan één procent. Ze scheiden is een heel moeilijke taak, die niet elk land kan oplossen.
Gasdiffusie-verrijkingsmethode
Dit is de eerste methode waarmee uranium werd verrijkt. Het wordt nog steeds gebruikt in de VS en Frankrijk. Gebaseerd op het verschil in dichtheid van 235 en 238 isotopen. Uraniumgas dat vrijkomt uit het oxide wordt onder hoge druk gepompt in een kamer gescheiden door een membraan. Atomen 235 van de isotoop zijn lichter, daarom bewegen ze van het ontvangen deel van warmte sneller dan respectievelijk "langzame" uraniumatomen 238, vaker en intensiever tegen het membraan. Volgens de wetten van de waarschijnlijkheidstheorie komen ze vaker in een van de microporiën en aan de andere kant van dit membraan.
De effectiviteit van deze methode is klein, omdat het verschil tussen de isotopen erg, erg klein is. Maar hoe maak je verrijkt uranium geschikt voor gebruik? Het antwoord is deze methode vele, vele malen toe te passen. Om uranium te verkrijgen dat geschikt is voor de vervaardiging van brandstof uit een reactor in een energiecentrale, wordt het gasdiffusiebehandelingssysteem enkele honderden keren herhaald.
Expertbeoordelingen over deze methode zijn gemengd. Enerzijds is de gasdiffusiescheidingsmethode de eerste die de Verenigde Staten van hoogwaardig uranium voorziet, waardoor ze tijdelijk een leider in de militaire sfeer zijn. Aan de andere kant wordt gedacht dat gasdiffusie minder afval produceert. Het enige dat in dit geval faalt, is de hoge prijs van het eindproduct.
Centrifuge methode
Dit is de ontwikkeling van Sovjetingenieurs. Momenteel zijn er, naast Rusland, een aantal landen waar uranium wordt verrijkt met de methode die in de USSR is ontdekt. Dit zijn Brazilië, Groot-Brittannië, Duitsland, Japan en enkele andere staten. De methode is vergelijkbaar met gasdiffusietechnologie omdat het het massaverschil van 235 en 238 isotopen gebruikt.
Uraniumgas draait in een centrifuge tot 1500 tpm. Vanwege verschillende dichtheden worden isotopen beïnvloed door middelpuntvliedende krachten van verschillende grootte. Uranium 238 hoopt zich zwaarder op nabij de wanden van de centrifuge, terwijl de 235ste isotoop dichter bij het centrum komt. Het gasmengsel wordt naar de bovenkant van de cilinder gepompt. Nadat ze de weg naar de bodem van de centrifuge zijn gepasseerd, hebben de isotopen de tijd om zich gedeeltelijk te scheiden en worden ze afzonderlijk geselecteerd.
Ondanks het feit dat de methode ook geen 100% scheiding van isotopen biedt, en om de noodzakelijke verrijkingsgraad te bereiken, moet deze herhaaldelijk worden gebruikt, is deze economisch veel efficiënter dan gasdiffusie. Verrijkt uranium in Rusland met behulp van centrifuge-technologie is dus ongeveer 3 keer goedkoper dan dat verkregen op Amerikaanse membranen.
Verrijkte uraniumtoepassing
Waarom is al deze gecompliceerde en dure bureaucratie met zuivering, metaalscheiding van oxiden, scheiding van isotopen? Een wasmachine met verrijkt uranium 235, van die welke in kernenergie wordt gebruikt (van dergelijke "pillen" zijn geassembleerde staven - brandstofstaven), met een gewicht van 7 gram, vervangt ongeveer drie 200 liter vaten benzine of ongeveer een ton kolen.
Verrijkt en verarmd uranium wordt verschillend gebruikt, afhankelijk van de zuiverheid en de verhouding van 235 en 238 isotopen.
Isotoop 235 is een energie-intensievere brandstof. Verrijkt uranium wordt overwogen wanneer het gehalte van 235 isotopen meer dan 20% is. Dit is de basis van kernwapens.
Verrijkte, met energie verzadigde grondstoffen worden ook gebruikt als brandstof voor kernreactoren in onderzeeërs en ruimtevaartuigen vanwege de beperkte massa en grootte.
Verarmd uranium, dat hoofdzakelijk 238 isotopen bevat, is een brandstof voor civiele stationaire kernreactoren. Natuurlijke uraniumreactoren worden als minder explosief beschouwd.
Trouwens, volgens de berekeningen van Russische economen, met behoud van de huidige productiesnelheid van 92 elementen van het periodiek systeem, zullen de reserves in onderzochte mijnen over de hele wereld al tegen 2030 zijn uitgeput. Daarom kijken wetenschappers uit naar fusie als een bron van goedkope en betaalbare energie in de toekomst.
