役に立つヒント

ウラン濃縮

ウラン濃縮 核兵器を作成する重要なステップの1つです。原子炉と爆弾で機能するのは特定の種類のウランのみです。

このタイプのウランをより広範囲の種類から分離するには、これに必要な技術が何十年も存在しているという事実にもかかわらず、優れたエンジニアリングスキルが必要です。タスクは、ウランを分離する方法を理解することではなく、このタスクを完了するために必要な機器を構築して実行することです。

ウラン原子は、さまざまな自然界で見られる元素原子のように、同位体と呼ばれます。 (各同位体の核には異なる数の中性子があります。)天然ウランの1%未満を構成する同位体であるウラン235は、原子炉と核爆弾に燃料を供給し、99%を構成する同位体であるウラン238天然ウラン、核使用はありません。

ウラン濃縮度

核連鎖反応は、ウラン原子の崩壊からの少なくとも1つの中性子が別の原子に捕獲され、それに応じてその崩壊を引き起こすことを意味します。最初の近似では、これは中性子が原子炉を出る前に235 U原子に「つまずく」必要があることを意味します。これは、ウランを使用した設計は、中性子の次のウラン原子を見つける可能性が十分に高くなるように、十分にコンパクトでなければならないことを意味します。しかし、235 U原子炉は動作するにつれて徐々に燃え尽き、中性子が235 U原子と出会う可能性が低くなり、原子炉内でこの確率の一定のマージンを確保するように強制されます。したがって、核燃料中の235 Uの割合が低いことを必要とします。

  • 中性子がより長くなるように、より大きな原子炉容積
  • 中性子とウラン原子の衝突の可能性を高めるために、原子炉容積の大部分を燃料で占有する必要があります。
  • より頻繁に、原子炉内の235 Uの所定のかさ密度を維持するために、燃料を新鮮な状態にリロードする必要があります。
  • 使用済み燃料に含まれる貴重な235 Uの割合が高い。

原子力技術を改善する過程で、燃料中の235 Uの含有量の増加、つまりウラン濃縮を必要とする経済的および技術的に最適なソリューションが見つかりました。

核兵器では、濃縮タスクはほぼ同じです。核爆発の非常に短い時間で、最大数の235 U原子が中性子、崩壊、および放出エネルギーを見つけることが必要です。このためには、原子235 Uの最大可能かさ密度が必要であり、これは究極の濃縮で達成できます。

ウラン濃縮度[編集|

分離の鍵

それらの分離の鍵は、ウラン235原子の重量がウラン238原子の重量よりわずかに少ないことです。

ウラン鉱石のすべての天然サンプルに存在する微量のウラン235を分離するために、エンジニアは最初に化学反応を使用してウランをガスに変換します。

次に、ガスは、人以上の大きさの円筒形の遠心管に導入されます。各チューブは非常に高速で軸を中心に回転し、重いウラン238ガス分子をチューブの中心に引き寄せ、軽いウラン235ガス分子をチューブの端に近づけて吸い出します。

ガスが遠心分離機で回転するたびに、混合物から少量のウラン238ガスのみが除去されるため、パイプは連続して使用されます。各遠心分離機は、少量のウラン238を引き出し、わずかに精製されたガス混合物を次のパイプなどに移します。

ウランガス変換

遠心機の多くの段階でガス状ウラン235を分離した後、エンジニアは異なる化学反応を使用してウランガスを固体金属に戻します。この金属は、原子炉または爆弾で使用するために後で形成できます。

各ステップでウランガスの混合物をわずかに洗浄するだけなので、各国は、最高レベルの効率で設計された遠心分離機を実行するだけの余裕があります。そうでなければ、たとえわずかな量の純粋なウラン235の生産であっても法外に高価になります。

そして、これらの遠心分離管の設計と製造には、多くの国の範囲を超えた一定レベルの投資と技術的ノウハウが必要です。パイプには、回転中の大きな圧力に耐える特殊な種類の鋼または混合物が必要であり、完全に円筒形で、構築が困難な特殊な機械で作られている必要があります。

米国が広島に投下した爆弾の例を次に示します。 「原子爆弾を造る」(Simon and Schuster、1995)によれば、爆弾を作るには62 kgのウラン235が必要です。

約4トンのウラン鉱石からの62 kgの分離は、世界最大の建物で発生し、国内の電力の10%を使用しました。 「施設の建設には20,000人、施設の運営には12,000人がかかり、1944年には5億ドル以上の費用がかかりました。」2018年には約72億ドルになりました。

なぜ濃縮ウランはそれほどひどいのですか?

ウランまたは兵器級プルトニウムは、単純な理由で純粋な形で危険です。それらから、特定の技術的基盤があれば、爆発的な核装置を作ることができます。

図は、単純な核弾頭の概略図を示しています。核燃料のビレット1と2はシェルの内側にあります。それらはそれぞれボール全体の一部であり、爆弾で使用される武器金属の臨界質量よりもわずかに軽いです。

TNTの起爆薬が爆発すると、ウランインゴット1と2が1つにまとめられ、それらの総質量がこの材料の臨界質量を確実に超え、核連鎖反応を引き起こし、結果として原子爆発を引き起こします。

複雑なことは何もないように思えますが、実際には、もちろんそうではありません。そうでなければ、地球上に核兵器を保有している国が一桁増えるでしょう。さらに、そのような危険な技術が十分に強力で開発されたテロリストグループの手に渡るリスクは大幅に増加します。

秘Theは、開発された科学インフラストラクチャーを備えた非常に豊富な権力のみが、現在の技術開発においてもウランを濃縮できることです。それがなければ、原子デバイスが機能しなくなり、235と238のウラン同位体を分離することがさらに難しくなります。

ウラン鉱山:真実とフィクション

ソビエト連邦では、フィリスチンレベルで、運命づけられた犯罪者がウラン鉱山で働いているため、党とソビエトの人々の前で罪悪感をなくすという仮説がありました。もちろん、これは真実ではありません。

ウランの採掘はハイテクの採掘産業であり、洗練された非常に高価な機器や強盗で必死の殺人者を扱うことを誰もが認めなかったでしょう。さらに、ウラン鉱夫は必然的にガスマスクと鉛の下着を着用するという噂も神話に過ぎません。

ウランは、時には深さ1キロメートルまでの鉱山で採掘されます。この要素の最大の埋蔵量は、カナダ、ロシア、カザフスタン、オーストラリアにあります。ロシアでは、1トンの鉱石が平均で約1.5キログラムのウランを生産しています。これは決して最大の指標ではありません。一部のヨーロッパの鉱山では、この数値は1トンあたり22 kgに達します。

鉱山の放射能の背景は、民間旅客機にパッチが適用されている成層圏の境界とほぼ同じです。

ウラン鉱石

濃縮ウランは、採掘直後、鉱山のすぐ近くから始まります。他の鉱石と同様に、金属に加えて、ウランには廃石が含まれています。濃縮の初期段階は、鉱山から採掘された玉石を分類することです:ウランが豊富なものと貧しいもの。文字通り、すべてのピースが計量され、機械で測定され、特性に応じて特定のストリームに送信されます。

次に工場が働き、ウランに富む鉱石を微粉に粉砕します。ただし、これはウランではなく、酸化物のみです。純金属の取得は、化学反応と変換の最も複雑な連鎖です。

ただし、出発化合物から純粋な金属を分離するだけでは十分ではありません。自然に含まれるウラン全体のうち、99%が同位体238で占められており、235番目の同位体は1%未満です。それらを分離することは非常に困難な作業であり、すべての国が解決できるわけではありません。

ガス拡散濃縮法

これは、ウランを濃縮した最初の方法です。まだ米国とフランスで使用されています。 235および238同位体の密度の違いに基づきます。酸化物から放出されたウランガスは、高圧で膜で隔てられたチャンバーに送り込まれます。同位体の原子235はより軽いので、熱の受けた部分から、それぞれ「遅い」ウラン原子238よりも速く移動し、より頻繁に、より激しく膜にぶつかります。確率論の法則によれば、それらはミクロポアの1つに入り込み、この膜の反対側にいる可能性が高くなります。

同位体間の差は非常に小さいため、この方法の効果はわずかです。しかし、濃縮ウランを使用に適したものにする方法は?答えは、この方法を何度も何度も適用することです。発電所の原子炉から燃料を製造するのに適したウランを得るために、ガス拡散処理システムは数百回繰り返されます。

この方法に関する専門家のレビューはさまざまです。一方で、ガス拡散分離法は、米国に高品質のウランを提供する最初の方法であり、一時的に軍事分野のリーダーになっています。一方、ガス拡散は廃棄物の発生が少ないと考えられています。この場合に失敗する唯一のことは、最終製品の高価格です。

遠心分離法

これはソビエトのエンジニアの開発です。現在、ロシアに加えて、ソ連で発見された方法によってウランが濃縮されている国がいくつかあります。これらは、ブラジル、イギリス、ドイツ、日本、その他の州です。この方法は、235および238同位体の質量差を使用するという点で、ガス拡散技術に似ています。

ウランガスは遠心分離機で1,500 rpmまで回転します。密度が異なるため、同位体はさまざまなサイズの遠心力の影響を受けます。重いウラン238は、遠心分離機の壁の近くに蓄積し、235番目の同位体は中心近くに集まります。ガス混合物は、シリンダーの上部に送られます。遠心分離機の底部への道を通過すると、同位体は部分的に分離する時間があり、個別に選択されます。

この方法では同位体を100%分離することもできないため、必要な濃縮度を達成するには繰り返し使用する必要がありますが、ガス拡散よりもはるかに経済的に効率的です。したがって、遠心分離技術を使用したロシアの濃縮ウランは、アメリカの膜で得られたものよりも約3倍安価です。

濃縮ウランアプリケーション

なぜ、精製、酸化物からの金属分離、同位体の分離を伴うこの複雑で高価な赤テープなのですか?核エネルギーで使用される濃縮ウラン235の1つの洗浄機(このような「ピル」は組み立てられた棒-燃料棒)で、7グラムの重さは約3リットルの200リットルのガソリンまたは約1トンの石炭を置き換えます。

濃縮および劣化ウランは、235および238同位体の純度と比率に応じて異なる方法で使用されます。

同位体235は、よりエネルギー集約型の燃料です。 235同位体の含有量が20%を超える場合、濃縮ウランが考慮されます。これが核兵器の基礎です。

濃縮されたエネルギー飽和原材料は、限られた質量とサイズのため、潜水艦と宇宙船の原子炉の燃料としても使用されます。

主に238同位体を含む劣化ウランは、民間の定置型原子炉の燃料です。天然ウラン原子炉は爆発性が低いと考えられています。

ちなみに、ロシアの経済学者の計算によると、周期表の92元素の現在の生産率を維持しながら、世界中の探鉱された鉱山の埋蔵量は2030年までに使い果たされます。これが、科学者が将来、安価で手頃なエネルギー源として核融合を楽しみにしている理由です。