L'uranium est utilisé comme source d'énergie dans les réacteurs nucléaires et a été utilisé pour fabriquer la première bombe atomique, qui a été larguée sur Hiroshima en 1945. L'uranium est extrait sous forme de minerai appelé pechblende et est composé de plusieurs isotopes de poids atomique et de plusieurs niveaux différents. de la radioactivité. Pour une utilisation dans les réactions de fission, le nombre d'isotopes 235U doit être augmenté à un niveau prêt pour la fission dans le réacteur ou la bombe. Ce processus s'appelle l'enrichissement de l'uranium et il existe plusieurs façons de le faire.
Étape
Méthode 1 sur 7: Processus d'enrichissement de base
Étape 1. Décidez à quoi servira l'uranium
La plupart de l'uranium extrait ne contient qu'environ 0,7 pour cent 235U, la plupart du reste étant l'isotope 238U plus stable. Le type de réaction de fission que vous voulez faire avec l'uranium détermine l'ampleur de l'augmentation 235Vous devez le faire pour que l'uranium puisse être utilisé efficacement.
- L'uranium utilisé dans la plupart des moteurs nucléaires doit être enrichi à 3-5 pour cent 235U. (Certains réacteurs nucléaires, comme le réacteur CANDU au Canada et le réacteur Magnox au Royaume-Uni, sont conçus pour utiliser de l'uranium non enrichi.)
- En revanche, l'uranium, qui est utilisé pour les bombes atomiques et les ogives, doit être enrichi à 90 % 235U.
Étape 2. Transformez le minerai d'uranium en gaz
La plupart des méthodes d'enrichissement de l'uranium actuellement disponibles nécessitent la conversion du minerai d'uranium en un gaz à basse température. Le fluor gazeux est généralement pompé dans la machine de conversion du minerai; L'oxyde d'uranium gazeux réagit avec le fluor pour produire de l'hexafluorure d'uranium (UF6). Le gaz est ensuite traité pour séparer et collecter les isotopes 235U.
Étape 3. Enrichir l'uranium
Les sections suivantes de cet article décrivent les divers procédés disponibles pour enrichir l'uranium. De tous les processus, la diffusion gazeuse et la centrifugation gazeuse sont les deux plus courantes, mais la séparation isotopique par laser devrait remplacer les deux.
Étape 4. Changer le gaz UF6 au dioxyde d'uranium (UO2).
Une fois enrichi, l'uranium doit être converti en une forme solide stable pour être utilisé comme souhaité.
Le dioxyde d'uranium utilisé comme combustible pour les réacteurs nucléaires est transformé en grains de noyau en céramique qui sont enveloppés dans des tubes métalliques de sorte qu'ils deviennent des tiges pouvant atteindre 4 m de haut
Méthode 2 sur 7: Processus de diffusion de gaz
Étape 1. Pomper le gaz UF gaz6 à travers le tuyau.
Étape 2. Pompez le gaz à travers un filtre ou une membrane poreuse
En raison de l'isotope 235U est plus léger que l'isotope 238U, UF6 les isotopes plus légers diffuseront à travers la membrane plus rapidement que les isotopes plus lourds.
Étape 3. Répétez le processus de diffusion jusqu'à ce qu'il y en ait assez 235U recueilli.
La diffusion répétée est dite stratifiée. Il peut falloir jusqu'à 1 400 filtrations à travers une membrane poreuse pour obtenir suffisamment 235U pour bien enrichir l'uranium.
Étape 4. Condensation du gaz UF gaz6 sous forme liquide.
Une fois le gaz suffisamment enrichi, le gaz est condensé en un liquide, puis stocké dans un conteneur, où il se refroidit et se solidifie pour être transporté et transformé en grains combustibles.
En raison de la grande quantité de filtrage requise, ce processus est énergivore et il est donc arrêté. Aux États-Unis, il ne reste qu'une seule usine d'enrichissement par diffusion gazeuse, située à Paducah, Kentucky
Méthode 3 sur 7: Processus de centrifugation au gaz
Étape 1. Installez un certain nombre de cylindres rotatifs à grande vitesse
Ce cylindre est une centrifugeuse. La centrifugeuse est installée en série ou en parallèle.
Étape 2. Débit de gaz UF.6 dans la centrifugeuse.
La centrifugeuse utilise une accélération centripète pour délivrer un gaz contenant 238U plus lourd à la paroi du cylindre et contenant du gaz 235plus léger U au centre du cylindre.
Étape 3. Extraire les gaz séparés
Étape 4. Retraiter les deux gaz séparés dans deux centrifugeuses séparées
Gaz riche 235U a été envoyé dans une centrifugeuse où 235U est encore plus extrait, tandis que le gaz contenant 235L'U réduit est introduit dans une autre centrifugeuse pour extraire 235Le U restant Cela permet à la centrifugation d'extraire beaucoup plus 235U que peut être extrait par le processus de diffusion de gaz.
Le procédé de centrifugation gazeuse a été développé pour la première fois dans les années 1940, mais n'a été utilisé de manière significative que dans les années 1960, lorsque sa capacité à effectuer des processus d'enrichissement de l'uranium à faible énergie est devenue importante. Actuellement, l'usine de traitement par centrifugation gazeuse aux États-Unis se trouve à Eunice, au Nouveau-Mexique. En revanche, la Russie compte actuellement quatre usines de ce type, le Japon et la Chine en ont deux chacun, tandis que le Royaume-Uni, les Pays-Bas et l'Allemagne en ont une chacun
Méthode 4 sur 7: Processus de séparation aérodynamique
Étape 1. Créez une série de cylindres étroits et stationnaires
Étape 2. Injecter du gaz UF6 dans le cylindre à grande vitesse.
Le gaz est tiré dans le cylindre d'une manière qui fait tourner le gaz comme un cyclone, produisant ainsi un type de séparation 235U et 238le même U que dans le procédé de centrifugation rotative.
Une méthode développée en Afrique du Sud consiste à injecter du gaz dans des bouteilles côte à côte. Cette méthode est actuellement testée avec des isotopes plus légers comme ceux que l'on trouve dans le silicium
Méthode 5 sur 7: Processus de diffusion thermique liquide
Étape 1. Liquéfier le gaz UF6 sous pression.
Étape 2. Fabriquez une paire de tuyaux de concentré
Le tuyau doit être suffisamment haut, car le tuyau le plus haut permet une plus grande séparation des isotopes 235U et 238U.
Étape 3. Enduisez le tuyau d'une couche d'eau
Cela refroidira l'extérieur du tuyau.
Étape 4. Pompez l'UF6 liquide entre les tuyaux.
Étape 5. Chauffez le tube intérieur avec de la vapeur
La chaleur provoquera des courants de convection dans UF6 qui va attirer l'isotope 235Le U plus léger vers le tube intérieur plus chaud et pousse l'isotope 238le U le plus lourd vers le tuyau extérieur le plus froid.
Ce procédé a été étudié en 1940 dans le cadre du projet Manhattan, mais a été abandonné à un stade précoce de développement lorsque des procédés de diffusion de gaz plus efficaces ont été développés
Méthode 6 sur 7: Processus de séparation des isotopes électromagnétiques
Étape 1. Ionisation du gaz UF6.
Étape 2. Faites passer le gaz à travers un champ magnétique puissant
Étape 3. Séparez les isotopes de l'uranium ionisé en fonction des traces laissées lors de leur passage dans le champ magnétique
Ion 235U laisse une traînée avec un arc différent de celui de l'ion 238U. Les ions peuvent être isolés pour enrichir l'uranium.
Cette méthode a été utilisée pour traiter l'uranium pour la bombe atomique larguée sur Hiroshima en 1945 et est également la méthode d'enrichissement utilisée par l'Irak dans son programme d'armement nucléaire en 1992. Cette méthode nécessite 10 fois plus d'énergie que la diffusion gazeuse, ce qui la rend peu pratique pour le programme.enrichissement à grande échelle
Méthode 7 sur 7: Processus de séparation isotopique au laser
Étape 1. Réglez le laser sur une couleur spécifique
Le faisceau laser doit être complètement d'une longueur d'onde particulière (monochromatique). Cette longueur d'onde ne ciblera que les atomes 235U, et laissez l'atome 238Vous n'êtes pas concerné.
Étape 2. Faites briller un faisceau laser sur l'uranium
Contrairement à d'autres procédés d'enrichissement d'uranium, vous n'avez pas besoin d'utiliser de gaz d'hexafluorure d'uranium, bien que la plupart des procédés laser le fassent. Vous pouvez également utiliser des alliages d'uranium et de fer comme source d'uranium, qui est utilisé dans le processus de séparation des isotopes par laser à vapeur atomique (AVLIS).
Étape 3. Extraction d'atomes d'uranium avec des électrons excités
Ce sera l'atome 235U.
Des astuces
Certains pays retraitent le combustible nucléaire usé pour récupérer l'uranium et le plutonium qu'il contient et qui se sont formés au cours du processus de fission. L'uranium retraité doit être retiré de l'isotope 232U et 236U est formé lors de la fission, et s'il est enrichi, doit être enrichi à une teneur plus élevée que l'uranium « frais » car 236U absorbe les neutrons, inhibant ainsi le processus de fission. Par conséquent, l'uranium retraité doit être stocké séparément de l'uranium nouvellement enrichi pour la première fois.
Avertissement
- L'uranium n'émet qu'une faible radioactivité; cependant, lorsqu'il est transformé en gaz UF.6, il devient une substance chimique toxique qui réagit avec l'eau pour former de l'acide fluorhydrique corrosif. (Cet acide est communément appelé « acide de gravure » car il est utilisé pour graver le verre.) Par conséquent, les usines d'enrichissement d'uranium nécessitent les mêmes mesures de protection que les usines chimiques travaillant avec du fluor, notamment en écartant les gaz UF.6 rester sous basse pression la plupart du temps et utiliser un niveau de confinement supplémentaire dans les zones où une haute pression est requise.
- L'uranium de retraitement doit être stocké dans des enceintes épaisses, car 232Le U qu'il contient se décompose en éléments qui émettent un fort rayonnement gamma.
- L'uranium enrichi ne peut généralement être retraité qu'une seule fois.
