Как уранът захранва ядрените реактори и бомби?

Уранът има както интересна история, така и огромно значение в различни области. Открит през 1789 г. от германския химик Мартин Клапрот, той е наречен на планетата Уран, която е открита само няколко години по-рано.

Този плътен, сребристобял метал е известен с радиоактивните си свойства и обилното си присъствие в земната кора. Смята се, че се е образувал в свръхнова преди около 6,6 милиарда години, а бавният му разпад е основният източник на топлината на планетата ни, като предизвиква конвекцията (механизмът, чрез който получената от земната повърхност топлина се предава в атмосферата) и дори континенталния дрейф.

Подобно на други елементи, уранът се среща в няколко леко различни форми, наречени изотопи, които се определят по броя на неутроните в ядрото им. Природната уранова руда се състои от два такива изотопа: уран-238 (U-238) и уран-235 (U-235). Именно вторият изотоп, U-235, е най-важен за ядрената енергетика, но той съставлява само около 0,7 % от природния уран, докато U-238 е около 99,3 %.

Причината, поради която U-235 е толкова важен, е, че той се дели и може да поддържа верижна ядрена реакция. Това се постига чрез „разделяне на атома“, процес, при който ядрото се бомбардира с неутрони, които го разкъсват на две или повече по-малки ядра. Енергията, която се освобождава при това разцепване, е огромна и е под формата на топлина. Когато U-235 претърпява делене, разцепеното ядро освобождава още неутрони, което води до все повече и повече реакции на делене (верижна реакция), при които се произвежда още повече енергия и така нататък, и така нататък.

Именно тази енергия поддържа ядрените реактори, където топлината се използва за производство на пара, която задвижва турбини и генератори, като по този начин се създава електричество. Същата реакция обаче кара ядрените оръжия да експлодират. Но въпреки че принципите на производство на енергия и на експлозии са едни и същи, резултатите са много различни.

В един ядрен реактор урановите горивни пръти се събират в активната зона заедно с други пръти, наречени „ядрена отрова“, които поглъщат неутрони, за да ограничат контролирано реакциите на делене. Тези контролни пръти могат да се поставят и изваждат, за да се настрои реакторът на желаното ниво на мощност. Поради начина, по който се подготвя горивото, ако в реактора настъпи някакво критично събитие, активната зона може да прегрее и да се разтопи, но не може да експлодира.

Стъклото с уран свети под UV светлина

Как се произвежда ядрена енергия от уран?

Преди да бъде зареден като гориво, уранът трябва да премине през редица промишлени процеси. След това, след като бъде обеднен, се предприемат допълнителни стъпки за изхвърлянето му или рециклиране на горивото. Всички тези етапи се наричат общо ядрен горивен цикъл.

Този цикъл започва с добива на уран, при което урановата руда се извлича от земната кора и се преработва, за да се получи уранов концентрат. След това той се превръща във форма, подходяща за обогатяване.

Както беше споменато по-горе, количеството на U-235 в урановата руда е изключително ниско, така че обогатяването се използва за увеличаване на концентрацията на този жизненоважен изотоп. Това се постига чрез различни техники, но най-често чрез използването на центрофуги, които отделят U-235 от U-238 заради разликата в масите им.

След като се натрупа достатъчно количество U-235, обогатеният материал се подлага на процес на производство на гориво, при който се оформя на пелети и се обвива в метал, за да се превърне в горивни пръти. След това тези пръти се сглобяват в горивни касети, които се използват в реактора. Това представлява предната част на ядрения горивен цикъл.

След като горивото бъде изчерпано и вече не може да прави верижни ядрени реакции, то трябва да бъде третирано по специфични начини. Изразходваните горивни касети се изваждат внимателно от активната зона и се съхраняват като в крайна сметка се подлагат на преработка, при която се извличат всички годни материали за по-нататъшна употреба. Целта на този етап е да се извлекат ценни материали, като например всичкия останал U-235, но също така и новосъздадения плутоний, който може да се използва повторно като гориво в реактор.

Преработката обикновено включва няколко етапа като този процес на рециклиране позволява по-ефективното използване на ядреното гориво, като намалява отпадъците и увеличава максимално енергийния потенциал на ядрените ресурси. Преработката обаче представлява и предизвикателство по отношение на разходите, рисковете от разпространение и управлението на отпадъците, което изисква внимателно обмисляне и строги регулаторни мерки.

Тъй като ядреното гориво може да бъде използвано за ядрени оръжия, вносът на уран и плутоний е разрешен само на държави, които са част от Договора за неразпространение на ядреното оръжие. Този договор спомага за гарантиране на мирното използване на ядрените горива и технологии и предотвратява разпространението на оръжия за масово унищожение.