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Enrichissement d'uranium

Enrichissement d'uranium est l'une des étapes clés dans la création d'armes nucléaires. Seul un certain type d'uranium est utilisé dans les réacteurs nucléaires et les bombes.

Séparer ce type d'uranium d'une variété plus répandue nécessite une grande habileté en ingénierie, malgré le fait que la technologie nécessaire à cela existe depuis des décennies. La tâche n’est pas de déterminer comment séparer l’uranium, mais de construire et d’utiliser le matériel nécessaire à cette fin.

Les atomes d'uranium, comme les atomes d'éléments que l'on trouve dans la nature dans une variété, sont appelés isotopes. (Chaque noyau contient un nombre différent de neutrons.) L'uranium 235, l'isotope qui représente moins de 1% de l'uranium naturel, alimente les réacteurs nucléaires et les bombes nucléaires, tandis que l'uranium 238, l'isotope représentant 99%. l'uranium naturel, n'a pas d'utilisation nucléaire.

Degrés d'enrichissement d'uranium

Une réaction nucléaire en chaîne implique qu'au moins un neutron issu de la désintégration d'un atome d'uranium soit capturé par un autre atome et, par conséquent, provoque sa désintégration. En première approximation, cela signifie que le neutron doit "trébucher" sur l'atome de 235 U avant de quitter le réacteur. Cela signifie que la conception avec l'uranium doit être suffisamment compacte pour que la probabilité de trouver le prochain atome d'uranium pour le neutron soit suffisamment élevée. Mais lorsque le réacteur 235 U fonctionne, il s’éteint progressivement, ce qui réduit la probabilité qu’un neutron atteigne l’atome 235 U, ce qui les oblige à laisser une certaine marge de cette probabilité dans les réacteurs. En conséquence, la faible proportion de 235 U dans le combustible nucléaire nécessite:

  • un volume de réacteur plus important pour que le neutron soit plus long
  • une plus grande proportion du volume du réacteur devrait être occupée par du combustible afin d'accroître le risque de collision entre un neutron et un atome d'uranium,
  • plus souvent, il est nécessaire de recharger le combustible à l'état frais pour maintenir une densité apparente donnée de 235 U dans le réacteur,
  • une forte proportion de 235 U de valeur dans le combustible usé.

Dans le processus d’amélioration de la technologie nucléaire, des solutions optimales sur les plans économique et technologique ont été trouvées, qui nécessitaient une augmentation de la teneur en 235 U dans le combustible, c’est-à-dire un enrichissement en uranium.

Dans le cas des armes nucléaires, la tâche d’enrichissement est presque la même: il faut que le plus grand nombre possible d’atomes de 235 U retrouvent leur neutron, se désintègrent et libèrent de l’énergie au cours d’une explosion extrêmement courte. Pour cela, la densité apparente maximale possible d’atomes 235 U est requise, ce qui est réalisable avec l’enrichissement final.

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La clé de la séparation

La clé de leur séparation est que les atomes d'uranium 235 pèsent un peu moins que les atomes d'uranium 238.

Afin de séparer la minuscule quantité d'uranium 235 présente dans chaque échantillon naturel de minerai d'uranium, les ingénieurs convertissent d'abord l'uranium en gaz par réaction chimique.

Ensuite, le gaz est introduit dans un tube à centrifuger de forme cylindrique de la taille d’une personne ou plus. Chaque tube tourne sur son axe à des vitesses incroyablement élevées, entraînant des molécules de gaz d'uranium 238 plus lourdes vers le centre du tube, laissant les molécules de gaz d'uranium 235 plus légères plus proches des bords du tube où elles peuvent être aspirées.

Chaque fois que le gaz est soumis à une rotation dans une centrifugeuse, seule une petite quantité de gaz d'uranium 238 est retirée du mélange, de sorte que les tuyaux sont utilisés en série. Chaque centrifugeuse extrait un peu d'uranium 238, puis transfère le mélange gazeux légèrement purifié dans le tuyau suivant, etc.

Conversion de gaz d'uranium

Après la séparation de l'uranium 235 gazeux à plusieurs étapes des centrifugeuses, les ingénieurs utilisent une réaction chimique différente pour reconvertir l'uranium gaz en métal solide. Ce métal peut ensuite être formé pour être utilisé dans des réacteurs ou des bombes.

Comme chaque étape ne nettoie que très peu le mélange de gaz uranium, les pays ne peuvent se permettre que de faire fonctionner des centrifugeuses conçues pour atteindre le plus haut niveau d'efficacité. Autrement, la production d'une quantité même minime d'uranium 235 pur devient prohibitive.

Et la conception et la fabrication de ces tubes à centrifuger nécessitent un certain niveau d'investissement et de savoir-faire technique hors de portée de nombreux pays. Les tuyaux nécessitent des types spéciaux d’acier ou des mélanges qui résistent à une pression importante pendant la rotation, qui doivent être complètement cylindriques et fabriqués à l’aide de machines spéciales difficiles à construire.

Voici un exemple d'une bombe que les États-Unis ont larguée sur Hiroshima. Il faut 62 kg d'uranium 235 pour fabriquer une bombe, selon «la construction d'une bombe atomique» (Simon et Schuster, 1995).

La séparation de ces 62 kg de près de 4 tonnes de minerai d'uranium s'est produite dans le plus grand bâtiment du monde et a utilisé 10% de l'électricité du pays. «Il a fallu 20 000 personnes pour construire l’installation, 12 000 personnes pour l’exploiter et, en 1944, l’équipement coûtait plus de 500 millions de dollars.» C’est environ 7,2 milliards de dollars en 2018.

Pourquoi l'uranium enrichi est-il si terrible?

L'uranium ou le plutonium de qualité militaire est dangereux dans sa forme pure pour une raison simple: à partir d'eux, avec un certain fondement technique, un engin nucléaire explosif peut être fabriqué.

La figure montre une représentation schématique d'une tête nucléaire simple. Les cartouches 1 et 2 de combustible nucléaire sont à l'intérieur de la coque. Chacune d’elles est l’une des pièces de la balle et pèse un peu moins que la masse critique du métal de l’arme utilisée dans la bombe.

Lorsque la charge détonante de TNT est détonée, les lingots d'uranium 1 et 2 sont combinés en un, leur masse totale dépasse certainement la masse critique de ce matériau, ce qui entraîne une réaction nucléaire en chaîne et, par conséquent, une explosion atomique.

Cela ne semblerait pas compliqué, mais en réalité, ce n'est pas le cas. Sinon, il y aurait un ordre de grandeur supérieur au nombre de pays dotés de l'arme nucléaire sur la planète. En outre, le risque que de telles technologies dangereuses tombent entre les mains de groupes terroristes suffisamment puissants et développés augmenterait considérablement.

Le truc, c’est que seules les puissances très riches dotées d’une infrastructure scientifique développée sont en mesure d’enrichir de l’uranium, même avec le développement technologique actuel. Encore plus difficile, sans lequel le dispositif atomique ne fonctionnerait pas, séparez les isotopes 235 et 238 de l’uranium.

Mines d'uranium: vérité et fiction

En URSS, au niveau philistin, il existait une hypothèse voulant que des criminels condamnés travaillent dans des mines d’uranium, ce qui les rend plus coupables devant le parti et le peuple soviétique. Ceci, bien sûr, n'est pas vrai.

L’exploitation de l’uranium est une industrie de haute technologie, et il est peu probable que quiconque ait admis travailler avec du matériel sophistiqué et très coûteux, ainsi que des tueurs invétérés avec des voleurs. De plus, les rumeurs voulant que les mineurs d’uranium portent nécessairement un masque à gaz et des sous-vêtements en plomb ne sont également qu’un mythe.

L'uranium est extrait dans des mines atteignant parfois un kilomètre de profondeur. Les plus grandes réserves de cet élément se trouvent au Canada, en Russie, au Kazakhstan et en Australie. En Russie, une tonne de minerai produit en moyenne environ un kilo et demi d'uranium. Ce n'est en aucun cas le plus gros indicateur. Dans certaines mines européennes, ce chiffre atteint 22 kg par tonne.

Le rayonnement de fond dans la mine est à peu près le même qu’au bord de la stratosphère, où des avions de passagers civils sont réparés.

Minerai d'uranium

L’enrichissement de l’uranium commence immédiatement après l’exploitation minière, juste à côté de la mine. En plus du métal, comme de tout autre minerai, l'uranium contient des stériles. La première étape de l'enrichissement consiste à trier les pavés de la mine: riches en uranium et pauvres. Chaque pièce est littéralement pesée, mesurée par des machines et, selon les propriétés, envoyée à un flux particulier.

Ensuite, un broyeur entre en jeu, broyant le minerai riche en uranium en poudre fine. Cependant, il ne s'agit pas d'uranium, mais seulement de son oxyde. L'obtention de métal pur est la chaîne la plus compliquée de réactions et de transformations chimiques.

Cependant, il ne suffit pas d’isoler le métal pur des composés chimiques de départ. L'isotope 238 occupe 99% de l'uranium total contenu dans la nature et son équivalent 235 est inférieur à 1%. Les séparer est une tâche très difficile, que tous les pays ne peuvent pas résoudre.

Méthode d'enrichissement par diffusion gazeuse

C’est la première méthode d’enrichissement de l’uranium. Il est encore utilisé aux USA et en France. Basé sur la différence de densité d'isotopes 235 et 238. L'uranium gaz libéré par l'oxyde est pompé sous haute pression dans une chambre séparée par une membrane. Les atomes 235 de l'isotope sont plus légers et, par conséquent, de la part de chaleur reçue, ils se déplacent plus rapidement que les atomes d'uranium «lents» 238, respectivement, frappent plus souvent et plus intensément contre la membrane. Selon les lois de la théorie des probabilités, ils sont plus susceptibles d'entrer dans l'un des micropores et de se trouver de l'autre côté de cette membrane.

L'efficacité de cette méthode est faible, car la différence entre les isotopes est très très petite. Mais comment rendre l'uranium enrichi utilisable? La réponse est d'appliquer cette méthode plusieurs fois. Afin d'obtenir de l'uranium apte à la fabrication de combustible à partir d'un réacteur d'une centrale, le système de traitement par diffusion de gaz est répété plusieurs centaines de fois.

Les avis d'experts sur cette méthode sont mitigés. D'une part, la méthode de séparation par diffusion de gaz est la première à fournir aux États-Unis de l'uranium de haute qualité, ce qui en fait temporairement un chef de file dans le domaine militaire. D'autre part, on pense que la diffusion des gaz produit moins de déchets. La seule chose qui échoue dans ce cas est le prix élevé du produit final.

Méthode de centrifugation

C'est le développement des ingénieurs soviétiques. À l'heure actuelle, outre la Russie, l'uranium est enrichi selon la méthode découverte en URSS dans un certain nombre de pays. Ce sont le Brésil, la Grande-Bretagne, l'Allemagne, le Japon et quelques autres États. La méthode est similaire à la technologie de diffusion de gaz en ce qu'elle utilise la différence de masse des isotopes 235 et 238.

L'uranium gazeux tourne dans une centrifugeuse à 1500 tr / min. En raison de différentes densités, les isotopes sont affectés par des forces centrifuges de tailles différentes. L'uranium 238, plus lourd, s'accumule près des parois de la centrifugeuse, tandis que le 235ème isotope se rapproche du centre. Le mélange de gaz est pompé vers le haut du cylindre. Après avoir traversé la centrifugeuse, les isotopes ont le temps de se séparer partiellement et sont sélectionnés séparément.

Même si le procédé ne permet pas non plus de séparer à 100% les isotopes et que, pour obtenir le degré d'enrichissement nécessaire, il doit être utilisé de manière répétée, il est beaucoup plus rentable que la diffusion gazeuse. Ainsi, en Russie, l’uranium enrichi utilisant la technologie de centrifugation est environ trois fois moins cher que celui obtenu sur des membranes américaines.

Application d'uranium enrichi

Pourquoi toutes ces formalités administratives compliquées et coûteuses avec purification, séparation des oxydes métalliques et des isotopes? Une rondelle d'uranium enrichi 235, de ceux utilisés dans l'énergie nucléaire (de telles «pilules» sont des barres assemblées - barres de combustible), pesant 7 grammes remplace environ trois barils d'essence de 200 litres ou environ une tonne de charbon.

L’uranium enrichi et l’uranium appauvri sont utilisés différemment selon la pureté et le rapport entre les isotopes 235 et 238.

L'isotope 235 est un carburant à plus forte intensité énergétique. L'uranium enrichi est considéré lorsque la teneur en 235 isotopes est supérieure à 20%. C’est la base des armes nucléaires.

Les matières premières saturées en énergie enrichies sont également utilisées comme combustible pour les réacteurs nucléaires de sous-marins et d'engins spatiaux en raison de leur masse et de leur taille limitées.

L’uranium appauvri, qui contient principalement 238 isotopes, est un combustible pour les réacteurs nucléaires fixes au civil. Les réacteurs à l'uranium naturel sont considérés comme moins explosifs.

En passant, selon les calculs des économistes russes, tout en maintenant le taux de production actuel de 92 éléments du tableau périodique, ses réserves dans les mines explorées du monde seront déjà épuisées d’ici 2030. C'est pourquoi les scientifiques attendent avec impatience la fusion comme source d'énergie peu coûteuse et abordable à l'avenir.