Piscine de combustible nucléaire usé

Uranium enrichi

Uranium enrichi

L'uranium enrichi est de l'uranium qui a fait l'objet d'un processus technologique pour augmenter la proportion de l'isotope d'uranium 235. En conséquence, l'uranium naturel est divisé en uranium enrichi et uranium appauvri.

L'uranium naturel contient trois isotopes d'uranium: l'uranium 238 (99,2745%), l'uranium 235 (0,72%) et l'uranium 234 (0,0055%). L'isotope uranium 238 est un isotope relativement stable, incapable d'une réaction nucléaire en chaîne indépendante, contrairement à l'uranium 235 rare. Actuellement, l'uranium 235 est la principale matière fissile utilisée dans les réactions en chaîne des réacteurs nucléaires et des technologies d'armes nucléaires. Cependant, pour de nombreuses applications, la fraction de l'isotope uranium 235 dans l'uranium naturel est petite et la préparation du combustible nucléaire comprend généralement l'étape d'enrichissement de l'uranium.

Raisons de l'enrichissement d'uranium

La réaction nucléaire en chaîne implique qu'au moins un neutron de l'atome d'uranium formé par la décomposition sera capturé par un autre atome et, par conséquent, provoquera sa décomposition. En première approximation, cela signifie que le neutron doit atteindre l'atome d'uranium 235 avant de quitter le réacteur. Cela signifie que la composition du combustible nucléaire avec de l'uranium doit être suffisamment compacte pour que la probabilité de trouver le prochain atome d'uranium pour un neutron soit suffisamment élevée. Mais à mesure que les réactions se déroulent à l'intérieur du réacteur, l'uranium 235 brûle progressivement, réduisant ainsi les risques de collision entre un neutron et un atome d'uranium 235. Par conséquent, la faible proportion d'uranium 235 dans le combustible nucléaire nécessite:

  • Un plus grand volume de réacteur pour que le voyage du neutron soit plus long;
  • Une plus grande proportion du volume du réacteur doit être occupée par du combustible nucléaire pour augmenter la probabilité qu'un neutron entre en collision avec un atome d'uranium;
  • Il est souvent nécessaire de recharger le combustible pour maintenir une densité apparente donnée d'uranium 235 dans le réacteur nucléaire;
  • Une forte proportion d'uranium 235 riche en combustible usé.

Dans le processus d'amélioration de la technologie nucléaire, des solutions économiques et technologiques optimales ont été trouvées, qui ont nécessité une augmentation de la teneur en uranium 235 dans le combustible, c'est-à-dire un enrichissement en uranium.

Dans le cas des armes nucléaires, l'enrichissement est presque identique: il faut que le plus grand nombre possible d'atomes d'uranium-235 trouvent leur neutron, leur décomposition et leur énergie libérée dans le délai extrêmement bref d'une explosion nucléaire. Pour cela, nous avons besoin de la masse volumique maximale possible d'atomes d'uranium 235, qui peut être atteinte avec un enrichissement limité.

Le degré d'enrichissement de l'uranium L'uranium naturel avec une teneur en uranium 235 de 0,72% est utilisé dans certains réacteurs de puissance (par exemple, dans les réacteurs CANDU canadiens), dans les réacteurs produisant du plutonium (par exemple, A-1). .

L'uranium avec une teneur en uranium 235 allant jusqu'à 20% s'appelle faible enrichissement. L'uranium enrichi à 2-5% est maintenant largement utilisé dans les réacteurs de puissance du monde entier. L'uranium enrichi jusqu'à 20% est utilisé dans les réacteurs de recherche et expérimentaux.

L'uranium dont la teneur en uranium 235 est supérieure à 20% est appelé hautement enrichi ou arme. À l'aube de l'ère nucléaire, plusieurs types d'armes nucléaires basées sur des armes à base d'uranium ont été construits avec un enrichissement d'environ 90%. L'uranium hautement enrichi peut être utilisé dans une arme thermonucléaire. De plus, l'uranium hautement enrichi est utilisé dans les réacteurs nucléaires avec une campagne de combustible à long terme (c'est-à-dire avec des recharges rares ou sans recharge), par exemple dans les réacteurs d'engins spatiaux ou les réacteurs embarqués.

L'uranium appauvri contenant de l'uranium 235 doit rester à 0,1-0,3% dans les décharges de l'enrichissement. Il est largement utilisé comme obus perforants pour les obus d'artillerie en raison de la densité élevée de l'uranium et du coût de l'uranium appauvri. À l'avenir, il est proposé d'utiliser l'uranium appauvri dans les réacteurs à neutrons rapides, où l'uranium 238, qui n'est pas compatible avec la réaction en chaîne, peut être transmuté en plutonium 239, qui est compatible avec la réaction en chaîne. Le combustible MOX résultant peut être utilisé dans les réacteurs de puissance à neutrons thermiques traditionnels.

Technologie permettant d'obtenir de l'uranium enrichi

De nombreuses méthodes de séparation isotopique sont connues. La plupart des méthodes sont basées sur différentes masses d'atomes d'isotopes différents: 235 est légèrement plus léger que 238 en raison de la différence de nombre de neutrons dans le noyau. Cela se manifeste par une inertie différente des atomes. Par exemple, si vous faites bouger les atomes en arc de cercle, les plus lourds auront tendance à se déplacer dans un rayon plus grand que les plus légers.

Les méthodes électromagnétiques et aérodynamiques sont basées sur ce principe. Dans la méthode électromagnétique, les ions d'uranium sont accélérés dans l'accélérateur de particules élémentaires et torsadés dans un champ magnétique. Dans la méthode aérodynamique, le composé d'uranium gazeux est soufflé à travers un escargot à buse spéciale. Un principe similaire est utilisé dans la centrifugation dans un gaz: un composé d'uranium gazeux est placé dans une centrifugeuse, où l'inertie provoque la concentration de molécules lourdes près de la paroi de la centrifugeuse. différence dans la mobilité des molécules: les molécules de gaz contenant un isotope d'uranium léger sont plus mobiles que les molécules lourdes. Par conséquent, ils pénètrent plus facilement dans les petits pores des membranes spéciales à technologie de diffusion gazeuse. Dans le procédé de diffusion thermique, les molécules les moins mobiles sont concentrées dans la partie inférieure plus froide de la colonne de séparation, ce qui déplace les molécules les plus mobiles vers la partie supérieure chaude. La plupart des méthodes de séparation fonctionnent avec des composés gazeux d'uranium, le plus souvent avec de l'UF 6.

De nombreuses méthodes ont été essayées pour l'enrichissement industriel de l'uranium, mais à l'heure actuelle, presque toutes les installations d'enrichissement d'uranium sont basées sur la centrifugation en phase gazeuse. Parallèlement à la centrifugation, la méthode de diffusion gazeuse était largement utilisée dans le passé.

À l'aube de l'ère nucléaire, des méthodes électromagnétiques, thermiques de diffusion et aérodynamiques ont été utilisées. Aujourd'hui, la centrifugation démontre les meilleurs paramètres économiques pour l'enrichissement de l'uranium. Cependant, des recherches sont en cours sur des méthodes de séparation prometteuses, par exemple la séparation isotopique au laser.

valoración: 3 - votos 1

Dernier examen: 18 juin 2019