यूरेनियम संवर्धन परमाणु हथियार बनाने के प्रमुख चरणों में से एक है। परमाणु रिएक्टरों और बमों में केवल एक निश्चित प्रकार का यूरेनियम ही काम करता है।
इस तरह के यूरेनियम को अधिक व्यापक विविधता से अलग करने के लिए महान इंजीनियरिंग कौशल की आवश्यकता होती है, इस तथ्य के बावजूद कि इसके लिए आवश्यक तकनीक लगभग दशकों से है। कार्य यह पता लगाने के लिए नहीं है कि यूरेनियम को कैसे अलग किया जाए, बल्कि इस कार्य को पूरा करने के लिए आवश्यक उपकरण बनाने और चलाने के लिए।
यूरेनियम परमाणु, प्रकृति में पाए जाने वाले तत्व परमाणुओं की तरह, समस्थानिक कहलाते हैं। (प्रत्येक आइसोटोप के नाभिक में न्यूट्रॉन की एक अलग संख्या होती है।) यूरेनियम -235, एक आइसोटोप जो सभी प्राकृतिक यूरेनियम का 1 प्रतिशत से कम बनाता है, परमाणु रिएक्टरों और परमाणु बमों के लिए ईंधन प्रदान करता है, जबकि यूरेनियम -238, एक आइसोटोप जो 99 प्रतिशत बनाता है। प्राकृतिक यूरेनियम, का कोई परमाणु उपयोग नहीं है।
यूरेनियम संवर्धन डिग्री
एक परमाणु श्रृंखला प्रतिक्रिया का तात्पर्य है कि एक यूरेनियम परमाणु के क्षय से कम से कम एक न्यूट्रॉन दूसरे परमाणु द्वारा कब्जा कर लिया जाएगा और, तदनुसार, इसके क्षय का कारण होगा। पहले सन्निकटन में, इसका मतलब है कि रिएक्टर छोड़ने से पहले न्यूट्रॉन को 235 यू परमाणु पर "ठोकर" चाहिए। इसका अर्थ है कि यूरेनियम के साथ डिजाइन पर्याप्त रूप से कॉम्पैक्ट होना चाहिए ताकि न्यूट्रॉन के लिए अगले यूरेनियम परमाणु को खोजने की संभावना काफी अधिक हो। लेकिन जैसा कि 235 यू रिएक्टर संचालित होता है, यह धीरे-धीरे बाहर जलता है, जो न्यूट्रॉन के 235 यू परमाणु से मिलने की संभावना को कम करता है, जो उन्हें रिएक्टरों में इस संभावना का एक निश्चित मार्जिन बिछाने के लिए मजबूर करता है। तदनुसार, परमाणु ईंधन की आवश्यकता में 235 यू का निम्न अनुपात:
- एक बड़ा रिएक्टर वॉल्यूम ताकि न्यूट्रॉन लंबे समय तक इसमें रहे
- एक न्यूट्रॉन और एक यूरेनियम परमाणु की टक्कर की संभावना को बढ़ाने के लिए रिएक्टर वॉल्यूम का एक बड़ा हिस्सा ईंधन द्वारा कब्जा किया जाना चाहिए,
- रिएक्टर में 235 यू के दिए गए थोक घनत्व को बनाए रखने के लिए अधिक बार ईंधन को फिर से लोड करना आवश्यक है,
- खर्च किए गए ईंधन में मूल्यवान 235 यू का उच्च अनुपात।
परमाणु प्रौद्योगिकी में सुधार की प्रक्रिया में, आर्थिक और तकनीकी रूप से इष्टतम समाधान पाए गए थे जिनके लिए ईंधन में 235 यू की सामग्री में वृद्धि की आवश्यकता थी, अर्थात् यूरेनियम संवर्धन।
परमाणु हथियारों में, संवर्धन कार्य लगभग समान है: यह आवश्यक है कि परमाणु विस्फोट के बेहद कम समय में, 235 यू परमाणुओं की अधिकतम संख्या उनके न्यूट्रॉन, क्षय और ऊर्जा को छोड़ देती है। इसके लिए, परमाणुओं 235 यू की अधिकतम संभव थोक घनत्व की आवश्यकता होती है, जो अंतिम संवर्धन के साथ प्राप्त होती है।
यूरेनियम संवर्धन डिग्री [संपादित करें |अलग करने की कुंजी
उनके अलग होने की कुंजी यह है कि यूरेनियम -235 परमाणु का वजन यूरेनियम -238 परमाणुओं की तुलना में थोड़ा कम है।
यूरेनियम -235 की छोटी मात्रा को अलग करने के लिए जो यूरेनियम अयस्क के प्रत्येक प्राकृतिक नमूने में मौजूद है, इंजीनियरों ने पहली बार रासायनिक प्रतिक्रिया का उपयोग करके यूरेनियम को गैस में परिवर्तित किया।
फिर गैस को एक अपकेंद्रित्र ट्यूब में एक बेलनाकार आकार में एक व्यक्ति या उससे अधिक के आकार में पेश किया जाता है। प्रत्येक ट्यूब अविश्वसनीय रूप से उच्च गति पर अपनी धुरी पर घूमता है, ट्यूब के केंद्र में भारी यूरेनियम -238 गैस अणुओं को खींचता है, जिससे हल्के यूरेनियम -235 गैस अणु ट्यूब के किनारों के करीब पहुंच जाते हैं जहां उन्हें चूसा जा सकता है।
हर बार गैस को एक अपकेंद्रित्र में घुमाया जाता है, केवल यूरेनियम -238 गैस का एक छोटा सा मिश्रण मिश्रण से निकाला जाता है, इसलिए पाइपों का उपयोग श्रृंखला में किया जाता है। प्रत्येक अपकेंद्रित्र थोड़ा यूरेनियम -238 बाहर खींचता है, और फिर थोड़ा शुद्ध गैस मिश्रण को अगले पाइप में स्थानांतरित करता है, आदि।
यूरेनियम गैस रूपांतरण
सेंट्रीफ्यूज के कई चरणों में गैसीय यूरेनियम -235 के अलग होने के बाद, इंजीनियर यूरेनियम गैस को ठोस धातु में बदलने के लिए एक अलग रासायनिक प्रतिक्रिया का उपयोग करते हैं। यह धातु बाद में रिएक्टरों या बमों में उपयोग के लिए बनाई जा सकती है।
चूंकि प्रत्येक चरण केवल थोड़ी मात्रा में यूरेनियम गैस के मिश्रण को साफ करता है, इसलिए देश केवल सेंट्रीफ्यूज को चलाने के लिए खर्च कर सकते हैं जो दक्षता के उच्चतम स्तर के लिए डिज़ाइन किए गए हैं। अन्यथा, शुद्ध यूरेनियम -235 की भी थोड़ी मात्रा का उत्पादन निषेधात्मक रूप से महंगा हो जाता है।
और इन सेंट्रीफ्यूज ट्यूब्स के डिजाइन और निर्माण के लिए एक निश्चित स्तर के निवेश और तकनीकी जानकारी की आवश्यकता होती है, जो कई देशों की पहुंच से परे है। पाइप को विशेष प्रकार के स्टील या मिश्रण की आवश्यकता होती है जो रोटेशन के दौरान महत्वपूर्ण दबाव का सामना करते हैं, पूरी तरह से बेलनाकार होना चाहिए और विशेष मशीनों द्वारा बनाया जाना चाहिए जो कि निर्माण करना मुश्किल है।
यहां एक बम का उदाहरण दिया गया है जो संयुक्त राज्य अमेरिका हिरोशिमा पर गिरा था। बम बनाने में 62 किलोग्राम यूरेनियम -235 लगता है, "परमाणु बम बनाने के अनुसार" (साइमन एंड शूस्टर, 1995)।
लगभग 4 टन यूरेनियम अयस्क से इन 62 किलोग्राम का पृथक्करण दुनिया की सबसे बड़ी इमारत में हुआ और देश की 10 प्रतिशत बिजली का उपयोग किया गया। "इस सुविधा को बनाने में 20,000 लोगों को लगा, 12,000 लोगों ने सुविधा का संचालन किया, और 1944 में इसकी कीमत 500 मिलियन डॉलर से अधिक हो गई।" यह 2018 में लगभग 7.2 बिलियन डॉलर है।
समृद्ध यूरेनियम इतना भयानक क्यों है?
यूरेनियम या हथियार-ग्रेड प्लूटोनियम एक सरल कारण के लिए अपने शुद्ध रूप में खतरनाक है: उनमें से, एक निश्चित तकनीकी आधार के साथ, एक विस्फोटक परमाणु उपकरण बनाया जा सकता है।
यह आंकड़ा एक साधारण परमाणु बम का योजनाबद्ध प्रतिनिधित्व दर्शाता है। परमाणु ईंधन के 1 और 2 बाइल्ट शेल के अंदर हैं। उनमें से प्रत्येक पूरी गेंद के कुछ हिस्सों में से एक है और इसका वजन बम में प्रयुक्त हथियार धातु के महत्वपूर्ण द्रव्यमान से थोड़ा कम है।
जब टीएनटी में विस्फोट चार्ज होता है, तो यूरेनियम इंगोट्स 1 और 2 को एक में मिलाया जाता है, उनका कुल द्रव्यमान निश्चित रूप से इस सामग्री के लिए महत्वपूर्ण द्रव्यमान को पार कर जाता है, जो परमाणु श्रृंखला प्रतिक्रिया की ओर जाता है और, परिणामस्वरूप, एक परमाणु विस्फोट के लिए।
यह कुछ भी जटिल नहीं लगेगा, लेकिन वास्तव में यह, ऐसा नहीं है। अन्यथा, ग्रह पर परमाणु हथियारों के साथ अधिक देशों का परिमाण होगा। इसके अलावा, इस तरह की खतरनाक तकनीकों के जोखिम पर्याप्त रूप से शक्तिशाली और विकसित आतंकवादी समूहों के हाथों में आते हैं।
चाल यह है कि विकसित वैज्ञानिक बुनियादी ढांचे के साथ केवल बहुत समृद्ध शक्तियां यूरेनियम को समृद्ध करने में सक्षम हैं, यहां तक कि प्रौद्योगिकी के वर्तमान विकास के साथ भी। इससे भी अधिक कठिन, जिसके बिना परमाणु उपकरण काम नहीं करेगा, 235 और 238 यूरेनियम समस्थानिकों को अलग करें।
यूरेनियम माइन्स: ट्रुथ एंड फिक्शन
यूएसएसआर में, दार्शनिक स्तर पर, एक परिकल्पना थी कि अपराधियों ने यूरेनियम खानों में काम किया, इस प्रकार पार्टी और सोवियत लोगों के सामने अपने अपराध को समाप्त किया। यह, ज़ाहिर है, सच नहीं है।
यूरेनियम खनन एक उच्च तकनीक खनन उद्योग है, और इसकी संभावना नहीं है कि किसी ने परिष्कृत और बहुत महंगे उपकरण के साथ काम करना स्वीकार किया हो और लुटेरों के साथ हत्यारों का सफाया कर दिया हो। इसके अलावा, अफवाह है कि यूरेनियम खनिक आवश्यक गैस मास्क पहनते हैं और सीसा अंडरवियर भी एक मिथक से ज्यादा कुछ नहीं हैं।
यूरेनियम का खनन कभी-कभी एक किलोमीटर तक की गहराई तक किया जाता है। इस तत्व का सबसे बड़ा भंडार कनाडा, रूस, कजाकिस्तान और ऑस्ट्रेलिया में पाया जाता है। रूस में, एक टन अयस्क से औसतन लगभग डेढ़ किलोग्राम यूरेनियम का उत्पादन होता है। यह किसी भी तरह से सबसे बड़ा संकेतक नहीं है। कुछ यूरोपीय खानों में, यह आंकड़ा 22 किलोग्राम प्रति टन तक पहुंच जाता है।
खदान में विकिरण की पृष्ठभूमि समताप मंडल की सीमा के समान है, जहां नागरिक यात्री विमानों को पैच किया जा रहा है।
यूरेनियम अयस्क
खनन के तुरंत बाद, सीधे खदान के पास एनरिच यूरेनियम शुरू होता है। धातु के अलावा, किसी भी अन्य अयस्क की तरह, यूरेनियम में अपशिष्ट चट्टान होता है। संवर्धन का प्रारंभिक चरण खदान से उठाए गए कोबलस्टोन को छांटने के लिए नीचे आता है: यूरेनियम और गरीबों में समृद्ध। वस्तुतः हर टुकड़ा तौला जाता है, मशीनों द्वारा मापा जाता है और, गुणों के आधार पर, एक विशेष स्ट्रीम में भेजा जाता है।
फिर एक चक्की खेलने में आती है, यूरेनियम युक्त अयस्क को महीन पाउडर में पीस देती है। हालाँकि, यह यूरेनियम नहीं है, बल्कि केवल इसका ऑक्साइड है। शुद्ध धातु प्राप्त करना रासायनिक प्रतिक्रियाओं और परिवर्तनों की सबसे जटिल श्रृंखला है।
हालांकि, यह केवल प्रारंभिक रासायनिक यौगिकों से शुद्ध धातु को अलग करने के लिए पर्याप्त नहीं है। प्रकृति में निहित कुल यूरेनियम में से 99% पर आइसोटोप 238 का कब्जा है, और इसका 235 वाँ प्रतिपक्ष एक प्रतिशत से भी कम है। उन्हें अलग करना बहुत मुश्किल काम है, जिसे हर देश हल नहीं कर सकता।
गैस प्रसार संवर्धन विधि
यह पहली विधि है जिसके द्वारा यूरेनियम को समृद्ध किया गया था। यह अभी भी संयुक्त राज्य अमेरिका और फ्रांस में उपयोग किया जाता है। 235 और 238 आइसोटोप के घनत्व में अंतर के आधार पर। ऑक्साइड से निकलने वाली यूरेनियम गैस एक झिल्ली द्वारा अलग किए गए कक्ष में उच्च दबाव में पंप की जाती है। आइसोटोप के परमाणु 235 हल्के होते हैं, इसलिए, गर्मी के प्राप्त हिस्से से वे क्रमशः "धीमी" यूरेनियम परमाणुओं 238 की तुलना में तेजी से आगे बढ़ते हैं, झिल्ली के खिलाफ अधिक बार और अधिक गहन रूप से हराया जाता है। प्रायिकता सिद्धांत के नियमों के अनुसार, वे माइक्रोप्रो में से एक में जाने और इस झिल्ली के दूसरी तरफ होने की अधिक संभावना है।
इस पद्धति की प्रभावशीलता छोटी है, क्योंकि आइसोटोप के बीच का अंतर बहुत, बहुत छोटा है। लेकिन समृद्ध यूरेनियम कैसे उपयोग के लिए उपयुक्त है? उत्तर इस विधि को कई बार लागू कर रहा है। पावर प्लांट में एक रिएक्टर से ईंधन के निर्माण के लिए उपयुक्त यूरेनियम प्राप्त करने के लिए, गैस प्रसार उपचार प्रणाली को कई सौ बार दोहराया जाता है।
इस पद्धति के बारे में विशेषज्ञ समीक्षाएं मिश्रित हैं। एक तरफ, गैस-प्रसार जुदाई विधि संयुक्त राज्य अमेरिका को उच्च-गुणवत्ता वाले यूरेनियम प्रदान करने के लिए सबसे पहले है, जो उन्हें अस्थायी रूप से सैन्य क्षेत्र में अग्रणी बनाती है। दूसरी ओर, गैस का प्रसार कम अपशिष्ट उत्पन्न करने के लिए माना जाता है। केवल एक चीज जो इस मामले में विफल होती है वह अंतिम उत्पाद की उच्च कीमत है।
अपकेंद्रित्र विधि
यह सोवियत इंजीनियरों का विकास है। वर्तमान में, रूस के अलावा, ऐसे कई देश हैं जहां यूरेनियम USSR में खोजी गई विधि से समृद्ध है। ये ब्राज़ील, ग्रेट ब्रिटेन, जर्मनी, जापान और कुछ अन्य राज्य हैं। विधि गैस प्रसार तकनीक के समान है जिसमें यह 235 और 238 आइसोटोप के बड़े अंतर का उपयोग करता है।
यूरेनियम गैस अपकेंद्रित्र में 1,500 आरपीएम पर घूमती है। विभिन्न घनत्वों के कारण, आइसोटोप विभिन्न आकारों की केन्द्रापसारक शक्तियों से प्रभावित होते हैं। यूरेनियम 238, भारी होने के कारण, सेंट्रीफ्यूज की दीवारों के पास जमा हो जाता है, जबकि 235 वें आइसोटोप केंद्र के करीब इकट्ठा होता है। गैस मिश्रण को सिलेंडर के शीर्ष पर पंप किया जाता है। सेंट्रीफ्यूज के नीचे का रास्ता पास होने के बाद, समस्थानिकों को आंशिक रूप से अलग होने और अलग से चुने जाने का समय होता है।
इस तथ्य के बावजूद कि विधि भी आइसोटोप के 100% अलगाव प्रदान नहीं करती है, और संवर्धन की आवश्यक डिग्री प्राप्त करने के लिए इसे बार-बार उपयोग किया जाना चाहिए, यह गैस प्रसार की तुलना में आर्थिक रूप से बहुत अधिक कुशल है। इस प्रकार, अपकेंद्रित्र प्रौद्योगिकी का उपयोग करके रूस में समृद्ध यूरेनियम अमेरिकी झिल्ली पर प्राप्त की तुलना में लगभग 3 गुना सस्ता है।
समृद्ध यूरेनियम अनुप्रयोग
शुद्धि के साथ यह सब जटिल और महंगा लाल टेप क्यों है, ऑक्साइड से धातु पृथक्करण, आइसोटोप का पृथक्करण? परमाणु ऊर्जा में उपयोग किए गए 235 संवर्धित यूरेनियम में से एक, (ऐसी "गोलियों" से इकट्ठी छड़ें - ईंधन की छड़ें) हैं, जिनका वजन 7 ग्राम के स्थान पर लगभग 200 लीटर बैरल गैसोलीन या लगभग एक टन कोयला है।
235 और 238 समस्थानिकों की शुद्धता और अनुपात के आधार पर समृद्ध और क्षीण यूरेनियम का अलग-अलग उपयोग किया जाता है।
आइसोटोप 235 एक अधिक ऊर्जा-गहन ईंधन है। 235 समस्थानिकों की सामग्री 20% से अधिक होने पर समृद्ध यूरेनियम माना जाता है। यह परमाणु हथियारों का आधार है।
सीमित द्रव्यमान और आकार के कारण पनडुब्बी और अंतरिक्ष यान में परमाणु ऊर्जा-संतृप्त कच्चे माल को ईंधन के रूप में उपयोग किया जाता है।
डिलेटेड यूरेनियम, जिसमें मुख्य रूप से 238 आइसोटोप शामिल हैं, नागरिक स्थिर परमाणु रिएक्टरों के लिए एक ईंधन है। प्राकृतिक यूरेनियम रिएक्टरों को कम विस्फोटक माना जाता है।
वैसे, रूसी अर्थशास्त्रियों की गणना के अनुसार, आवर्त सारणी के 92 तत्वों की वर्तमान उत्पादन दर को बनाए रखते हुए, दुनिया भर की खदानों में इसके भंडार पहले से ही 2030 तक कम हो जाएंगे। यही कारण है कि वैज्ञानिक भविष्य में सस्ती और सस्ती ऊर्जा के स्रोत के रूप में फ्यूजन के लिए तत्पर हैं।
