Как обогащается уран, чтобы делать бомбы?

Обогащенный уран - это уран с высоким процентным содержанием изотопа U-235, который составляет всего около 0,72% природного урана. Нормальный уран упоминается как U-238, где число обозначает количество нуклонов (протонов и нейтронов) в его атомном ядре. U-235 имеет неравномерное количество протонов и нейтронов, что делает его слегка нестабильным и подверженным делению (расщеплению) от тепловых нейтронов. Получение процесса деления в виде цепной реакции является основой ядерной энергии и ядерного оружия.

Поскольку уран-235 обладает химическими свойствами, идентичными обычному урану, и на 1,26% легче, их разделение может быть довольно сложной задачей. Процессы, как правило, довольно энергоемкие и дорогостоящие, поэтому пока лишь немногие страны смогли достичь этого в промышленном масштабе. Для изготовления реакторного урана требуется доля U-235 в 3-4%, тогда как оружейный уран должен состоять из 90% U-235 или более. Существует по крайней мере девять методов отделения урана, хотя некоторые, безусловно, работают лучше, чем другие.

Во время Второй мировой войны в Соединенных Штатах, когда исследователи впервые занимались разделением изотопов, использовался ряд методов. Первый этап состоял из термодиффузии. Вводя тонкий температурный градиент, ученые могли уговорить более легкие частицы U-235 к области тепла, а более тяжелые молекулы U-238 - к более холодной области. Это была просто подготовка исходного материала для следующего этапа - электромагнитного разделения изотопов.

Электромагнитное разделение изотопов включает испарение урана и его ионизацию с образованием ионов с положительным зарядом. Ионизированный уран затем ускорялся при изгибе сильным магнитным полем. Более легкие атомы U-235 были отклонены немного больше, в то время как атомы U-238 немного меньше. Повторяя этот процесс много раз, уран может быть обогащен. Эта техника была использована для производства части обогащенного урана для бомбы Little Boy, которая разрушила Хиросиму.

Во время холодной войны электромагнитное разделение изотопов было прекращено в пользу метода газового диффузионного обогащения. Этот подход проталкивал газ гексафторид урана через полупроницаемую мембрану, которая немного отделяла два изотопа друг от друга. Как и предыдущий метод, этот процесс должен был бы выполняться много раз, чтобы выделить значительное количество U-235.

Современные методы обогащения используют центрифуги. Более легкие атомы U-235 слегка предпочтительнее выталкиваются к наружным стенкам центрифуг, концентрируя их там, где их можно извлечь. Как и все другие приемы, это должно выполняться много раз, чтобы работать. Полные системы, которые таким образом очищают уран, используют много центрифуг и называются центрифужными каскадами. Центрифуга Zippe является более продвинутым вариантом традиционной центрифуги, в которой для разделения изотопа используются как тепло, так и центробежная сила.

Другие методы разделения урана включают аэродинамические процессы, различные методы лазерного разделения, плазменного разделения и химический метод, который использует очень незначительную разницу в склонности двух изотопов к изменению валентности в реакциях окисления / восстановления.