Összefoglalás
Akkor most a sorozat végén, szaladjunk végig az eddig tárgyaltakon.
Urán
Az egyetlen bányászható mennyiségben a természetben jelenlévő hasadóanyag.
Egy tonna Pécsen kibányászott uránérc 1.2kg fémuránt tartalmazott.
A fémurán nagy részét az urán-238 izotópja alkotja, és csak 0.711%-a az urán-235 izotóp, vagyis a Pécsen kibányászott egy tonnányi uránércből mindössze 8.5g urán-235 izotóp nyerhető dúsítással.
Civil reaktor számára szükséges 4% dúsítási fok 6.25SWU/kg, 5%-os dúsítás 8.85SWU/kg, izotóp kutató reaktorok számára igényelt 20%-os dúsítás 45SWU/kg, míg fegyverminőségű 90%-os dúsítottságú urán előállításához 227SWU/kg (SWU - Separative Work Unit) dúsítási munka szükséges.
Zippe féle gázcentrifuga
A világon jelenleg kizárólagosan alkalmazott urándúsítási módszer a Szovjetunióban kifejlesztett Zippe féle gázcentrifugán alapul.
A módszerrel egységnyi dúsítási munka (SWU/kg) 50kWh energia fogyasztás mellett végezhető el, urán-hexafluorid (UF₆) gázon.
Jelenleg a világon ismert összes (IAEA – Nemzetközi Atomenergia ügyi Ügynökség számára bejelentett) urándúsítója ezt a módszert alkalmazza.
Gázdiffúzió
Az Egyesült Államokban, Oak Ridge, Tennessee államban 1945 és 1954 között épült gázdiffúziós dúsító gyárkomplexum öt üzeme a nyolcvanas évek végéig termelt.
A módszerrel egységnyi dúsítási munka (SWU/kg) 2500kWh energia fogyasztás mellett volt végezhető, urán-hexafluorid (UF₆) gázon.
A Szovjetunió szintén megvizsgálta az eljárást, de a Zippe féle gázcentrifugát hatékonyabbnak találta.
Elektromágneses izotóp-szeparáció
Az Egyesült Államokban, Oak Ridge, Tennessee államban 1943 és 1944 között megépült 17db dúsító 1152db Calutron-jában dúsított ²³⁵U Urán-235 izotópból épült a Hirosimára ledobott Little Boy bomba.
Az eljárás hatalmas energiafogyasztása, és több ezer operátor folyamatos figyelmét igénylő működése miatt 1946 végén megszüntették.
A Szovjetunió szintén megvizsgálta az eljárást, de a gázcentrifugát hatékonyabbnak találta.
Irak az öböl háború kitöréséig dolgozott egy elektromágneses izotóp szeparációs üzemen, mivel az IAEA akkoriban már komolyan monitorozta és tiltotta a gázcentrifugák előállításához szükséges alkatrészek nemzetközi kereskedelmét.
²³⁵U - Urán-235 izotóp
Láncreakcióhoz szükséges
kritikus tömege 52kg ágyú típusú töltet esetén.
Miután egy neutron felhasítja az urán-235 izotópot, két új atommag, két neutron, és 180MeV magenergia jön létre.
n + ²³⁵U −> X + Y + n + n’ + (180 MeV)
Elméleti hatóereje (100% hatásfokon);
17kt/kg
Fegyverminőségű ²³⁵U előállítási költsége a Manhattan Terv alatt gázdiffúzióval;
180’000$/kg (2018-as USD)
Fegyverminőségű ²³⁵U előállítási költsége Zippe féle gázcentrifugával;
60’000$/kg (2018-as USD)
Little Boy
ágyú típusú töltet hatóereje ~16kt volt, 84.5%-osan dúsított, 64kg-os töltettel.
Hatásfoka; 16kt / (64kg · 17kt/kg) =
1.5%
Az Egyesült Államok által Hirosimára ledobott Little Boy bombán kívül egyedül Dél Afrika gyártott ebből a típusból.
Implóziós töltet esetén a
kritikus tömeg 25kg, a számított hatóerő 22kt.
Hatásfoka; 22kt / (25kg · 17kt/kg) =
5.2%
Mivel implóziós urán bombát a legegyszerűbb és legolcsóbb előállítani gázcentrifuga alkalmazásával, a feltörekvő atomhatalmak (Pakisztán, India, Irán, Irak, Észak Korea) szinte biztos hogy dolgoznak rajta.
Termonukleáris töltet gyújtójaként (
sparkplug) alkalmazva, a fúziós töltet (D² vagy ⁶LiD) égésének 25keV (275 millió fok) hőmérsékletén az ²³⁵U
98%-os hatásfokkal képes energiát termelni.
²³⁸U - Urán-238 izotóp
A természetes uránfém több mint 99%-át alkotja, nagy mennyiségben rendelkezésre áll, és emiatt olcsó.
Ára;
50$/kg (2018-as USD)
Láncreakciót nem képes fenntartani, viszont más termonukleáris reakciók (D² vagy ⁶LiD) által megtermelt neutronok képesek hasadását előidézni, ekkor elméleti hatóereje (100% hatásfokon);
17kt/kg
A fentiek miatt fúziós bombák másodlagos töltetét általában urán-238 tartályba/héjba építik, ahol megközelítőleg
10%-os hatásfokkal hasad.
²³⁹Pu – Plutónium
Grafit vagy nehézvíz moderálású reaktorban lehet előállítani, természetes urán, neutronnal való bombázásával.
Az így besugárzott anyag rendkívül radioaktív, és csak 0.025% arányban tartalmaz plutónium-239 izotópot, amit bonyolult és veszélyes kémiai izotóp szeparációval lehet elválasztani.
Egy 2500MW hő teljesítményű reaktor, évente 257kg plutóniumot tud megtermelni.
Érintésre a plutónium meleg (~40 °C), nyugalmi állapotában 2.4W hőt termel kilogrammonként.
Láncreakcióhoz szükséges
kritikus tömege 10kg.
Ágyú típusú töltet nem készíthető belőle, mivel jelentős százalékban tartalmaz ²⁴⁰Pu izotópot, ami a kritikus tömeg elérése előtt (és csak töredék % hatásfokkal) robbanna.
Elméleti hatóereje (100% hatásfokon);
17kt/kg
Fegyverminőségű ²³⁹Pu előállítási költsége nehézvizes reaktorban;
1’000’000$/kg (2018-as USD)
Implóziós bombában (Trinity – 18.6kt, Fat Man – 21kt, Crossroads – 23kt, RDSz-1 – 20kt) 6.19kg plutónium 18.6..23kt hatóerőt ért el,
hatásfoka így 18.6kt..23kt / (6.19kg · 17kt/kg) =
17.8%..21.8%
Termonukleáris töltet gyújtójaként (
sparkplug) alkalmazva, a fúziós töltet (D² vagy ⁶LiD) égésének 25keV (275 millió fok) hőmérsékletén a ²³⁹Pu
98%-os hatásfokkal képes energiát termelni.
T – Trícium, (³H - Hidrogén-3 izotópja)
Nehézvíz moderálású reaktorban lehet előállítani, természetes Lítium neutronnal való bombázásával.
Egy 2500MW hő teljesítményű reaktor, évente 7kg tríciumot tud megtermelni.
A Trícium radioaktív gáz,
évente 5%-a elbomlik Hélium-3 izotóppá, és mindössze
12 év a felezési ideje.
Elméleti hatóereje (100% hatásfokon);
0.08kt/g
T előállítási költsége;
35’000$/g (2018-as USD)
Felhasználása DT (Deutérium-Trícium) gázkeverék formájában, plutónium implóziós bomba magjába pumpálva történik.
Korszerű implóziós, DT gázzal növelt hatóerejű (boosted) töltetben
4kg plutónium magba engedett
DT gáz mennyiségének (2g..10g) függvényében 10kt..50kt hatóerőt képes létrehozni a Deutérium és Trícium fúziója alatt létrejövő extra neutronok által hasított plutónium energia-felszabadításával.
T + D −> n + 4He + (17.6 MeV)
A fenti fúzió jellemző
hatásfoka;
50%
D – Deutérium, (²H Hidrogén-2 izotópja)
A nehézvíz D₂O jelentős mennyiségben áll rendelkezésre a természetben, felhasználják plutónium és trícium szaporító reaktorokban.
Girdler-szulfid eljárással állítják elő, Hidrogén-szulfid gáz felhasználásával.
Elméleti hatóereje (100% hatásfokon);
80kt/kg
D² előállítási költsége;
500$/kg (2018-as USD)
Folyékony halmazállapotúra hűtött D² Deutériumot alkalmaztak az Ivy Mike kísérletnél, ahol háromszázszoros sűrítésen (χ=300)
25%-os hatásfok mellett égett el.
D + D −> p + T + (4.0 MeV)
T + D −>
n + 4He + (17.6 MeV)
Két Deutérium atommag fúziója után először egy Trícium atom keletkezett, ami újabb fúzióra lépett egy Deutérium atommaggal.
A fenti reakció után keletkezett extra neutron, a fúziós töltetet körbevevő ²³⁸U természetes urán tartályban hasadást indított, ami a teljes kísérlet energia felszabadulásának háromnegyedét okozta.
D₂ gáz állapotában
tríciummal keverve (DT gáz) használják növelt hatóerejű (boosted) implóziós töltetben, illetve
LiD üzemanyag összetevőként a termonukleáris töltetekben.
⁶LiD - Lítium Deuterid
A természetben található Lítium 92.5%-át a Lítium-7 izotóp teszi ki, és csak 7.4% a Lítium-6 izotóp, aminek elválasztására ipari méretekben egyedül a higany oszlop (COLEX) elektrokémiai eljárás alkalmazható, ami jelentős környezet szennyezéssel jár.
Durva becslésem szerint az USA 500 tonna LiD előállításához 10’000 tonna higanyt használt fel.
A ⁶LiD Lítium Deuterid-ot lítium-6 izotóp fém, deutérium gázzal való kezelésével állítják elő, 600 °C feletti hőmérsékleten.
A ⁶LiD Jetter ciklusa alatt, egy ⁶Li Lítium-6 izotópot neutron hasít fel, majd az így keletkező Trícium atom fúziónál a ⁶LiD maradék Deutérium atomjával…
n + ⁶Li −> T + ⁴He + (4.8 MeV)
T + D −> ⁴He +
n + (17.6 MeV)
… a fenti fúziós reakció után egy újabb neutron keletkezik, és a ciklus ismétlődik...
⁶LiD Jetter ciklus elméleti hatóereje (100% hatásfokon);
50kt/kg
⁶LiD előállítási költsége;
25’000$/kg (2018-as USD)
Az elsődleges implóziós plutónium töltet röntgen sugárzása által plazmává alakított polisztirol összenyomja a ⁶LiD töltetet, aminek hatóereje
50%-os hatásfok mellett ég el.
A neutronok egy része további hasadást okoz a másodlagos töltetet körbevevő urán tartályban.
Várjuk.
