Poznaj atom

Wędrówki uranu

Poniedziałek 28 stycznia 2013

Koszt wzbogacania uranu stanowi około połowy łącznego kosztu produkcji paliwa jądrowego i około 5% kosztu wyprodukowania energii elektrycznej. Wzbogacanie uranu to jednak tylko jeden z trzech głównych etapów procesu produkcji paliwa jądrowego.

Z jednej tony naturalnego uranu zawierającego 0,7% U-235 uzyskać można 120-130 kg uranu wzbogaconego do 4-5% U-235, przy nakładzie 6,25 - 8,85 SWU na kilogram produktu (SWU to jednostka pracy rozdzielczej, jednostka zamawiania i rozliczania procesu wzbogacania uranu uwzględniająca nakład energii na wykonanie pracy do wzbogacenia uranu). Dalsze wzbogacanie pozwoli uzyskać 26 kg paliwa dla reaktora badawczego, który wymaga uranu wzbogaconego do 20% zawartości izotopu U-235, przy nakładzie 45 SWU na kilogram produktu. Do celów wojskowych zastosowanie znajduje uran wzbogacony do 90%; z jednej tony naturalnego uranu uzyskać można 5,6 kg wysokowzbogaconego uranu przy nakładzie 227 SWU na kilogram produktu.

Od yellow cake do konwersji
Przygotowanie skoncentrowanego półproduktu, jakim jest tzw. yellow cake, dokonuje się w kopalniach. Z rudy naturalnej zawierającej najwyżej do 20% uranu (a powszechnie eksploatuje się rudy o zawartości 0,1 – 1%), po zmieleniu i ługowaniu, uzyskuje się tlenek uranu U3O8, w postaci tzw. yellow cake.

Następnym etapem jest konwersja yellow cake U3O8 do postaci gazowej UF6 – fluorku uranu (VI) (inaczej: sześciofluorku uranu). Zakłady konwersji znajdują się w Stanach Zjednoczonych, Kanadzie, Francji (2 zakłady), Wielkiej Brytanii, Rosji (2 zakłady), Chinach i Brazylii (a także w Iranie na potrzeby własne tego kraju).

Największą nominalną mocą produkcyjną może poszczycić się rosyjski zakład w Angarsku (20 tys. ton rocznie). Zbliżona potencjałem jest amerykańska fabryka w Metropolis w stanie Indiana (17,6 tys. rocznie), a niewiele mniej może wyprodukować należący do francuskiej firmy Areva zakład w Pierrelatte (14 tys. ton rocznie). Listę największych zakładów zamyka kanadyjski zakład w Port Hope, należący do firmy Cameco (10,5 tys. ton rocznie). Od pewnego czasu swoje niewielkie zakłady posiadają także Brazylia (90 ton rocznie) i Iran (zakład konwersji uranu w Isfahanie jest w stanie wyprodukować 193 ton rocznie).

Gazowy UF6 po schłodzeniu skrapla się, wówczas przelewany jest do specjalnych cystern. Po dalszym schłodzeniu przybiera w cysternach postać stałą, w której jest transportowany do zakładów wzbogacaniu uranu.

Wirówki górą
Potencjał zakładów wzbogacania uranu wyraża się wartością zużywanej energii na jednostkę pracy, która jest potrzebna do rozdzielenia izotopów. Podaje się go w kilogramach – siły, kg SWU (SWU = separative work unit, jednostka pracy rozdzielczej). Światowy potencjał produkcji wzbogaconego uranu według oszacowań World Nuclear Association z 2009 r. sięgnąć ma 68 000 tys. SWU rocznie w 2015 r., a w 2020 – nawet 81 000 tys. SWU rocznie.

W 2007 r. metodą wirówkową wzbogacono 75% uranu (25% - metodą dyfuzji gazowej), a w 2017 r. będzie to już 96% (zgodnie z prognozami World Nuclear Association). Głównym powodem takiego trendu jest zasadnicza różnica efektywności energetycznej obu metod. W procesie dyfuzji gazowej zużycie energii wynosi 2500 kWh/kGSWU, w zakładach z wirówkami gazowymi - 40 kWh/kGSWU.

Najważniejsze zakłady wzbogacania uranu metodą dyfuzji gazowej znajdują się obecnie w Stanach Zjednoczonych i w Chinach. Stany Zjednoczone zdecydowały się na taką metodę wzbogacania na początku swojego programu jądrowego (metodę wykorzystano po raz pierwszy w projekcie Manhattan), stosując ją do uzyskiwania wysokowzbogaconego, jak i nisko wzbogaconego uranu. Metoda traci na znaczeniu ze względu na energo- i czasochłonność. W połowie 2001 r. zamknięto zakład w Portsmouth, który miał potencjał produkcji rzędu 7400 tys. SWU rocznie. Drugi wielki zakład w Paducah w Kentucky, o rocznym potencjale ponad 11 000 tys. SWU, ma zostać zamknięty w połowie 2013 r. Podobny los w ub. roku spotkał francuski zakład w Tricastin, o potencjale produkcji 10 800 tys. SWU rocznie.

Proces wzbogacania oparty na wirówkach gazowych wszedł do szerszego zastosowania w latach 60. ub. wieku. Zdecydowanym liderem w wykorzystaniu tej metody jest Rosja. Obecnie cztery rosyjskie zakłady z wirówkami gazowymi zaspokajają ok. 40% światowego zapotrzebowania na wzbogacony uran. W Europie potentatem jest konsorcjum brytyjsko-niemiecko-holenderskie Urenco, które posiada zakłady wzbogacania w tych krajach i buduje kolejny w Stanach Zjednoczonych. Mniejsze zakłady wzbogacania uranu metodą wirówkową posiadają Japonia, Chiny, Brazylia, Pakistan, Iran i Korea Północna.

We Francji i w Stanach Zjednoczonych powstają zakłady wirówkowe nowej generacji o poprawionych parametrach efektywności energetycznej, które zastępują zamykane zakłady wzbogacające uran metodą dyfuzji gazowej. Obok wspomnianego Urenco, aktywna w tym względzie jest francuska firma Areva.

Po wzbogaceniu, UF6 przeprowadzany jest do postaci UO2 i w postaci pastylek zatopionych w ceramicznej powłoce umieszczany w prętach paliwowych. Pręty tworzą zestawy paliwowe stanowiące jednostkę zamawiania i eksploatacji paliwa jądrowego w elektrowniach.

Schemat działania wirówki gazowej (Il. Argentum/Wikimedia Commons)
Facebook