Poznaj atom

Wirujący uran

Piątek 08 lutego 2013

Proces zwiększania zawartości rozszczepialnego izotopu w uranie nazywany jest wzbogacaniem. Wzbogacony uran, wykorzystywany do produkcji paliwa jądrowego, produkowany jest obecnie w zdecydowanej większości w zakładach wykorzystujących metodę wirówki gazowej.

W rudzie naturalnego uranu znajduje się około 0,7% U-235, rozszczepialnego izotopu tego pierwiastka i ponad 99% U-238. Taka zawartość rozszczepialnego uranu jest wystarczająca dla reaktorów CANDU albo MAGNOX. Używają one jako paliwa naturalnej rudy uranowej. Jednak większość elektrowni jądrowych działających dziś na świecie zasilają reaktory lekkowodne (LWR - Ligth Water Reactors), ciśnieniowe (PWR) i z wrzącą wodą (BWR). Wymagają one paliwa o większej zawartości U-235.

Proces wzbogacania uranu wymaga w pierwszej kolejności rozdzielenia jego izotopów. W jaki sposób dokonuje się owo rozseparowanie? Uran U-235 i U-238 są chemicznie identyczne, ale różnią się właściwościami fizycznymi. Jądro U-235 zawiera 92 protony i 143 neutrony, a U-238 92 protony i 146 neutronów. Cząsteczka sześciofluorku uranu UF6 z U-235 jest o ok. 1% lżejsza od cząsteczek z U-238. Właśnie ta różnica mas pozwala na oddzielenie izotopów i – w dalszej kolejności - na wzbogacenie uranu poprzez zatrzymanie U-235 i usuwanie U-238, aż do osiągnięcia pożądanej proporcji obu izotopów. Reaktory w elektrowniach potrzebują uranu wzbogaconego do 3,5 – 5% zawartości U-235, reaktory badawcze – 20%; reaktory okrętowe – do 80%, a do celów militarnych wykorzystywany jest uran wzbogacony do 90%.

Kaskady i wirówki
Pierwszym krokiem do wzbogacenia uranu jest konwersja głównego składnika yellow cake, tlenku uranu (U3O8), do postaci gazowej, sześciofluorku uranu (UF6). Następnie dokonywane jest właściwe wzbogacenie. Stosowane są w tym celu przede wszystkim dwie metody: dyfuzji gazowej i wirówki gazowej. Pierwsza z opisanych metod przechodzi obecnie do historii. O ile jeszcze w 2007 r. dostarczała ok. 25% wzbogaconego uranu, to jak prognozuje World Nuclear Association, do 2017 r. zostanie całkowicie zastąpiona przez metodę wirówkową.

W pierwszej metodzie gaz UF6 przechodzi przez membranę, która szybciej przepuszcza lżejsze atomy (U-235). Takie odseparowywanie trzeba jednak powtórzyć około 1000 - 1500 razy w kolejnych „kaskadach”, aby uzyskać odpowiednio wzbogacony skład izotopowy.

W drugiej metodzie gaz wprowadzany jest do cylindrów o średnicy 15-20 cm i wysokości 1-2 m wirujących z prędkością 50-70 tys. obrotów na minutę (50-70 razy szybciej niż bęben pralki). Pod wpływem siły odśrodkowej gaz rozdziela się na cięższą i lżejszą frakcję. Cięższe cząsteczki z U-238 przemieszczają się w kierunku zewnętrznej ściany cylindra, a cząsteczki z lżejszym U-235 – do osi cylindra, skąd ta lżejsza „frakcja” jest odbierana do kolejnej wirówki. Do uzyskania pożądanej zawartości 235UF6 potrzeba od 10 do 20 „odwirowań”. Pomimo, że do cylindra mieści się znacznie mniej fluorku uranu niż do dyfuzyjnej kaskady, jest to metoda znacznie efektywniejsza od dyfuzji gazowej.

Laserowa trzecia droga
Historycznie istniało jeszcze kilka metod, które ostatecznie zostały zarzucone ze względu na wysoki koszt i niską efektywność. Jedną z pierwszych była metoda rozdzielenia izotopów poprzez odseparowanie jonów U-235 i U-238 w polu magnetycznym, wykorzystując zasadę stosowaną w spektrometrii masowej. Metoda posłużyła do wzbogacania uranu na potrzeby projektu Manhattan, ale do wzbogacania uranu w skali potrzebnej do wykorzystania w elektrowniach jądrowych jest zdecydowanie za droga (nakłady energii kilkaset razy większe niż w metodzie dyfuzji gazowej). W latach 70. w Brazylii i Republice Południowej Afryki podejmowano próby z metodami separacji izotopów uranu w strumieniu rozpędzonego gazu. Także w tym wypadku metody nie zostały wprowadzone do komercyjnego zastosowania ze względu na koszt. Ponadto francuska firma Chemex opracowała proces chemiczny, pozwalający oddzielić izotopy wykorzystując różnice w ich podatności na zmiany wartościowości i w efekcie do tworzenia różnych związków, ale on również nie wszedł do szerszego zastosowania.

Najnowszą i najbardziej obiecującą metodą zaadaptowaną do separacji izotopów uranu jest metoda laserowa. Metody laserowe badano pod kątem rozdzielania izotopów na poziomie atomowym i cząsteczkowym.

Program rozwoju takiej technologii, zapoczątkowany we wczesnych latach 80. zarzuciła co prawda np. Japonia, koncentrując się na rozwoju technologii wirówkowej, ale znaczne postępy poczyniły w tym względzie firmy francuskie i amerykańskie. Prace nad zastosowaniem tej pierwszej technologii (AVLIS - Atomic Vapour Laser Isotope Separation) do separacji izotopów uranu, prowadzone we Francji i w Stanach Zjednoczonych, podobnie jak w Japonii już zarzucono. Metoda AVLIS opiera się na selektywnej jonizacji atomów uranu przy pomocy silnego lasera, dobór długości fali wzbudzającej powoduje jonizację tylko atomów U-235. Dodatnio naładowane jony U-235 zbierane są następnie na ujemnie naładowanych tarczach.

Obecnie prace rozwojowe prowadzone są przy wykorzystaniu metody molekularnej. Laser wykorzystany jest do fotodysocjacji UF6 do UF5+ poprzez złamanie wiązań jednego z atomów fluoru w cząsteczkach z izotopem U-235. Jonizacja UF5 pozwala oddzielić je od UF6 zawierających U-238. Najważniejszym procesem wzbogacania uranu w oparciu o laserowe oddziaływanie na cząsteczki UF6 jest SILEX. Opracowany przez australijską firmę Silex System jest obecnie rozwijany we współpracy i przy zaangażowaniu GE, Hitachi i Cameco. Pilotażowy zakład powstać miał w 2012 r. w Stanach Zjednoczonych. W deklaracjach firm reprezentujących konsorcjum powstający proces oparty na laserowej metodzie wzbogacania uranu jawi się jako nowość „całkowicie zmieniająca reguły gry”.

Póki co, World Nuclear Association ocenia, że do 2017 r. ok. 3% uranu będzie wzbogacane dla potrzeb elektrowni jądrowych tym właśnie sposobem, ale zdecydowania większość, jak wspomniano – metodą wirówek gazowych.

Kaskada wirówek gazowych w zakładzie Piketon, Ohio (Fot. www.usec.com)
Facebook