7 spôsobov obohacovania uránu

Urán sa používa ako zdroj energie v jadrových reaktoroch a bol použitý na výrobu prvej atómovej bomby, zhodenej na Hirošimu v roku 1945.[1]
Urán sa ťaží ako ruda nazývaná smolinec[2]
a pozostáva z niekoľkých izotopov s rôznymi atómovými hmotnosťami a rôznymi úrovňami rádioaktivity. Aby sa dal použiť v štiepnych reakciách, musí sa množstvo izotopu 235U zvýšiť na úroveň, ktorá umožní hotové štiepenie v reaktore alebo bombe. Tento proces sa nazýva obohacovanie uránu a existuje niekoľko spôsobov, ako ho uskutočniť.

Metóda 1 zo 7: Základný proces obohacovania


Rozhodnite, na čo sa urán použije. Väčšina vyťaženého uránu obsahuje len približne 0.7 % 235U, pričom väčšinu zvyšku tvorí pomerne stabilný izotop 238U.[3]
To, na aký typ štiepnej reakcie sa bude urán používať, určuje, na akú úroveň sa musí zvýšiť obsah 235U, aby sa urán mohol efektívne použiť.

  • Urán používaný vo väčšine jadrových elektrární sa musí obohatiť na úroveň 3 až 5 % 235U.[4]
    [5]
    [6]
    (Niekoľko jadrových reaktorov, ako napríklad reaktor CANDU v Kanade a reaktor Magnox v Spojenom kráľovstve, je navrhnutých na používanie neobohateného uránu.[7]
    )
  • Urán používaný na výrobu atómových bômb a bojových hlavíc sa naopak musí obohatiť na 90 % 235U.[8]


Premena uránovej rudy na plyn. Väčšina v súčasnosti existujúcich metód na obohacovanie uránu si vyžaduje premenu rudy na plyn pri nízkej teplote. Plynný fluór sa zvyčajne čerpá do zariadenia na konverziu rudy; plynný oxid uraničitý reaguje s fluórom za vzniku hexafluoridu uránu (UF6). Na plyn sa potom pôsobí, aby sa oddelil a získal izotop 235U.


Obohacovanie uránu. V ďalších častiach tohto článku sú opísané rôzne dostupné procesy obohacovania uránu. Z nich sú najrozšírenejšie plynová difúzia a plynová odstredivka, ale očakáva sa, že ich nahradí proces laserovej separácie izotopov.[9]
[10]


Premena UF6 na oxid uraničitý (UO2). Po obohatení sa urán musí premeniť na stabilnú pevnú formu na zamýšľané použitie.

  • Oxid uraničitý používaný ako palivo v jadrových reaktoroch sa vyrába do podoby centrovaných keramických peliet uzavretých v kovových rúrkach, ktoré tvoria 4 m (13.12 stôp) dlhé tyče [11]

Metóda 2 zo 7: Proces difúzie v plynnom skupenstve


Čerpanie UF6 prostredníctvom potrubia.


Vytláčajú plyn cez porézny filter alebo membránu. Keďže izotop 235U je ľahší ako izotop 238U, UF6 ľahší izotop difunduje cez membránu rýchlejšie ako ťažší izotop.


Opakujte proces difúzie, kým sa nezíska dostatočné množstvo 235U. Opakovaná difúzia sa nazýva kaskáda. Na získanie dostatočného množstva 235U na dostatočné obohatenie uránu môže byť potrebných až 1 400 prechodov cez porézne membrány.[12]


Kondenzovať UF6 plyn do kvapalného skupenstva. Po dostatočnom obohatení sa plyn skondenzuje na kvapalinu a potom sa uskladní v kontajneroch, kde sa ochladí a stuhne na účely prepravy na výrobu palivových peliet.

  • Vzhľadom na počet potrebných prechodov je tento proces energeticky náročný a postupne sa od neho upúšťa. V Spojených štátoch zostal len jeden závod na obohacovanie plynnou difúziou, ktorý sa nachádza v Paducah v štáte Kentucky.[13]

Metóda 3 zo 7: Proces plynovej odstredivky


Zostavte niekoľko vysokorýchlostných rotujúcich valcov. Tieto valce sú odstredivky. Odstredivky sú zostavené v sériovom aj paralelnom usporiadaní.


Potrubie s UF6 do odstrediviek. Odstredivky využívajú dostredivé zrýchlenie na to, aby ťažší plyn obsahujúci 238U posielali k stene valca a ľahší plyn obsahujúci 235U do stredu.


Extrahujte oddelené plyny.


Opätovne spracovať oddelené plyny v samostatných odstredivkách. Plyny bohaté na 235U sa posielajú do centrifúgy, kde sa extrahuje ešte viac 235U, zatiaľ čo plyn ochudobnený o 235U ide do inej centrifúgy, kde sa extrahuje ešte viac zvyšného 235U. Vďaka tomu je možné z procesu odstreďovania extrahovať oveľa viac 235U, než je možné získať v procese difúzie v plynnom skupenstve.[14]

  • Proces plynovej odstredivky bol prvýkrát vyvinutý v 40. rokoch 20. storočia, ale významnejšie sa začal používať až v 60. rokoch 20. storočia, keď sa stali dôležitými jeho nižšie energetické nároky na výrobu obohateného uránu.[15]
    V súčasnosti existuje v Spojených štátoch amerických v meste Eunice v štáte Nové Mexiko závod na spracovanie plynových odstrediviek.[16]
    Naproti tomu Rusko má v súčasnosti štyri takéto zariadenia, Japonsko a Čína majú po dve, zatiaľ čo Spojené kráľovstvo, Holandsko a Nemecko majú po jednom.[17]

Metóda 4 zo 7:Areodynamický proces separácie


Zostavte sériu stacionárnych úzkych valcov.


Vstrekovanie UF6 plyn do valcov vysokou rýchlosťou. Plyn sa vháňa do valcov takým spôsobom, aby sa cyklicky otáčal, čím sa dosiahne rovnaký druh separácie medzi 235U a 238U, aký sa dosahuje v rotujúcej odstredivke.

  • Jedna z metód, ktorá sa vyvíja v Južnej Afrike, vstrekuje plyn do valca po dotyku. V súčasnosti sa testuje s ľahkými izotopmi, ako sú izotopy kremíka.[18]

Metóda 5 zo 7: Proces tepelnej difúzie kvapaliny


Skvapalnite UF6 plyn pod tlakom.


Zostrojte dvojicu sústredných rúrok. Rúrky by mali byť pomerne vysoké, pričom vyššie rúrky umožňujú väčšiu separáciu izotopov 235U a 238U.


Obklopte potrubia plášťom z kvapalnej vody. Tým sa ochladí vonkajšia rúrka.


Čerpanie tekutín UF6 medzi rúrkami.


Ohrievanie vnútorného potrubia parou. Teplo vytvorí v UF konvekčný prúd6 ktorý bude priťahovať ľahší izotop 235U smerom k horúcejšej vnútornej rúre a tlačiť ťažší izotop 238U smerom k chladnejšej vonkajšej rúre.

  • Tento proces bol skúmaný v roku 1940 v rámci projektu Manhattan, ale bol zrušený ešte v ranom štádiu vývoja, keď bol vyvinutý účinnejší proces plynnej difúzie.[19]
    [20]

Metóda 6 zo 7:Elektromagnetický proces separácie izotopov


Ionizujte UF6 plyn.


Prepustite plyn cez silné magnetické pole.


Rozdeľte ionizované izotopy uránu podľa stôp, ktoré zanechávajú pri prechode magnetickým poľom. Ióny 235U zanechávajú stopy, ktoré sú zakrivené inak ako stopy 238U. Tieto ióny možno izolovať na obohacovanie uránu.

  • Táto metóda sa používala na spracovanie uránu pre atómovú bombu zhodenú na Hirošimu v roku 1945 a bola to aj metóda obohacovania, ktorú používal Irak vo svojom programe jadrových zbraní v roku 1992. Vyžaduje 10-krát viac energie ako plynná difúzia, čo ju robí nepraktickou pre rozsiahle programy obohacovania.[21]

Metóda 7 zo 7: Proces laserovej separácie izotopov


Nalaďte laser na konkrétnu farbu. Laserové svetlo musí mať úplne špecifickú vlnovú dĺžku (monochromatické). Táto vlnová dĺžka sa zameria len na atómy 235U, pričom atómy 238U zostanú nedotknuté.


Posvieťte laserovým svetlom na urán. Na rozdiel od iných procesov obohacovania uránu nemusíte používať plynný hexafluorid uránu, hoci väčšina laserových procesov to robí. Ako zdroj uránu môžete použiť aj zliatinu uránu a železa, čo umožňuje proces laserovej separácie izotopov z atómových pár (AVLIS).


  • Extrakcia atómov uránu s excitovanými elektrónmi. Budú to atómy 235U.
  • Referencie