Obohacení uranu

Obohacování uranu popisuje různé procesy používané ke zvýšení podílu izotopu ²³⁵ U v uranu . Přírodní uran se skládá z přibližně 99,27% z ²³⁸ U a 0,72% z ²³⁵ U. Uran obohacený různými úrovněmi ²³⁵ U se používá jako jaderné palivo pro jaderné reaktory a jaderné zbraně . Obohacování je odvětví ekonomiky uranu .

Postup

V zařízení na obohacování uranu je přírodní uran („ krmivo “) rozdělen na dvě frakce, z nichž jedna („ produkt “) má vyšší podíl ²³⁵ U než výchozí materiál, druhá („ zbytky “) nižší podíl . Práce prováděná separačním zařízením je vyjádřena v kilogramech dělicí práce uranu (kg UTA) nebo tunách dělicí práce uranu (t UTA). V anglické odborné literatuře je tato jednotka označována jako SWU ( Separative Work Unit ).

Běžné průmyslové procesy používají jako procesní médium hexafluorid uranu (UF ₆ ), jedinou chemickou sloučeninu uranu, která má dostatečnou těkavost pro separační proces při pokojové teplotě (přibližně 100 mbar tlak par při pokojové teplotě). Nejprve se žlutý koláč extrahuje z uranové rudy louhováním , směsí různých sloučenin uranu, zejména oxidů. Hexafluorid uranu se vyrábí ze žlutého koláče ( konverze uranu ) a zpracovává se pomocí procesu difúze plynu nebo plynových odstředivek.

Hexafluorid uranu je také velmi vhodný pro proces obohacování, protože fluor se v přírodě vyskytuje pouze jako čistý prvek ( izotop fluor -19). Hmotnost molekul UF _{6 se} proto liší pouze v důsledku různých hmotností izotopů uranu. Vzhledem k malé hmotnosti atomu fluoru je relativní hmotnostní rozdíl mezi molekulami UF ₆ stále kolem 0,85% ve srovnání s přibližně 1,3% relativním hmotnostním rozdílem mezi samotnými izotopy uranu:

${\ displaystyle 1 - {\ frac {6 \ cdot 19 \ \ mathrm {u} +235 \ \ mathrm {u}} {6 \ cdot 19 \ \ mathrm {u} +238 \ \ mathrm {u}}} \ přibližně 0 {,} 0085 = 0 {,} 85 \ \% \,.}$

Využití obohaceného uranu

²³⁵ U je - stejně jako některé jiné nuklidy s lichým počtem neutronů - relativně snadno štěpitelné tepelnými neutrony a je jediným známým přirozeně se vyskytujícím nuklidem, který je schopen řetězové reakce jaderného štěpení . I když lze přírodní uran použít také pro moderované reaktory s těžkou vodou a grafitem , běžnější lehkovodní reaktory musí být naplněny uranem, jehož obsah ²³⁵ U byl zvýšen alespoň na přibližně 3% - v praxi až na 5% . Uran s 20% nebo více ²³⁵ U se označuje jako vysoce obohacený uran („ HEU “ z angličtiny vysoce obohacený uran ) . U jaderných zbraní je vyžadováno velmi vysoké obohacení (obvykle nejméně 85%).

Využití ochuzeného uranu

Ochuzený uran se vyrábí jako vedlejší produkt procesu obohacování . Na každou tunu jaderného paliva obohaceného pro civilní účely se vyprodukuje přibližně 5,5 tun ochuzeného uranu s obsahem ²³⁵ U přibližně 0,3%. Díky své vysoké hustotě se používá v protizávažích pro křídla letadel a závodní jachty, stejně jako v uranové munici pro vojenské účely. Doposud bylo pro tyto účely použito pouze asi 5% nahromaděného ochuzeného uranu, zbytek je uložen. Hlavním zájmem o tento materiál, zejména ze strany Ruska , je jeho použití jako smíšeného materiálu („míchacího materiálu“) pro přeměnu vysoce obohaceného (vojenského) uranu na slabě obohacený (civilní) uran pro použití v lehkovodních reaktorech . Zde by měla být zmíněna zejména odzbrojovací kampaň podle dohody START II : „Megatony až megawatty“. Podle zákona pro atomovou energii ze dne na Spolkové republice Německo , ochuzeného uranu je cenným materiálem .

Vyhřívaná plynová odstředivka:
²³⁵ UF ₆ světle modrá,
²³⁸ UF ₆ tmavě modrá

Kaskáda plynových odstředivek pro obohacování uranu

Metody

Pokud jde o účinnost, obohacení pomocí plynových odstředivek je lepší než metoda difúze o faktor přibližně 10 a laserové obohacení o faktor přibližně 2 až 20.

Obohacování plynovými odstředivkami

Proces plynové odstředivky je nyní běžnějším procesem obohacování uranu na mezinárodním poli a mezitím předběhl difúzi plynu, pokud jde o jeho význam. Nejdůležitějšími důvody jsou podstatně nižší spotřeba energie (kolem 50 kWh na kg UTA; pro srovnání: difúzní separace až 2 500 kWh na kg UTA) a větší flexibilita při plánování kapacity.

V procesu plynové odstředivky je plynný hexafluorid uranu (UF ₆ ) přiváděn do vnitřku vertikálního válce, který se otáčí velmi rychle (> 60 000 / min) . Pod vlivem vysoké rychlosti a výsledné odstředivé síly závislé na hmotnosti se těžší molekuly ²³⁸ UF ₆ hromadí na vnitřní stěně válcového rotoru a lehčí molekuly ²³⁵ UF ₆ poblíž osy rotoru, takže lze izotopy odstranit odděleně.

Účinek separace je u moderních odstředivek zvýšen generováním axiálního cirkulujícího tepelného toku zahříváním spodní části a chlazení horní části odstředivky. Takové odstředivky jsou také známé jako protiproudé odstředivky . Největší rozdíl v hmotnosti mezi hmotnostním tokem obohaceným a ochuzeným o ²³⁵ U již není mezi osou a stěnou rotoru, ale mezi konci odstředivky. Obohacená lehká frakce („ Produkt “) se odstraní z horního (studeného) konce, vyčerpaná, těžší frakce („ Ocasy “) ze spodního (teplého) konce centrifugy.

Extrakční trubice pro obohacenou a ochuzenou frakci vyčnívají do oblasti rotujícího plynu na vnitřní stěně odstředivky a využívají tak dynamický tlak k transportu plynu v systému. Proces oddělování probíhá pod podtlakem, takže „ Produkt “ a „ Ocasy “ musí být před plněním do přepravních nebo skladovacích nádob přivedeny na normální tlak pomocí kompresorů a sublimátorů / desublimátorů.

Plynové odstředivky jsou obvykle spojeny v kaskádách s několika stovkami jednotlivých odstředivek, protože každá odstředivka může dosáhnout pouze omezeného výkonu a omezeného obohacení. Paralelní připojení odstředivek vede ke zvýšení propustnosti, zatímco obohacení se zvyšuje zapojením do série. Účinnost odstředivek může být zvýšena zvětšením délky trubice a zejména rychlosti otáčení; proto mají podlouhlý, válečkovitý tvar. U hliníkových slitin je dosaženo 400 m / s, u vysokopevnostních ocelí 500 m / s a ​​u materiálů vyztužených vlákny nad 700 m / s. Výkon separace je prakticky omezen materiálovými vlastnostmi rychle rotujícího rotoru a také technickými omezeními délky rotoru (výskyt nežádoucích přirozených vibrací).

Difúzní metody

U metody difúze plynu se nechá plynný hexafluorid uranu (UF ₆ ) difundovat porézní membránou . Hnací silou je zde tlakový rozdíl na obou stranách membrány. Molekuly obsahující lehčí izotop ²³⁵ U mají vyšší rychlost difúze než těžší, takže lehké izotopy se shromažďují v komoře za nízkého tlaku. V případě směsi izotopů uranu tedy tok plynu, který difunduje póry ve stěně („ produkt “), obsahuje o něco vyšší podíl izotopu ²³⁵ U než původní tok („nástřik“). Jeden separační stupeň má nízký separační faktor (koncentrační poměr ²³⁵ U v produktu a ocasy), maximálně 1,0035, ale vysoký výkon materiálu. Pro stupeň obohacení, který je dostatečný pro provoz lehkovodních reaktorů , je zapotřebí přibližně 1200 stupňů zapojených do série, které dohromady tvoří takzvanou „kaskádu“. Spotřeba energie je vysoká a činí přibližně 2300–2500 kWh na kg  separace uranu  (UTA). Hexafluorid uranu se používá, protože sublimuje při 56 ° C a protože fluor se skládá pouze z jednoho izotopu. Rozdíl v molekulové hmotnosti proto závisí pouze na izotopu uranu.

Schematické znázornění oddělování izotopů kalutronem : ²³⁵ U-iontů (tmavě modrá) je v magnetickém poli vychýleno o něco silněji než ²³⁸ U-iontů (světle modrá), na vychýleném paprsku je vytvořen koncentrační gradient (zde přehnaný)

Namísto tlakového rozdílu lze teplotní gradient použít také k oddělení izotopů pomocí difúze (viz tepelná difúze ). Tyto procesy však nehrají při obohacování uranu praktickou roli.

Elektromagnetické obohacení

Stejně jako v hmotnostním spektrometru , i v elektromagnetické separaci izotopů jsou atomy uranu nejprve ionizovány , poté zrychleny v elektrickém poli a poté odděleny v magnetickém poli podle různých hmotnostních čísel. Toto nastavení separace izotopů bylo použito ve druhé světové válce k výrobě obohaceného uranu pro první atomové bomby; systémy používané v té době se nazývaly calutrones .

Vzhledem k enormnímu úsilí již tento proces nemá pro výrobu obohaceného uranu žádný význam. Používá se však při výzkumu jiných separací izotopů, protože v ideálním případě lze detekovat jediný získaný atom izotopu.

Laserový proces

Laserový proces je založen na izotopovém posunu absorpčních spekter atomů a molekul. Jsou spektroskopické podmínky vhodné, tj. H. v případě, že absorpční čáry v izotopů nebo izotopových sloučeniny překrývají dostatečně malý, a pokud je k dispozici i laser vhodné vlnové délky a úzkém pásmu, izotop selektivní excitace je možné. Separace využívá skutečnosti, že se excitované druhy významně liší od neexcitovaných druhů, pokud jde o jejich fyzikální a chemické vlastnosti. Laserové procesy se vyznačují vysokou úrovní selektivity.

V zásadě lze rozlišit dva koncepty: fotoionizaci par uranu (atomový proces; AVLIS ) a fotodisociaci UF ₆ (molekulární proces; MLIS ). Teoreticky laserový proces umožňuje separaci izotopů v jediném kroku. V praxi počet požadovaných stupňů závisí na tom, do jaké míry lze dosáhnout ideálních podmínek.

V atomovém procesu jsou atomy izotopové směsi selektivně ionizovány. Po ionizaci jednoho izotopu ( ²³⁵ U) jej lze snadno oddělit od neionizovaných atomů druhého izotopu ( ²³⁸ U) zrychlením v elektrickém poli.

V procesu SILEX , který byl vyvinut v 70. letech, by molekuly plynného hexafluoridu uranu obsahujícího ²³⁵ U měly být selektivně excitovány prvním laserem ( např. Laserem s oxidem uhličitým stabilizovaný na frekvenci ), než je atom fluoru odštěpen druhým laser. Výsledná pevná látka ²³⁵ UF ₅ může být snadno odfiltrována z plynu.

Po počáteční euforii o výhodách těchto procesů oproti běžným zavedeným procesům obohacování se lidé stali skeptičtí ohledně jejich průmyslové proveditelnosti. Většina zemí z této technologie ustoupila, protože technické problémy (např. Koroze na zařízení) se zdály nepřekonatelné.

Mezitím však došlo k vývoji ve velkém měřítku uplatnění tohoto procesu.Například v blízkosti Wilmingtonu v Severní Karolíně se v současné době staví závod, který obohatí uran pomocí laserové separace izotopů od roku 2013. Kritici před ním varují, protože usnadňuje výrobu jaderných zbraní a snižuje její ovladatelnost.

Proces oddělování trysek

Proces separační trysky byl také vyvinut v Německu na konci 80. let . Zde dochází k segregaci izotopů uranu v důsledku různých odstředivých sil v rychlém zakřiveném toku. V roce 1975 přijala Brazílie tento proces jako součást německo-brazilské dohody o jaderné energii za účelem zpracování svých velkých ložisek uranu; plánované systémy však nebyly implementovány. Jednou z výhod metody separační trysky bylo: zajistit, aby nepodléhala žádným omezením důvěrnosti. Republika Jižní Afrika prakticky použit oddělovací metodu trysky před rokem 1990, protože embargo vůči zemi znamenalo, že pouze technologie by mohla být použita, které by mohly být použity bez velkých potíží (bez zachování důvěrnosti omezení ze strany Spolkové republiky Německo ). Byla přijata vysoká spotřeba energie.

Kapacita obohacování

Difúzní zařízení mají stále největší podíl na celkové akumulační kapacitě instalovaný na celém světě . Podíl výroby odstředivkových systémů se však zvyšuje v důsledku technické dominance pokročilých plynových odstředivek. Ve Francii bude stávající systém difúze plynu (Georges Besse I) brzy nahrazen moderním systémem odstředivek (Georges Besse II). V USA jsou plánovány dva nové odstředivkové závody.

Letecký pohled na závod na obohacování uranu v Paducahu

Celkové množství vysoce obohaceného uranu na celém světě v roce 2010 bylo přibližně 1580 tun. Velké závody mají roční kapacitu v řádu několika 1000 t UTA.

Následující tabulka poskytuje přehled nejdůležitějších stávajících elektráren (s kapacitami nad 100 t UTA / a):

Důležitost obohacování uranu pro konstrukci jaderných zbraní

Obohacování uranu je jedním ze dvou způsobů výroby jaderných zbraní. Druhým způsobem je inkubovat plutonium v jaderném reaktoru a pak oddělit jej od jaderného paliva podle nové zpracování .

Má-li zbraň dosáhnout vysoké výbušné síly, tj. Má-li to strategický vojenský význam , musí být v obou případech přítomen příslušný izotop, ²³⁵ U nebo ²³⁹ Pu, v téměř čisté formě. Pro jaderné zbraně s nižší účinností, ale které z. B. by bylo pro teroristické skupiny dostatečně zajímavé, stačí méně čistý ²³⁵ U nebo ²³⁹ Pu.

Konvenční chemická technologie tryskání potřebná k zapálení jaderné zbraně je pro uran méně náročná než pro plutonium (viz technologie jaderných zbraní ). Kvůli nižšímu záření se uranová bomba snáze skladuje a snáze se s ní manipuluje než s plutoniovou bombou.

Zařízení na obohacování uranu vyžaduje pro stavbu a provoz alespoň srovnatelnou technologickou úroveň jako zařízení na přepracování. Jednoduše řečeno, musí dodávat kilogramy s vysokým obohacením pro účely vojenských zbraní, zatímco pro reaktory pro dodávky energie musí dodávat tuny s nízkým obohacením. V případě technologie plynových odstředivek lze skutečnost, že se systém používá pouze pro druhý účel, zajistit pouze neustálými nebo dostatečně častými kontrolami, protože takový systém lze v zásadě převést z jednoho na druhý změnou potrubí spojení mezi odstředivkami.

V srpnu 2005 se globální veřejnost zabývala Íránem a kontroverzním zahájením jeho „jaderného komplexu“ v Natans v provincii Isfahán . Tam se obohacování uranu provádí ve srovnatelně malém měřítku; dosažený stupeň obohacení zdaleka není odolný proti bombám. Írán se domáhá svého práva na obohacování pro účely zásobování civilní energií. Jak je však popsáno, zvládnutí technologie plynové odstředivky pro obohacování představuje zásadní krok na cestě k jaderné energii.V únoru 2010 pak prezident Mahmud Ahmadineschad prohlásil, že uran bude obohacen až o 20%.

webové odkazy

• Forschungszentrum Jülich - bezpečnostní výzkum a technologie reaktorů v Ústavu pro energetický výzkum s informační knihovnou o jaderné energii
• Výzkumné centrum Karlsruhe - technologie jaderné bezpečnosti a jaderná fúze v oblasti výzkumu energie sdružení Helmholtz s historickými údaji o obohacování uranu a lexikonem o jaderné energii
• Virtuální prohlídka procesu obohacování - web společnosti Urenco

Individuální důkazy

1. ↑ Zastavte obohacování laserem uranem (Nature 464, 32-33, 4. března 2010)
2. ↑ Prezentace na Sněmovny reprezentantů Stálého výboru pro průmysl a zdroje ( Memento v původním datem 16.února 2011 v Internet Archive ) Info: archiv odkaz se automaticky vloží a dosud nebyl zkontrolován. Zkontrolujte prosím původní a archivovaný odkaz podle pokynů a poté toto oznámení odstraňte. (pdf, Global SILEX Systems Limited, 9. února 2006) @ 1@ 2Šablona: Webachiv / IABot / www.silex.com.au
3. ↑ Obohacení uranu
4. ↑ JW Eerkens: Spektrální úvahy při laserové separaci izotopů hexafluoridu uranu , in: Applied Physics , 10/1976, str. 15-31; doi : 10,1007 / BF00929525 .
5. ^ Levné palivo pro jaderné elektrárny , Die Zeit , 13. června 1975, č. 25.
6. ↑ Obohacení uranu laserem - Nový systém má poskytnout 42 milionům domácností v USA kompaktnější, rychlejší a levnější elektřinu. In: Welt am Sonntag . ze dne 28. srpna 2011.
7. ↑ PhysikKonkret No. 11, březen 2012: SILEX Nebezpečí obohacování uranu ( Memento v originálu od 24. července 2013 do internetového archivu ) Info: archiv odkaz se automaticky vloží a dosud nebyl zkontrolován. Zkontrolujte prosím původní a archivovaný odkaz podle pokynů a poté toto oznámení odstraňte. @ 1@ 2Šablona: Webachiv / IABot / www.dpg-physik.de
8. ↑ Falešné ponaučení ze studené války . In: Technology Review ze dne 4. ledna 2012.
9. ↑ Zpráva o australské televizi z 1. srpna 2013, přístup k 2. srpna 2013 (v angličtině)
10. ^ Atomový summit ve Washingtonu, článek Der Spiegel, 12. dubna 2010
11. ↑ Urenco Německo | Urenco. Citováno 14. prosince 2019 . 
12. ↑ Informace pro veřejnost v souladu s vyhláškou o radiační ochraně a vyhláškou o nebezpečných událostech. 6. Opakujte informace. urenco, duben 2019, přístup 14. prosince 2019 . 
13. ↑ Urenco-UK-Capenhurst ( Memento na originálu z 19. ledna 2012 v Internet Archive ) Info: archiv odkaz se automaticky vloží a dosud nebyl zkontrolován. Zkontrolujte prosím původní a archivovaný odkaz podle pokynů a poté toto oznámení odstraňte. @ 1@ 2Šablona: Webachiv / IABot / www.urenco.com
14. ↑ Urenco NL Almelo ( Memento v původním datem 10.12.2008 v Internet Archive ) Info: archiv odkaz se automaticky vloží a dosud nebyl zkontrolován. Zkontrolujte prosím původní a archivovaný odkaz podle pokynů a poté toto oznámení odstraňte. @ 1@ 2Šablona: Webachiv / IABot / www.urenco.com