Těžba a zpracování uranu: Část 2

Článek navazuje na předchozí díl, který se zabývá těžbou a úpravou uranové rudy před obohacovacím procesem.

Obohacování uranu

Palivo využívané v jaderném reaktoru musí obsahovat vyšší koncentraci izotopu U235, než kolik se ho nachází ve vytěžené rudě. Obohacené palivo se zvýšenou koncentrací U235 se používá v nejběžnějších reaktorech typu PWR (VVER) a BWR. Během štěpení, se jádro atomu rozdělí za současného uvolnění tepelné energie a neutronů (v případě U235 v průměru 2-3 neutrony na štěpení). Za vhodných podmínek neutrony vzniklé z rozštěpeného jádra interagují s dalšími atomy ve své blízkosti a zapříčiní jejich štěpení. Při dostatečném množství produkovaných neutronů (v reaktoru dochází ke ztrátě neutronů např. záchytem, únikem apod.) vznikne nepřetržitá štěpná řetězová reakce. Tepelná energie produkovaná kontrolovanou řetězovou reakcí uvnitř jaderného reaktoru, může být poté využívána k výrobě elektrické energie. Energetické tlakovodní reaktory používají palivo, které je obohacené na úroveň 3-5 % podílu izotopu U235 (přírodní uran obsahuje 0,7 % izotopu U235).

Zpracovatelské závody přemění uranový koncentrát s vysokým podílem oxidu uranu (U3O8 – tzv. „žlutý koláč“) do chemické sloučeniny hexafluoridu uranu (UF6), která je plynná. Uran se ve formě UF6 používá ze dvou hlavních příčin:

1. Prvek fluoru má pouze jeden přirozeně se vyskytující izotop, což je při obohacovacím procesu výhodou (při separaci U235 od U238 fluor neovlivňuje hmotnostní rozdíl)
2. UF6 sublimuje při 56,5 °C a při obohacování uranu je v plynné formě

V současnosti je na světě přebytek obohacovacích kapacit. Nejoblíbenější metodou obohacování uranu je plynová odstředivka. Jaderné palivo v současnosti obohacuje celkem 13 států. Téměř 90 % světové produkce probíhá na území sedmi hlavních zemí (Rusko, Francie, Čína, USA, Velká Británie, Německo, Nizozemí). Mezi další obohacovatele patří například Indie, Irán, nebo Severní Korea.

Metody obohacování uranu

• Elektromagnetická separace
• Plynná difúze
• Plynová centrifuga
• Laserová separace

Elektromagnetická separace

Mezi první snahy o obohacování uranu patří metoda elektromagnetické separace, využívající hmotnostní spektrometry. Metoda byla vyvinuta ve čtyřicátých letech minulého století jako součást Projektu Manhattan pro vysoceobohacený uran použitý v Hirošimské bombě. Brzy na to však byla opuštěna. Nicméně se poté objevila jako způsob tajného Iráckého programu obohacování uranu pro jaderné zbraně odhaleného v roce 1992. Metoda elektromagnetické separace izotopů využívá podobný princip jako hmotnostní spektrometr (byť v mnohem větším měřítku). Ionty uranu 238 a uranu 235 mohou být od sebe odděleny, neboť při pohybu magnetickým polem opisují obloukové dráhy různých poloměrů. Tento proces je asi desetkrát energeticky náročnější než plynná difúze.

Plynná difúze

Plynná difuze byla první komerčně využívanou metodou obohacování uranu na území Spojených států. Zařízení založená na tomto principu spotřebovávala obrovské množství elektrické energie a nyní se již považují za zastaralá. Celosvětově byla všechna zařízení nahrazena druhou generací této technologie, která má mnohem nižší elektrickou spotřebu při zachování stejného množství separovaného uranu. I tato zařízení jsou však již nyní nahrazována.

Technologický proces

Při obohacování pomocí plynové difuze je plyn hexafluoridu uranu hnán kompresory skrz trubičky na speciální bariérové filtry či porézní membrány. Otvory v membránách nebo filtrech jsou právě tak velké, aby se přes ně dostaly molekuly UF6 s uranovými izotopy U235, U238, atd., jak ukazuje následující diagram. Molekuly s izotopem U235 jsou oproti těm s U238 lehčí, pohybují se rychleji a mají tak větší šanci projít membránou dříve. Jedna takováto bariéra by však nestačila, proto je těchto bariér za sebou umístěno několik stovek až tisíc. Proces „cedění“ se opakuje, dokud není počet izotopů U235 dostatečně vysoký pro použití v jaderném palivu. Na závěr procesu je obohacený plyn UF6 vypuštěn z potrubí, nechá se zkondenzovat do kapalné formy a je uskladněn. Před převozem obohaceného UF6 se ponechá vychladnout a ztuhnout.

Starší zařízení

Obohacovací závody na principu plynové difuze byly provozovány v USA (Paducah v Kentucky, Piketon, v Ohiu a Oak Ridge v Tennessee). Americká vláda pronajala zařízení Piketon a Paducah společnosti United states Enrichment Corporation (USEC) od března 1997. Oba obohacovací závody byly využívány pro komerční účely za dohledu Nukleární regulační komise (NRC). V současnosti jsou již odstaveny a dojde k jejích vyřazení.

V průběhu provozu je na každém zařízení trvale inspektor NRC. Současný stav vyřazení zařízení Portsmouth a Paducah z provozu lze nalézt na stránkách Energy.gov. V obou místech se v posledních letech provádějí exkurze pro veřejnost. Závod v Oak Ridge byl vždy provozován v kompetenci Amerického ministerstva energetiky.

Plynové odstředivky

Obohacování pomocí plynových odstředivek je proces, který se v současnosti používá nejčastěji, protože spotřebuje při svém provozu mnohem méně elektrické energie (zhruba 2% toho co závody na principu plynové difuze). Plyn UF6 je umístěn ve válci plynové odstředivky, která se otáčí vysokou rychlostí. Tato rotace vytváří intenzivní odstředivé síly, které způsobují pohyb těžších molekul plynu (U238) od středu válce k vnějším stěnám. Lehčí molekuly plynu (U235) se drží blíže středu. Z této oblasti bohaté na U235 jsou molekuly odčerpány a vloženy do další odstředivky na vyšší úrovni. Ochuzený plyn (s nižší koncentrací U235) je vložen zpět do odstředivky nižší úrovně.

Zařízení s plynovými odstředivkami obsahují dlouho řadu rotujících odstředivek. Tyto rotující válce jsou vzájemně propojené z obou stran do paralelního zapojení. Na konci celé série se nachází odběrný bod, kdy je UF6 obohacen U235 na požadovanou úroveň.

Laserová separace

Způsoby obohacování uranu pomocí laseru se vyznačují nižší elektrickou spotřebou i nižšími investičními náklady. Nejznámější jsou tři konkrétní typy, přičemž nejpokročilejší a v roce 2012 licencovaná metoda se nazývá SILEX.

Parní metoda separace izotopů (AVLIS) – využívá se speciálně konfigurovaných laserů, které oddělují požadované izotopy uranu při jejich ionizaci. Lasery jsou naladěny na frekvenci, při které ionizují pouze izotopy U235 a žádné jiné. Kladně nabité ionty jsou potom shromažďovány na záporně nabitou desku.

Molekulová separace izotopů (MLIS) – uran může být obohacen pomocí separace uranových izotopů laserem. Pomocí laserového paprsku je molekulám uranu 235 ve sloučenině UF6 předána energie, která způsobí jejich excitaci (fotoextcitace). První laser zvyšuje energii elektronů konkrétního izotopu, mění jeho vlastnosti a umožňuje tak oddělení. Druhý laser uvolňuje atom fluoru, čímž vznikne pentafluorid uranu (UF5), který se z plynu vysráží.

Obecně platí, že obohacovací proces zahrnuje použití tří hlavních systémů, mezi které patří laserová jednotka, optická soustava a separační linka. Laditelné lasery mohou být vyvinuty tak, aby vytvářely vysoce monochromatické světlo (tedy světlo konkrétní barvy). Paprsek z těchto laserů dokáže foto-ionizovat konkrétní typ izotopů, zatím co ostatní typy izotopů nijak neovlivňuje. Ovlivněný typ izotopů mění svou chemickou strukturu a umožňuje tak oddělení od ostatních izotopů. Vývoj technologie laserové separace pod Americkým ministerstvem energetiky používá kovovou slitinu uranu jako obohacovaný materiál, zatímco metoda Separace izotopů pomocí laserové excitace (SILEX) používá plynný UF6 jako obohacovaný materiál.

Na území Spojených států v současnosti není provozován žádný závod využívající laserovou separační metodu obohacování uranu. Dne 12. května 2012 schválila NRC licenční požadavek podaný společností GE – Hitachi na schválení výzkumu a vývoje spojeného s metodou laserového obohacování ve svém zařízení Global nuclear fuels-Americas ve Wilmingtonu. GE Hitachi vytvořila testovací cyklus pro ilustraci fungování metody laserové separace izotopů SILEX. V září roku 2012 byla zaměstnanci NRC vydána stavební a provozní licence pro toto zařízení. Nicméně v současnosti je výstavba pozastavena a další vývoj je zatím nejistý.

Zdroj úvodní fotografie: AREVA