Obohacování jaderného paliva

28. leden 2009 | 06.00 |

obohacovani1obohacovani2

Jako palivo lehkovodních reaktorů atomové elektrárny slouží často uran. Ne ledajaký, ale obohacený. Technologie obohacování patří mezi strategické činnosti a zvládá ji v plném rozsahu jen několik průmyslově vyspělých států.

Uran se v přírodě vyskytuje v různých izotopech. Přírodní uran existoval již při vzniku Země. Asi před 4,5 miliardou let, měl vysoký obsah izotopu U235 – byl tedy "vysoce obohacený". Během času se nestabilní izotopy podle zákona radioaktivní přeměny rozpadají (přeměňují) a izotop U235, který má ve srovnání s izotopem U238 poločas rozpadu přibližně 7x kratší, se stal vzácnějším. Dnes obsahuje přírodní uran  pouze 0,73 % izotopu U235.

K výrobě paliva pro jaderné reaktory se obvykle používá uran, obsahující kolem 3 – 4 %  izotopu U235. Ruské typy jaderných reaktorů využívají jaderné palivo s následujícím obohacením U235: VVER: 1,6-5 %;  RBMK-1000 a EGP-6: okolo 3 %; BN-600 - do 27 %. Při výrobě jaderné zbraně je toto obohacení naprosto nedostatečné. Minimální nutný obsah U235 zde činí přibližně 90 %, obvykle se však pro konstrukci atomové bomby využívá uran s ještě vyšším stupněm obohacení.

Oddělení hlavních izotopů uranu – U235 a U238 je obtížnou záležitostí. Chemikové dokonce považují oba tyto izotopy za prakticky identické a dají se oddělit pouze fyzikálními metodami za pomoci moderních technologií. Výsledkem obohacování jaderného paliva je uran, který obsahuje více izotopu U235 než uran přírodní. Takto obohacené palivo umožňuje nejen s reaktorem pracovat na potřebném výkonu, ale i po dostatečně dlouhou dobu. Při provozu reaktoru se izotop U235 spotřebovává, postupně "vyhořívá".

Nejpoužívanější metody obohacování jsou difúze a odstředivková metoda, popř.

kombinace těchto metod. Obě využívají nepatrný rozdíl v hmotnostech obou sledovaných izotopů uranu. Obohacovací proces je energeticky i časově velice náročný a vyžaduje vyspělou technologii. Největší obohacovací závody využívající plynné difúze jsou ve Francii a v USA, centrifugy se využívají v Rusku, Číně, Velké Británii, Nizozemí, Německu. Menší obohacovací závody jsou i v Jižní Africe, Pakistánu a v Japonsku.

Popis jednotlivých metod:

Difúze
Uran je nejprve přeměněn na plynný hexafluorid UF6, který je pod tlakem protlačován keramickými porézními přepážkami v mnohastupňových difúzních kaskádách. Molekuly hexafluoridu s izotopem U235 jsou lehčí a tedy oproti molekulám s izotopem U238 nepatrně pohyblivější, takže procházejí o něco málo rychleji. Aby ve výsledném produktu byl více zastoupen izotop U235, je třeba proces asi 1000x opakovat. Tato metoda je mimořádně energeticky náročná – proces probíhá za vysokých teplot, kompresory protlačující plyn membránami spotřebují mnoho energie. Tato technika byla také použita například pro přípravu štěpného materiálu pro výrobu první atomové bomby na světě v USA.

Centrifugace
Pro druhou metodu se uran rovněž převádí na plynný UF6. V odstředivkách (centrifugách) při vysokých otáčkách se pak molekuly s těžším izotopem U238 hromadí na okrajích a ve středu centrifug zůstávají převážně molekuly s izotopem U235. Tento systém pracuje s 50x menší spotřebou energie než difúzní systémy a jeho účinnost je závislá především na rychlosti otáčení centrifugy. Pro dělení izotopů uranu se tento systém zavedl v 70. letech 20. století. Dříve se obvykle používaly rotačky s ocelovými lopatkami, dosahujícími rychlosti kolem 330 m/s (rychlost zvuku), v současné době se prosazují materiály z uhlíkových vláken s rychlostí 600 m/s a teoretické možnosti využití vlastností Kevlaru dávají předpoklad dosáhnout až 1 100 m/s. Pro potřebné obohacení je nezbytné použití kaskád několika desítek tisíc kusů odstředivek. Centrifugy se slučují do stupňů (paralelně, pro zvýšení produkce) a do kaskád (sériově, pro zvýšení stupně obohacení). Například v Rusku  ve 4 obohacovacích závodech (Uralský elektrochemický závod, Novosibiřský chemický závod, Angarský elektroktrolýzově-chemický závod a Elektrochemický závod) jsou do takovýchto technologických celků zapojeny desítky až stovky tisíc separátorů.

Elektromagnetická separace
Technické zařízení pro elektromagnetickou separaci se nazývá calutron a jde vlastně o zvětšenou verzi hmotnostního spektrometru. Letící elektricky nabité ionty separovaného materiálu jsou zde oddělovány působením magnetického pole, které zakřivuje jejich dráhu podle hmotnosti příslušné částice. Zařízení poskytuje vynikající separační schopnosti, avšak jeho praktická účinnost je velmi nízká. Je schopno pracovat pouze s velmi nízkými koncentracemi dělených iontů, z nichž je ještě značná část ztracena uvnitř dělicího bloku. Výsledně je pak spotřeba energie, nutná pro výrobu jednotkového množství obohaceného uranu, vyšší než u méně účinných separačních technik, které však vykazují mnohem nižší energetickou náročnost.

Ionizace laserem
Princip metody spočívá ve skutečnosti, že velmi jemně naladěný laser může svým zářením excitovat pouze plynné atomy jednoho izotopu děleného prvku, zatímco zbývající izotopy zůstávají v základním stavu. Ionizované izotopy potom lze oddělit elektromagneticky nebo po reakci s nějakou chemickou látkou.Tato teoreticky perspektivní technika je v současné době testována pouze v laboratorním měřítku a nikdy nebyla použita pro skutečnou separaci izotopů uranu v makroměřítku. Základním problémem je přitom skutečnost, že energetické rozdíly potřebné pro vybuzení dvou podobných izotopů jednoho prvku jsou velmi malé a je technicky obtížné vyladit laser do takového stavu, aby excitoval přednostně pouze vybraný izotop.

Zpět na hlavní stranu blogu

Hodnocení

1 · 2 · 3 · 4 · 5
známka: 1.41 (17x)
známkování jako ve škole: 1 = nejlepší, 5 = nejhorší

Související články

žádné články nebyly nenalezeny

Komentáře

RE: Obohacování jaderného paliva jan Šlezingr 06. 05. 2009 - 14:31
RE(2x): Obohacování jaderného paliva fyzmatik 06. 05. 2009 - 21:11
RE(3x): Obohacování jaderného paliva osvoboditel 18. 11. 2011 - 12:20