Transcript 21. Obogaćivanje urana laserom

Prirodni uran sadrži: - 0,0055 % atoma 234U,
- 99,275 % atoma 238U i
- 0,720 % atoma 235U.
Težinski to predstavlja 0,711 % 235U.
S obzirom na malu zastupljenost fisibilnog izotopa 235U
prirodni uran kao gorivo mogu koristiti teškovodni i
grafitom moderirani reaktori dok lakovodni reaktori
zahtijevaju obogaćen uran.
Obogaćenje za lakovodne reaktore varira od nešto manje
od 2 % do maksimalno dozvoljenih 5 % (težinskih) 235U.
Obogaćenje u podmorničkim reaktorima, a naročito u
nuklearnom oružju je veće.
Osim obogaćenog urana u procesu obogaćivanja nastaje i
osiromašeni uran gdje je težinski udio 235U obično između
0,20 % i 0,35 %.
Manji težinski udio 235U u osiromašenom uranu znači manju
upotrebu prirodnog urana, ali i veće troškove obogaćenja
i obrnuto.
Obogaćenje urana moguće je sljedećim
metodama:
difuzijska metoda,
2. metoda centrifuga - aerodinamički
procesi
3. elektromagnetska separacija - lasersko
obogaćenje.
1.
Difuzijska metoda je prva metoda korištena za
dobivanje obogaćenog urana, a temelji se
na pojavi da prolaz plina kroz membranu ovisi
o brzini molekula plina .
Zbog toga se U3O8 najprije prevodi u UF6 koji se
zagrijavanjem dovodi u plinovito stanje te
nakon toga pod tlakom propušta kroz seriju
poroznih membrana.
S obzirom da je molekula s 235U lakša od one s 238U,
giba se brže i ima veću vjerojatnost prolaska
kroz pore membrane.
UF6 koji difuzijom prođe kroz membranu, ima veći
postotak 235U i slabo je obogaćen, a dio koji
nije prošao ima manje obogaćenje nego na
početku.
Proces se ponavlja više puta u seriji difuzijskih
komora zvanih kaskada.
Svaka komora sadržava kompresor, difuzor te
izmjenjivač topline.
Obogaćeni UF6 vadi se na jednom kraju kaskade,
a osiromašeni na drugom.
Oko 1400 komora je potrebno da se dobije
koncentracija 235U između 3 % i 4 %.
Difuzijska metoda ima izuzetno veliku potrošnju
energije od oko 2500 kWh/SWU gdje je SWU
oznaka za jedinicu separacijskog rada.
Metoda centrifuga koristi veliki broj
serijski i paralelno spojenih
rotirajućih cilindara.
Cilindri, promjera 15 – 20 cm i visine do
2 m, rotiraju do 70000 okr/min.
Molekule UF6 s 238U zbog toga se
pomiču dalje od osi rotacije, a
lakše molekule UF6 koncentriraju
se bliže osi rotacije.
Iako je kapacitet pojedine centrifuge
manji nego difuzijske komore,
njena sposobnost separacije je
puno veća.
Centrifuge se kao, kao i difuzijske
komore, spajaju kaskadno, ali je
broj jedinica u kaskadi manji i
iznosi 10 – 20.
Specifičan utrošak energije kod
plinskih centrifuga iznosi 50
kWh/SWU.
Laserska se metoda temelji na
selektivnom pobuđivanju
atoma ili molekula urana
laserskim zračenjem nakon
čega se pobuđeni atomi
odvajaju električkim ili
magnetskim poljima.
Laserska metoda
obogaćivanja ima manju
potrošnju energije,
proizvodi manje otpada i
efikasnija je je od difuzijske i
metode centrifuga.
Međutim, dio se procesa
odvija u vakuumu.
Dva tehnološka diva, GE i Hitachi, odlučila su
se udružiti kako bi postali „začetnici velike
nuklearne renesanse“.
Naime, ta dva poduzeća sklopila su savez
2007. i pokrenula projekt pilot-postrojenja za
obogaćivanje urana laserom s ciljem da
pokrenu globalno širenje nuklearne
energije.
No, regulatorne agencije su se zabrinule
zbog tog projekta jer smatraju da bi on
mogao krenuti u krivom smjeru i dovesti do
širenja proizvodnje nuklearnog oružja.
Ako bude odobreno, pilot postrojenje će
biti prvi veliki pokušaj iskorištenja fotona
za odvajanje izotopa U-235 iz bogatijeg,
ali ne-fizibilnog izotopa U-238
pronađenog u prirodnom uranu.
Stručnjaci smatraju da je laser, općenito
kao objekt, veličinom manji i ima puno
niže energetske potrebe od postojećih
postrojenja za obogaćivanje.
Te značajke su izvrsne u vidu poboljšanja
ekonomije nuklearnih elektrana.
Što se tiče prijašnjih pokušaja brojnih inženjera
i fizičara u ostvarenju navedenog projekta,
kod svih se javlja ista, odnosno slična priča –
svi obično tvrde kako su bili na rubu uspjeha
kada su njihovi projekti bili prekinuti. No
zajedničko svima njima je bio i način na koji
su taj projekt planirali ostvariti.
Naime, svi ti programi su koristili jedinstvene
frekvencije na kojoj atomi i molekule
vibriraju. Laser koji je podešen na točno
određenu vibracijsku frekvenciju atoma U235 ili pak molekule koja sadrži izotop U-235
može izazvati da se isti ponašaju drugačije
od težih U-238.
U ovom pilot – projektu, obogaćivanje urana
započinje miješanjem plinovitog uranovog
heksafluorida (svaki atom urana okružen sa šest
atoma fluora) s inertnim plinom kako bi se uran
razrijedio. Plin se zatim hladi i struji kroz mlaznice
nadzvučnom brzinom. Svjetlosne zrake iz lasera
prodiru u plin uzrokujući vibracijsku energiju u
molekulama U-235 stvarajući kemijske veze.
Viša vibracijska energija uzrokuje da svaka
molekula U-235 brže reagira s trećom česticom
u struji plina. U jednoj verziji procesa, nova
molekula se formira oko U-235. Vijek nove
molekule prije raspada je manji od jedne
mikrosekunde, a molekula U-235 proizišlu silu iz
tog procesa potiskuje na rubove struje.
Najvažniji čimbenik u cijelom tom
procesu je brzina pulsa kojeg
emitira laser.
Svaki puls koji izazove laser mora
sadržavati oko 1 J energije i mora
biti ponovljen dovoljno brzo kako
bi mogao razotkriti što je moguće
više plina. U slučaju da puls kojeg
emitira laser nije dovoljno brz,
dodaje se još lasera.
No koliko god se zagovaratelji ovakvog načina obogaćivanja
urana trudili ukazati na dobre strane ovog projekta, mnogo je
više činjenica koje dokazuju suprotno.
Tijekom samog projekta dolazi do mnogo tehničkih i ekonomskih
poteškoća, a da se i ne govori o tome kakve bi sve
posljedice mogle nastati kada bi ovakvo postrojenje u krivim
rukama postalo osnova za proizvodnju nuklearnog oružja.
Iako je činjenica da je jedan ovakav projekt od izuzetne važnosti
za napredak u razvoju znanosti i tehnologije, ipak se postavlja
pitanje je li vrijedno tolikog rizika u globalnom razmjeru.
Jer kao što još “davne” 1977. izjavio Krass, fizičar State
Departmenta:
„Bilo bi pogrešno podcjenjivati velike želje znanstvenika da se
postigne nešto „tehnički slatko“... i brinuti o posljedicama
kasnije.“