Obohacovanie jadrového paliva

Väčšina jadrových reaktorov vyžaduje palivo obsahujúce obohatený urán s koncentráciou štiepiteľného izotopu ²³⁵U na úrovni 3 až 5 %, zatiaľ čo v prírodnom uráne tvorí jeho obsah iba 0,7 %. Obohacovanie je fyzikálny, nie chemický proces. Je veľmi náročné z hľadiska spotreby energie aj času, pretože je potrebné oddeliť atómy, ktoré sa líšia hmotnosťou iba troch neutrónov. Kapacita zariadení na obohacovanie sa vyjadruje v jednotkách SWU (Separative Work Unit). Táto jednotka zohľadňuje množstvo spracovaného materiálu, dosiahnutý stupeň obohatenia aj množstvo uránu zostávajúceho v ochudobnenom zvyšku. Na výrobu jednej palivovej náplne je potrebných približne 140 000 SWU.

V minulosti sa obohacovanie plynnou difúziou využívalo vo Francúzsku, USA a Rusku. V súčasnosti je táto technológia takmer úplne nahradená obohacovaním pomocou plynových centrifúg, ktoré sa využíva nielen v týchto troch krajinách, ale aj vo Veľkej Británii, Holandsku, Nemecku, Japonsku a inde vo svete.

 

Vedeli ste, že...?

Na vinutia elektromagnetov kalutrónov bolo pre projekt Manhattan zapožičaných 13 300 ton striebra zo štátnych rezerv USA.

 

Kalutrón

Pôvodnú metódu obohacovania vyvinul Ernest O. Lawrence (1901 – 1958). Je založená na princípe hmotnostného spektrometra. Vo vnútri kalutrónu sa ióny skúmaného materiálu pohybujú v magnetickom poli, ktoré zakrivuje ich dráhy do kružníc. Priemer týchto kružníc závisí od elektrického náboja a hmotnosti iónov. V prípade uránu sa dráhy oboch izotopov nepatrne líšia, takže dopadajú na odlišné miesta. Na oddelenie izotopu ²³⁵U preto stačí na miesto zodpovedajúce jeho dráhe umiestniť vhodný zberný prvok.

Plynná difúzia

Plynný hexafluorid uránu sa pod tlakom prepúšťa cez polopriepustnú membránu. Izotop ²³⁵U je o niečo ľahší, a preto cez membránu prechádza o niečo ľahšie než izotop ²³⁸U. Na dosiahnutie požadovanej koncentrácie 3 až 4 % je potrebných približne 1 400 cyklov. Väčšina zariadení využívajúcich túto technológiu sa v súčasnosti odstavuje z prevádzky. Očakáva sa, že počas nasledujúcich približne dvadsiatich rokov budú úplne vyradené a nahradené plynovými centrifúgami.

Vedeli ste, že...?

Všetky dnes používané technológie na obohacovanie uránu boli vyvinuté už v 40. rokoch 20. storočia počas projektu Manhattan.

 

Centrifúgy

Po roku 1960 zaznamenala technológia plynových centrifúg výrazný rozvoj. Centrifúga má tvar úzkeho valca s výškou 3 až 5 metrov a priemerom približne 20 cm. Do centrifúgy sa privádza plynný hexafluorid uránu a po roztočení na 50 000 až 70 000 otáčok za minútu odstredivá sila vytláča ťažší izotop ²³⁸U smerom k stenám valca, zatiaľ čo ľahší izotop ²³⁵U zostáva bližšie k jeho osi.

Keďže sa spodná časť centrifúgy zahrieva, plyn vo vnútri prúdi smerom nahor. Obohatená zložka sa odoberá a privádza do ďalšieho stupňa obohacovania. Vďaka tomu môžu centrifúgy pracovať nepretržite. Na dosiahnutie požadovaného stupňa obohatenia je potrebných približne 10 až 20 cyklov.

Laserová excitácia

V roku 1970 sa vo Francúzsku začal vývoj technológií na separáciu izotopov pomocou laserov. Postupne sa skúmalo viacero metód, z ktorých sa zachovala iba austrálska technológia SILEX (Separation of Isotopes by Laser Excitation). Pri tejto metóde sa para uránu ožaruje presne naladeným laserom, ktorý ionizuje iba izotop ²³⁵U. Kladne nabité ióny uránu sa následne zachytávajú na záporne nabitej elektróde. Táto technológia spotrebúva podstatne menej energie, a preto je lacnejšia než ostatné súčasné metódy obohacovania. Odhaduje sa, že môže byť až dvadsaťkrát účinnejšia než obohacovanie pomocou centrifúg.

 

Vedeli ste, že...?

Separácia izotopov pomocou laserovej excitácie sa môže využívať aj na obohacovanie uhlíka alebo kremíka. Niektoré izotopy týchto prvkov sú nevyhnutné pri výrobe polovodičových súčiastok alebo na produkciu izotopu kyslíka ¹⁸O, ktorý sa používa pri výrobe rádiofarmák pre pozitrónovú emisnú tomografiu (PET).