OBOGAĆIVANJE URANA LASEROM

1. OBOGAĆIVANJE URANA LASEROM Katica Pećarić N3349

2. Proizvodnja energije iz prirodnog urana

3. Prirodni uran 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.

4. Jedna od mogućih shema obogaćivanja urana

5. Obogaćivanje prirodnog urana Obogaćenje urana moguće je sljedećim metodama: • difuzijska metoda, • metoda centrifuga - aerodinamički procesi • elektromagnetska separacija - lasersko obogaćenje.

6. 1. Difuzijska metoda 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.

7. 2. Metoda centrifuga 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.

8. 3. Laserska metoda 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.

9. Pilot – projekt obogaćenja urana laserom 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.

10. 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.

11. 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 U-235 ili pak molekule koja sadrži izotop U-235 može izazvati da se isti ponašaju drugačije od težih U-238.

12. 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.

13. 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.

14. 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.“