Konwersja i wzbogacanie uranu

Żeby móc wyprodukować paliwo do reaktora trzeba podnieść zawartość procentową U-235(nie dotyczyło to pierwszych reaktorów CANDU) w wytworzonym tlenku uranu. Rozszczepialny izotop U-235 stanowi tylko 0,7% we wstępnie przerobionej rudzie (reszta to nierozszczepialny U-238), natomiast po przeprowadzeniu wzbogacania będzie stanowił 3-5% (oczywiście można wzbogacać uran nawet do 100%, jednak dla celów energetyki jądrowej wystarczy jedynie 3-5%).

KONWERSJA

Najpierw uran łączy się z fluorem w sześciofluorek uranu UF₆, który jest gazem - proces ten nazywamy konwersją, ponieważ konwertujemy uran z postaci U₃O₈ do UF₆.

Zakłady konwersji Blind River w Ontario w Kanadzie, należące do firmy Cameco (fot. Cameco)

WZBOGACANIE

Następnie przeprowadza się właściwy proces wzbogacania, najczęściej metodą dyfuzyjną lub wirówkową. Po tym procesie uran nadal znajduje się w gazowej postaci UF₆.

Metoda dyfuzji gazowej polega na przepuszczaniu UF₆ przez specjalne membrany z malutkimi porami. Atomy U-235 są lżejsze i przechodzą przez membrany szybciej i częściej niż cięższe atomy U-238. W rezultacie otrzymujemy lekko wzbogacony UF₆. Całą sekwencję powtarza się ok. 1500 razy, żeby otrzymać gaz wzbogacony do wartości 3-5%. Taka instalacja nazywana jest kaskadą. Wzbogacanie metodą dyfuzyjną jest bardzo energochłonne i mało wydajne dlatego technologia ta jest stopniowo wycofywana. Jest to jedna z najstarszych metod wzbogacania izotopowego. W 2007 r. metodą dyfuzji wzbogacono 25% UF₆. Do 2017 r. metoda ta będzie wycofana (zgodnie z prognozami WNA).

Należące do koncernu EdF zakłady wzbogacania uranu metodą dyfuzji gazowej w Tricastin we Francji (fot. Areva)

 

Metoda wirówkowa polega na wpuszczaniu UF₆do specjalnych wirówek.

Wirnik w postaci próżniowego cylindra o bardzo wytrzymałym korpusie, osadzony jest na łożyskach i napędzany silnikiem elektrycznym do wysokich obrotów: od 50000 obr./min. do70000 obr/min. Długość wynosi od 1 m do 2 m, a średnica - od 15 cm do20 cm. Sześciofluorek uranu doprowadza się do środka wirnika, gdzie uzyskuje prędkość wirowania bliską prędkości obrotowej wirnika. Pod wpływem siły odśrodkowej cięższe cząsteczki (238UF6) dążą w kierunku korpusu, a lżejsze (235UF6) gromadzą się wokół osi. Ten początkowy efekt rozdzielenia w kierunku promieniowym, zostaje następnie wzmocniony przez konwekcję wywołaną różnicą temperatury wzdłuż osi wirnika. Powstałe siły , tysiąckrotnie większe od sił pola grawitacyjnego, stwarzają gradient ciśnienia wzdłuż promienia .

Pod wpływem różnicy ciśnień między wejściem gazu a wyjściami frakcji zubożonej i wzbogaconej, sześciofluorek uranu jest wtłaczany do zewnętrznego systemu rurociągów. Nie jest do tego potrzebna ani sprężarka, ani pompa. Dzięki temu zapotrzebowanie na energię jest znacznie mniejsze , niż w procesie dyfuzji gazowej.

Wartość zużywanej energii na jednostkę pracy potrzebnej do rozdzielenia jest wyrażana w kilogramach - siły; w jęz. ang.: "separative work unit - kGSWU". O ile w procesie dyfuzji gazowej zużycie energii wynosi 2500 kWh/kGSWU, to w nowoczesnych zakładach wzbogacania opartych na pracy wirówek, osiąga się 40 kWh/kGSWU, tj. prawie o 98 % mniej.

Rozwój wydajniejszych wirówek zależy od zwiększenia wytrzymałości materiałów przeznaczonych na konstrukcje korpusów oraz od rozwiązania problemów dynamiki długich wirników.

Jednym z ważniejszych - a zarazem trudniejszych do wykonania - systemów technicznych zakładu wzbogacania opartego na wirówkach, jest system zasilania energią elektryczną. Problem polega na tym, że prąd zmienny pobierany z sieci o częstotliwości 50 Hz, lub 60 Hz trzeba zamienić na prąd o częstotliwości znacznie większej, zazwyczaj o wartości 600 Hz, gdyż obroty silnika napędzającego wirnik wirówki są proporcjonalne do częstotliwości prądu. Przetwornica częstotliwości musi spełniać wysokie wymagania odnośnie do niskiej zawartości harmonicznych i precyzyjnej regulacji częstotliwości.

Wysokie wymagania stawia się również konstrukcji korpusu, który w przypadku pojawienia się w nim - powstałych wskutek uszkodzenia - cięższych fragmentów, powinien móc je zatrzymać w swej przestrzeni. W przeciwnym bowiem razie, wskutek "efektu domina" mogą ulec zniszczeniu sąsiednie wirówki.

Wprawdzie pojemność pojedynczej wirówki jest znacznie mniejsza niż pojedynczego stopnia dyfuzji gazowej, to jednak jej wydajność znacznie przewyższa urządzenia do dyfuzji. Podobnie jak w przypadku tych ostatnich, zakład wzbogacania oparty na wirówkach pracuje kaskadowo. Każdy stopień zawiera wielką liczbę wirówek połączonych w układ równoległy, w którym frakcja z uranem wzbogaconym zasila następną wirówkę, a z uranem zubożonym jest kierowana z powrotem do poprzedniej. Liczba stopni waha się w przedziale od 10 do 20, natomiast w zakładzie dyfuzji sięga nawet ponad tysiąc.*

Kaskada wirówek w zakładzie wzbogacania uranu metodą wirówkową w Gronau w Niemczech, należącym do firmy Urenco (fot. Urenco).

W 2007 r. metodą wirówkową wzbogacono 65% UF6, a w 2017 r. będzie to już 96% (zgodnie z prognozami WNA).

Istnieją jeszcze inne metody wzbogacania (np. kilka metod laserowych), które w przyszłości będą miały zapewne duże znaczenie. Obecnie są one w fazie testów.


Największe zakłady wzbogacania znajdują się we Francji, Niemczech, Japonii, USA, Rosji i Chinach.

* Fragment o zasadzie działania wirówki (wraz z rysunkiem) pochodzi z artykułu dr. Jerzego Kubowskiego "Wirówka do wzbogacania uranu" (http://www.ekologika.pl/modules.php?name=Content&pa=showpage&pid=5). Zamieszczone za uprzejmą zgodą autora.