Kdo se bojí obohacování uranu

Společnost Global Laser Enrichment požádala Americký jaderný regulační úřad (US Nuclear Regulatory Commission) o svolení začít provozovat závod na obohacování uranu, který by používal technologii Silex. Tato metoda využívající laserové excitace by mohla být až dvacetkrát účinnější než technologie založená na centrifugách a přispěla by ke zlevnění jaderného paliva. Zatímco pro někoho je to dobrá zpráva, začaly se ozývat i hlasy žádající zákaz této technologie a zastavení jakéhokoliv zlepšování obohacovacích technologií vůbec. Kupodivu se nejedná o hlasy fanatických ekoteroristů, ale seriózních vědců.

Na počátku byl uran
Běžné lehkovodní jaderné reaktory potřebují palivo obsahující 3–5 % štěpitelného uranu ²³⁵U. Protože v těžené rudě je tohoto izotopu málo, pouhých 0,7%, je třeba v průběhu výroby jaderného paliva množství klíčového izotopu zvýšit a vytvořit tak obohacený uran. To není ani zdaleka jednoduchá záležitost, protože se od sebe musí oddělit atomy, které se liší pouze hmotností tří neutronů. Obohacovací technologie jsou velmi energeticky náročné a procházejí neustálým vývojem, který má obohacování uranu zefektivnit.

Kapacita obohacovacího závodu se udává v Separative Work Units (SWU). Tyto jednotky udávají, kolik materiálu bylo zpracováno, na kolik procent byl obohacen výsledek a kolik uranu zbylo v odpadu. Například, na výrobu 10 kilogramů uranu obohaceného na 4,5 % ze sta kilogramů přírodního uranu potřebujeme okolo 61 SWU. Na výrobu paliva pro jeden lehkovodní reaktor je třeba cca 140 000 SWU. Potřebné množství závisí na ceně SWU a ceně přírodního uranu. Chceme-li ušetřit SWU, musíme zpracovat větší množství rudy, je-li naopak drahá uranová ruda, nezbývá než investovat do SWU a cena SWU se odvíjí od energetické náročnosti obohacovací technologie.

Co by Popelka nezvládla
Separace izotopů je proces fyzikální (naprosto stejný, jako prováděla Popelka s hrachem a čočkou, jen v tomto případě přebíráme atomy), nikoliv chemický. Pokusy s chemickou separací izotopů se zatím nikdy nedostaly z laboratoří do výroby. Nejsnáze se separují atomy v plynném stavu, proto je třeba pevnou uranovou rudu (většinou oxid uranu U₃O₈) převést na plynnou sloučeninu. K tomuto účelu se nejčastěji používá fluorid uranový neboli hexafluorid uranu UF6 technicky zvaný prostě hex. Této sloučenině stačí teploty jen trochu vyšší než pokojové, tak aby se stala plynnou. Má však tu nepříjemnou vlastnost, že reaguje s vodou a je korozivní pro většinu kovových materiálů. Vnitřní konstrukční prvky obohacovacího zařízení tak musí být z niklu nebo austenitické nerez oceli a musí být neustále hlídána těsnost všech komponent.

Postupy na obohacování uranu se začaly vyvíjet spolu s pracemi na jaderné bombě. Již tehdy spatřily světlo světa všechny dodnes používané technologie. První prakticky zvládnutý byl calutron, následovaly plynná difuze a centrifugové obohacování.

Calutron
V rámci projektu Manhattan, jehož výstupem byla kromě prvního jaderného milíře i hirošimská bomba, bylo vyvinuto obohacovací zařízení zvané calutron. Jeho tvůrce E. Lawrence vyšel z principu hmotnostního spektrometru. V něm ionty zkoumaného materiálu procházejí magnetickým polem, které zakřivuje dráhy jejich pohybu do kružnic. Poloměr kružnice závisí na podílu náboje a hmotnosti iontu. V případě uranu se tedy dráhy obou izotopů od sebe poněkud liší a ionty dopadají na různá místa. Do oblasti, kde končí dráha ²³⁵U, pak stačí instalovat vhodné sběrné zařízení a separace je hotova. Samozřejmě, že to není tak snadné, jak by se mohlo zdát, a celý proces je navíc velmi energeticky náročný.

Calutrony projektu Manhattan spotřebovaly spoustu mědi na vinutí elektromagnetů Té bylo ale ve válečných časech nedostatek. Řešení bylo značně neobvyklé: Místo mědi bylo výzkumníkům ze státního pokladu zapůjčeno 13 300 tun stříbra. A co je ještě neobvyklejší, všechno bylo nakonec vráceno.

Plynná difuze
Rozvíjející se jaderná energetika potřebovala levnější zdroj obohaceného uranu, než jakým byl calutron. Stala se jím technologie plynné difuze, ve které je plynný hex protlačován přes polopropustnou membránu. Izotopy ²³⁵U jsou o něco lehčí a tak jich na druhou stranu membrány projde o trochu více. Tím se stane plyn za membránu obohacenější, zatímco před membránou je trochu ochuzenější. Aby se dosáhlo požadované koncentrace, je třeba okolo 1400 cyklů. Plynná difuze vyžaduje na jednu SWU cca 2500 kWh. Většina závodů pracujících na tomto principu dožívá a předpokládá se, že budou v následujících dvaceti letech všechny uzavřeny. Nástupcem této technologie se staly centrifugy.

Centrifugové obohacování
Přestože se jedná o velmi jednoduchý princip, nebylo zvládnutí této technologie zcela snadné a centrifugy zažily rozmach až po roce 1960. Jedna centrifuga vypadá jako úzký válec vysoký 3 až 5 metrů o průměru pouhých 20 centimetrů. Do něj se vžene plynný hexafluorid uranu. Když se plyn roztočí rychlostí 50 až 70 tisíc otáček za minutu, dostane se odstředivou silou ke stěnám více těžšího uranu 238U, zatímco lehčí ²³⁵U se soustředí spíše ve středu válce. Dno centrifugy se zahřívá, takže plyn stoupá vzhůru, kde může být jeho obohacená část odsáta a použita jako vstup do dalšího cyklu. Centrifugy tak mohou pracovat kontinuálně. Celý proces vyžaduje okolo 10 až 20 cyklů, aby se dosáhlo potřebného obohacení, přičemž jeho účinnost je 50–60 kWh na SWU.

Silex
Vývoj laserové separace izotopů zahájili v roce 1970 Francouzi. Různé směry výzkumu však byly postupně zastaveny, až nakonec zbyl jen australský Silex. Tato zkratka znamená Separation of Isotopes by Laser Excitation, separace izotopů pomocí laserové excitace. Přesný postup a parametry jsou předmětem utajení. Do uranových par se střílí velmi přesně vyladěným laserem, který dokáže ionizovat pouze ²³⁵U. Kladně nabité ionty uranu jsou pak sbírány na záporně nabitou elektrodu. Tento postup je daleko méně energeticky a tedy i finančně náročný než dosavadní obohacovací technologie. Předpokládá se, že by mohl být až dvacetkrát účinnější než centrifugové obohacování. Navíc se dá použít i k obohacování uhlíku nebo křemíku, kde jsou určité izotopy potřebné pro rozvoj polovodičových technologií, nebo pro získávání kyslíku 18O pro pozitronovou emisní tomografii. Technologie už byla úspěšně odzkoušena a nyní čeká na své uvedení do praxe.

Proč jim to tedy nepovolit?
Jaderná energetika je právě na počátku svého druhého boomu. Každá výhoda, která zlevní a zefektivní výrobu paliva bude znamenat nesporné plus. Minus se skrývá právě v samotné existenci obohacovacích závodů. Jakmile jednou máte příslušnou technologii, není důvod při obohacování zastavit na 5 %, která jsou optimální pro jaderné elektrárny, a prostým zvýšením počtu cyklů lze získat třeba uran obohacený na 90 %, což je bohužel optimální koncentrace pro jaderné bomby. Právě zneužití technologie Silex pro výrobu jaderných zbraní je oním velkým rizikem, před kterým vědci varují.

Obohacovací závod v chaloupce u lesa
Některé méně vyspělé státy by nesmírně rády získaly jadernou zbraň. Státy vyspělejší (které už jaderné zbraně mají) se jim v tom nejrůznějšími způsoby snaží zabránit. Například přísnou kontrolou rizikových technologií či satelitní špionáží. Závod na obohacování uranu je obrovský komplex s výraznou tepelnou stopou a s vysokou spotřebou energie, takže se jen velmi těžko ukrývá. Ovšem čím efektivnější technologie, tím menší továrna a menší spotřeba energie. Předpokládá se, že obohacovací závod pracující na principu Silex by na satelitních snímcích nemusel být větší než nákupní středisko – stal by se tedy současnými prostředky prakticky neodhalitelným.

Obavy panují i přesto, že není zcela jisté, zda touto technologií půjde obohacovat uran až na 90 % a stavba pečlivě vyladěného laseru je daleko obtížnější než konstrukce centrifugy. Je otázkou, zda nakonec zvítězí touha po levnější jaderné energii nebo obavy z nukleárního konfliktu. Můžeme ale zakazovat vývoj nějaké technologie jenom proto, že by mohla být zneužita? Oheň je přeci také velmi nebezpečná záležitost a skoro určitě se už v pravěku vyskytly opice říkající, že s těmi hořícími klacky bude lepší si nezahrávat...

Zdroj: Nature, Vol 464, 4 March 2010, str. 32-33

O veškerém celosvětovém nakládání s uranem
http://www.world-nuclear.org/info/inf28.htm

Co je Silex
http://www.silex.com.au/s03_about_silex/s30_1_content.html

V Třípólu jsme o obohacování uranu psali:
http://www.3pol.cz/cz/rubriky/jaderna-energetika/579-jak-se-obohacuje-jaderne-palivo