Jaderná fyzika a energetika

Článků v rubrice: 552

Jak se obohacuje jaderné palivo

Pro energetické využití se ve většině světových jaderných reaktorů obvykle používá uran obsahující okolo 3 až 4 % izotopu 235U. Jak to ale udělat, když přírodní uran obsahuje 99,3 % izotopu 238U a z hlediska chemického chování jsou oba izotopy prakticky totožné? Naštěstí existují technologické postupy obohacování uranu založené na rozdílných fyzikálních vlastnostech izotopů.

Fotogalerie (4)
V novém obohacovacím závodě bude sedm milionů takovýchto trubic – centrifug. Jsou asi 3 m dlouhé a mají průměr 15 cm.

Přírodní uran existoval již při vzniku Země. Na počátku, zhruba před 4,5 miliardou let, měl vysoký obsah izotopu 235U – byl tedy „vysoce obohacený“. Během času se nestabilní izotopy podle zákona radioaktivní přeměny rozpadají (přeměňují) a izotop 235U, který má ve srovnání s izotopem 238U poločas rozpadu přibližně sedmkrát kratší, se stal vzácnějším. Dnes obsahuje přírodní uran izotopu 235U pouze 0,7 %.
Obohacení jaderného paliva o izotop 235U je důležité pro řízenou štěpnou reakci v nejběžnějších lehkovodních reaktorech. Pomocí zpomalených neutronů je štěpitelný právě izotop 235U. Existují i reaktory využívající přírodní uran, neobohacený, ale ty musejí používat jako moderátor tzv. těžkou vodu (D2O). S obyčejnou (lehkou) vodou H2O se při použití přírodního uranu reaktor vůbec nerozběhne. Při vlastním provozu reaktoru je mimořádně důležitá celková bilance neutronů; ta je mnohem lepší, pokud se pro reaktor použije obohacené palivo. Lehká voda jako moderátor je také mnohem levnější a dostupnější.
Výsledkem obohacování jaderného paliva je uran, který obsahuje více izotopu 235U než uran přírodní. Takto obohacené palivo umožňuje nejen s reaktorem pracovat na potřebném výkonu, ale i po dostatečně dlouhou dobu. Při provozu reaktoru se izotop 235U spotřebovává, postupně „vyhořívá“.

Jak se to dělá

Nejpoužívanější metody obohacování jsou difúze a odstředivková metoda, popř. kombinace těchto metod. Obě využívají nepatrný rozdíl v hmotnostech obou sledovaných izotopů uranu. Obohacovací proces je energeticky i časově velice náročný a vyžaduje vyspělou technologii. Největší obohacovací závody využívající plynné difúze jsou ve Francii a v USA, centrifugy se využívají v Rusku, Číně, Velké Británii, Nizozemí, Německu. Menší obohacovací závody jsou i v Jižní Africe, Pakistánu a v Japonsku. Já jsem měla možnost navštívit provoz Eurodif francouzské firmy Areva (dříve Cogema) v údolí Rhôny v jižní Francii a ráda se s vámi o své zážitky podělím.

Difúze

Uran je nejprve přeměněn na plynný hexafluorid UF6, který je pod tlakem protlačován keramickými porézními přepážkami v mnohastupňových difúzních kaskádách. Molekuly hexafluoridu s izotopem 235U jsou lehčí a tedy oproti molekulám s izotopem 238U nepatrně „hbitější“, takže procházejí o něco málo rychleji. Aby ve výsledném produktu byl více zastoupen izotop 235U, je třeba proces tisíckrát opakovat.
Hlavním ekonomickým problémem metody je mimořádná energetická náročnost – proces probíhá za vysokých teplot, kompresory protlačující plyn membránami spotřebují mnoho energie. Pro představu: vedle rozsáhlého francouzského závodu Eurodif (zaujímá 600 hektarů) stojí jaderná elektrárna Tricastin. Tři ze čtyř jejích tisícimegawattových bloků vyrábějí energii jen pro obohacovací závod Eurodif. Přesto se to vyplatí – obohacený uran je báječným vývozním artiklem. Spolupráce Tricastinu a obohacovacího závodu zároveň působí jako vítaný regulátor spotřeby v síti – je-li elektřiny nadbytek, pracuje Eurodif. Je-li elektřiny nedostatek, difúzní kolony se zastaví a elektrárna dodává do veřejné sítě.

Centrifugace

Pro druhou metodu se uran rovněž převádí na plynný UF6. V odstředivkách (centrifugách) při vysokých otáčkách se pak molekuly s těžším izotopem 238U hromadí na okrajích a ve středu centrifug zůstávají převážně molekuly s izotopem 235U.

Tento systém pracuje s 50krát menší spotřebou energie než difúzní systémy a jeho účinnost je závislá především na rychlosti otáčení centrifugy. Pro dělení izotopů uranu se tento systém zavedl v 70. letech 20. století. Dříve se obvykle používaly rotačky s ocelovými lopatkami, dosahujícími rychlosti kolem 330 m/s (rychlost zvuku), v současné době se prosazují materiály z uhlíkových vláken s rychlostí 600 m/s a teoretické možnosti využití vlastností Kevlaru dávají předpoklad dosáhnout až 1 100 m/s. Pro potřebné obohacení je nezbytné použití kaskád několika desítek tisíc kusů odstředivek. V lokalitě Eurodif se vedle provozu s difúzními kolonami staví moderní provoz Georges Besse II, v němž po dokončení bude pracovat sedm milionů odstředivek. (Georges Besse byl v sedmdesátých letech prezidentem Eurodif a byl zavražděn aktivisty). Byla jsem jedním z posledních návštěvníků staveniště – brzy se haly uzavřou, protože montáž odstředivek je tajná.

Areva je jedním ze čtyř největších dodavatelů obohaceného uranu na světě a ovládá více než 25 % trhu. Odpadní teplo z provozů Eurodif se využívá pro vytápění.

Marie Dufková
Poslat odkaz na článek

Opište prosím text z obrázku

Nejnovější články

Biotechnologie a umělá inteligence proměňují zdravotnictví

Technologický pokrok přináší revoluci ve zdravotnictví, zlepšuje přístup pacientů k personalizované péči a zajišťuje, aby lékaři dodržovali pokyny založené na důkazech.

Potlesk pro „vynálezce“ tokamaku JET Paul-Henri Rebuta

Vedle „otců“ fúzního zařízení tokamaku Igora Tamma a Andreje Sacharova byl v historii fúze ještě další okamžik, kdy jednomu jedinému člověku mohla být udělena cena za nejlepší ...

Přeměna uhelné elektrárny na nízkoemisní teplárnu

Moravskoslezský kraj je z hlediska energetických záměrů jedním z nejvýznamnějších v Česku. Do roku 2040 plánuje například ČEZ v kraji investovat desítky miliard korun, v první ...

Zdá se, že antigravitace neexistuje

Nový výzkum antihmoty dává Albertu Einsteinovi opět za pravdu. 27. září 2023 oznámil mezinárodní tým fyziků zásadní zjištění: zdá se, že antihmota ...

I antihmota se chová jako částice i vlna

Fyzici již dlouho vědí, že téměř vše – světlo a další formy energie, ale také každý atom ve vašem těle – se chová z klasického hlediska i jako částice, i jako ...

Nejnovější video

Jak funguje PCR test na coronavirus

Krásně a jednoduše vysvětleno se srozumitelnými animacemi. V angličtině.

close
detail