Uraanin väkevöinti

Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun
Korkeaväkevöityä uraania kiekkona
Uraanin väkevöintiin käytettyjä kaasusentrifugeja. Piketon, Ohio, 1984.

Uraanin väkevöinti on uraanin isotooppirikastusta, jossa kasvatetaan rikasteessa olevan U-235:n osuutta suhteessa U-238:n osuuteen. Uraanirikastetta väkevöidään, jotta siitä saadaan ydinreaktoriin tai ydinaseeseen sopivaa ydinpolttoainetta. Väkevöintilaitosta ei pidä sekoittaa uraanirikastamoon, jossa tuotetaan kemiallisesti uraanipitoisesta malmista uraanirikastetta (U3O8, triuraanioktaoksidi, tunnetaan myös nimellä pikivälke), joka ei ilman väkevöintiä kelpaa ydinpolttoaineeksi useimpiin tavallisiin (kevytvesi)ydinreaktoreihin. Yleiskielessä väkevöinnistä puhutaan usein kuitenkin virheellisesti "rikastamisena".

Luonnossa esiintyvä uraani koostuu pääosin kahdesta isotoopista, jotka ovat, stabiilimpi ja huomattavasti yleisempi U-238, n. 99,27% ja epästabiilimpi ja huomattavasti harvinaisempi U-235, n. 0,72%. Vain luonnossa esintyvän uraanin U-235 isotooppi soveltuu perinteiseen kevytvesireaktorin fissiiliksi polttoaineeksi. U-238:aa on runsaasti rikastetussa polttoaineessa, kutakuinkin 97%, mutta se ei pääosin osallistu fissioon ja ei siten tuota energiaa perinteisessä kevytvesiydinreaktorissa. Näin ollen polttoaine voidaan luokitella käytetyksi, kun sen isotooppinen rikastusaste on laskenut reaktorissa kutakuinkin luonnossa esiintyvän uraanin tasolle, eli kun polttoaineessa olevan U-235 osuus on 0,72% kaikesta uraanista. Koska U-238 ei pääosin osallistu fissioon, polttoaineen massasta "häviää" (fissioituu tytärnuklideiksi ja energiaksi) vain erittäin pieni osa, alle 1%. Käytetyn polttoaineen massa on lähes sama kuin käyttämättömän, mikä tekee ydinreaktorin polttoainehyötysuhteesta massaan suhteutettuna erittäin huonon.

Uraanin väkevöinti on välttämätöntä uraanissa tapahtuvan ketjureaktion aikaansaamiseksi ja ylläpitämiseksi kannattavasti reaktorissa. Ydinreaktoriin soveltuvan ydinpolttoaineen väkevöintiaste, eli U-235 isotoopin osuus kaikesta uraanista, on noin 2–5 %, mikä on myös riittämätön ns. kriittisen massan saavuttamiseksi, täälläisessä reaktorissa ydinräjähdys on mahdoton.

Ydinaseeseen soveltuvan ydinpolttoaineen (tässä uraanin) isotooppinen väkevöintiaste on yli 90 %, jolloin kriittinen massa, hallitsematon ydinketjureaktio ja, hyötysuhteeltaan massaan nähden, riittävän voimakas ja todennäköinen ydinräjähdys voidaan saavuttaa. Liian pienellä rikastusasteella, kriittinen massa ja siten aseen koko ja hinta kasvaa todella progressiivisesti, vain pieni osa fissiilistä aineesta fissioituu lyhyeessä ajassa ja räjähdysteho jää pieneksi tai kasvaa riski, ettei räjähdystä (ydinketjureaktiota käynnisty) tapahdu lainkaan.

Yli 20 %:sti väkevöityä uraanipolttoainetta sanotaan korkea(isotooppi)rikasteiseksi uraaniksi eli HEU:ksi (Highly Enriched Uranium) ja alle 20 %:sta vastaavasti LEU:ksi (Low Enriched Uranium). Jotkut erikoisydinreaktorit, kuten raskaalla vedellä hidastettu CANDU, eivät tarvitse toimiakseen väkevöityä uraanipolttoainetta vaan pystyvät toimimaan väkevöimättömällä (isotooppirikastamattomalla) uraanirikasteella.

Uraanirikastetta (kemiallinen rikastus) väkevöidään (isotooppirikastus) kaasudiffuusio- tai kaasusentrifugi -menetelmillä. Prosessissa saadaan väkevöityä uraania, jossa U-235 pitoisuus on korkea ja köyhdytettyä uraania, jossa U-235-pitoisuus on matala. Köyhdytetyssä uraanissa on U-235-osuus tavallisesti alle 0,2 % (vast U-238 yli 99,8%). Pitoisuuden pienentyessä erotustyö suurenee, tehden yhä tarkemman erotuksen epätaloudelliseksi ja hankalaksi. Väkevöintiprosessin kannattavuus riippuu eriasteisen väkevöidyn uraanipolttoaineen ja köyhdytetyn uraanin, joka on väkevöintiprosessin sivutuote, arvoista uraanituotuotemarkkinoilla.

Uraanin väkevöintimenetelmät[1][muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Kaasudiffuusio[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Uraania väkevöidään muun muassa kaasudiffuusiomenetelmällä, jossa kaasumainen uraaniheksafluoridi nostetaan korkeaan paineeseen ja ohjataan ohuiden kalvojen rajaamaan tilaan. Kevyemmän U-235:n keskimääräinen nopeus on suurempi ja se menee helpommin kalvojen läpi. Tämän jälkeen väkevöitynyt kaasu nostetaan taas korkeaan paineeseen ja siirretään seuraavaan vaiheeseen. Kalvojen läpi menemättä jäänyt hieman köyhdytetty osa siirretään edelliseen vaiheeseen. Menetelmä on varsin tehoton ja vaatii huomattavan määrän vaiheita tuottaakseen riittävästi väkevöityä uraania. Uusia laitoksia ei enää rakenneta, mutta vanhoja käytetään edelleen.

Kaasusentrifugi[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Zippe-tyypin kaasusentrifugi

Kaasusentrifugimenetelmässä uraaniheksafluoridi laitetaan nopeasti pyörivän sylinterin sisälle, joka kerrostaa eri painoiset uraanin isotoopit hieman eri kohtiin sentrifugin sylinterin akselin ympärille. Menetelmä tehostuu lämmön aikaansaamasta vaikutuksesta ja sopivasta kohdasta otetaan väkevöitynyt osa kaasusta kaskadin seuraavaan vaiheeseen. Tarvitsee noin kuudeskymmenesosan siitä energiasta mitä kaasudiffuusiolla kuluu vastaavan väkevöintiastetta olevan määrän tuottamiseen. Yhden sentrifugin käsittelemä massavirta on pieni, joten niitä tarvitaan tuhansittain riittävän kapasiteetin aikaansaamiseksi.

Lasermenetelmät[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Lisäksi on kehitetty erilaisia laserväkevöintimenetelmiä, jotka eivät ole laajassa käytössä. AVLIS-menetelmässä (Atomic Vapor Laser Isotope Separation) uraani höyrystetään tyhjiöön elektronisuihkulla ja käytetty laser ionisoi vain toisen isotoopeista, joka saadaan erotettua sähkökentän avulla. Tätä menetelmää ei ole todettu kovin käytännölliseksi. Muitakin menetelmiä on kehitetty, joista SILEX voi edetä kaupalliseen mittakaavaan.[2]

Massaspektrometri[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Sähkömagneettinen menetelmä erottelee hiukkaskiihdyttimen avulla eri painoisia uraaniatomeja siten, että niiden liikeradat taipuvat eri tavoin magneettikentässä. Tällaisia massaspektrometriin perustuvia laitteita (engl. calutron) ei useinkaan käytetä niiden suuren energiankulutuksen takia. Tosin esimerkiksi toisessa maailmansodassa sitä käytettiin parempien menetelmien puuttuessa Yhdysvalloissa ja Irakin jo keskeytyneessä ydinohjelmassa.

Muut menetelmät[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Monia muitakin uraanin väkevöintimenetelmiä on kehitetty, kuten aerodynaaminen erotus, mutta ne on hylätty epäkäytännöllisinä tai epätaloudellisina.

Katso myös[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  1. Uranium Enrichment (2. Edition) Kesäkuu 2003. Urenco Deutschland GmbH. Viitattu 6.1.2008. en
  2. SILEX - Separation of Isotopes by Laser EXcitation (HTML) Silex Systems Limited. Viitattu 6.1.2008. en