Seminar pri predmetu Seminar 1a:

BOGATITEV URANA Z METODO LISAvtor: Klemen Ambrožič

Mentor: Dr. Iztok Tiselj

Ljubljana, 7.11.2012

Povzetek

Bogatenje urana za proizvodnjo električne energije že vrsto desetletij poteka na principu majhne masnerazlike med izotopi. Ti procesi porabijo veliko električne energije in jih moramo zaradi majhnega bogatitve-nega faktorja velikokrat, tudi več stokrat, ponoviti. To vpliva tudi na samo velikost bogatitvenega obrata.Izkaže pa se, da obstajajo tudi druge metode.

Izkoriščanje različnih fizikalnih lastnosti posameznih izotopov, predvsem razlike v ionizacijski energijo, soza bogatitev urana so prvič začeli raziskovati leta 1920. Ker so razlike v vzbuditvenih energijah posameznihizotopov zelo majhne, potrebujemo za proces monokromatsko svetlobo. Šele v novejšem času, z razvojemlaserjev, ki oddajajo svetlobo pri pravih valovnih dolžinah, je to mogoče. Predvsem gre tu za barvilne (dye)laserske sisteme, ki nam omogočajo natančno nastavljanje valovne dolžine in njeno širino.

Z laserskimi selektivno vzbudimo le en izotop urana, torej 235U, ter mu spremenimo fizikalne lastnosti.Po vzbuditvi ga lahko z raznimi kemijskimi in fizikalnimi procesi ločimo od ostalega urana. Tako dobimoobogaten uran, ki ga lahko uporabimo kot gorivo za proizvodnjo električne energije.

1

KazaloUvod 3

Model spremembe ionizacijske energije 3Razlika zaradi končne mase jedra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3Razlika zaradi končnega volumna jedra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4Primerjava modelov . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

LIS metoda 5Pogoji za izvedbo LIS metode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5Prednosti uporabe LIS metod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6Prednosti metode U-LIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

AVLIS 7Metoda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7Oprema, razvita posebej za AVLIS metodo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8Glavni podsistemi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

Separatorki sistemi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8Lasereski sistemi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

U-AVLIS po svetu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9U-AVLIS v ZDA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9U-AVLIS v Franciji . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

Nevarnosti in odprta vprašanja U-AVLIS metod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

MLIS 10Nevarnosti in odprta vprašanja U-MLIS metod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12U-MLIS po svetu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

U-MLIS v ZDA in Avstraliji . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13U-MLIS na Japonskem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

Zaključek 13

Viri 14

2

UVODBogatenje urana je proces, kjer bi radi povečali delež izotopa urana 235U za uporabo v jedrskih reaktorjih.Večina današnjih procesov temelji na majhni razliki mase med posameznimi izotopi urana. Ker pa so simase urana precej podobne, so procesi, ki delujejo na tem principu strašansko neučinkoviti. Alternativatemu je, da poiščemo neko drugo fizikalno razliko med posameznimi izotopi, seveda pri večji ekonomskiupravičljivosti.

Izkaže se, da tudi nekatere druge lastnosti posameznih izotopov snovi malenkostno razlikujejo. Tu pred-vsem mislimo na spremembo ionizacijske energije izotopov ter spremembo rotacijskih in vibracijskih stanj vmolekuli, kjer je vezan določen izotop. Če takim atomom ali molekulam dodamo točno specifično energijo,se bodo njihove fizikalne lastnosti spremenile, tako da jih lahko z relativno preprostimi postopki ločimo.Ponavadi energijo dodamo z fotonom laserske svetlobe. Laserki sistemi za takšen tip ločevanja, morajo imetizelo natančno nastavljivo valovno dolžino in zelo ozko valovno širino, saj so energijske razlike pri prehodihmed stanji za različne izotope silovito majhne.

Najprej si bomo pogledali, kakšni so prispevki spremembe ionizacijske energije pri različnih izotopih,kateri so glavni prispevki, in ocenili velikostni red spremembe energije. Za spremembo lastnih vibracijskihin rotacijskih energij, si v prvem približku lahko izračunamo lastna stanja in energije z modelom kroglic navzmeteh, kjer spreminjamo centralni izotop atoma, torej njegovo maso. Če vzbujamo rotacijska in vibracijskastanja, lahko molekula razpade v neko drugo, ki pa ima spet drugačne kemijske in fizikalne lastnosti.

Nato si bomo pogledali, kakšni tipi sistemov se uporabljajo po svetu. Celotni družini sistemov, ki zaločevanje izotopov izkoriščajo lasersko svetlobo, rečemo LIS (Laser Isotope Separation). Ti se delijo gledena to, ali izkoriščajo razliko v ionizacijski energiji posameznih izotopov: AVLIS- Atomic Vapor LIS, ali parazliko med lastnimi rotacijskimi in vibracijskimi energijami molekul, kjer je izbrani izotop vezan v molekuloz elementom, ki ima le en izotop ( ponavadi F): MLIS-Molecule LIS. Pri tem si bomo tudi pogledali posebnelaserske in separacijske sisteme, ter preučili prednosti in slabosti posameznih metod.

MODEL SPREMEMBE IONIZACIJSKE ENERGIJEV osnovnih enačbah za izračun ionizacijske energije, smo jemali, da deluje med jedrom in elektronom samoelektrostatska sila, ter da je jedro točkasto. V resnici tudi masa jedra vpliva na obnašanje elektrona. Tose opazi predvsem pri lažjih elementih. Pri težjih elementih pa se pozna predvsem prispevek končnegavolumna jedra, za razliko od računa za točkasto jedro. Poglejmo si, kakšne razlike ionizacijskih energijdobimo v posameznem režimu. Natančnejšo razlago lahko najdemo v [1].

RAZLIKA ZARADI KONČNE MASE JEDRAImamo jedro s končno maso M in N elektronov z maso m. Kinetična energija takega sistema se glasi:

T =1

2Mp2

nuc +1

2m

N

∑i=1

p2i

kjer sta pnuc in pi gibalni količini jedra in i-tega elektrona. Ker je navzven skupna gibalna količina enaka 0,dobimo relacijo:

pnuc +N

∑i=1

pi = 0

T =1

2µ

N

∑i=1

p2i +1

M ∑i, j

pi p j

3

kjer je µ = mM/(m+M). Vidimo, da sprememba mase spremeni kinetični del Hamiltoniana na dva na-čina, z reducirano maso v prvem delu in z drugim delom, kjer pa je prispevek zelo majhen, in ga v našempribližku zanemarimo.

Če poznamo ionizacijske energije I0 v približku točkastega jedra, lahko izračunamo razliko ionizacijskeenergije:

4I = I0

(m

M1− m

M2

)

RAZLIKA ZARADI KONČNEGA VOLUMNA JEDRAJedro ima končen volumen, kar povzroči odmik od vrednosti, izračunanih po predpostavki točkastega jedra.Ta vpliv predvsem spremeni energije najbolj notranjih, s-elektronov, za katere gostota verjetnosti v točkir = 0 ni 0. Poskusimo izračunati razliko energij od približka točkastega jedra:

4E =−e0

ˆ (ϕ− Ze0

r

)ψ2dV

kjer je ψ valovna funkcija elektrona. Sicer bi morali ta integral izračunati po celotnem volumnu. V re-snici pa je

(ϕ− Ze0

r

)različen od 0 samo v jedru. Po drugi strani pa se vrednost valovne funkcije ob r → 0

približa končni vrednosti. Torej lahko vzamemo ψ2 in ga nadomestimo z ψ2(r = 0). Na tem mestu naredimotransformacijo integrala:

4E =−e0ψ2(0)

ˆ (ϕ(r)− Ze

r

)dV =−1

6e0ψ

2(0)

ˆ (ϕ(r)− Ze

r

)42rdV =−1

6e0ψ

2(0)

ˆ4(

ϕ(r)− Zer

)r2dV

Velja da r4(1r

)= −4πδ(r) in r2δ(r) = 0. Poissonova neenačba za električno polje da rezultat 4ϕ = −4πρ,

kjer je ρ gostota naboja v jedru. Tako dobimo:

4E =2π

3ψ2(0)Ze20r2

r2 =1

Ze0

ˆρr2dV

Če predpostavimo,da je naboj v jedru enakomerno porazdeljen, dobimo r2 = 35R2, kjer je R geometrični

radij jedra. Dobimo torej razliko ionizacijskih energij:

E2−E1 =2π

3ψ2(0)Ze20(r

22− r21)

Predpostavili smo, da to velja za notranje atome. Edina analitična valovna funkcija, ki jo lahko zapišemo,je za vodikov atom. V resnici je to zelo grob približek, saj smo tu popolnoma zanemarili zunanje atome, kijih notranji odbijajo, tako da so njihove valovne funkcije blizu jedra ∼ 0. Ker pa gledamo samo s elektrone,torej vpliv ocenimo navzgor. Zapišimo torej funkcijo, za izračun:

ψn,0(0) =1√4π

(Za0

)3/2 2

n√

n

kjer je a0 = 5.29 ·10−cm Bohrov radij.Vemo, da je volumen jedra sorazmeren z številom nukleonov, in velja R j = 1.5 ·10−13 ·M1/3cm. a koncu

dobimo enačbo:

I2− I1 =−4

5

Z4e20n32a0

(R22

a20

− R21

a20

)=−0.874

Z4

n3

(M2/3

2 −M2/31

)·10−8eV

4

PRIMERJAVA MODELOV:Na tabeli 1 si poglejmo primerjavo računskih modelov in izračunano razliko ionizacijskih energij. Kot re-čeno, masni efekt bolj vpliva na lahke izotope, volumski efekt pa na težje izotope. Te izračunane razlikesicer upoštevajo le ta dva, sicer najbolj močna efekta spremembe ionizacijske energije. Ker ne upoštevajovseh, nam služijo bolj kot ocena velikostnega reda razlike ionizacijskih energij. Prave vrednosti pridobimoeksperimentalno.

Tabela 1: Tabela izračunanih sprememb ionizacijskih energij za nekatere elemente [1].I0[eV] M2−M1 masni efekt I2− I1[eV] volumski efekt I2− I1[eV]

Li 5.390 7-6 +7.0 ·10−5 −3.2 ·10−8

Be 9.320 10-9 +5.6 ·10−5 −8.8 ·10−8

Na 5.138 23-22 +5.5 ·10−6 −1.1 ·10−6

Mg 7.644 25-24 +6.9 ·10−6 −1.5 ·10−6

K 4.339 41-39 +2.9 ·10−6 −6.9 ·10−6

Ca 6.111 41-40 +2.0 ·10−6 −4.2 ·10−6

Rb 4.176 87-85 +6.1 ·10−7 −4.0 ·10−5

Sr 5.692 87-86 +4.1 ·10−7 −2.2 ·10−5

Cs 3.893 134-133 +1.2 ·10−7 −4.8 ·10−5

Ba 5.210 138-137 +1.5 ·10−7 −5.1 ·10−5

LIS METODEKot rečeno so LIS (lasersko ločevanje izotopov) metode ločevanja izotopov s pomočjo laserja [2]. Tu s pomočjolaserske svetlobe vzbudimo le eno vrsto izotopa v višja stanja. Vzbujen material potem s pomočjo različnihfizikalnih in kemijskih procesov ločimo od ne-vzbujenih. LIS metode so industrijsko zanimive predvsemza ločevanje izotopov urana, oz. za bogatenje urana za proizvodnjo goriva za jedrske elektrarne. Kljubkompleksnosti procesa, je ekonomsko zelo zanimiv, saj porabi precej manj električne energije zavzame manjprostora, kot ustaljene metode (plinska centrifuga in plinska difuzija). Dandanes proces bogatenja uranapredstavlja približno 10% cene elektrike iz jedrskih elektrarn. Metode LIS lahko te stroške več kot prepolovijo.V grobem LIS metode lahko razdelimo na metodi AVLIS in MLIS. Preseke za reakcijo, v odvisnosti odenergije vpadnega žarka, za posamezni izotop in metodo lahko vidimo na slikah 1 in 2. Količine ločenegamateriala se trenutno merijo v gramih. Največ uspeha ima Avstralski program SILEX [3] ki je sicer produktistoimenskega, privatnega, visokotehnološkega podjetja SILEX. Trenutno v navezi s podjetji iz ZDA gradiprvi industrijski obrat za bogatenje urana z metodami LIS.

Ker so obrati za bogatenje urana z metodo LIS precej manjši, in omogočajo hitro bogatenje urana zavojaške namene, se pojavljajo vprašanja o nadzoru nad jedrskim gorivom in orožjem. To vprašanje je šeposebej pereče v bolj nemirnih predelih sveta.

Slika 1: MLIS spekter absorpcije spojin UF6 z različnimi Slika 2: Tipični vzbuditveni preseki atomov različnihizotopi urana. [4] izotopov urana. [5]

POGOJI ZA IZVEDBO LIS• Absorpcijski spekter izbranega izotopa mora imeti vsaj en absorpcijski vrh, ki je specifičen za te izotop.

5

• Energija, oziroma valovna dolžina prvega laserskega žarka mora natančno sovpadati z energijo vzbu-ditve v vzbujeno stanje izbranega izotopa.

• Laserski sistem mora imeti dovolj velik izkoristek, da je proces ekonomsko opravičljiv.

• Proces separacije mora zagotoviti dovolj dober delež ločitve izotopov.

• Potrebno je upoštevati in rešiti okoljske in varnostne parametre.

PREDNOSTI UPORABE LIS METOD• Lasersko svetlobo je mogoče natančno nastaviti na primerno valovno dolžino s pomočjo barvilnih (

dye) laserjev, tako da sovpadajo z energijskimi prehodi med stanji.

• Laserska svetlobo je dober izvor monokromatske svetlobe, tako da ima v principu lahko ožjo pasovnoširino od razlike med vzbuditvenimi energijami za posamezen izotop.

• Visoke moči laserskih sistemov omogočajo veliko količini ločenega materiala.

• Zmožnost generiranja pulznih laserskih žarkov. Dolžine pulzov morajo biti krajše od življenskih ča-sov vzbujenega stanja. Poleg tega moramo material v vzbujenem stanju obsevati še z sekundarnimilaserskimi sistemi, ki potem proizvedejo material, primeren za ločevanje s preprostimi kemijskimi alifizikalnimi procesi.

• Z dobro kolimniranim žarkom lahko opravimo dolge optične poti, torej lahko uspešno vzbudimo večmateriala.

PREDNOSTI METODE U-LISPotencialne prednosti U-LIS (LIS izotopov urana) so gromozanske. Projekcije dandanes kažejo, da bi metodeU-LIS lahko izpopolnili do te mere, da bi v primerjavi z obstoječimi metodami (plinska difuzija in centrifuga),porabili le okrog 5% električne energije. Za nizko bogatitev, 5% (LEU-low enriched uranium), potrebovali leeno stopnjo U-LIS procesa. Pri ustaljenih metodah je potreben sistem sestavljen iz več sto enot, da dobimustrezne bogatitve. To močno zmanjša samo velikost bogatitvenega obrata, kot tudi porabljeno električnoenergijo [6].

Pri metodah, ki temeljijo na masni razliki poleg povečanja deleža 235U , še bolj pa povečamo delež 234U ,kar pa ni dobro. 2345U ima relativno zelo kratek razpadni čas, tako da je taka zmes izotopov precej aktivna.To otežuje varno ravnanje z gorivom. Pri LIS metodah se temu izognemo, saj specifično lahko vzbudimosamo izotop 235U , tako da se količina 234U v končnem produktu zmanjša.

Poleg tega se zaradi ekonomske upravičljivosti metod LIS porabi manj naravnega urana. Projecira se,da bi za enako obogaten uran potrebovali 30% manj uranove rude, kot pri ustaljenih metodah. Te namrečpustijo relativno velik delež 235U v osiromašenem uranu, kar pa je iz praktičnega stališča izguba.

6

AVLISLasersko ločevanje izotopov v atomskih parah AVLIS (Atomic vapor LIS) [6], je metoda ločevanja urana, prikateri s pomočjo sistemov laserskih žarkov vzbudimo enega od izotopov urana in ga ioniziramo. Ioniziranizotop lahko potem ločimo od ne-ioniziranega s sistemom elektromagnetnih polj.

Različni izotopi imajo poleg mase tudi različne ionizacijske energije. To izkoristimo tako, da selektivno,z laserskim žarkom, z dobro določeno valovno dolžino, ioniziramo samo določen izotop. Po ionizaciji galahko s sistemom električnih in magnetnih polj ločimo od ostalih izotopov. V standardni AVLIS metodise uporablja več laserskih sistemov, ki selektivno vzbudijo in tudi ionizirajo samo 235U , tako da ga lahkozberemo na kolektorski katodi, kot lahko vidimo na sliki 3.

Slika 3: Preprosta shema AVLIS procesa na izotopih U. [7]

METODAAVLIS metoda omogoča precej višje stopnje bogatenja urana v enem samem ciklu kot metode, ki temeljijona majhnih masnih razlikah med izotopi.

Med energijo vzbuditve 235U in 2358U je zelo majhna razlika, približno 4,2 ·10−5eV , kar pri vzbuditvenienergiji velikostnega reda nekaj eV pomeni spektralno relativno širino 10−5. Vidimo, da energije sovpadajoz zgornjimi ocenami za razliko ionizacijskih energij. Za selektivno ionizacijo 235U , posvetimo na uparjenimaterial še z večimi laserji, v zelo kratkem časovnem sosledju, da pride do ionizacije. Ker pa so vmesna stanjanestabilna, moramo to storiti v dovolj kratker časovnem zaporedju, da se stanja ne vrnejo v snovno stanje.Tak postopek se lahko uporablja za ločevanje izotopov večine elementov. Energijska stanja do ionizacije235U lahko shematsko vidimo na sliki 4.

Z AVLIS metodo so bogatitve do 5% iz naravnega urana dosežene že v enem ciklu. Vir urana je kovinskiuran, oziroma železova zlitina. Material raztopimo, uparimo in nanj posvetimo z laserskim žarkom. Ločenacurka uranovih par se potem zbirata na ločenih kolektorjih. Poleg 235U se na elektrodo, ki zbira ioniziranedelce nabere tudi nekaj ostalih par zaradi toka, ki nastanejo pri gibanju ioniziranega 235U pod vplivomelektričnega polja. Ker vse skupaj poteka pri zelo visokih temperaturah (2000-3000 K), počakamo da separa na kolektorskih mestih kondenzira in strdi. Tako strjen, obogaten uran potem lahko shranjujemo tudiv kovinski obliki, do nadaljnje predelave. Shematsko je to prikazano na sliki 5 [8].

7

Slika 4: Postopno vzbujanje atomov 235U Slika 5: Shematski prikaz sistema za bogatenje uranado ionizacije. [7] z metodo AVLIS.

OPREMA, RAZVITA POSEBEJ ZA AVLIS METODO• Elektronski top, pri katerem lahko natančno usmerjamo curek elektronov po kosu urana, z močjo več

kot 2.5 kWcm2 . Uporablja se za uplinjanje kovinskega urana.

• Sistemi za rokovanje s tekočim uranom, ki so primerno zaščiteni proti visokim temperaturam in koroziji(tantal, z itrijem prevlečen grafit, volframove litine). Posebej so razvili tudi hladilne sisteme za posodes staljenim uranom.

• Separatorski modul, ki zadržuje uranove pare, in ima nastavke za elektronski top, snemljive kolektorskeposode in okna za laserske žarke. Lahko je valjaste ali pravokotne oblike. Prevlečen mora biti zzaščitnimi materiali zaradi nabiranja uranovih par.

• Laserski sistemi, ki imajo povratno zanko za stabilizacijo žarkov, da lahko svetijo pri konstantni, ostrodoločeni valovni dolžini.

GLAVNI PODSISTEMISEPARATORSKI SISTEMIKovinski uran damo vakuumsko posodo, kjer ga stalimo in uplinimo pri 3700K z elektronskim topom. Ta zasvoje delovanje potrebuje vir zelo visoke napetosti. Ko elektroni zadenejo kovinski uran se tam upočasnijo,kar povzroča emisijo X-žarkov, pred katerimi se je potrebno ustrezno zaščititi. Para gre nato skozi kolektor,kjer jo presvetlimo z lasersko svetlobo. Svetloba se v kolektorju večkrat odbije, tako da vzbudimo maksimalnošt. atomov 235U . Ko so atomi 235U ionizirani, jih z elektromagnetnim poljem peljemo do kolektorskih ploščah.Te so segrete, da se para na njih utekočini in odteče v zbiralne posode. Ko se posode napolnijo, jih ločimood vakuumskega sistema in odstranimo obogaten uran. Tega transportiramo v skladiščenje ali v obrat zaproizvodnjo goriva. Ostanke, ki se naberejo v drugi kolektorski posodi pa lahko zavržemo [6][7].

LASERSKI SISTEMILaserski sistemi tipa SSL (Solid State Laser) so nameščeni posamično, skupaj s krmilnimi sistemi z povratnozanko, ki regulirajo parametre obratovanja. Žarki so do separacijskega sistema speljani po optičnih poteh(optična vlakna, sistem zrcal, ipd). Takšna modularna sestava omogoča zaščito pred popolno ustavitvijosistema, če se na enem laserskem sistemu pojavi napaka. Laserji so povezani skupaj z glavnim oscilatorjem,ki določa, kdaj bo kateri laser oddal pulz laserske svetlobe. Frekvenca pulziranja teh laserjev je nekaj 1000Hz,in vsak sunek traja nekaj µs. Ti laserji polnijo barvilne (dye) laserje, ki imajo nastavljivo valovno dolžino inostro valovno širino. Tako barvilni laserji, kot tudi optični sistemi morajo zdržati dolgo obratovanje pri zelo

8

velikih močeh, obenem pa dajati laserski žarek visoke kvalitete. Shemo sistema lahko vidimo na sliki 6. Večo laserskih sistemih, ki se uporabljajo pri metodi AVLIS, si lahko preberemo v [2] in [7].

Slika 6: Primer laserskega sistema metode AVLIS. [2]

U-AVLIS PO SVETUObsežnejši programi raziskav U-AVLIS (Uranium AVLIS) metode so, oziroma še potekajo v ZDA in Franciji.Programi v manjšem obsegu potekajo tudi na Japonskem, Indiji, Južni Koreji itd...[7].

U-AVLIS V ZDAPrvi poskus ločevanja urana z metodo AVLIS [6] so izvedli leta 1974. Uran so segreli s preprosto električnopečico. Ker je šlo bolj za dokazovanje principa procesa U-AVLIS, je bil poskus relativno majhen, in je ločille miligramske količine materiala. Kljub majhnosti dokazal koncept in nakazal nekatere tehnične rešitve inizzive. Že takrat so uporabili električno polje za ločevanje curkov urana in zaporedja laserskih sistemov. Toje bil začetek LLNL razvojnega procesa. Pozneje so ugotovitve uporabili na povečani verziji eksperimenta,ter povečali učinkovitost.

Leta 1980 so zagnali eksperiment, ki je ločil nekaj gramov materiala. Pri tem eksperimentu so uran žetalili s curkom elektronov. Uporabili so tudi bolj učinkovite laserske sisteme, pri večjih močeh. Posledicatega je večja učinkovitost in tudi masa ločenega materiala, nekaj gramov. Bogatitev je bila nekaj procentna.Na sliki 7 lahko vidimo demonstrativen obrat industrijske bogatitve urana z metodo AVLIS.

Kasneje v ZDA ni potekal noben večji eksperiment z metodo AVLIS. Raje so investirali v metodo SILEX[3], ki jo je razvijalo istoimensko avtralsko podjetje.

Slika 7: Demonstrativen obrat industrijskega bogatenja urana z metodoAVLIS v LLNL v ZDA. [6]

U-AVLIS V FRANCIJIAVLIS metodo so v Franciji začeli razvijati leta 1990, ko so uspešno obogatili majhno količino urana na 5%[7]. Leto pozneje so uspešno ločili nekaj gramov. Pozneje so zagnali še eksperiment Maeva, ki je uspešno

9

deloval 100ur.V Franciji poteka program za raziskavo industrijske predelave z imenom SILVA (Séparation isotopique

per Laser de la Vapeur Atomique d‘Uranium), ki se je začel leta 1997. Potekajo trije različni eksperimenti prirahlo različnih konfiguracijah: Apix, Anubis in Amon. Z eksperimentom Anubis skušajo doseči optimalnenastavitve fotokemične separacije z različnimi laserskimi in kolektorskimi sistemi. V eksperimentu Apixtestirajo posode, v katerih bodo talili uran. V tretjem eksperimentu, Amon, preizkušajo različne nastavitveelektronskih topov, ki jih nameravajo uporabiti za uplinjanje urana.

Potekajo tudi testiranja popolnega sistema. Najprej z elektronskim curkov uplinijo kovinski uran pritemperaturi 3300K. Uranove pare obsevajo z računalniško vodenimi laserskimi sistemi, ki ionizirajo atome235U . Optimizacije potekajo v smeri dolge obratovalne dobe pri dobro določenem spektru in nizki porabienergije. Potem, ko se curka ločita, material zberejo na kolektorskih ploščah pri 1500K, kjer je uran vtekočem stanju. Pri teh pogojih je kovinski uran nadvse koroziven.

Projekcije kažejo da bi industrijski predelovalni obrat z metodo SILVA lahko odprli v naslednjih nekajletih. Prvi, demonstracijski obrat naj bi zgradili v sodelovanju s podjetjem AREVA NC (prej Cogema-Compagnie générale des matières nucléaires) [7].

NEVARNOSTI IN ODPRTA VPRAŠANJA U-AVLIS METOD• Medij ločevanja je drugačen, kot v obstoječih ločevalnih metodah in zahteva dodatno predelavo UF6

v kovinski uran in obratno. To zahteva dodatne predelovalne procese in vsak predstavlja dodatnavarnostna tveganja, kot tudi dodatne stroške.

• AVLIS ločevanje poteka v serijah. Kolektorske posode je potrebno menjati, zato je potrebno proizvo-dnjo dokaj pogosto ustavljati in ponovno zaganjati. Poleg tega je potrebno pogosto čistiti notranjostproizvodne naprave, ker se kovinski uran nabere na stenah posode.

• AVLIS deluje pri zelo nizkem tlaku, saj je takrat učinkovitost laserjev večja, medtem ko je za zadostnohitrost ločevanja potreben relativno visok tlak uplinjenega urana. Vakuumski sistemi zelo otežijoobratovanje in vzdrževanje sistemov.

• S kolektorskimi posodami je precej težav, zaradi komplicirane zasnove, izdelave in vzdrževanja. To jepredvsem posledica vplivov, ki jih morajo prenesti. To so zelo visoke temperature, nizek obratovalnitlak in korozivnost tekočega kovinskega urana. Poleg tega morajo zdržati veliko število menjav, sepravi kolekcija ločenega urana, in potem ekstrakcija le tega.

• Glavni slabosti AVLIS metode [9]:

– Temperaturni ekstremi.– Na zraku pride na kovinskem uranu do samovžiga.– Oprema, ki deluje pri visokih napetostih in energijah (laserji in elektronski top).– Emisija X-žarkov, kot posledica segrevanja kovinskega urana na visoko temperaturo z elektronskim

curkom.– Korozivnost tekočega in plinastega kovinskega urana.– Nevarnosti laserskih sistemov (primarnih laserjev, kot tudi barvilnih laserjev-> topila) in nastanek

vodika ob stiku kovinskega urana z vodo oz. vodno paro.– Nizka zanesljivost teh procesov. Nekateri analogi v industriji imajo visoko stopnjo okvar.– Zaradi majhnosti, nizke porabe električne energije in potencialne visoke bogatitve predstavljajo

poliferacijski problem.

MLISMetoda MLIS-Molecular Laser Isotope Separation (molekularno lasersko ločevanje izotopov) je sicer zelopodobna metodi AVLIS, pa vendar je nekoliko drugačna. Kot že samo ime pove, gre tu za ločevanje izotopov

10

nekega elementa, vezanega v spojine z drugimi elementi. Pri ločevanje izotopov urana se uporabljajo molekuleUF6, saj za element F obstaja le en izotop, tako da le uran vpliva na različne fizikalne lastnosti molekul.Molekule lahko vzbudimo v višja vibracijska stanja ali rotacijska stanja, s točno določenimi energijami.To storimo z laserskim žarkom. Te energije so od izotopa do izotopa različne, tako da lahko selektivnovzbudimo le molekule z 235U . Ko vzbudimo te molekule v višja vibracijska stanja, jih z drugimi sistemilaserjev vzbujamo še v višja stanja, dokler se molekula ne razcepi na dva ali več delov. Temu rečemodisociacija. Znane uranove spojine imajo energijo vzbuditve v prvo vibracijsko stanje nekje 0.01−0.1eV , karustreza IR svetlobi.

Disociacijska energija molekul je velikostnega reda nekaj eV, zato je potrebno kar nekaj fotonov IR laserja,da se molekula disociira. To se dandanes poskuša nadomestiti z UV laserjem, katerega fotoni imajo energijonekaj eV na foton.

Pri približno valovni dolžini približno 16µm se pojavi selektivna vzbuditev molekul z 235U . Če hočemorazširiti sistem ločevanja, lahko dodamo tudi več laserjev pri tej valovni dolžini. Da pride do disociacij, papotrebujemo še dodatihe 3.2eV na molekulo. To dodamo s pomočjo IR ali UV laserjev, pri zelo veliki moči.ZDA so za disociacijo izbrale UV svetlobo, ostali pa IR. Pri disociaciji nastaneta F in UF5. To je treba storitiv dovolj hitrem sosledju, da se molekule ne vrnejo nazaj v osnovna stanja. Medij je UF6. Ker se že dolgočasa uporablja (plinska difuzija, plinska centrifuga), so lastnosti in obnašanje dobro poznani. Pri ločevanjuvzbujamo vibracijska stanja, dokler se molekula ne “raztrga” na plinasti F in UF5. Ta se na kolektorskiplošči nabere kot šibko vezan dimer UF5−UF5, v obliki prahu. Shemo procesa lahko vidimo na sliki 8.

Slika 8: shematski prikaz MLIS procesa. Tu uporabimo sistem IR in UV laserjev, da postopno selektivno vzbujamomolekule 235UF6 v višja vibracijska stanja, dokler se ne raztrgajo, in tvorijo dimer UF5−UF5. [4]

11

Praktična izvedba MLIS metode predstavlja kar nekaj težav. Eksperiment moramo držati pri nizkitemperaturi (nekaj K do nekaj 10K), da imamo bolje določene, oz. sploh vidne vrhove v absorpcijskemspektru za vibracijska stanja. To dosežemo tako, da UF6 pošljemo skozi šobo pri nadzvočni hitrosti, za njopa se adiabatno razširja ter tako ohladi. Poleg tega moramo UF6 razredčiti z nekim drugim plinom, da nepride do refluorinacije in ker sam plin prehitro sublimira nazaj. Dostikrat dodajo tudi plin, ki nase veže F,ki nastane pri reakciji. Shemo sistema za MLIS metodo lahko vidimo na sliki 9. Na sliki 10 lahko vidimoločen izotop 235U v obliki dimerov UF5−UF5 kot prah na kolektorski plošči.

Slika 9: Shematski prerez šobe s kolektorsko ploščo Slika 10: Kolektorska plošča z usedlinami dimerovin označen pretok plina UF6 in usedline 235UF5. [4] 235UF5− 235UF5. [4]

NEVARNOSTI IN ODPRTA VPRAŠANJA U-MLIS METOD• MLIS metoda je sicer kompatibilna z obstoječimi metodami bogatenja urana (UF6), vendar se pojavi

problem pri transportu tega medija.

• MLIS uporablja »čistilne« in pline za redčenje poleg UF6, ki so dušljivi in v določenim primerih tudivnetljivi.

• Pri procesu MLIS nastanejo težave z ločevanjem trdnega dimera 235UF5−235UF5 in plina pri zelo nizkihtemperaturah in tlakih.

• Pri industrijskih obratih bo verjetno potrebno za ustrezen ločevalni faktor uporabiti več stopenj.

• Ravnanje s fluorovimi spojinami in fluorokarbonati.

• Obrat oz. eksperiment je treba držati pri izjemno nizkih temperaturah.

• Laserji in druga močnostna tehnika.

• Poliferacijske nevarnosti, zaradi majhne porabe energije in visokih bogatitvenih vrednosti [9].

12

U-MLIS PO SVETUZačetek razvoja MLIS metode za ločevanje izotopov urana se je začel razvijati pred približno 30 leti. Razvojje potekal v smeri uporabe UF6 kot medija, saj so obrati za proizvodnjo le tega že zgrajeni [7].

Raziskave industrijske predelave potekajo v avstralskem podjetju SILEX [3] v sodelovanju z združenjemGEH (General Electric in Hitachi), ter na Japonskem.

U-MLIS V ZDA IN AVSTRALIJIPodjetje SILEX je razvilo to metodo, in s podjetjem USEC (United States Enrichment Corporation) pod-pisalo pogodbo, za razvoj metode SILEX. Pozneje, leta 2002, sta podjetji to sodelovanje prekinili, saj seje USEC osredotočil na posodobitev obstoječih metod. Leta 2006 sta začeli sodelovati podjetji SILEX inGE (General Electric), za nadaljni razvoj, in za projektiranje industrijskega bogatenja urana s to metodo[7]. Podjetje GE je kupilo licenco za uporabe metode SILEX in se povezalo spodjetjem Hitachi. (GEHkonglomerat). Letos je GEH dobil dovoljenje za gradnjo obrata v Wilmingtonu,v Severni Karolini [3].

U-MLIS NA JAPONSKEMEdinstven MLIS proces RIMLIS [7][10] (RIKEN’s Molecular Laser Isotope Separation) poteka pod okriljemMLISG (Molecular Laser Isotope Separation Group) na Japonskem. V tem procesu ohladijo UF6 pod 100Ks pomočjo razširjanja skozi nadzvočno šobo v reaktor za lasersko ločevanje. Tam plin obsevajo z laserji zvalovno dolžino 16µm. Trenutne raziskave potekajo v implementaciji novih laserskih metod in v gradnjicenovno-ugodnejših eksperimentov z večjimi gostotami UF6. Sliko postavitve sistema RIMLIS lahko vidimona sliki 11.

Slika 11: Slika postavitve 16µm laserskega sistemana sistemu RIMLIS. [10]

ZAKLJUČEKLIS metode so poznane že zelo dolgo. Kmalu po odkritju LIS so začeli razvijati metode specifično zabogatenje urana za jedrsko gorivo in jedrsko orožje. Izkazalo se je, da tehnologija in znanje še dolgo časa nebosta dopuščala industrijskega bogatenja z LIS.

Glavno ozko grlo v sistemih so bili izvori svetlobe. Ker za selektivno vzbujanje potrebujemo zelo dobroin ozko določen izvor svetlobe, se kot nalašč za to ponujajo laserji. Šele dandanes so laserski sistemi dovoljrazviti, da jih lahko umerimo na stotinko nanometra natančno, kolikor znašajo tipične razlike med vzbudi-tvenimi stanji za različne izotope istega elementa. Tako da so metode LIS, predvsem MLIS, sledile razvojulaserskih sistemov.

AVLIS je moral uspešno premostiti še oviro, kako zadržati korozivne taline in pare urana.

13

Zaključimo lahko, da so bile raziskave metod U-LIS pomembne, predvsem z ekonomskega kot tudi eko-loškega vidika. Porabijo namreč precej manj električne energije, za enako količino obogatenega urana po-trebujejo manj uranove rude in proizvedejo manj osiromašenega urana in ostalih odpadkov, povezanih zbogatenjem urana. Pomembno je dejstvo, da je letos Komisija za Jedrsko Regulacijo ZDA (NRC) izdalaprvo dovoljenje za gradnjo bogatitvenega obrata z metodo LIS (SILEX, GEH). Ker bo izkoristek bogatenjaprecej večji, proizvodnja pa cenejša, se bo to globalno poznalo v cenejši proizvodnji električne energije izjedrskih elektrarn.

Poleg tega pa so raziskave doprinesle tudi k posrednemu razvoju močnostne laserske tehnike in znanje,ki bo predvsem dobrodošlo pri ločevanju drugih izotopov z LIS metodami.

Pojavljajo pa se tudi nove skrbi. Ker je razvoj laserjev zelo napredoval in ker je o temi na voljo ogromnoliterature, lahko dandanes tudi kaka ne kredibilna skupina začne raziskave za industrijsko bogatenje urana.Ker bi bil tak obrat za bogatenje relativno majhen in bi porabil precej manj električne energije, bi se lahkoizognil nadzorstvu. To predstavlja veliko skrb, saj lahko pride visoko obogaten uran v napačne roke in seuporabi kot jedrsko orožje [9].

VIRILiteratura:

[1] Ueda, N., Ionization Energy Difference between Isotopes and its Effect on Isotope Abundance Mea-surement by Surface Ionization Method, Mass spectroscopy, Vol 17, No2, June 1969

[2] http://wikis.lib.ncsu.edu/index.php/Laser_Enrichment (22.10.2012)[3] http://www.silex.com.au/businesses/silex (22.10.2012)[4] Reed J. Jenson, O’Dean P. Judd, and J. Allan Sullivan: Separating Isotopes with Lasers Los Alamos

Science v4, 1982.[5] Stanko Manojlović, Seminar - 4. letnik, Uranium enrichment methods, Ljubljana, May 13, 2010[6] James I. Davis, Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, CA 94550 :ATOMIC VAPOR

LASER ISOTOPE SEPARATION, IEEE Transactions on Nuclear Science, Vol. NS-30, No. 1, February1983

[7] Uranium Enrichment Processes, Directed Self-Study, Module 3, USNRC Technical Training Center,9/08 (Rev 3)

[8] I. I. Litvinov: THEORY OF ION EXTRACTION FROM PLASMA BY AN EXTERNAL ELECTRICFIELD IN SYSTEMS OF LASER ISOTOPE SEPARATION, Journal of Russian Laser

[9] Denys Rousseau, John Lepingwell, Division of Safeguards Operations A, International Atomic EnergyAgency, Isotopic separation by laser based technologies: safeguards related aspects,

Paper Number: IAEA-CN-184/262[10] Takeuchi, Kazuo; Tashiro, Hideo; Midorikawa, Katsumi: Verification of Riken’s molecular laser

isotope separation of uranium, INIS, IAEA,Published 1988, Ref number: 20056950[11] http://www.globalsecurity.org/wmd/intro/u-laser.htm (22.10.2012)[12] http://www.world-nuclear-news.org/NN-Laser_enrichment_one_step_closer_as_licence_issued.html

(22.10.2012)[13] P. Ramakoteswara Rao, Saras Baug: Laser isotope separation of uranium, Deonar, Mumbai, India,

June 2003[14] prof. dr. Martin Čopič: Fotonika, skripta, Univerza v Ljubljani, Fakulteta za matematiko in fiziko,

Ljubljana, 2011

14