BOGATITEV URANA Z METODO LIS

Transcription

1 Seminar pri predmetu Seminar 1a: BOGATITEV URANA Z METODO LIS Avtor: Klemen Ambrožič Mentor: Dr. Iztok Tiselj Ljubljana, Povzetek Bogatenje urana za proizvodnjo električne energije že vrsto desetletij poteka na principu majhne masne razlike med izotopi. Ti procesi porabijo veliko električne energije in jih moramo zaradi majhnega bogatitvenega 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, so za bogatitev urana so prvič začeli raziskovati leta Ker so razlike v vzbuditvenih energijah posameznih izotopov zelo majhne, potrebujemo za proces monokromatsko svetlobo. Šele v novejšem času, z razvojem laserjev, 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 235 U, ter mu spremenimo fizikalne lastnosti. Po vzbuditvi ga lahko z raznimi kemijskimi in fizikalnimi procesi ločimo od ostalega urana. Tako dobimo obogaten uran, ki ga lahko uporabimo kot gorivo za proizvodnjo električne energije. 1

2 Kazalo Uvod 3 Model spremembe ionizacijske energije 3 Razlika zaradi končne mase jedra Razlika zaradi končnega volumna jedra Primerjava modelov LIS metoda 5 Pogoji za izvedbo LIS metode Prednosti uporabe LIS metod Prednosti metode U-LIS AVLIS 7 Metoda Oprema, razvita posebej za AVLIS metodo Glavni podsistemi Separatorki sistemi Lasereski sistemi U-AVLIS po svetu U-AVLIS v ZDA U-AVLIS v Franciji Nevarnosti in odprta vprašanja U-AVLIS metod MLIS 10 Nevarnosti in odprta vprašanja U-MLIS metod U-MLIS po svetu U-MLIS v ZDA in Avstraliji U-MLIS na Japonskem Zaključek 13 Viri 14 2

3 UVOD Bogatenje urana je proces, kjer bi radi povečali delež izotopa urana 235 U za uporabo v jedrskih reaktorjih. Večina današnjih procesov temelji na majhni razliki mase med posameznimi izotopi urana. Ker pa so si mase urana precej podobne, so procesi, ki delujejo na tem principu strašansko neučinkoviti. Alternativa temu je, da poiščemo neko drugo fizikalno razliko med posameznimi izotopi, seveda pri večji ekonomski upravičljivosti. Izkaže se, da tudi nekatere druge lastnosti posameznih izotopov snovi malenkostno razlikujejo. Tu predvsem mislimo na spremembo ionizacijske energije izotopov ter spremembo rotacijskih in vibracijskih stanj v molekuli, 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 imeti zelo natančno nastavljivo valovno dolžino in zelo ozko valovno širino, saj so energijske razlike pri prehodih med 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 vibracijskih in rotacijskih energij, si v prvem približku lahko izračunamo lastna stanja in energije z modelom kroglic na vzmeteh, kjer spreminjamo centralni izotop atoma, torej njegovo maso. Če vzbujamo rotacijska in vibracijska stanja, 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 za ločevanje izotopov izkoriščajo lasersko svetlobo, rečemo LIS (Laser Isotope Separation). Ti se delijo glede na to, ali izkoriščajo razliko v ionizacijski energiji posameznih izotopov: AVLIS- Atomic Vapor LIS, ali pa razliko med lastnimi rotacijskimi in vibracijskimi energijami molekul, kjer je izbrani izotop vezan v molekulo z elementom, ki ima le en izotop ( ponavadi F): MLIS-Molecule LIS. Pri tem si bomo tudi pogledali posebne laserske in separacijske sisteme, ter preučili prednosti in slabosti posameznih metod. MODEL SPREMEMBE IONIZACIJSKE ENERGIJE V osnovnih enačbah za izračun ionizacijske energije, smo jemali, da deluje med jedrom in elektronom samo elektrostatska sila, ter da je jedro točkasto. V resnici tudi masa jedra vpliva na obnašanje elektrona. To se opazi predvsem pri lažjih elementih. Pri težjih elementih pa se pozna predvsem prispevek končnega volumna jedra, za razliko od računa za točkasto jedro. Poglejmo si, kakšne razlike ionizacijskih energij dobimo v posameznem režimu. Natančnejšo razlago lahko najdemo v [1]. RAZLIKA ZARADI KONČNE MASE JEDRA Imamo jedro s končno maso M in N elektronov z maso m. Kinetična energija takega sistema se glasi: T = 1 2M p2 nuc + 1 2m kjer sta p nuc in p i gibalni količini jedra in i-tega elektrona. Ker je navzven skupna gibalna količina enaka 0, dobimo relacijo: p nuc + N i=1 p i = 0 N i=1 p 2 i N T = 1 p 2 i + 1 2µ i=1 M p i p j i, j 3

4 kjer je µ = mm/(m + M). Vidimo, da sprememba mase spremeni kinetični del Hamiltoniana na dva načina, z reducirano maso v prvem delu in z drugim delom, kjer pa je prispevek zelo majhen, in ga v našem približku zanemarimo. Če poznamo ionizacijske energije I 0 v približku točkastega jedra, lahko izračunamo razliko ionizacijske energije: ( m I = I 0 m ) M 1 M 2 RAZLIKA ZARADI KONČNEGA VOLUMNA JEDRA Jedro 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 točki r = 0 ni 0. Poskusimo izračunati razliko energij od približka točkastega jedra: E = e 0 ˆ ( ϕ Ze 0 r ) ψ 2 dv kjer je ψ valovna ( funkcija elektrona. Sicer bi morali ta integral izračunati po celotnem volumnu. V resnici pa je ϕ Ze 0 različen od 0 samo v jedru. Po drugi strani pa se vrednost valovne funkcije ob r 0 r ) približa končni vrednosti. Torej lahko vzamemo ψ 2 in ga nadomestimo z ψ 2 (r = 0). Na tem mestu naredimo transformacijo integrala: ˆ ( E = e 0 ψ 2 (0) ϕ(r) Ze ) dv = 1 ˆ ( r 6 e 0ψ 2 (0) ϕ(r) Ze ) 2 rdv = 1 ˆ ( r 6 e 0ψ 2 (0) ϕ(r) Ze ) r 2 dv r Velja da r ( 1 r ) = 4πδ(r) in r 2 δ(r) = 0. Poissonova neenačba za električno polje da rezultat ϕ = 4πρ, kjer je ρ gostota naboja v jedru. Tako dobimo: E = 2π 3 ψ2 (0)Ze 2 0r 2 r 2 = 1 ˆ Ze 0 ρr 2 dv Če predpostavimo,da je naboj v jedru enakomerno porazdeljen, dobimo r 2 = 3 5 R2, kjer je R geometrični radij jedra. Dobimo torej razliko ionizacijskih energij: E 2 E 1 = 2π 3 ψ2 (0)Ze 2 0(r 2 2 r2 1 ) 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, ki jih 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: ψ n,0 (0) = 1 4π ( Z a 0 ) 3/2 2 n n kjer je a 0 = cm Bohrov radij. Vemo, da je volumen jedra sorazmeren z številom nukleonov, in velja R j = M 1/3 cm. a koncu dobimo enačbo: I 2 I 1 = 4 Z 4 e 2 ( ) 0 R 2 ( ) 2 5 n 3 2a 0 a 2 R2 1 0 a 2 = Z4 0 n 3 M 2/3 2 M 2/ ev 4

5 PRIMERJAVA MODELOV: Na tabeli 1 si poglejmo primerjavo računskih modelov in izračunano razliko ionizacijskih energij. Kot rečeno, masni efekt bolj vpliva na lahke izotope, volumski efekt pa na težje izotope. Te izračunane razlike sicer upoštevajo le ta dva, sicer najbolj močna efekta spremembe ionizacijske energije. Ker ne upoštevajo vseh, nam služijo bolj kot ocena velikostnega reda razlike ionizacijskih energij. Prave vrednosti pridobimo eksperimentalno. LIS METODE Tabela 1: Tabela izračunanih sprememb ionizacijskih energij za nekatere elemente [1]. I 0 [ev] M 2 M 1 masni efekt I 2 I 1 [ev] volumski efekt I 2 I 1 [ev] Li Be Na Mg K Ca Rb Sr Cs Ba Kot rečeno so LIS (lasersko ločevanje izotopov) metode ločevanja izotopov s pomočjo laserja [2]. Tu s pomočjo laserske svetlobe vzbudimo le eno vrsto izotopa v višja stanja. Vzbujen material potem s pomočjo različnih fizikalnih in kemijskih procesov ločimo od ne-vzbujenih. LIS metode so industrijsko zanimive predvsem za ločevanje izotopov urana, oz. za bogatenje urana za proizvodnjo goriva za jedrske elektrarne. Kljub kompleksnosti procesa, je ekonomsko zelo zanimiv, saj porabi precej manj električne energije zavzame manj prostora, kot ustaljene metode (plinska centrifuga in plinska difuzija). Dandanes proces bogatenja urana predstavlja 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 od energije vpadnega žarka, za posamezni izotop in metodo lahko vidimo na slikah 1 in 2. Količine ločenega materiala se trenutno merijo v gramih. Največ uspeha ima Avstralski program SILEX [3] ki je sicer produkt istoimenskega, privatnega, visokotehnološkega podjetja SILEX. Trenutno v navezi s podjetji iz ZDA gradi prvi industrijski obrat za bogatenje urana z metodami LIS. Ker so obrati za bogatenje urana z metodo LIS precej manjši, in omogočajo hitro bogatenje urana za vojaške namene, se pojavljajo vprašanja o nadzoru nad jedrskim gorivom in orožjem. To vprašanje je še posebej pereče v bolj nemirnih predelih sveta. Slika 1: MLIS spekter absorpcije spojin UF 6 z različnimi Slika 2: Tipični vzbuditveni preseki atomov različnih izotopi 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

6 Energija, oziroma valovna dolžina prvega laserskega žarka mora natančno sovpadati z energijo vzbuditve 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 pasovno širino 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 časov vzbujenega stanja. Poleg tega moramo material v vzbujenem stanju obsevati še z sekundarnimi laserskimi sistemi, ki potem proizvedejo material, primeren za ločevanje s preprostimi kemijskimi ali fizikalnimi procesi. Z dobro kolimniranim žarkom lahko opravimo dolge optične poti, torej lahko uspešno vzbudimo več materiala. PREDNOSTI METODE U-LIS Potencialne prednosti U-LIS (LIS izotopov urana) so gromozanske. Projekcije dandanes kažejo, da bi metode U-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 le eno stopnjo U-LIS procesa. Pri ustaljenih metodah je potreben sistem sestavljen iz več sto enot, da dobim ustrezne bogatitve. To močno zmanjša samo velikost bogatitvenega obrata, kot tudi porabljeno električno energijo [6]. Pri metodah, ki temeljijo na masni razliki poleg povečanja deleža 235 U, še bolj pa povečamo delež 234 U, kar pa ni dobro U 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 vzbudimo samo izotop 235 U, tako da se količina 234 U 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 namreč pustijo relativno velik delež 235 U v osiromašenem uranu, kar pa je iz praktičnega stališča izguba. 6

7 AVLIS Lasersko ločevanje izotopov v atomskih parah AVLIS (Atomic vapor LIS) [6], je metoda ločevanja urana, pri kateri s pomočjo sistemov laserskih žarkov vzbudimo enega od izotopov urana in ga ioniziramo. Ioniziran izotop 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 ga lahko s sistemom električnih in magnetnih polj ločimo od ostalih izotopov. V standardni AVLIS metodi se uporablja več laserskih sistemov, ki selektivno vzbudijo in tudi ionizirajo samo 235 U, tako da ga lahko zberemo na kolektorski katodi, kot lahko vidimo na sliki 3. Slika 3: Preprosta shema AVLIS procesa na izotopih U. [7] METODA AVLIS metoda omogoča precej višje stopnje bogatenja urana v enem samem ciklu kot metode, ki temeljijo na majhnih masnih razlikah med izotopi. Med energijo vzbuditve 235 U in 2358 U je zelo majhna razlika, približno 4, ev, kar pri vzbuditveni energiji velikostnega reda nekaj ev pomeni spektralno relativno širino Vidimo, da energije sovpadajo z zgornjimi ocenami za razliko ionizacijskih energij. Za selektivno ionizacijo 235 U, posvetimo na uparjeni material še z večimi laserji, v zelo kratkem časovnem sosledju, da pride do ionizacije. Ker pa so vmesna stanja nestabilna, 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 ionizacije 235 U lahko shematsko vidimo na sliki 4. Z AVLIS metodo so bogatitve do 5% iz naravnega urana dosežene že v enem ciklu. Vir urana je kovinski uran, oziroma železova zlitina. Material raztopimo, uparimo in nanj posvetimo z laserskim žarkom. Ločena curka uranovih par se potem zbirata na ločenih kolektorjih. Poleg 235 U se na elektrodo, ki zbira ionizirane delce nabere tudi nekaj ostalih par zaradi toka, ki nastanejo pri gibanju ioniziranega 235 U pod vplivom električnega polja. Ker vse skupaj poteka pri zelo visokih temperaturah ( K), počakamo da se para na kolektorskih mestih kondenzira in strdi. Tako strjen, obogaten uran potem lahko shranjujemo tudi v kovinski obliki, do nadaljnje predelave. Shematsko je to prikazano na sliki 5 [8]. 7

8 Slika 4: Postopno vzbujanje atomov 235 U do ionizacije. [7] Slika 5: Shematski prikaz sistema za bogatenje urana 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 kw cm 2. 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 posode s staljenim uranom. Separatorski modul, ki zadržuje uranove pare, in ima nastavke za elektronski top, snemljive kolektorske posode in okna za laserske žarke. Lahko je valjaste ali pravokotne oblike. Prevlečen mora biti z zaščitnimi materiali zaradi nabiranja uranovih par. Laserski sistemi, ki imajo povratno zanko za stabilizacijo žarkov, da lahko svetijo pri konstantni, ostro določeni valovni dolžini. GLAVNI PODSISTEMI SEPARATORSKI SISTEMI Kovinski uran damo vakuumsko posodo, kjer ga stalimo in uplinimo pri 3700K z elektronskim topom. Ta za svoje 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 maksimalno št. atomov 235 U. Ko so atomi 235 U 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 ločimo od vakuumskega sistema in odstranimo obogaten uran. Tega transportiramo v skladiščenje ali v obrat za proizvodnjo goriva. Ostanke, ki se naberejo v drugi kolektorski posodi pa lahko zavržemo [6][7]. LASERSKI SISTEMI Laserski sistemi tipa SSL (Solid State Laser) so nameščeni posamično, skupaj s krmilnimi sistemi z povratno zanko, 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 ustavitvijo sistema, 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 in ostro valovno širino. Tako barvilni laserji, kot tudi optični sistemi morajo zdržati dolgo obratovanje pri zelo 8

9 velikih močeh, obenem pa dajati laserski žarek visoke kvalitete. Shemo sistema lahko vidimo na sliki 6. Več o 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 SVETU Obsežnejši 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 ZDA Prvi poskus ločevanja urana z metodo AVLIS [6] so izvedli leta Uran so segreli s preprosto električno pečico. Ker je šlo bolj za dokazovanje principa procesa U-AVLIS, je bil poskus relativno majhen, in je ločil le miligramske količine materiala. Kljub majhnosti dokazal koncept in nakazal nekatere tehnične rešitve in izzive. Že takrat so uporabili električno polje za ločevanje curkov urana in zaporedja laserskih sistemov. To je 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 že talili s curkom elektronov. Uporabili so tudi bolj učinkovite laserske sisteme, pri večjih močeh. Posledica tega 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. U-AVLIS V FRANCIJI Slika 7: Demonstrativen obrat industrijskega bogatenja urana z metodo AVLIS v LLNL v ZDA. [6] AVLIS 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

10 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 Potekajo trije različni eksperimenti pri rahlo različnih konfiguracijah: Apix, Anubis in Amon. Z eksperimentom Anubis skušajo doseči optimalne nastavitve fotokemične separacije z različnimi laserskimi in kolektorskimi sistemi. V eksperimentu Apix testirajo posode, v katerih bodo talili uran. V tretjem eksperimentu, Amon, preizkušajo različne nastavitve elektronskih topov, ki jih nameravajo uporabiti za uplinjanje urana. Potekajo tudi testiranja popolnega sistema. Najprej z elektronskim curkov uplinijo kovinski uran pri temperaturi 3300K. Uranove pare obsevajo z računalniško vodenimi laserskimi sistemi, ki ionizirajo atome 235 U. Optimizacije potekajo v smeri dolge obratovalne dobe pri dobro določenem spektru in nizki porabi energije. Potem, ko se curka ločita, material zberejo na kolektorskih ploščah pri 1500K, kjer je uran v tekočem stanju. Pri teh pogojih je kovinski uran nadvse koroziven. Projekcije kažejo da bi industrijski predelovalni obrat z metodo SILVA lahko odprli v naslednjih nekaj letih. 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 UF 6 v kovinski uran in obratno. To zahteva dodatne predelovalne procese in vsak predstavlja dodatna varnostna tveganja, kot tudi dodatne stroške. AVLIS ločevanje poteka v serijah. Kolektorske posode je potrebno menjati, zato je potrebno proizvodnjo dokaj pogosto ustavljati in ponovno zaganjati. Poleg tega je potrebno pogosto čistiti notranjost proizvodne 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 zadostno hitrost ločevanja potreben relativno visok tlak uplinjenega urana. Vakuumski sistemi zelo otežijo obratovanje in vzdrževanje sistemov. S kolektorskimi posodami je precej težav, zaradi komplicirane zasnove, izdelave in vzdrževanja. To je predvsem posledica vplivov, ki jih morajo prenesti. To so zelo visoke temperature, nizek obratovalni tlak in korozivnost tekočega kovinskega urana. Poleg tega morajo zdržati veliko število menjav, se pravi 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. MLIS Metoda MLIS-Molecular Laser Isotope Separation (molekularno lasersko ločevanje izotopov) je sicer zelo podobna metodi AVLIS, pa vendar je nekoliko drugačna. Kot že samo ime pove, gre tu za ločevanje izotopov 10

11 nekega elementa, vezanega v spojine z drugimi elementi. Pri ločevanje izotopov urana se uporabljajo molekule UF 6, 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 selektivno vzbudimo le molekule z 235 U. Ko vzbudimo te molekule v višja vibracijska stanja, jih z drugimi sistemi laserjev vzbujamo še v višja stanja, dokler se molekula ne razcepi na dva ali več delov. Temu rečemo disociacija. Znane uranove spojine imajo energijo vzbuditve v prvo vibracijsko stanje nekje ev, kar ustreza 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 energijo nekaj ev na foton. Pri približno valovni dolžini približno 16µm se pojavi selektivna vzbuditev molekul z 235 U. Če hočemo razširiti sistem ločevanja, lahko dodamo tudi več laserjev pri tej valovni dolžini. Da pride do disociacij, pa potrebujemo 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 UF 5. To je treba storiti v dovolj hitrem sosledju, da se molekule ne vrnejo nazaj v osnovna stanja. Medij je UF 6. Ker se že dolgo časa uporablja (plinska difuzija, plinska centrifuga), so lastnosti in obnašanje dobro poznani. Pri ločevanju vzbujamo vibracijska stanja, dokler se molekula ne raztrga na plinasti F in UF 5. Ta se na kolektorski plošči nabere kot šibko vezan dimer UF 5 UF 5, 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 vzbujamo molekule 235 UF 6 v višja vibracijska stanja, dokler se ne raztrgajo, in tvorijo dimer UF 5 UF 5. [4] 11

12 Praktična izvedba MLIS metode predstavlja kar nekaj težav. Eksperiment moramo držati pri nizki temperaturi (nekaj K do nekaj 10K), da imamo bolje določene, oz. sploh vidne vrhove v absorpcijskem spektru za vibracijska stanja. To dosežemo tako, da UF 6 pošljemo skozi šobo pri nadzvočni hitrosti, za njo pa se adiabatno razširja ter tako ohladi. Poleg tega moramo UF 6 razredčiti z nekim drugim plinom, da ne pride 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 vidimo ločen izotop 235 U v obliki dimerov UF 5 UF 5 kot prah na kolektorski plošči. Slika 9: Shematski prerez šobe s kolektorsko ploščo Slika 10: Kolektorska plošča z usedlinami dimerov in označen pretok plina UF 6 in usedline 235 UF 5. [4] 235 UF UF 5. [4] NEVARNOSTI IN ODPRTA VPRAŠANJA U-MLIS METOD MLIS metoda je sicer kompatibilna z obstoječimi metodami bogatenja urana (UF 6 ), vendar se pojavi problem pri transportu tega medija. MLIS uporablja»čistilne«in pline za redčenje poleg UF 6, ki so dušljivi in v določenim primerih tudi vnetljivi. Pri procesu MLIS nastanejo težave z ločevanjem trdnega dimera 235 UF UF 5 in plina pri zelo nizkih temperaturah 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

13 U-MLIS PO SVETU Začetek razvoja MLIS metode za ločevanje izotopov urana se je začel razvijati pred približno 30 leti. Razvoj je potekal v smeri uporabe UF 6 kot medija, saj so obrati za proizvodnjo le tega že zgrajeni [7]. Raziskave industrijske predelave potekajo v avstralskem podjetju SILEX [3] v sodelovanju z združenjem GEH (General Electric in Hitachi), ter na Japonskem. U-MLIS V ZDA IN AVSTRALIJI Podjetje SILEX je razvilo to metodo, in s podjetjem USEC (United States Enrichment Corporation) podpisalo pogodbo, za razvoj metode SILEX. Pozneje, leta 2002, sta podjetji to sodelovanje prekinili, saj se je USEC osredotočil na posodobitev obstoječih metod. Leta 2006 sta začeli sodelovati podjetji SILEX in GE (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. (GEH konglomerat). Letos je GEH dobil dovoljenje za gradnjo obrata v Wilmingtonu,v Severni Karolini [3]. U-MLIS NA JAPONSKEM Edinstven MLIS proces RIMLIS [7][10] (RIKEN s Molecular Laser Isotope Separation) poteka pod okriljem MLISG (Molecular Laser Isotope Separation Group) na Japonskem. V tem procesu ohladijo UF 6 pod 100K s pomočjo razširjanja skozi nadzvočno šobo v reaktor za lasersko ločevanje. Tam plin obsevajo z laserji z valovno dolžino 16 µm. Trenutne raziskave potekajo v implementaciji novih laserskih metod in v gradnji cenovno-ugodnejših eksperimentov z večjimi gostotami UF 6. Sliko postavitve sistema RIMLIS lahko vidimo na sliki 11. ZAKLJUČEK Slika 11: Slika postavitve 16µm laserskega sistema na sistemu RIMLIS. [10] LIS metode so poznane že zelo dolgo. Kmalu po odkritju LIS so začeli razvijati metode specifično za bogatenje urana za jedrsko gorivo in jedrsko orožje. Izkazalo se je, da tehnologija in znanje še dolgo časa ne bosta dopuščala industrijskega bogatenja z LIS. Glavno ozko grlo v sistemih so bili izvori svetlobe. Ker za selektivno vzbujanje potrebujemo zelo dobro in ozko določen izvor svetlobe, se kot nalašč za to ponujajo laserji. Šele dandanes so laserski sistemi dovolj razviti, da jih lahko umerimo na stotinko nanometra natančno, kolikor znašajo tipične razlike med vzbuditvenimi stanji za različne izotope istega elementa. Tako da so metode LIS, predvsem MLIS, sledile razvoju laserskih sistemov. AVLIS je moral uspešno premostiti še oviro, kako zadržati korozivne taline in pare urana. 13

14 Zaključimo lahko, da so bile raziskave metod U-LIS pomembne, predvsem z ekonomskega kot tudi ekološkega vidika. Porabijo namreč precej manj električne energije, za enako količino obogatenega urana potrebujejo manj uranove rude in proizvedejo manj osiromašenega urana in ostalih odpadkov, povezanih z bogatenjem urana. Pomembno je dejstvo, da je letos Komisija za Jedrsko Regulacijo ZDA (NRC) izdala prvo dovoljenje za gradnjo bogatitvenega obrata z metodo LIS (SILEX, GEH). Ker bo izkoristek bogatenja precej večji, proizvodnja pa cenejša, se bo to globalno poznalo v cenejši proizvodnji električne energije iz jedrskih 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 ogromno literature, 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 lahko izognil nadzorstvu. To predstavlja veliko skrb, saj lahko pride visoko obogaten uran v napačne roke in se uporabi kot jedrsko orožje [9]. VIRI Literatura: [1] Ueda, N., Ionization Energy Difference between Isotopes and its Effect on Isotope Abundance Measurement by Surface Ionization Method, Mass spectroscopy, Vol 17, No2, June 1969 [2] ( ) [3] ( ) [4] Reed J. Jenson, O Dean P. Judd, and J. Allan Sullivan: Separating Isotopes with Lasers Los Alamos Science v4, [5] Stanko Manojlović, Seminar - 4. letnik, Uranium enrichment methods, Ljubljana, May 13, 2010 [6] James I. Davis, Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, CA :ATOMIC VAPOR LASER ISOTOPE SEPARATION, IEEE Transactions on Nuclear Science, Vol. NS-30, No. 1, February 1983 [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 ELECTRIC FIELD IN SYSTEMS OF LASER ISOTOPE SEPARATION, Journal of Russian Laser [9] Denys Rousseau, John Lepingwell, Division of Safeguards Operations A, International Atomic Energy Agency, 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: [11] ( ) [12] ( ) [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,