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.

Obr. 1 - V popředí jaderná elektrárna Tricastin se 4 tisícimegawattovými bloky, chlazená je řekou Rhônou (chladicí věže k ní nepatří, chladí areál Eurodif). Tmavé bloky v pozadí ukrývají difuzní kolony. Za chladicími věžemi se staví budovy pro odstředivky.

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.

Obr. 2 - Difúzní kolona, 20 m vysoká, 4 m průměr, obsahuje dlouhé keramické trubičky. V hale jsou stovky kolon a těžko snesitelný hluk stovek kompresorů. Proces probíhá při teplotách přes tisíc stupňů.

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.

Obr. 3 - V novém obohacovacím závodě bude sedm milionů takovýchto trubic – centrifug. Jsou asi 3 m dlouhé a mají průměr 15 cm.

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.

Autorkou článku je Ing. Marie Dufková (ČEZ a.s.), článek je převzat s jejím laskavým svolením z internetového časopisu www.tretipol.cz.