Az urán életútja a föld mélyétől az aktív zónáig

Átírás

1 Az urán életútja a föld mélyétől az aktív zónáig (Energetika 2.-házi dolgozat) Készítette: Adamecz Ágnes Beadás dátuma:

2 Tartalomjegyzék Bevezetés Uránkészleteink a Földön Urán kitermelés Magyarországon Becslés az eddig elhasznált uránra Uránérc bányászata Izotópdúsítási módszerek Források 3. oldal 3-4. oldal 4. oldal 4-5. oldal 5. oldal 6-8. oldal 9.oldal 2

3 Amikor Enrico Fermi 1942-ben megindította az első láncreakciót, egyik munkatársa egy szimbolikusan kódolt telefonbeszélgetés néhány szavában foglalta össze ennek a jelentőségét: Az olasz tengerész megérkezett az új világba;.az új világ természetesen az atomkorszak. Albert Einstein 1905-ben dolgozta ki azt az elméletet, hogy kis mennyiségű anyag rendkívüli mennyiségű energia leadására képes. Amikor Enrico Fermi és Szilárd Leó vezette tudós csoport olyan gyakorlati eljárást fedezett fel, amellyel az anyag legbenső részét,az atommagot fel lehetett bontani, Einstein elméletet beigazolódott. Napjainkban a magenergia az emberiség szolgálatában áll. A következő oldalakon be szeretném mutatni, hogy ennek az energiának mi is a forrása,illetve,azt hogy hogyan jut el a reaktor aktív zónájába a hasadó képes üzemanyag,és egyáltalán azt,hogy milyen módon is válik a Föld mélyéből kitermelt uránérc üzemanyaggá,azaz hogy miképpen dúsítják a természetes uránt,olyanná,hogy benne a hasadni képes magok száma több legyen a természetes uránban lévő hasadásra képes magok számánál. Utánajárásaim során sok új urándúsítási kutatással és ötlettel találkoztam a három elterjedt és közismert módszer mellett:ezek a diffúziós, a centrifugát alkalmazó és lézeres módszer. De a cikk ami felkeltette az érdeklődésem egy teljesen más az eddigiektől eltérő ötletet fogalmazott meg egy izraeli tudós. Azért ezt a témát választottam, mert érdekesnek tartom az atomerőművek működését, milyen műszaki megoldások övezik a működését. Nagyon sok téma kapcsolódik egy atomerőmű, például napjaink nagy kérdése a harmadik generációs erőművek fejlesztése, illetve a fúzió megvalósíthatóságának kérdése. De úgy gondoltam, hogy igazán érdekes téma lenne,az hogy mi ezeknek az erőműveknek a lelke,az energia forrása,a szegletköve,így esett a választásom az urán dúsítási módszerekre,valamint magára az urán életútjára,arra hogy a bányászati telephelytől kiindulva miken megy keresztül az uránérc,hogy megfelelő üzemanyaga lehessen egy erőműnek. Uránkészleteink a Földön A világ működő atomerőműveinek uránérc-ellátottságáról a hazai és a nemzetközi sajtóban, rádióban, tévében rendkívül ellentmondó híradások jelennek meg. Többek szerint Földünk uránérc készletei néhány évtized alatt kimerülnek, tehát nem érdemes az atomenergiával, mint távlati energiaforrással számolni. Mások hosszú távra elegendő uránérc készleteket valószínűsítenek. Nézzük meg,hogy milyen mennyiségben,pontosabban koncentrációban találunk uránércet a Földön,és ezeket milyen szempont szerint osztályozzuk illetve soroljuk csoportokba. A gazdaságosan kitermelhető uránkészleteket a 80-as évek elején 5 millió tonnára becsülték a földön. Napjainkban már több és pontosabb adattal rendelkezünk. Részletes adatokat találunk Vajda György 2004-es könyvében. De mi is azaz urán? Hol lehetjük fel? Az urán primordiális radioaktív anyag. A naprendszer kialakulása előtt, szupernóva robbanásban keletkezett, a Föld anyagában egyenletesen szóródott szét. Az urán átlagos koncentrációja 2-4 ppm. A tengervízben nagy mennyiség található, itt a koncentrációja 3,3 3

4 ppm. A földön több olyan helyet is találunk ahol az urán feldúsult meghatározott geokémiai folyamatoknak a következtében. Ilyen például a kongói uránszurok. Ezen a helyen a U 3 O 8 koncentrációja a 60%-ot is elérte. Természetesen ez nem túl gyakori, az ehhez hasonló gazdag telepek ritkák már a 0,1-0,3% koncentrációjú helyeket is műrevalónak tekintik. Magyarországon, a 0,1 % -nál soványabb ércet is kitermelték a hazai uránbányában, méghozzá 1000 m-es mélységből. Fontos megjegyezni, hogy sok helyen az uránt egyéb bányák ( réz arany )melléktermékként is kitermelik. Az urán kitermelésénél a kitermelés fajlagos költsége, ami meghatározó, e költség szerint szokás megadni a kitermelhető urán mennyiséget. Az uránkészletekre vonatkozó adatok még ma is bizonytalanok. Köszönhető ez annak részben, hogy sokáig szigorú katonai titoknak minősítették az államok az uránkészlet mennyiségét, ma már ez kezd megszűnni A bevett árkategóriák az urán kitermelésénél: 25, 40, 80, 130 és 260 USD/kg. - A 40 USD/kg költséggel kitermelhető urán mennyisége 1 Mt-ra becsülhető, ami zömmel Kanadában, Kínában és Dél-Afrikában található. - A 40 és 130 USD/kg közötti költséggel feltárható ismert uránvagyon 3-4,5 Mt. Ehhez járul a még fel nem tárt, de közvetett indikációval valószínűsíthető urán, becsült mennyisége 4-6 Mt USD/kg-nál olcsóban kitermelhető Mt-ra becsült reménybeli uránvagyonról. Az utóbbit illetően megjegyzem, hogy eddig a szárazföldek felszínének mindössze 8-10%-át kutatták meg uránra. Vannak még további, nem konvencionális készletek is. A legfontosabb a foszfátokban ppm koncentrációban található urán, amelyet a műtrágyagyártás melléktermékeként USD/kg költséggel lehetne kitermelni. Össztömege körülbelül 22 Mt. Végül megemlítjük a tengervizet: a benne található mintegy 4000 Mt urán 340 USD/kg költséggel lenne kitermelhető. [1] Urán kitermelés Magyarországon január 1-ig hazánkban 17,8 ezer tonna uránt termeltek ki. A becslések szerint a mecseki lelőhelyen körülbelül 19 ezer tonna urán van még. Az érc uránkoncentrációja igen tág határok ( g/t) között ingadozik, átlagos minősége a kutatással lefedett területen 1180 g/t. Ez felette van a gazdaságosan kitermelhető uránkoncentrációnak, azonban a bányászati feltételek nem a legjobbak. A legutolsó termelés a külszín alatt 380 és 1002 között folyt. A jelenlegi ismert ércvagyon kitermelése érdekében 1287 m mélyre is le kell menni. Az urán tényleges ára több körülménytől függően alakul. Először is gondolnunk kell az előállítási költségekre, ezt bányászati feltételek alakítják. Továbbá az urán ára nagy mértékben függ a gazdasági élettől, hiszen ára akként is alakul, hogy az üzlet hosszú távú szerződés vagy tőzsdei kereskedés keretében valósul-e meg. [2] Becslés az eddig elhasznált uránra Szatmáry Zoltán által írt cikkben, maga a szerző becslést próbál tenni rá,hogy mennyi urán fogyhatott el a nukleáris korszak eddig eltelt 60 évében. Ezt azért gondolom említésre méltónak, mert az uránkészletekre adott becslések is eléggé bizonytalanok. Az alábbi 4

5 becslések sem lesznek olyannyira biztosak. Természetesen igyekszik reálian az elfogyott urán tömegét felülbecsülni,de így is inkább kissé a valóságtól többet mutatnak az alábbi adatok ben 442 erőművi reaktor működött összesen 357 GW teljesítménnyel. Biztosan felfelé tévedünk, ha abból indulunk ki, hogy az elmúlt 40 év alatt végig ekkora atomerőművi park működött. Ismét a paksi atomerőmű példájából induljunk ki. Egy reaktor töltete 40 tonna UO 2. Mivel a reaktor villamos teljesítménye eredetileg 440 MW, újabban 500 MW, 1000 MW villamos teljesítményre (felfelé kerekítve) 100 tonna uránnal számolhatunk. Így a világon működő atomerőműpark teljes töltete tonna. Egy kiszemelt fűtőelem eredetileg 3 évet töltött a reaktorban, de két évtizede a legtöbb helyen ezt 4 évre növelték. Így az elmúlt 40 évben elhasznált dúsított urán mennyisége /4 = tonna. A dúsítás tárgyalásakor láttuk, hogy ennek mintegy 6-szorosa fogyott el a dúsításkor, vagyis a teljes elfogyott uránmennyiség 2,1 Mt-ra becsülhető. A dúsítóművekből származó maradéka 1,8 Mt szegényített urán. A katonai célú felhasználásra itt most nem közölnék adatokat, mert ezeknek a felkutatására nem is vállalkoztam a téma megjelölése során, meg nem is gondolom, hogy erre pontos adatokat lehetne szerezni. Csak körülbelüli értéket hallottam egy előadás [*] során, miszerint a két szuperhatalom (USA és Oroszország) körülbelül tizenkét-tizenkétezer nukleáris robbanófejjel rendelkezik, a további atomhatalmak (Kína,Franciaország és Nagy- Britannia) becslések szerint ezer robbanófejjel rendelkezik, de hangsúlyoznám újra,hogy ezek az adatok is csak spekulációk. [2] Az uránérc bányászata A következő kis bekezdésben röviden szeretném bemutatni, hogy hogyan és milyen módszerekkel nyerik ki az atomerőművekhez működéséhez szükséges üzemanyagot a föld szívéből. Az uránérc kitermelése a földkéregből általában akkor kifizetődő, ha az uránkoncentráció a 0,5-5 g/kg értéket eléri. Az uránércet kétféleképpen is lehet bányászni: mélyműveléssel (leásnak a földbe és kiépítenek egy 'barlangrendszert'), vagy ha az uránban gazdag kőzet közel van a felszínhez, külszíni fejtéssel (ilyenkor az érctelephez úgy jutnak el, hogy egyszerűen 'elhordják' a talajt az érctelep fölül) Az alábbi két ábrán a két féle bányászati módszer látható: Mélyművelésű és külszíni bányászat-forrás: paksi atomerőmű honlapja [3] A kibányászott urántartalmú kőzetet speciális malmokban porrá őrlik, majd kénsavban feloldják, így nyerik ki az uránércből az uránt. Első lépésben leszűrik a kőzet anyagát, majd az oldatból urán-oxid (U 3 O 8 ) formájában csapatják ki az uránt. Ezután következik az a lépés, amit úgy hívnak, hogy konverzió. A dúsításhoz elengedhetetlen, hogy az urán gáz halmazállapotú lehet,csak is így lehet elvégezni azokat a dúsítási eljárásokat, amelyekről a 5

6 következőkben szó lesz. A gáz halmazállapotúvá alakított vegyület az uránium-hexafluorid (UF 6 ). Ez a vegyület becenevet is kapott: hex ; ami németül boszorkányt jelent. A névválasztás nem véletlen, mert technológiailag ez az anyag rendkívül nehezen kezelhető. Ennek ellenére is így célszerű felhasználni az uránt. Másrészt pedig azért a fluorra esett a választás, mert ennek csak egyféle izotópja létezik a természetben. Így a boszorkányos vegyület csupán kétféle molekula keveréke lesz:az egyik moláris tömege 349 g/mol (235U+6*19F, tömege:235+6*19=349),míg a másiké 352 g/mol, 238U+6*19F, tömege:238+6*19=352). [3] Izotópdúsítási módszerek A konverzió után nézzük a legfontosabb lépést, ahol még mindig komoly kutatások és fejlesztések folynak,most a három legelterjedtebb módszert olvashatjuk,és negyedikként az egyik igencsak figyelemre méltó megoldást egy izraeli tudós kutatásai és cikke alapján,melyet a Science Direkt oldalán leltem fel. A természetes urán túlnyomórészt 238U-ból áll, és csak 0,72%-a a termikus neutronokkal "hasítható" 235U. Ezzel az izotóp összetétellel csak nehézvíz- vagy grafit moderátor alkalmazásával valósítható meg az önfenntartó láncreakció: a könnyűvízben lévő hidrogén túl sok neutront nyel el. A megoldás az izotópdúsítás: meg kell növelni a 235-ös uránatomok részarányát a 238-as "rovására". A legelterjedtebb, könnyűvíz moderátoros atomerőművek üzemanyaga enyhén dúsított (2-4 % 235U) uránt tartalmaz. Ebben az alfejezetben a különböző urándúsítási eljárásokat mutatom be. Tekintettel arra, hogy az izotópdúsításnál kémiailag azonosan viselkedő izotópokat kell szétválasztani egymástól, urándúsításra elsősorban a tömegkülönbséget felhasználó fizikai módszerek jöhetnek szóba. Legelterjedtebb a már fent említett gázdiffúziós eljárás (USA, Franciaország-Eurodif, volt Szovjetunió), terjedőben van a gáz-ultracentrifugálásos módszer (volt Szovjetunió, Urenco), szóba jöhet a gázfúvókás eljárás. Működik már a kémiai módszeren alapuló kísérleti berendezés is (Franciaország, Japán). Nagyreményű kutatás-fejlesztés tárgya a lézeres izotópdúsítás. Kidolgozták már a kiégett üzemanyagból visszanyert urán izotópdúsítási eljárását is. [4] Egy új eljárás A kiválasztott tudományos cikkben a szerző Yigal Ronen, izraeli tudós, 1998-ban egy cikket jelentett meg melyben egy teljesen új üzemanyag gyártási eljárást fejtett ki,amely merőben más volt, mint az eddigiek. Mivel az eddig említett módszerek a tömeg különbségét használják ki a két urán izotópnak, ez a eljárás a két izotóp nukleáris tulajdonságait használja ki az U 235 -nek és az U 238 -nak. Az U 238 -nak két féle izomér állapota létezik, ezeknek sem energiája, sem felezési ideje sem egyezik meg egymással, de egy közös van bennük: mindkettő izomér állapotra jellemző a spontán hasadás. Ez az alapja ennek a dúsítási módszernek, ugyanis ha az U 238 -t gerjesztik ezekre az izomér energia szintekre, és elhasadnak spontán, egyértelmű, hogy fogyni fog a természetes uránban az U 238 as magok száma, tehát nőni fog az U 235 -é, és így el is érte a folyamat a célját. Dúsítás lényege pont az, hogy az U 235 -ös magok számát növeljük a természetes uránban, hiszen ezek azok a magok melyeket a láncreakcióra képesek,így energia termelésre. Ahhoz hogy elérje a U 238 az izomér állapotait,arra 3 féle módszert említ a cikk. Az első gerjesztési módszer a Bremsstrahlung sugárzás, azaz fékezési sugárzás. A fékezési sugárzás a beeső nagyenergiájú elektron és az atommag erőterének kölcsönhatásából származik. Fékezési sugárzás tehát csak akkor jön létre, ha az elektronnak megfelelően nagy 6

7 energiája van az elektronhéjak között áthaladni. Mivel az atommagnak pozitív töltése van és a beeső elektronnak pedig negatív, ezek egymást vonzzák. Ugyanakkor, ha a beeső elektron az atommaghoz túl közel kerül, az atommag erőterén az elektron nem képes áthatolni. Ezért a beeső elektron lelassul. és haladási iránya megváltozik. A fékezés során elvesztett energia röntgen fotonná alakul, mely röntgen foton energiája megegyezik a beeső és kilépő elektron energiájának különbségével. A beeső elektron kinetikus energiaveszteségét a lefékeződés során az elektronnak az atommagtól való távolsága határozza meg.(forrás: Mag-és neutron fizika előadási anyagok). A fékezési sugárzás előnye a nagy foton fluxus,melyekkel a U 238 gerjeszthető. A másik gerjesztési megoldás a cikk alapján az elektronokkal való gerjesztés lenne. [6] Most nézzük meg a három legelterjedtebb izotópdúsítási módszert, amik már minden részfolyamatra terjedően ki vannak dolgozva: Gáz diffúzió Történelmileg először ezt a módszert használták. A folyamat: a gáz diffúziós berendezés a következőképpen működik urán-hexafluorid (UF 6 ) gázzal lassan beépül a csővezetékbe, amiben átszűrésre kerül, speciális szűrőkön, azaz porózus membránok halad át. A lyukak a membránon annyira kicsik, hogy az UF 6 gáz molekuláinak éppen elegendő helye marad, hogy átjusson a réseken. Izotóp dúsítás, akkor történik, mikor a könnyebb UF 6 gáz (az U 234 és U 235 atomokkal) molekulái gyorsabban keresztül jutnak a membránon, mint az UF 6 gáz nehezebb molekulái amelyek U 238 -at tartalmaznak. Egy membrán nem elég, sőt, több száz membrán kell egymás után, hogy az UF 6 gáz molekulái elég U t tartalmazzon, és a 1. ábra reaktorban használható legyen, mint megfelelő üzemanyag. A folyamat végén, a dúsított UF6 gázt eltávolítják a csővezetékekből majd átalakítják folyadékká amit beleöntenek tartályokba. Az UF 6 kihűl a tartályokban majd megszilárdulni, ezután szállítják a fűtőelemeket gyártó létesítményekbe, ahol üzemanyaggá válik az erőműnek. Az ábrán jól lehet látni a gázdiffúziós dúsítási folyamatot. Veszélyek: Az elsődleges veszély a gáz diffúziós üzembe, a kémiai és sugárzási veszély az UF 6 kibocsátásának következtében. [5] Gáz centrifuga A gázcentrifugás urándúsítási folyamat több rotációs hengert használ, amik lehetnek sorosam és párhuzamosan kapcsolva. Ebben a folyamatban az UF 6 gáz hengerben van elhelyezve, ami nagy sebességgel forog. Ez a forgás olyan nagy centrifugális erőt kelt, hogy a nehezebb gázmolekulák (U 238 ) kikerülnek a hengerből, a könnyebb gáz molekulák U 235 pedig közelebb kerülnek egymáshoz a középpontban. Jelentősen több U 235 dúsítást lehet elérni egy egységes gázcentrifugával, mint egy egységes gázdiffúzióval. Az ábrán jól látható a folyamat. [5] 2. ábra 7

8 Lézer szeparáció Az uránban található izotópok szétválasztása a fotogerjesztés elvén alapszik. (a molekulákat lézer fénnyel gerjesztik). A technológiák között található atomos gőzfázisú lézer izotópos leválasztás (AVLIS), molekuláris lézeres izotóp szétválasztás (MLIS), és izotópjainak szétválasztására a lézeres gerjesztést alkalmazó technológia (SilexI) Általában, a dúsítási folyamat három főbb eljárás segítségével történik, optikai rendszer és a szétválasztós rendszer és a lézeres rendszer. Hangolható lézerek (azaz a hullámhossza változtatható) fejleszthetőek azért, hogy szállítsa a magas monokromatikus sugárzást (minden kvantuma ugyanakkora frekvenciával rendelkezik). Ezeknek a lézereknek a sugárzása fotoionizálni tudja a specifikus izotópokat, mialatt más izotópokat nem gerjeszt. Az érintett izotóp fajták fizikailag vagy kémiailag változnak, amely lehetővé teszi az anyagot alkotó eltérő izotópok elkülönítését. AVLIS megoldás urán-vas (Fe-U) fém ötvözetet használ, mint a alapanyag, míg Silex és MLIS UF 6 gázt használni, mint kiindulási anyag. [5] Zárószavak A fent leírtakból jól látható, hogy urán elegendő mennyiségben található a felszín alatt, véleményem szerint ezek több száz évre rendelkezésre álló energiahordozók. Igaz ugyan, hogy a jövőre nézve sok féle lehetősége van az emberiségnek. Használhatjuk például tovább a kőolajat, egészen addig, amíg ki nem merül, számolgathatjuk tovább, hogy az egyes környezetet szennyező energiahordozók még mennyi káros anyagot bocsájtanak ki, félretehetjük az atomerőműveket, ezzel vakvágányra téve rengeteg ki nem használt tiszta energiát, mint ami az uránércben lakozik. Tudom, hogy sokan fenntartásokkal kezelik az atomenergiát, de jól látható, hogy milyen jó megoldások születtek arra, hogy bármilyen környezetre káros anyag kibocsátása nélkül üzemanyaggá alakítsuk az uránt. Persze nem azt mondom, hogy nem jár veszéllyel ez a fajta energiaforrás, például könnyen katonai célokat szolgálhat és ott a sugárzás is, de megfelelő szakértelemmel, elővigyázatossággal és a szükséges felügyelettel ez is egy megbízható energiaforrása lehet az emberiségnek, mind most mind a közeljövőben. Mindezek ellenére általános igazságként elmondható,nem csak erre az energiaforrásra nézve, hogy emberiség addig fog erre az energiára támaszkodni, ameddig szükségesnek ítéli, vagyis amíg nem talál másik, kedvezőbb energiahordozót. 8

9 Felhasznált források 1.Vajda György: Energiaellátás ma és holnap. MTA Társadalomkutató Központ, Budapest, Fizikai Szemle 2010/ o szerző: Szatmáry Zoltán BME, Nukleáris Technikai Intézet 3. Paksi atomerőmű honlapja: Szemle 1991/ o. cikk címe: Az atomenergia-hasznosítás jelenlegi helyzete és várható alakulása II. Szerző: Csom Gyula BME, Nukleáris Technikai Intézet 5. United States Nuclear Regulatory Commission (U.S.NRC) 6. A választott cikk: A new method for uranium enrichment szerző: Yigal Ronen1 Department of Nuclear Engineering, Ben-Gurion University, Beer-Sheva, Israel Received 17 August 1998; accepted 15 September [*] Sükösd Csaba- A nukleáris leszerelés kérdései előadássorozat, BME 2010/2011 őszi félév 9

10 10