Uraanin väkevöinti

Uraanin väkevöinti tai uraanin rikastaminen, on uraanin isotooppirikastusta, jossa kasvatetaan rikasteessa olevan U-235:n osuutta suhteessa U-238:n osuuteen. Uraanirikastetta väkevöidään, jotta siitä saadaan ydinreaktoriin sopivaa ydinpolttoainetta tai ydinaseeseen sopivaa ydinasemateriaalia. Väkevöintilaitosta ei pidä sekoittaa uraanirikastamoon, jossa tuotetaan kemiallisesti uraanipitoisesta malmista uraanirikastetta (U3O8, triuraanioktaoksidi, jota esiintyy pikivälke mineraalissa), joka ei ilman väkevöintiä kelpaa ydinpolttoaineeksi useimpiin tavallisiin kevytvesi(ydin)reaktoreihin. 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 %. Näistä vain U-235 soveltuu perinteiseen kevytvesireaktorin fissiiliksi ydinpolttoaineeksi. U-238:aa jää runsaasti rikastettuunkin ydinpolttoaineeseen jopa 97 %, mutta se ei pääosin osallistu fissioon eikä siten tuota energiaa perinteisessä kevytvesiydinreaktorissa. Polttoaine luokitellaan käytetyksi, kun sen isotooppinen rikastusaste on laskenut kevytvesireaktorissa luonnolliselle 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 0,1 % ydinpolttoaineesta (eli noin 2–3 %-yks. sen sisältämästä uraanista). 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. Väkevöinnillä nostetaan vaikutusalaa eli fission todennäköisyyttä. Kevytvesireaktoriin soveltuvan ydinpolttoaineen väkevöintiaste, eli U-235 isotoopin osuus kaikesta uraanista on noin 2–5 %. Tällaisella isotooppirikastusasteella kriittisen massan saavuttaminen ja siten ydinräjähdys on mahdoton. Suurempia rikastusasteita ei tavallisesti käytetä ydinpolttoaineen valmistuksessa, sillä isotooppirikastus hankaloituu progressiivisesti mitä puhtaampiin isotooppikoostumuksiin pyritään.

Ydinaseeseen soveltuvan ydinasemateriaalin (tässä U-235) isotooppinen väkevöintiaste pitää olla 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 erittäin progressiivisesti, vain pieni osa fissiilistä aineesta fissioituu lyhyeessä ajassa ja räjähdysteho jää pieneksi tai kasvaa riski, ettei räjähdystä eli ydinketjureaktiota käynnisty 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. Myös CANDU:ssa vain Uraanin isotooppi 235 osallistuu fission.

Uraanirikastetta (kemiallinen rikastus) väkevöidään (isotooppirikastus) mm. kaasudiffuusio- tai kaasusentrifugi -menetelmillä. Prosessissa saadaan väkevöityä uraania, jossa U-235 isotooppipitoisuus on korkeampi kuin luonnossa esiintyvä ja köyhdytettyä uraania, jossa U-238 isotooppipitoisuus on korkeampi kuin luonnossa esiintyvä. 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. Isotooppirikastus tuottaa suuren määrän köyhdytettyä uraania: noin 7 kg köyhdytettyä uraania per 4%-väkevöity uraanikilo. Suhde kasvaa progressiivisesti jos väkevöintiaste on korkeampi.

Uraanin väkevöintimenetelmät

Kaasudiffuusio
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 energiaa kuluttava sekä vaatii huomattavan määrän vaiheita tuottaakseen riittävästi väkevöityä uraania. Uusia laitoksia ei enää rakenneta, mutta vanhoja käytetään edelleen.

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
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.

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

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

Katso myös
 Ydinpolttoainekierto

Lähteet

Aiheesta muualla 

Uraani