W poprzednim odcinku...

Transkrypt

1 W poprzednim odcinku...

2 Yellowcake 70-90% koncentrat U 3 O 8

3 Konwersja U 3 O 8 --> UF 6 Uran, który ma zostać wykorzystany w reaktorach LWR (Light Water Reactors) jest konwertowany do UF 6, który łatwo przechodzi w stan gazowy i w tym stanie skupienia przechodzi proces wzbogacania Niewzbogacony! Prawie wszystkie komercyjne reaktory jądrowe są typu LWR. Woda jest stosowana jako chłodziwo oraz moderator. Paliwo w tych reaktorach wykorzystuje wzbogacony uran Yellow cake jest konwertowany do sześciofluorku uranu: wykorzystuje się w tym procesie kwas azotowy, zasadę amonową, wodór, kwas fluorowodorowy (HF) i fluor (F 2 ).

4 Konwersja U 3 O 8 do UF 6 Rozpuszczanie yellowcake yellowcake w roztworze kwasu azotowego, filtrowanie i chemiczne oczyszczanie. Uzyskany azotan uranylu ( >99.95%) jest zamieniany na tlenek uranu a następnie na sześciofluorek uranu, który sublimuje w postać gazową. Pierwszy krok: rozpuszczanie yellowcake w kwasie azotowym - tworzy się roztwór azotanu uranylu [UO 2 (NO 3 ) 2 ]. Chemical forms of uranium during conversion: yellowcake i roztwór azotanu uranylu [UO 2 (NO 3 ) 2 ].

5 Drugi krok: oczyszczanie azotanu uranylu [UO 2 (NO 3 ) 2 ] i zamiana na uranian amonu. Po oczyszczeniu azotanu uranylu, woda amoniakalna jest dodawana do roztworu, w wyniku tworzy się nierozpuszczalny uranian amonu [(NH 4 ) 2 U 2 O 7 ] - wytrąca się z roztworu. yellowcake, uranyl nitrate solution [UO 2 (NO 3 ) 2 ], and solid ammonium diuranate [(NH 4 ) 2 U 2 O 7 ].

6 Trzeci krok: Powstaje dwutlenek uranu [UO 2 ] zwany "brown oxide," wskutek oddziaływania wodorem na uranian amonu [(NH 4 ) 2 U 2 O 7 ] yellowcake uranyl nitrate solution [UO 2 (NO 3 ) 2 ] solid ammonium diuranate [(NH 4 ) 2 U 2 O 7 ], uranium dioxide [UO 2 ].

7 Czwarty krok: [HF] (kwas fluorowodorowy) jest dodawany do UO 2 i formuje czterofluorek uranu [UF 4 ], nazywany "green salt. (zieloną solą)

8 Piąty krok: chemiczna konwersja czterofluorku uranu [UF 4 ] do sześciofluorku uranu [UF 6 ] przy wykorzystaniu fluoru [F 2 ]. UF 6 jest nalewany do 13-tonowych cylindrów, w których jest chłodzony i po 5 dniach krystalizuje. Te metalowe kontenery są przewożone do fabryk wzbogacających zawartość U-235.

9 Najważniejsze reakcje chemiczne związane z konwersją uranu (Na każdym etapie konwersji usuwane są zanieczyszczenia)

10

11 Odpady deponowane w basenach (lagoon) z uranium conversion plant (Główne składniki zawarte w odpadach pochodzących z procesu konwersji uranu: azotan amonu, azotan sodu, azotan wapnia, węglan wapnia, uran, tor, rad) Związki chemiczne deponowane w basenach: NaNO 3, NH 4 NO 3, Ca(NO 3 ) 2, Ca(OH) 2, Si, Al, Fe, U, Th, P

12 Baseny lagoon lagoon (składowanie odpadów z etapu konwersji yellow cake do UF 6 ) Comurhex Malvési conversion plant, FranceThis plant converts U 3 O 8 to UF 4. Further processing to UF 6 is done at the Comurhex plant in Pierrelatte. Zagrożenia związane z nawalnymi opadami deszczu (np. lato 2003 r, styczeń 2006 r.) Zagrożenie silnymi wiatrami - przelewanie przez tamy (np. marzec 2006)

13 Zagrożenia środowiskowe związane z konwersją uranu Największym zagrożeniem związanym z procesem konwersji oraz wzbogacania jest związek UF 6 który jest toksyczny chemicznie oraz radioaktywny. UF 6 reaguje z wodą tworząc wysoce toksyczny fluorowodorowy kwas. Największe niebezpieczeństwo występuje w procesach, w których uczestniczy ciekły UF 6. Gdy UF6 ulotni się do atmosfery, reaguje z wilgocią w powietrzu i tworzy gęstą chmurę zawierającą fluorek wodoru (HF) - nie radioaktywny gaz, ekstremalnie toksyczny chemicznie. W 1986 roku w korporacji Sequoyah Fuels w Oklahomie doszło do przepełnienia cylindra na UF 6, który uległ rozszczelnieniu, doszło do wycieku HF, został zabity pracownik. The accident happened when an overfilled cylinder was heated in an attempt to remove excess UF 6. When the solid UF6 liquefied, the associated volume increase breached the cylinder.

14 Stały UF 6 jest białą, gęstą, krystaliczną substancją, która przypomina sól UF 6 + 2H 2 O --> UO 2 F 2 + 4HF UF 6 nie reaguje z tlenem, azotem, dwutlenkiem węgla lub suchym powietrzem, ale reaguje z wodą lub parą wodną. Z tego powodu, UF 6 jest zawsze magazynowany w szczelnych pojemnikach. Kiedy dojdzie do kontaktu UF6 z wodą, np. parą wodna w atmosferze, związki te reagują, tworząc silnie korozyjny fluorek wodoru (HF) oraz fluorek uranylu(uo 2 F 2 ). Zagrożenie chemiczne jest o wiele większe od radiologicznego. Związki te powodują korozję i są toksyczne (inhalacja, spożycie, przez skórę). Inhalacja oraz spożycie związków fluoru może prowadzić do śmierci.

15 Cylindry na naturalny UF 6 UF 6 jest magazynowany i transportowany w stalowych cylindrach. Rodzaj cylindra 48Y charakteryzują się pojemnością 12.5 t UF 6. W temperaturze otoczenia UF 6 jest w fazie stałej, w temperaturze 56.4 o C sublimuje (przechodzi w gaz).

16 Wzbogacanie uranu Proporcje izotopów uranu

17 Wzbogacanie UF 6 Cechy UF 6 które pozwalają wykorzystać ten związek w procesie wzbogacania: - tylko jeden izotop fluoru - jedyny lotny związek uranu w osiągalnym zakresie temperatury Powyżej temperatury 57 o C (134 o F) UF 6 jest gazem, a poniżej jest ciałem stałym. Fluor posiada tylko jeden izotop także można odseparować związek U235F 6 od U238F 6 tylko na podstawie różnicy masy 1% między izotopami uranu.

18 Wzbogacenie w izotop U-235 niezbędne do produkcji bomby atomowej Wzbogacenie w izotop U-235 niezbędne dla reaktorów jądrowych

19 Wzbogacanie - pierwszy etap Żaden cylinder nie powinien być wypełniony taką ilością UF 6, która po podgrzaniu do 250 F, zajmie więcej niż 95% objętości cylindra. Gdy UF 6 jest podgrzewany, rozszerza się i zmienia stan skupienia ze stałego na ciekły i lotny W pierwszym etapie wzbogacania cylindry z UF 6 są podgrzewane w autoklawie - tworzy się uranium hexafluoride gas, który jest przesyłany do instalacji wzbogacającej (np. gaseous diffusion plant)

20 Wzbogacanie uranu - metody - dyfuzja frakcjonująca Cząstki lżejsze przemieszczaj się szybciej i częściej uderzają w ścianki półprzepuszczalnej membrany

21 Gaz UF 6 przechodzi przez porowate membrany zawierające otwory nieznacznie większe od rozmiarów cząsteczek UF 6. Lżejsze cząstki UF 6 zawierające lżejszy izotop U-235 oraz 234 cechują się szybszą dyfuzją. Gaz po przejściu przez kilkaset membran zostaje wzbogacony do ok.. 5% lżejszego izotopu uranu

22 Wzbogacanie uranu - metody - wirowanie frakcjonujące Gaz UF 6 jest wprowadzany do cylindra, który wiruje z dużą prędkością kątową. Rotacja wytwarza siłę odśrodkową, która przesuwa cięższe cząstki (zawierające U-238) do zewnętrznych części cylindra, lżejsze cząstki UF 6 pozostają bliżej centrum cylindra. Ta metoda jest bardziej wydajna w porównaniu z metodą dyfuzji. Metodę wirowania wykorzystuje się powszechnie w Europie od ok. 30 lat. Większość uranu w chwili obecnej jest wzbogacane metodą dyfuzji i rotacji. Jednak metoda rotacyjna jest tańsza, w konsekwencji zamyka się też zakłady stosujące metodą dyfuzji. (Jasnoniebieski - U-235, granatowy - U-238)

23 Zalety metody wirowania W porównaniu z metodą dyfuzji, jest efektywniejsza (stosuje się ją w USA od 50 lat). 1. Efektywniej odseparowuje izotop U Aby uzyskać wzbogacenie 4-5% metoda wirowania wykorzystuje znacznie mniej etapów (kaskad) wzbogacania, podczas gdy metoda dyfuzji wymaga zastosowania więcej niż 1000 etapów. 3. Metoda wirowania wykorzystuje o ok. 90% mniej energii elektrycznej. Jest znacznie tańsza od metody dyfuzji. 4. Instalację wzbogacania wirowego łatwiej jest ukryć (przed satelitami) ponieważ nie wykorzystuje ona systemów intensywnego chłodzenia oraz potęznych systemów zasilania. 5. Jest mało awaryjna. 6. Modułowa struktura instalacji umożliwia jej łatwą rozbudowe oraz modyfikację.

24 Dyfuzja Rotacja Potrzebne jest przejście przez 1400 kaskad - modułów wzbogacających. Potrzebne tylko 20 kaskad wzbogacających

25 Wzbogacanie uranu - metoda laserowa Laser wywołuje jonizację izotopu U-235 Dodatni jon U-235 jest przyciągany do ujemnych elektrod. Metoda wykorzystywana również do separowania izotopów plutonu. Źródła wzbogaconego uranu (lub plutonu)

26 Stages are connected in series. The desired concentration of the product determines the number of stages in the cascade. The enriched output from each stage is passed on as input to the next stage Kaskady wzbogacające

27

28 Aktualnie funkcjonujące fabryki wzbogacania uranu

29 W trakcie wzbogacania tworzą się dwie frakcje UF 6, pierwsza bogatsza w izotop U-235 (do 5%) druga, uboższa w U-235 (<0.7%) - nazywamy ją odpadem (DU - depleted uranium) Ok. 6-8 ton DU jest produkowane na 1 tonę wyprodukowanego paliwa. Produkt do dalszego wykorzystania Odpad?

30 Składowanie zubożonego uranu 48G - cylinder na zubożony uran (w formie UF 6 ) Proces wzbogacania generuje dwa strumienie UF 6 : pierwszy wzbogacony w U-235 (koncentracja większa niż 0.7%) oraz drugi zubożony w uran-235 (koncentracja mniejsza niż 0.7%). Odpadem jest zubożony UF 6 (bogaty głównie z izotop U-238) - pracuje się nad jego re-konwersją do U 3 O 8 w celu zmniejszenia ilości odpadów w postaci fluorków oraz składowaniem bardziej stabilnego tlenku uranu (w długofalowej perspektywie). Po procesie wzbogacenia, zubożony UF 6 składowany jest w dużych stalowych cylindrach. Najpopularniejsze cylindry posiadają średnicę 48 cali.

31 Re-konwersja DU-UF 6 do UO x Z konwersją UF 6 do tlenków uranu związana jest emisja fluoru. Kwas HF jest produktem przemysłowym i jest sprzedawany, co pozwala uniknąć problemu składowania odpadów, jednak w procesie rekonwersji wytwarzany jest CaF 2 / MgF 2, które są odpadami.

32 Typical Depleted Cylinder Storage Yard (składowisko zubożonego uranu) Depleted uranium ( tails ) stored in large steel cylinders, located at Portsmouth, OH [Source: ANL: Environmental Science Division]

33 Straddle Carrier Cylinder Handler "Cylinder handlers" are specially designed vehicles also used to move and handle depleted uranium hexafluoride cylinders. One common method of moving depleted uranium hexafluoride cylinders uses a specially designed vehicle called a "straddle carrier." Sposób transportowania DU

34 Zagrożenia związane ze składowaniem DU Większość zubożonego UF 6 do tej pory jest składowane w stalowych cylindrach na placach usytuowanych na terenie zakładów wbogacenia (enrichment plants). Cylindry korodują - szczelność cylindrów musi być monitorowana a ich powierzchnia musi być cyklicznie zabezpieczana antykorozyjnie. Prace konserwatorskie wymagają przesuwania cylindrów, co podnosi ryzyko rozszczelnienia skorodowanych cylindrów. W przypadku korozji pojemników z UF 6 może dojść do zanieczyszczenia wód podziemnych oraz wzrostu koncentracji HF w powietrzu. A depleted uranium hexafluoride (DUF6) storage cylinder with external corrosion (rust) and a patch used to repair a breach, Portsmouth Gaseous Diffusion Plant, Portsmouth, Ohio. More than 16,000 DUF6 cylinders (approx. 195,000 metric tons) are currently stored at the Portsmouth plant. An additional 36,000 cylinders are stored at the Paducah Gaseous Diffusion Plant in Paducah, Kentucky, and nearly 5,000 more at the Oak Ridge site in Oak Ridge, Tennessee. (Photo credit IEER)

35 Zagrożenia związane z procesem wzbogacania uranu Poziom promieniowania na powierzchni zewnętrznej cylindra zawierającego DU UF 6 wynosi zazwyczaj ok. 2-3 millirem na godz (mrem/h). Co daje (przy ciągłej ekspozycji) mrem/rok (norma = 5000 mrem/rok) Rozpad uranu i jego produktów rozpadu są źródłem promieniowania gamma, dodatkowo promieniowanie alfa uranu wytwarza promieniowanie neutronowe jako rezultat reakcji jądrowych z fluorem. Promieniowanie gamma oraz neutronowe penetruje ściany pojemników stalowych

36 Zagrożenia cd. Jeżeli UF 6 zostanie uwolniony do atmosfery to powstają chemicznie aktywne związki: UO 2 F 2 (fluorek uranylu) i HF(kwas fluorowodorowy) Ponadto uran jest metalem ciężkim, który negatywnie (toksycznie) oddziałuje na organizm, szczególnie na nerki (jeżeli dostanie się do wnętrza organizmu). HF jest silną substancją powodującą korozję. Jeżeli dostanie się do organizmu przez inhalację, to niszczy płuca i powoduje śmierć. Hazards from UF6 cylinder engulfed in fireif a UF6 cylinder is engulfed in a long lasting externally fueled fire, its temperature may rise so high that the cylinder bursts and instantly releases its complete contents. In this case, lethal air concentrations of toxic substances can occur within distances of 500 to 1,000 meters.

37 Radioaktywność wzbogaconego UF 6 81 MBq / kg W przypadku wzbogaconego UF6 istnieje także ryzyko zajścia niekontrolowanej reakcji jądrowej - jeżeli zbyt duża ilość wzbogaconego uranu składowana jest w jednym miejscu to może zostać przekroczona masa krytyczna, może rozpocząć się reakcja rozczepienia i z nią związana emisja neutronów i promieniowania gamma.

38 Radioaktywność zubożonego UF 6 Radioaktywność kanadyjskiej rudy uranowej - 25 MBq / kg Radioaktywność australijskiej rudy uranowej - 0,5 MBq / kg Radioaktywność zubożonego uranu (DU) - 14 MBq / kg Radioaktywność wzbogaconego uranu - 81 MBq / kg

39 Promieniotwórczość zubożonego uranu Po ok. 10 tys lat Tor-230 oraz jego produkty rozpadu zaczynają zwiększać swoją koncentrację Zubożony uran posiada niezwykłą cechę - staję się coraz bardziej radioaktywny wraz z upływem czasu - jest to cecha, która musi być brana pod uwagę przy planach długofalowego składowania.

40 Radioaktywne residuum w opróżnionych cylindrach po wzbogaconym UF 6 Cylindry opróżnia się z UF 6, podgrzewając je w autoklawie. UF6 sublimuje (staje się gazem) i zasila instalacje wzbogacania. Jednak, w cylindrze znajdują się także izotopy emitujące promieniowanie gamma (produkty rozpadu U-238 oraz U-235), mianowicie: Th-234, Pa-234 i Th-231. Izotopy te powstały w ciągu kilku miesięcy od momentu odseparowania UF6 zubożonego i wzbogaconego. Izotopy te nie tworzą gazowych związków z fluorem. Pozostają w cylindrach, na dnie, w formie residuum, które nie jest usuwane z cylindrów. Te produkty rozpadu (w szczególności Pa-234) są źródłem promieniowania gamma w cylindrze. W pełnym cylindrze (wypełnionym UF 6 ) tylko mała część tworzącego się promieniowania gamma przedostaje się do ścianek cylindra, ponieważ większość tego promieniowania jest pochłaniane przez uran. W pustym cylindrze, promieniowanie gamma jest nadal obecne, i dochodzi do ścianek cylindra bez przeszkód.

41 Zagrożenie związane z UF6 residuum Po dostarczeniu UF6 do fabryki wzbogacania jest on wyładowywany z cylindra. Po wyładowaniu, w cylindrze pozostaje residuum, które emituje silne promieniowanie gamma.

42 W ciągu kilku tygodni od wyprodukowania UF6, powstają w nim produkty rozpadu: tor-234 i protaktyn-234 (w serii uranu- 238) oraz toru-231 (w serii uranu-235).

43 Te produkty rozpadu emitują promieniowanie gamma, większość tego promieniowania jest wychwytywana przez uran znajdujący się w cylindrze (UF 6 ). Uran jest słabym emitorem promieniowania gamma.

44 Aby opróżnić cylinder z UF6 cylinder jest podgrzewany w autoklawie.

45 Powyżej temperatury 56.4 o C, UF6 sublimuje (staje się gazem), podczas gdy produkty rozpadu nie tworzą lotnych związków z fluorem.

46 Produkty rozpadu uranu pozostają w cylindrze, formując gama-radioaktywne residuum. 500 mikrosv/h - dawka pochłonięta pr. gamma z pustego cylindra (4380 msv/rok) średnia dawka = 2,4 msv/rok; progowa dawka=50 msv/rok; śmiertelna dawka = msv/h

47 Ponieważ w pustym cylindrze nie ma uranu, promieniowanie gama nie jest pochłaniane i może swobodnie docierać i przechodzić przez ścianki cylindra. Promieniowanie gama z pustego cylindra jest ok. 100 razy większe niż z pełnego cylindra.

48 Cylinder na wzbogacony UF 6 Aby uniknąć zagrożenia związanego z niekontrolowaną reakcją jądrową, wzbogacony UF 6 jest składowany i transportowany w mniejszych stalowych cylindrach w porównaniu z naturalnym UF 6. Typ 30B cylindra wykorzystywany do wzbogaconego UF 6 posiada pojemność t UF 6. Niebezpieczeństwo związane z promieniowaniem gama i neutronowym w przypadku cylindrów ze wzbogaconym UF6 jest dużo większe w porównaniu z naturalnym UF 6.

49 Pastylki paliwowe O tym będzie następny wykład :)