Rozdzielanie izotopów za pomocą wzbudzenia laserowego
Rozdzielanie izotopów przez wzbudzenie laserowe ( SILEX ) to proces rozdzielania izotopów , który jest badany w celu produkcji wzbogaconego uranu na skalę przemysłową przy użyciu laserów . Został opracowany w latach 90. XX wieku i jest wariantem separacji izotopów laserem molekularnym (MLIS). W przypadku uranu wykorzystuje zimną wiązkę molekularną z UF 6 w gazie nośnym, w którym 235 UF 6 jest selektywnie wzbudzany przez laser podczerwony o długości fali bliskiej 16 µm. Ale w przeciwieństwie do wcześniejszych technik MLIS rozwijanych od lat 70. XX wieku nie dysocjuje cząsteczki.
Historia
Rozwój różnych wariantów MLIS rozpoczął się już w latach 70. XX wieku. W większości z nich laser na podczerwień wzbudził wibracyjnie jeden z izotopów, np. 235 UF 6 gazowego sześciofluorku uranu . Wymaga to długości fali bliskiej 16 µm. Wzbudzone cząsteczki były następnie dalej wzbudzane do dysocjacji, ponownie przy 16 µm lub laserem UV. Otrzymany UF 5 (wzbogacony w 235 U) można następnie wytrącić w postaci ciała stałego. Wariantem MLIS opracowanym później jest SILEX, który pozostawia cząsteczki nienaruszone.
Po początkowej euforii LIS uranu został w większości porzucony w latach 90. Urenco opublikowało w 1992 r. powody swojej decyzji. Jednym z powodów było to, że procesy LIS wydawały się wymagać szeregu dalszych udoskonaleń o niepewnym wyniku, podczas gdy wirówki osiągnęły dojrzałość techniczną mniej więcej w tym czasie. Ale w Australii wariant SILEX nie został wycofany.
Proces SILEX został opracowany przez Michaela Goldsworthy'ego i Horsta Struve, pracujących w firmie Silex Systems Limited, założonej w 1988 roku. W 1993 roku w centrali SILEX w Sydnej.
W listopadzie 1996 r. firma Silex Systems Limited udzieliła licencji na swoją technologię wyłącznie firmie United States Enrichment Corporation (USEC) w zakresie wzbogacania uranu.
W 1999 roku Stany Zjednoczone podpisały Porozumienie o współpracy między rządem Australii a rządem Stanów Zjednoczonych Ameryki w zakresie technologii separacji izotopów uranu metodą wzbudzenia laserowego [Umowa SILEX], które umożliwiło współpracę badawczo-rozwojową między dwa kraje w procesie SILEX.
Silex Systems zakończył drugi etap testów w 2005 roku i rozpoczął Program Test Loop. Już wcześniej, w 2003 roku USEC wycofało się z projektu. W 2007 roku Silex Systems podpisał wyłączną umowę komercjalizacyjną i licencyjną z General Electric Corporation (GE). Program Test Loop został przeniesiony do zakładu GE w Wilmington w Północnej Karolinie . Również w 2007 roku GE Hitachi Nuclear Energy (GEH) podpisało listy intencyjne dotyczące usług wzbogacania uranu z firmami Exelon i Entergy - dwie największe elektrownie atomowe w USA.
W 2008 roku firma GEH wydzieliła Global Laser Enrichment (GLE) w celu komercjalizacji technologii SILEX i ogłosiła pierwszy potencjalny komercyjny zakład wzbogacania uranu z wykorzystaniem procesu Silex. Amerykańska Komisja Dozoru Jądrowego (NRC) zatwierdziła zmianę licencji zezwalającą GLE na obsługę pętli testowej. Również w 2008 roku Cameco Corporation z Kanady, największy na świecie producent uranu, dołączyła do GE i Hitachi jako współwłaściciel GLE.
W 2010 roku pojawiły się obawy, że proces SILEX stanowi zagrożenie dla światowego bezpieczeństwa jądrowego (patrz Obawy związane z proliferacją).
W sierpniu 2011 r. GLE złożyło wniosek do NRC o pozwolenie na budowę komercyjnego zakładu w Wilmington, który wzbogaciłby uran do maksymalnie 8% 235 U. 19 września 2012 r. NRC podjęła wstępną decyzję w sprawie wniosku GLE i udzielił żądanego zezwolenia. Silex zakończył program fazy 1 pętli testowej w zakładzie GE-Hitachi Global Laser Enrichment (GLE) w Wilmington. Docelowy poziom wzbogacenia zakładu komercyjnego wynosi 8 procent, co plasuje go na górnym końcu nisko wzbogaconego uranu.
W 2014 roku zarówno GLE, jak i Silex Systems przeszły restrukturyzację, a Silex zmniejszył o połowę swoją siłę roboczą. W 2016 roku GEH wycofał się z GLE, spisując swoją inwestycję.
W 2016 roku Departament Energii Stanów Zjednoczonych zgodził się sprzedać około 300 000 ton sześciofluorku zubożonego uranu firmie GLE w celu ponownego wzbogacenia (z 0,35 do 0,7% 235 U) przy użyciu procesu SILEX przez 40 lat w proponowanym Paducah, Kentucky Laser Enrichment Facility .
W 2018 roku Silex Systems porzucił plany GLE, zamierzając repatriować technologię SILEX do Australii.
W 2021 roku Silex Systems przejął większościowy udział (51%) w GLE, a Cameco (49%) jako właściciel mniejszościowy. Ścieżka wejścia przedsięwzięcia na rynek opiera się na umowie między GLE a Departamentem Energii Stanów Zjednoczonych, na mocy której odpady poflotacyjne uranu DOE zostaną udostępnione dla proponowanego projektu Paducah Laser Enrichment. Technologia firmy Silex zostanie wykorzystana do produkcji uranu naturalnego z odpadów poflotacyjnych. GLE zamierza teraz (od 2022 r.) skupić się na ponownym wzbogaceniu w Paducah. Znajduje się w miejscu, gdzie do 2013 roku działała ostatnia instalacja dyfuzyjna do wzbogacania uranu. Pozostawiła po sobie kilkaset tysięcy ton zubożonego UF 6 .
Proces
GLE nie ujawniło wielu szczegółów dotyczących procesu (kompilacja w ). Ale eksperci w tej dziedzinie zgadzają się teraz, że obejmuje to selektywne tłumienie kondensacji przez wzbudzenie laserowe. Jest to opisane tutaj na przykładzie UF 6 .
6 o najkrótszej długości fali wynosi około 16 µm. W temperaturze pokojowej jego szerokość (około 20 cm −1 ) jest znacznie większa niż przesunięcie izotopowe (0,6 cm −1 ). Poszerzenie jest spowodowane termicznie wypełnionymi wzbudzonymi stanami wibracyjnymi i obrotowymi. Aby umożliwić selektywne wzbudzenie, UF 6 , rozcieńczony około 100-krotnie gazem nośnym (którym może być argon lub azot), jest schładzany do około 80 K przez adiabatyczne rozprężanie przez dyszę do próżni. Początkowo nadal występują kolizje (które są niezbędne do chłodzenia). Jednak po przejechaniu około 10 średnic dysz, ze względu na rozszerzenie, są one tak rzadkie, że kondensacja nie może już mieć miejsca. Unikanie kolizji jest również konieczne, aby stłumić wszelkie kolizyjne przenoszenie energii między izotopami. Taka metoda wiązki molekularnej jest stosowana we wszystkich przypadkach, w których do selektywnego wzbudzenia potrzebne jest zawężenie widma.
W przypadku SILEX ciśnienie i średnica dyszy są tak dobrane, aby zapewnić wystarczającą liczbę kolizji bezpośrednio po dyszy, aby umożliwić tworzenie klastrów (UF6•G) z gazem nośnym G. (Klastery UF 6 • UF 6 są praktycznie nie powstaje z powodu znacznie mniejszej gęstości UF6 w porównaniu z G.) Jeśli 235 UF 6 jest selektywnie wzbudzany przy 628,3 cm −1 , to ta cząsteczka nie agreguje z G, podczas gdy niewzbudzona cięższa 238 UF 6 robi. Ze względu na większą prędkość termiczną wolne cząsteczki opuszczają oś wiązki molekularnej szybciej niż klastry. wzbogacane w części przenoszonej przez dyszę odpieniacza w dół, podczas gdy frakcja nieprzepuszczalna jest wzbogacana w 235 UF6 . Współczynnik wzbogacenia jest tym lepszy, im większa jest przenoszona frakcja (tzn. im mniejsze zubożenie i mniejsze cięcie). Oznacza to, że SILEX wykorzystuje dyszę rozdzielającą, zmodyfikowaną laserowo i czerpiącą korzyści z selektywnego tłumienia tworzenia się klastrów („kondensacji”).
Jeśli chodzi o laser, GLE mówi (patrz ), że używa pulsacyjnego lasera CO 2 , który jest przesuwany przez stymulowany obrotowy efekt Ramana w (schłodzonym) para-wodorze do 16 µm. Do tego laser CO 2 potrzebuje co najmniej 20 MW. Przy przesunięciu Ramana równym 354,3 cm -1 i liczbie falowej lasera CO2 równej 982,1 cm -1 (linia 10R30), otrzymuje się 627,8 cm -1 . Jest to tylko blisko gałęzi Q 235 UF 6 (środek na 628,3 cm -1 , szerokość 0,01 cm -1 ) i jest jeszcze bliżej gałęzi Q z 238 UF 6 . GLE nie informuje, w jaki sposób dokonuje niezbędnego dostrojenia. Fuß przypuszcza, że wysokociśnieniowy laser CO 2 jest używany razem ze zwykłym laserem CO 2 pod ciśnieniem atmosferycznym (jak najwyraźniej we wstępnej konfiguracji, chociaż John Lyman przypuszcza, że zostaną użyte również nieujawnione nieliniowe sztuczki optyczne). Wysokociśnieniowy CO 2 lasery powodowałyby dodatkowe problemy z częstotliwością powtarzania impulsów. Ze zwykłym (pod ciśnieniem atmosferycznym) CO2 laserów, a ze stymulowanym przesuwnikiem ramanowskim stan technologii wynosi 2–4 kHz. Aby nie pozostawiać dużych części wiązki molekularnej nienapromieniowanymi, potrzeba co najmniej 20 kHz (według Urenco kilkadziesiąt kHz), chyba że stosuje się dysze pulsacyjne. Same dysze muszą mieć kształt szczeliny, aby zapewnić wystarczającą długość absorpcji.
GLE informuje, że osiągają współczynniki separacji 2–20, przy czym wyższe wartości prawdopodobnie łączą się z gorszym wyczerpaniem (czego nie podano). Jest to wystarczające do wzbogacenia uranu naturalnego (0,72 % 235 U) do klasy reaktora ( > 3 % 235 U). Grupa Makarowa wykazała tak wysokie współczynniki separacji z innymi cząsteczkami (SF 6 , CF 3 Br). Pionierskie prace grupy van den Bergha uzyskały jedynie znacznie mniejsze wzbogacenia w SF 6 .
Używając innych laserów o odpowiednich długościach fal, SILEX może być również używany do wzbogacania izotopowego innych pierwiastków, takich jak chlor , molibden , węgiel i krzem .
Obawy dotyczące proliferacji
W porównaniu z obecnymi technologiami wzbogacania, SILEX uzyskuje wyższe wzbogacenie. Stąd mniej stopni jest potrzebnych do osiągnięcia uranu klasy bombowej (> 90% 235 U). Według GLE każdy etap wymaga zaledwie 25% przestrzeni metod konwencjonalnych. Stąd ułatwiłoby to zbójeckim rządom ukrycie zakładu produkcyjnego do bombardowania uranu. Atrakcyjność dodatkowo zwiększają twierdzenia GLE, że instalacja SILEX jest szybsza i tańsza w budowie oraz zużywa znacznie mniej energii. Dlatego naukowcy wielokrotnie wyrażali obawy, że SILEX może stworzyć łatwą drogę do broni jądrowej (patrz np.). Modelowe obliczenia Ryana Snydera potwierdzają te ostrzeżenia.
Z drugiej strony Werner Fuß porównał deklarowaną wydajność Silex z istniejącymi instalacjami wirówkowymi, w wyniku czego wymagany obszar, czas budowy i koszty są podobne lub przynajmniej różnice zostały wyolbrzymione przez GLE. Zauważył jednak również, że wirówki stanowią zagrożenie proliferacyjne.
W porównaniu z aspektami ekonomicznymi bardziej interesujące dla potencjalnych łamiących traktat o nierozprzestrzenianiu broni jądrowej jest to, jak łatwo jest ukryć zakład wzbogacania (podobnie jak w przypadku Silexa i wirówek), jak łatwo jest uzyskać dostęp do technologii i jak daleko jest jeszcze do rozwoju Do. W przypadku dwóch ostatnich pytań może również obowiązywać odpowiedź Urenco, a mianowicie, że wirówki są dojrzałe technologicznie, podczas gdy procesy laserowe wymagają jeszcze dalszego rozwoju.
Klasyfikacja bezpieczeństwa
SILEX to jedyne prywatne informacje, które są sklasyfikowane przez rząd Stanów Zjednoczonych. W czerwcu 2001 r. Departament Energii Stanów Zjednoczonych utajnił „niektóre wygenerowane przez osoby prywatne informacje dotyczące innowacyjnego procesu separacji izotopów w celu wzbogacenia uranu”. Zgodnie z ustawą o energii atomowej wszystkie informacje, które nie zostały wyraźnie odtajnione, są klasyfikowane jako dane zastrzeżone, niezależnie od tego, czy są prywatne, czy publiczne. Stanowi to wyraźną różnicę w stosunku do zarządzenia wykonawczego dotyczącego klasyfikacji bezpieczeństwa narodowego , który stanowi, że klasyfikację można przypisać wyłącznie informacjom „posiadającym, wyprodukowanym przez lub dla rządu Stanów Zjednoczonych lub znajdującym się pod kontrolą rządu Stanów Zjednoczonych”. Jest to jedyny znany przypadek takiego wykorzystania ustawy atomowej.
Kultura popularna
Dramat Australian Broadcasting Corporation z 2014 roku The Code wykorzystuje „Laserowe wzbogacanie uranu” jako podstawowe urządzenie fabularne. Główna bohaterka Sophie Walsh twierdzi, że technologia będzie mniejsza, mniej energochłonna i trudniejsza do kontrolowania, gdy stanie się realną alternatywą dla obecnych metod wzbogacania. Pani Walsh oświadcza również, że rozwój technologii przedłuża się i że istnieją istotne interesy rządowe w utrzymaniu poufności i tajności tej technologii.