Vélemény és vita
Atomenergia – a legkényesebb pont: a centrifugák
E cikksorozat célja, mint az a korábbi cikkekben is hangsúlyoztam, az olvasó meggyőzése arról, hogy a magyar energiaigény a hazai uránkészletek alapján is nagyrészt kielégíthető, és akkor nem függünk attól, hogy a tőlünk keletre, illetve nyugatra lévő nagyhatalmak marakodása éppen milyen helyzetet teremet a számunkra. Ennek érdekében fokozatosan végigmentem az atomenergia felfedezésétől az atomreaktorokig, kitértem a magyar uránbányászatra is, és most a további lépcsőként az urándúsítást lehetővé tévő centrifugákat fogom bemutatni. E centrifugák az atomenergia-vertikum legkényesebb részei, mert ezek nem csak az atomerőművek üzemanyag-ellátását szolgálhatják, hanem az atombomba gyártását is. E dúsító művek okozzák az Izrael és Irán közötti feszültséget, ugyanis az a gyanú, hogy Irán nem csak az atomerőművek üzemanyagát kívánja centrifugáiban előállítani, hanem az atombomba üzemanyagát is. Atomerőműhöz az uránban lévő U235-ös izotópot a kiinduló 0,7%-ról 3-5 százalékra, míg atombomba gyártásához 90%-ra kell dúsítani.
Az irániak, állítólag már 60%-nál tartottak, amikor izraeli kérésre az amerikaiak lebombázták Irán hegyek gyomrában lévő centrifugáit. Hogy az atompotenciált tényleg sikerült-e megsemmisíteni, az bizonytalan, mert állítólag amíg az USA a bombázáson gondolkodott, Irán más helyre szállította a dúsított uránt. Ezt csak azért említem, mert rámutat, hogy a dúsítás kényes kérdés, nem is lehet dúsító centrifugát vásárolni, mindenki, aki atombombát gyártott, azt magának gyártotta le a centrifugákat is.
De nézzük a dúsítás elvét és magát a centrifugát. Mivel az urán mindkét izotópja, tehát az U235-ös és U238-as is azonos vegyi tulajdonságokkal (elektronhéjjal) bír, vegyi úton a két izotópot nem lehet szétválasztani, más megoldást kellett keresni, és eddig három ilyent találtak: a gázdiffúziós módszert, a centrifugát és a lézeres módszert. Ezek közül a legelterjedtebb a centrifuga, mert a gázdiffúziós tízszer drágább, a lézeres pedig olcsóbb lenne ugyan, de még kísérleti fázisban van. A centrifugával való szétválasztás azon az elven alapszik, hogy a két izotóp súlya különböző, kereken három neutron-súlynyi különbség van köztük (238-235=3), ezért ha elég gyorsan pörgetik, akkor a nehezebb súlyú U238-as izotópok a centrifuga szélén az U235 a közepén fog felhalmozódni. Igen ám, de először az uránoxidot, az ércdúsítás után keletkező sárga port (U3O8), ami az urándúsítás kiinduló anyaga, gázzá kell alakítani. Ez egy többlépcsős vegyi folyamat, amelynek során az uránoxidot hidrogén-fluoriddal reagáltatják, majd még egy kis fluort adagolnak hozzá, és a végeredményül uránhexaflouridot (UF6) kapnak, ami szobahőmérsékleten szilárd, de már 56 °C körül gázzá alakul.
Középiskolai tanulmányainkból talán még emlékszünk, hogy a centrifugális erő egyenlő a forgatott tömeg szorozva a sugárral és a szögsebesség négyzetével (P=m*r*ώ2), ebből első ránézésre rájövünk, hogy ha a szeparáció hatásfokát növelni akarjuk, akkor az omegát, vagyis a forgási sebességet kell növelni, mert az a négyzeten van, tehát hatványozottan növeli az uránatomokra gyakorolt erőt. A nagy sebesség azonban szét is tudja repíteni a berendezést, ezért a megoldás az volt, hogy viszonylag kis (például 20 centiméteres) átmérőjű centrifugát alkalmaznak, viszont annak magasságát növelik. Ha valakinek megengedik, hogy egy ilyen urándúsító üzembe betekintsen, az kályhacsövek végtelen sorát fogja látni.
A tipikus centrifuga egy 15-20 cm átmérőjű és 2-5 méter magas henger. Ennek van egy külső háza (ezt látjuk, ha ránézünk) és ezen belül van a forgó rész, amely percenként 50-70 ezer fordulatot tesz meg. Hasonlítsuk össze az autónk motorjával, ott jó, ha 8 ezer fordulatig elmegy a motor, és ha ezt ki akarjuk próbálni, vagy az árokban kötünk ki, vagy elveszik a jogosítványunkat. A külső házon belül van a forgódob, vagy rotor, ebbe áramlik egy központi csövön keresztül a dúsítandó anyag, ez a centrifuga szíve, amely a fenti fordulatszámon pörög és ebből veszik ki mind a dúsított anyagot, mind a maradékot, ugyancsak a központi tengely mentén elhelyezkedő csövek segítségével.
A nagy fordulatszám különleges anyagokat és technológiai megoldásokat igényel. A szerkezet tetején például a forgó rész csapágyazása mágneses „lebegtetés” a forgó rész nem ér hozzá az állórészhez. A berendezés alján viszont egy tűcsapágy van a súrlódás csökkentése érdekében, e csapágy kialakítása különleges pontosságot igényel. Különleges anyagot igényel a forgó dob (rotor) anyaga, hogy a centrifugális erő ne szakítsa szét, és ugyancsak jól ki kell tudni egyensúlyozni. A rengések megakadályozása érdekében a centrifuga forgó dobjának felső és alsó részét egy rugalmas anyag köti össze. Az egész szerkezetnek lényeges része az alul elhelyezett motor, amelyet változó frekvenciájú (tehát nem 50 Hz-es) árammal hajtanak, alacsony frekvencián indítanak és fokozatosan mennek el a nagyobb frekvenciák felé, ami a dob (rotor) fordulatszámát növeli.
A centrifuga teljesítményét elválasztási munkaegységben mérik, amelyet angol neve után SWU-nak neveznek (Separative Work Unit). Az SWU lényegében azt méri, hogy egy meghatározott mennyiségű urán meghatározott koncentrátumokra való szétválasztása mennyi energiát igényel. Ennek számítása nem bonyolult (középiskolai matematikatudást igényel), de jobb, ha egy konkrét példán értjük meg a jelentését. Tételezzük fel, hogy 1kg 5%-ra dúsított uránra van szükségünk és a visszamaradó anyag U235 tartalma 0,2%, míg a kiinduló anyag U235 tartalma az ismert 0,7%. Ekkor viszonylag egyszerű számítással kijön, hogy 1 kg 5%-ra dúsított uránhoz 10,3 kg kiinduló uránoxidra van szükség, 9,3 kg lesz a legyengített 0,2%-os maradék és az egész művelethez 7,8 SWU-ra van szükség.
Ha tudjuk, hogy a jelenlegi modern centrifugák évi teljesítménye 60 SWU körül mozog, akkor ki tudjuk számolni, hogy egy modern, 1000 MW-os atomerőmű évi üzemanyag szükségletének előállításához hány darab centrifugára van szükség. Egy 1000 MW-os erőművi blokk éves üzemanyagszükságlete 25 000 kg 5%-ra dúsított urán. Ehhez 7,8*25000=195000 SWU szükséges. Ha a centrifuga teljesítménye 60 SWU, akkor 195000/60=3250 centrifugára van szükség. Tudni kell, hogy egy-egy centrifuga csak minimális mértékben, például 0,7%-ról 0,71%-ra dúsít, ezért a centrifugákat egymás után, kaszkádba kapcsolják. A dúsított anyag megy előre, az elszegényített maradék pedig vissza egy korábbi centrifugába és megint kipréselnek belőle egy kevés U235-öt. Egy-egy kaszkád mintegy 100 centrifugából áll. Ezeket sorba és párhuzamosan is kapcsolják, figyelembe véve, hogy a dúsítás előrehaladtával egyre kevesebb anyagot kell dúsítani, hiszen 10,3 kg uránból csak 1 kg dúsított anyag lesz.
A saját urándúsításnak nem csak az lenne a haszna, hogy energiaellátásunkban nem függnénk másoktól, hanem az is, hogy ez alapja lehetne egy igen magas műszaki színvonalú finommechanikai iparnak, amivel a világpiacon is megjelenhetnénk. Az elmondottakból látszik, hogy számos szakterület együttműködésére lenne szükség, amely kezdődne a vegyiparnál és bevonna olyan területeket, mint az anyagtechnológia, kohászat, gépgyártás, vagyis egyrészt adna egy energiabiztonságot, másrészt pedig egy modern iparágat, hiszen az atomenergia felhasználása nagy jövő előtt áll. Biztos vagyok benne, hogy mérnökeink kellő kínlódás után (tudom, hogy megy ez, az életemet fejlesztőmérnökként kezdtem) meg tudnák oldani a centrifugák gyors pörgéséből, szigetelési igényeiből származó problémákat.
De, mint kezdtem, a centrifuga politikailag igen kényes terület, ezért ezt a munkát mindenképpen a szomszédos országokkal együttműködve kellene megoldani, mert energiaellátás szempontjából ők is a miénkhez hasonló helyzetben vannak.
Remélem elég meggyőző voltam. A következő két cikkben még szeretnék foglalkozni a kis moduláris atomerőművekkel és a szaporító reaktorokkal, hiszen az utóbbiak lehetővé teszik a magától nem bomló U238-as izotóp felhasználását is, amivel az egységnyi uránból kitermelhető energiamennyiség a 60 szorosára növelhető, és ez által gazdaságossá teheti az egyébként gyenge minőségű hazai uránérc kibányászását.
A szerző közgazdász, a Nemzeti Fórum tanácsadója