Dúsított urán: a tiszta energia és az apokaliptikus pusztítás nyersanyaga

A világpolitikai színpadán zajló veszélyes események miatt egyre gyakrabban hangzanak el a médiában olyan nem hétköznapi kifejezések mint a dúsított urán, az uráncentrifuga, vagy éppen a 235-ös, illetve a 238-as tömegrendszámú urán, amelyeket az atomreaktorokban, valamint a maghasadás elvén alapuló úgynevezett fissziós nukleáris fegyverekben használnak fel az átlagember számára nehezen érthető és bonyolult technológiai folyamatok eredményeként. De miért olyan összetett és csak az iparilag rendkívül fejlett országok számára megvalósítható művelet a dúsított urán előállítása, amikor az első működőképes atomreaktor beüzemelése már 83 éve megtörtént, az első sikeres kísérleti atomrobbantásra pedig kereken 80 éve került sor? Az erre adott válasz összetettebb, mint gondolnánk.

A fissziós bombák a maghasadás elvén alapulnak, és pusztító határuk óriási Fotó: Los Alamos Laboratory

Dúsított urán volt szükséges a világtörténelem első működőképes nukleáris fegyvere, a második világháború idején a Manhattan terv során kifejlesztett és 1945. augusztus 6-án Hirosima ellen bevetett „Little Boy” kódnevű atombomba megalkotásához.

                                                                       Dúsított urán volt a hasadóanyaga a történelem első bevetett, Hirosimára dobott atombombájának                                                                                                           (Fotó: COLLECTION ROGER-VIOLLET)

Dúsított urán, mint a tiszta energia és az apokaliptikus pusztítás nyersanyaga

A hidegháború évtizedei alatt először a Szovjetuniónak sikerült megtörnie az Egyesült Államok atommonopóliumát 1949-ben, majd később Nagy-Britannia, Franciaország, India, Pakisztán és Kína is szert tett az atomfegyverre. Jelenleg kilenc állam rendelkezik a maghasadás elvén alapuló fissziós nukleáris bombával, de Brazília és Irán is rendkívül közel került az ilyen típusú fegyverek birtoklásához. 

              Enrico Fermi olasz származású Nobel-díjas atomfizikus építette meg az első működőképes kísérleti atomreaktort                                  (Fotó: Wikimedia Commons)

A maghasadás során felszabaduló energiát azonban nemcsak pusztításra, hanem békés célokra is fel lehet használni méghozzá az atomerőművekben. Sokkal több az olyan ország, amely rendelkezik atomerőművel de nincs atombombája, jóllehet mindkét nukleáris energiaforrás ugyanazon az elven, a maghasadás elvén alapul. A nukleáris reakciónak két fajtáját különböztetjük meg: a magfúziót és a maghasadást. Mindkét reakciónak az a közös jellemzője, hogy a folyamat eredményeként új elem keletkezik miközben energia szabadul fel. Magfúzió esetében két atommag egyesül egy nehezebb elemmé (ezen az elven működik a hidrogénbomba és a csillagok energiatermelése is), míg maghasadáskor egy atommagból két könnyebb elem keletkezik és mindkét esetben az atommag kötési energiája szabadul fel.

Az atommag szerkezete a mag körüli elektronfelhővel (Fotó: Wikimedia Commons)

 A fissziós bombák a nehézatommagok hasadásából nyerik az energiájukat, amihez uránt vagy plutóniumot használnak fel „nyersanyagként”. E nehéz elemek atommagjai neutronokkal való besugárzás hatására könnyebb elemekre hasadnak szét miközben újabb neutronokat szabadítanak fel, majd ezek további atommagokat bombáznak létrehozva így a láncreakciót. De milyen szerepet játszik ebben a folyamatban az urán?

Mi is az urándúsítás, és mi a különbség az atomreaktor, illetve az atombomba hasadóanyaga között?

A radioaktív elemek maghasadása természetes vagy pedig gerjesztett lehet. A természetes maghasadás ritmusát az úgynevezett felezési idő határozza meg, ami általában rendkívül lassú folyamat. Az uránnak, a periódusos rendszer 92-es elemének a természetben két izotópja fordul elő; a 235-ös és a 238-as tömegszámú.

                                    A történelem első bevetett urán hasadóanyag töltettel rendelkező fissziós bombája, a „Little Boy”                                                                                 (Fotó: Wikimedia Commons)

Az urán az aktinoidák csoportjába tartozó ezüstfehér, nehéz, fémes, radioaktív és nagy sűrűségű kémiai elem. Az urán elszórtan az egész földkéregben megtalálható; a földkéreg teljes urántartalma 25 kilométeres mélységig számítva mintegy 100 milliárd tonnára becsülhető, átlagos koncentrációja 3-5 gramm/tonna.

A csak igen ritka 234-es urán lényegében a 238-as leányeleme. Az atomerőművek fűtőanyagát a 235-ös urán alkotja, ami neutronbefogás után két kisebb magra bomlik eközben pedig 1-3 (átlagosan 2,43) neutron szabadul fel. Ahhoz, hogy beinduljon a láncreakció, a hasadás során felszabaduló neutronok közül legalább egynek egy újabb 235-ös uránizotópot kell széthasítania.

Nukleáris láncreakcióról akkor beszélünk, ha egy magreakció (maghasadás, magfúzió vagy radioaktív bomlás) terméke újabb magreakciót vált ki, ami a magreakciók számának exponenciális növekedéséhez vezet.

A 238-as urán ezzel szemben kiváló neutronnyelő, ami e tulajdonságának köszönhetően fékezi a láncreakció kialakulását, így az uránnal működő atomreaktorokban a 235-öst használják fűtőanyagnak. Az uránnal üzemelő atomerőművek reaktorában a reaktor típusától továbbá a láncreakciót lassító úgynevezett moderátor anyagától függően a természetes urán 235-ös izotóptartalmát 3-4 százalékkal meg kell növelni.

A Nemzetközi Atomenergia Ügynökség munkatársai a Paksi Atomerőműben (Fotó: Koszticsák Szilárd / MTI/Koszticsák Szilárd)

 Az uránalapú fissziós bombákban ez az arány viszont már meg kell hogy haladja a 90 százalékot. Azt az eljárást, amelynek eredményeként a hasadóképes 235-ös uránizotóp arányát megnövelik a természetes uránhoz képest, urándúsításnak nevezzük. Mint láttuk, az atomerőművek reaktoraiban használt urán dúsítási aránya messze alatta marad a fissziós bomba töltetének dúsítási arányától. Az az urándúsító berendezés, amit az alacsony dúsítású és békés felhasználási célú urán előállításához használnak, elvileg alkalmas lehet az atombomba megépítéséhez is.

Két eljárás, két eredmény

Azt az eljárást, amikor egy kémiai elem többféle izotópból álló keverékét izotópok szerint szétválasztják, izotópszeparációnak nevezzük. Elméletben többféle módszer is alkalmazható az izotópszeparációra, vagyis a dúsításra, de az ezzel kapcsolatos technológiai problémákra tekintettel két módszer terjedt el, a diffúzió és az ultracentrifugálás. A diffúziós eljárásban első lépésként az uránból – ami nehézfém – urán-hexafluorid gázt hoznak létre. Az így létrehozott gázmolekulák egy részében a 235-ös, a másikban pedig a nehezebb 238-as uránizotóp dominál. 

A maghasadás óriási pusztító energiát szabadít fel (Fotó: Ann Ronan Picture Library)

Ezt a gázkeveréket igen nagy nyomáson egy olyan tartályba préselik be, amelynek a membrános falán csak nehezen jut át az urán-hexafluorid gáz. A könnyebb 235-ös uránt tartalmazó gázmolekulák nagyobb arányban képesek átjutni, így a tartály membrános falának túloldalán az arányuk is magasabb lesz. E mennyiség meghatározásához egy szeparációs faktort használnak, amely megmutatja, hogy a dúsítani kívánt összetevőnek hányszor nagyobb a koncentrációja a dúsítás előtti állapothoz képest. Ez a módszer nem alkalmas a nagyobb arányú dúsításhoz, ráadásul meglehetősen energiaigényes is.

Közepes hatótávolságú nukleáris robbanófejes szovjet-orosz ballisztikus atomrakéta. A nukleáris technika a fejlett technológiai          háttérrel rendelkező országok privilégiuma (Fotó: Wikimedia Commons)

 Előnye, hogy nem igényel bonyolult technológiát, ezért viszonylag kevés költséggel jár. Ennél azonban jóval hatékonyabb módszer az ultarcentrifugálás, amelynek eszköze az utóbbi napok híreiben is oly gyakran felbukkanó uráncentrifuga. Az urándúsító ultracentrifugák megépítése rendkívüli technológiai szaktudást és precíziós eszközöket igényel, továbbá igen komoly költségekkel jár együtt. Ez az oka annak, hogy ezeknek a berendezéseknek a megépítésére csak kevés ország képes.

Miért jelenthetnek potenciális fenyegetést az uráncentrifugák?

Az urándúsító ultracentrifugába – amelynek másodpercenként 1500, percenként pedig 90 ezer a fordulatszáma –, befújják a 235-ös, illetve a 238-as uránizotópokat tartalmazó urán-hexafluorid gázt. A berendezésben érvényesülő rendkívül erős centrifugális erő hatására a gázmolekulák a centrifuga hengerének falához préselődnek. Emiatt a berendezés szélén kivezetett gáznak kissé magasabb a 238-as urán koncentrációja, míg a középen kivezetett gázban a könnyebb 235-ös urán aránya a magasabb. 

Albert Einstein volt az első, aki felemelte szavát a nukleáris fegyverkezés ellen (Fotó: Wikimedia Commons)

A folyamat elméletben egészen addig ismételhető, amíg az atomfegyverhez szükséges magas arányú urándúsulás jön létre. Az ultracentrifugák birtokában lévő ország atomprogramja éppen ezért kiterjeszthető a fissziós bombák előállítására is. Irán a birtokában lévő nagy teljesítményű ultracentrifugákat még korábban vásárolta meg Németországtól, ahol a Siemens konszern magas színvonalú tudományos-technológiai háttere tette lehetővé e berendezések megépítését. Mivel ez megteremtette a technológiai hátteret a potenciális saját atombomba előállításához, az ehhez fűződő nemzetközi aggodalmak is érthetők.

Az uránnak:

• kétfajta izotópja fordul elő a természetben, a 235-ös és a 238-as tömegszámú,
• amelyek közül a könnyebb, a 235-ös urán a hasadóképesebb,
• azt az eljárást pedig, amelynek során a hasadóképes 235-ös uránizotóp arányát megnövelik, urándúsításnak nevezzük.