Szlakiem śmierci. Koniec tajemnicy Riese. Część XVIII. Kompleks Soboń – wzbogacanie uranu.


Przeczytaj:         Część I.          Część II.          Część III.          Część IV.          Część V.          Część VI.          Część VII.          Część VIII.      Część IX.     Część X.      Część XI.      Część XII.   Część XIII.   Część XIV.   Część XVCzęść XVI. Część XVII.

Pierwszy etap wzbogacania uranu

Na północ od sztolni nr 1. znajdują się dwie betonowe platformy fundamentów, ułożone schodkowo, przedzielone murem oporowym. Na pierwszej, dolnej, znajduje się na betonowej platformie zespół fundamentów z kanałem w środku o długości 828 cm i szerokości 310 cm. W tym zespole na początku jest fundament z otworem trapezowatym skierowanym w dół do kanału, który w części końcowej jest otwarty. Fundament ten posiada trzy otwory kwadratowe na słupki. Od czoła fundamentu znajdują się dwa małe fundamenty w rozstawieniu o długości w osi 293 cm. Fundamenty posiadają haki na linę. Jeden hak został wycięty. Na dłuższym boku, od strony zachodniej, znajdują się trzy fundamenty o wymiarach 120×40 cm i jeden o wymiarach 120×120 cm., w rozstawie 585 cm. Przy skarpie wzmocnionej betonowym murem oporowym, od strony wschodniej, znajdują się dwa fundamenty o wymiarach 100×40 cm.

1. Zespół fundamentów, które były pod kolumny. W pierwszym etapie wzbogacania uranu następuje rozpuszczanie yellowcake w roztworze kwasu azotowego, następnie filtrowanie i chemiczne oczyszczanie, po czym uzyskany azotan uranylu (UNH) jest zamieniany w tlenek uranu, a następnie w czterofluorek uranu UF4. Foto: Stanisław Bulza

Jak można przypuszczać, to na słupkach mogła wspierać się kolumna, i to chyba wysoka, gdyż była dodatkowo podtrzymywana na linach. Właśnie taka wysoka kolumna występuje w procesie mieszania roztworu (poniżej).

Powyżej muru oporowego, na platformie ziemnej, znajduje się fundament w ziemi o długości łącznej 700 cm i szerokości 340 cm. Od czoła fundament jest murem oporowym, jest dłuższy i bokami wchodzi w skarpę, i jest do wewnątrz skośny. W komorze o długości 500×340 cm znajdują się dwa fundamenty o długości 235 cm i szerokości 50 cm w rozstawieniu 120 cm. Na wierzchu fundamenty posiadają po dwie śruby i po jednym okrągłym otworze. Część z kanałem wypływowym jest o długości 200 cm i szerokości 75 cm. Mury mają grubość 24 cm. Od strony skarpy mur jest grubszy, i prawdopodobnie obiekt był zadaszony. Z lewej strony obok kanału wypływowego znajduje się fundament, który na wierzchu ma dwie śruby, poniżej znajduje się drugi fundament o wymiarach 100×120 cm.

Przeznaczenie

W pierwszym etapie wzbogacania uranu następuje rozpuszczanie yellowcake w roztworze kwasu azotowego, filtrowanie i chemiczne oczyszczanie, po czym uzyskany azotan uranylu (UNH) jest zamieniany w tlenek uranu, a następnie w czterofluorek uranu UF4 (tzw. zielona sól) („Jądrowy cykl paliwowy”, Program Polskiej Energetyki Jądrowej. Analiza i opracowanie).

2. Zespół fundamentów. Opis jak zdjęcie 1. Rys. Stanisław Bulza.

Uran musi zostać oczyszczony, gdyż zawiera także inne kationy. W pewnych warunkach niektóre z nich zachowują się tak samo jak uran: są one ekstrahowane tymi samymi rozpuszczalnikami organicznymi, osadzane na tych samych żywicach jonowymiennych i wytrącają się w tych samych warunkach. Dlatego do selektywnej selekcji uranu należy zastosować wiele reakcji redoks, aby pozbyć się jednego lub drugiego niepożądanego satelity na każdym etapie. W nowoczesnych żywicach jonowymiennych uran jest uwalniany bardzo selektywnie. Metody wymiany jonowej i ekstrakcji są również dobre, ponieważ umożliwiają pełne wydobycie uranu ze złych roztworów (zawartość uranu wynosi dziesiątych części grama na litr). Po tych operacjach uran jest przenoszony do stanu stałego – do jednego z tlenków lub do tetrafluorku UF4. Ale ten uran wciąż musi być oczyszczony z zanieczyszczeń pierwiastków o dużym przechwytywaniu przekroju neutronów termicznych – boru, kadmu, hafnu. Ich zawartość w produkcie końcowym nie powinna przekraczać jednej setnej i jednej milionowej części procenta. Aby usunąć te zanieczyszczenia, technicznie czysty związek uranu rozpuszcza się w kwasie azotowym. W tym przypadku powstaje azotan uranylu UO2 (NO3) 2, który po ekstrakcji fosforanem tributylu i niektórymi innymi substancjami jest dodatkowo oczyszczany do pożądanych warunków. Następnie substancja ta krystalizuje się (lub wytrąca się nadtlenek UO4 2H2O) i delikatnie praży. W wyniku tej operacji powstaje tlenek uranu UO3, który jest redukowany wodorem do UO2. Ditlenek uranu w temperaturze od 430 do 600 ° C działa na suchy fluorowodór, otrzymując tetrafluorek UF4. Metaliczny uran jest redukowany z tego związku przy użyciu wapnia lub magnezu z uwalnianiem uranu w postaci wlewków o wadze do 1,5 t. Wlewki są rafinowane w piecach próżniowych (http://cyclowiki.org/wiki).

Z U3O8 usuwa się ślady boru albo kadmu, poprzez rozpuszczenie w kwasie azotowym i mieszaniu roztworu w kolumnie, której wysokość wynosi kilkadziesiąt metrów. Otrzymany zostaje najpierw UF4, a następnie UF6. UF6 zamienia się w gaz przy temperaturze około 60 °C.

Kwas azotowy w czystej postaci substancja ta jest cieczą, która nie ma światła, ale ma ostry zapach. Wysoko stężony kwas azotowy emituje toksyczny gaz, dlatego należy zachować szczególną ostrożność podczas obchodzenia się z nim. Ponadto oddziałuje z wieloma substancjami organicznymi. Z reguły stosuje się go do produkcji nawozów, azotanów i siarczanów.

Ta substancja chemiczna jest toksyczna, a zatem niebezpieczna, dlatego należy postępować z nią z najwyższą ostrożnością. Przy prawidłowym obchodzeniu się kwas azotowy staje się użytecznym składnikiem. Jest stosowany w wielu branżach i stał się naprawdę niezbędny.

Kwas azotowy w przemyśle chemicznym. Najczęściej ta substancja chemiczna jest stosowana do produkcji saletry, nawozów mineralnych i soli siarczanowych. Kwas azotowy w niewielkim stężeniu staje się doskonałym źródłem azotu dla wielu roślin, dlatego nawozy wykonane z jego udziałem znacznie zwiększają wydajność. Brak azotu jest jednym z głównych problemów rolnictwa, a kwas azotowy pomaga go zwalczyć. W warunkach naturalnych rośliny otrzymują azot z powodu anionów i kationów zawartych w glebie. Jeśli te pierwiastki nie wystarczą w glebie, bez nawozu, dobry plon pozostanie tylko snem.

3. Zespół fundamentów. Opis jak zdjęcie 1. Rys. Stanisław Bulza.

Kwas azotowy w sprzęcie wojskowym. Materiały wybuchowe są wytwarzane za pomocą kwasu azotowego. Na początku XIX wieku naukowcy zwrócili uwagę na fakt, że przy pewnym traktowaniu niektórych substancji palnych kwasem azotowym pojawiają się związki o doskonałych właściwościach wybuchowych. Na podstawie tych obserwacji rozpoczęto badania, które następnie umożliwiły stworzenie najczęściej stosowanej nitrogliceryny. (Należy zauważyć, że przeprowadzając eksperymenty z innymi substancjami, naukowcy zsyntetyzowali również trinitrobenzen, tetranitroanilinę, piroksylinę, nitronaftalen, nitronaftalen i skrobię nitro).(https://soda.kiev.ua/p56101014-kislota-azotnaya.html).

Czy dlatego zlokalizowano centrum przetwarzania rudy uranu w Górach Sowich, ponieważ w pobliskim Wałbrzychu była fabryka kwasu siarkowego i kwasu azotowego. W 1928 r. region Wałbrzycha wpisano na listę uprawnionych do korzystania z kredytów państwowych. Wybudowano z tych funduszy m. in. fabrykę kwasu siarkowego, koksownię i poszerzono sieć wodociągów.

4. Wałbrzych. Zakłady Azotowe przerobione później na zakłady chemiczne IG Farben. Źródło: dolnyśląsk.org.pl Foto: eloblog.pl

Fabryka kwasu siarkowego (Schwefelsaurefabrik) i fabryka kwasu azotowego (Salpetersaurefabrik) były częścią Zakładów Azotowych (Stickstoffwerke A.G. Waldenburg) w Wałbrzychu. Do fabryki należał budynek z piecami (prawdopodobnie pirytowymi), główny budynek fabryczny (jego ruiny zachowały się do dzisiaj) i suwnica-pochylnia. W czasie II wojny światowej dobudowano mały budynek administracyjny oraz w niedalekiej odległości schron wartowniczy. W 1945 r. Rosjanie zdemontowali urządzenia tych dwóch zakładów i wywieźli je do ZSRR. W 1946 r., w miejsce fabryki niemieckiej, wykorzystując pozostawione budynki i budowle, wybudowano nową fabrykę kwasu siarkowego. Zakład działał do lat 90. XX w. Obecnie jest w ruinie (Petroniusz & Ragnar).

Fluoryt

Fluoryt (tj. fluorek wapnia, CaF2) został opisany w 1529 roku przez Georgiusa Agricolę jako topnik obniżający temperaturę topnienia innych minerałów (od właściwości tej pochodzi nazwa minerału: łac. fluere= płynąć). W 1670 roku Heinrich Schwanhard odkrył, że w wyniku działania kwasów na fluoryt powstaje gaz trawiący szkło (był to fluorowodór, HF). Właściwości kwasowe HF odkrył w roku 1780 Carl Scheele. Humphry Davy po otrzymaniu pierwiastkowego chloru przez utlenienie chlorowodoru (1810) usiłował – bez powodzenia – wraz z Andrè Ampèrem w podobny sposób wyizolować fluor z flourowodoru. Badacze ci nadali nowemu pierwiastkowi nazwę fluorum od minerału fluorytu, CaF2. Polską nazwę – fluor – wprowadził Filip Walter (Wikipedia).

Fluorek uranu (VI) (inna nazwa heksafluorek uranu) – dwuskładnikowy związek uranu z fluorem, przezroczyste lotne jasnoszare kryształy. Wiązanie uranu i fluoru ma charakter kowalencyjny. Ma sieć krystaliczną molekularną. Bardzo toksyczny.

Jest to jedyny związek uranu przekształcający się w stan gazowy we względnie niskiej temperaturze, dlatego jest szeroko stosowany w wzbogacaniu uranu- separacja izotopów U-235 i U-238, jeden głównych etapów paliwa do reaktorów jądrowych. Fluor jest pierwiastkiem chemicznym (symbol F, liczba atomowa 9), niemetalowym, który należy do grupy halogenów. Jest to najbardziej aktywna i elektroujemna substancja. W normalnej temperaturze i ciśnieniu cząsteczką fluoru jest jasnożółty trujący gaz o wzorze F2. Podobnie jak inne halogenki, molekularny fluor jest bardzo niebezpieczny i w kontakcie ze skórą powoduje poważne oparzenia chemiczne. Fluoryt występuje w Kowarach, a wiec niedaleko Gór Sowich.

„Liczyrzepa” (a właściwie do roku 1945 Rübezahl) to stara kopalnia fluorytu, założona w kowarskiej dzielnicy Podgórze w połowie XIX wieku, w dobie ponownego zainteresowania wydobyciem okolicznych złóż. Wraz z udostępnionym nią złożem „Liczyrzepa” usytuowana jest na zboczu wzniesienia oddzielającego dolinę Jeleniej Strugi od doliny biegnącej na Przełęcz Kowarską. Znajduje się na północnym stoku góry Sulica, nieopodal pierwszych zabudowań miasta Kowary.

Źródła podają, że kopalnia powstała w 1850 roku jako kopalnia fluorytu  po uprzednim odkryciu tu żyły tego minerału. Wydrążono wtedy sztolnię o długości około 50 metrów. Fluoryt, który wydobywano, wywożono do Ciechanowic i w tamtejszej  hucie używano jako topnika.

W 1948 roku w obrębie zwałów kopalni „Liczyrzepa” stwierdzono przejawy mineralizacji uranowej i w związku z tym starą sztolnię ponownie udostępniono, nazwano ją nr 7 i w jej obrębie prowadzono dalsze prace geologiczno- rozpoznawcze, które z przerwami trwały do 1954 r. Główne wyrobiska tej kopalni znajdują się na wschodnim stoku północnego grzbietu góry Sulica, w dolince umiejscowionej po prawej stronie drogi biegnącej od ulicy Podgórze, drogą skierowaną  ku Przełęczy Kowarskiej. Miejsce to łatwo zlokalizować po rzucających się w oczy zwałach kopalni.

Tu właśnie skoncentrowane są główne wyrobiska kopalni – sztolnia nr 7 i sztolnia nr 8, oraz szyb nr 2, które rozcinają złoże na 7 poziomów i sięgają do głębokości około 300 m w głąb od powierzchni. Do byłej kopalni „Liczyrzepa” zaliczono także sztolnię nr 9 oraz sztolnię nr 20, których wyloty znajdują się po przeciwnej stronie grzbietu góry Sulica, a dokładniej na jego zachodnim stoku, tuż przy korycie Jeleniej Strugi.

Obszar złoża zbudowany jest z serii łupków krystalicznych, wśród których przeważają odmiany łupków łyszczykowych, kwarcowo – wapiennych, grafitowych oraz wapieni krystalicznych. W mniejszym stopniu występują gnejsy,dajki lamprofirów i łupki amfibolowe. Utwory te silnie sprasowane, tworzą fałdy wyciągnięte w kierunku północno – wschodnim, o stromym upadzie w kierunku południowo – wschodnim.

5. Kowary. Sztolnia nr 7. Ściana fluorytu. Foto: Jacek Gwiazdowski.

Łupki łyszczykowe stanowią główny składnik utworów występujących na złożu. Wśród nich można wydzielić różne odmiany, przy czym zawsze przejścia jednej odmiany w drugą są stopniowe i można je zaobserwować nie tylko w pionie, lecz także po rozciągłości. Łupki te składają się głównie z muskowitu, biotytu, kwarcu i skaleni, przy czym kwarc tworzy drobne żyłki, które wraz z całą serią biorą udział w procesach fałdowych Wśród łupków łyszczykowych spotykają się przewarstwienia bogate w chloryt. Wówczas skała przybiera kolor szaro- zielony i składa się głównie z albitu oraz promieniście ułożonych agregatów chlorytu.Łupki kwarcowo- wapniste charakteryzują się znaczną ilościową przewagą kwarcu i kalcytu nad łyszczykami i tworzą pakiety przejściowe pomiędzy łupkami łyszczykowymi a wapieniami krystalicznymi. Posiadają one jasnoszary kolor, czasami z odcieniem zielonym , z wyraźnie wykształconą łupliwością. Ziarna kalcytu stanowią w nich około 40% całej masy skalnej.

Wapienie krystaliczne (marmury) tworzą pokłady o zmiennej miąższości w granicach 0,5 m do 20 m i występują przeważnie w otoczeniu łupków kwarcowo- wapnistych. Są to drobno- krystaliczne, masywne skały, o jasno różowej barwie, zbudowane z kryształów kalcytu z niewielką ilością kwarcu i innych minerałów akcesorycznych.

Łupki grafitowe występują w formie soczew wśród łupków łyszczykowych, niekiedy kontaktują z łupkami kwarcowo- wapnistymi lub z gnejsami. Są to skały czarne z błyszczącymi płaszczyznami poślizgu, tłuste w dotyku i brudzące palce. Ich miąższość waha się w granicach od drobnych wkładek (20 cm) do pokładów 16 m grubości. Ich ilość wzrasta w południowo- zachodnich częściach złoża.

Spotykane albitofiry są zwykle silnie przesycone pirytem Utwory te przecina naruszenie dyzjunktywne , przebiegające w kierunku północno- wschodnim z upadem w kierunku południowo- wschodnim pod kątem 70-75. Główną strefę tworzy brekcja miąższości 0,5 – 2,0 m z glinką przytarcia miąższości do 3 cm. Brekcja ta jest przesycona kalcytem i fluorytem, przy czym w niektórych miejscach fluoryt tworzy żyłę o zmiennej miąższości od 10 do 40 cm.

Gniazda ciemno-fioletowego fluorytu, z którym związane było okruszcowanie uranowe, występowało rzadko. Przeprowadzona próbna eksploatacja wykazała, że okruszcowanie to nie przedstawiało większej wartości ekonomicznej, Uran występował w formie kalomorficznych skupień smółki w paragenezie z kalcytem i w stosunku do samej żyły fluorytowej był młodszej generacji. Zasobów fluorytu nie obliczono i wyrobiska kopalni „Liczyrzepa“ zlikwidowano. Ogółem w złożu „Liczyrzepa” w latach 1949-1954 wykonano około 6000 m wyrobisk i wydobyto około 420 ton rudy, z której uzyskanoniespełna tonę czystego uranu. Sztolnia nr 7 – to jedyne dostępne wyrobisko kopalni po wschodniej stronie grzbietu góry Sulica. Jej wyrobiska również śledziły żyłę fluorytową, a łączna ich długość wraz z chodnikami bocznymi wynosi około 1600m (http://geoturystyczna.pl/kowary-kopalnia-i-zloze-liczyrzepa/).

Kopalnia fluorytu funkcjonowała do 1862 roku, po czym wyrobiska porzucono, aby ponownie zainteresować się nimi dopiero po II wojnie światowej już jako wyrobiskami jednej z pierwszych na Dolnym Śląsku kopalni uranu.

Prawdopodobnie w czasie wojny kopalnię ponownie uruchomiono na potrzeby Riese.

Heksafluorek uranu

Fluor jest ważnym składnikiem w produkcji heksafluorku uranu, który jest używany do oddzielania jego izotopów

Po wydobyciu ruda uranu poddawana jest obróbce, w wyniku której uzyskuje się tzw. yellowcake, czyli oczyszczone tlenki uranu, np. U3O8. Składa się on z nierozszczepialnego izotopu U-238 i z rozszczepialnego U-235. Uran wykorzystywany w energetyce jądrowej powinien zostać wzbogacony do 3-5% 235U. (niektóre reaktory jądrowe wymagają użycia nie wzbogaconego uranu). Uran użyty do stworzenia broni nuklearnej musi zostać wzbogacony do 90% 235U.

Yellowcake to jedynie półprodukt, z którego wytwarza się paliwo do reaktorów jądrowych. Zanim jednak trafi ono do reaktora trzeba podnieść jego zawartość procentową w wytworzonym tlenku uranu. Rozszczepialny izotop U-235 stanowi tylko 0,7 % we wstępnie przerobionej rudzie (reszta to nierozszczepialny U-238), natomiast po przeprowadzeniu wzbogacania będzie stanowił ok. 3-5 %.

Większość metod wzbogacania uranu wymaga przemiany rudy w gaz o niskiej temperaturze. Fluorowy gaz jest pompowany do instalacji przetwarzania rudy. Tlenek uranu oddziałuje z fluorem, w wyniku czego powstaje heksafluorek uranu (UF6). Następnie izotop 235U jest izolowany od gazu.

Sproszkowana ruda uranu – U3O8 (uraninit) lub yellowcake – jest poddawana działaniu kwasu azotowego tworząc azotan uranylu UO2(NO3)2. Mieszaninę poddaje się ekstrakcji w celu wydzielenia czystego związku, który następnie poddany działaniu amoniaku tworzy sól kwasu uranowego – uranian amonu (NH4)2U2O7. Pod wpływem wodoru zachodzi redukcja do tlenku (UO2), który pod wpływem fluorowodoru tworzy fluorek uranu (IV) (UF4). Utleniając tetra fluorek fluorem uzyskuje się produkt końcowy – fluorek uranu(VI) (UF6).

6. Kryształy sześciofluorku uranu w ampułce. Foto: ru.wikipedia.org

Proces wzbogacania dzieli się na dwie fazy. Najpierw uran poddaje się konwersji, to znaczy łączy się go z fluorem w sześciofluorek uranu (UF6). Następnie przeprowadza się właściwy proces wzbogacania, najczęściej metodą dyfuzyjną lub wirówkową. Po tym procesie uran nadal znajduje się w gazowej postaci UF6.

Metoda dyfuzji gazowej polega na przepuszczaniu UF6 przez specjalne membrany z malutkimi porami. Atomy U-235 są lżejsze i przechodzą przez membrany szybciej i częściej niż cięższe atomy U-238. W rezultacie otrzymujemy lekko wzbogacony UF6. Całą sekwencję powtarza się ok. 1500 razy, żeby otrzymać gaz wzbogacony do wartości 3-5 proc.

Taka instalacja nazywana jest kaskadą. Wzbogacanie metodą dyfuzyjną jest bardzo energochłonne i mało wydajne, dlatego technologia ta jest stopniowo wycofywana. Do 2017 r. metoda ta będzie ostatecznie wycofana (zgodnie z prognozami WNA).

Do celów energii jądrowej i nuklearnego kompleksu wojskowego potrzebny jest uran, zdolny do wspierania reakcji łańcuchowej rozszczepienia nie tylko w czystym metalu, ale także w jego związkach, na przykład tlenkach. Stężenie 235U, rozszczepione przez neutrony o dowolnej energii, w naturalnym uranie jest niskie – 0,711%. Dlatego dla reaktorów jądrowych wymagane jest wzbogacenie naturalnego uranu do 2,4 ^ 19,5%.

Do oddzielania izotopów uranu stosuje się różne technologie: separacja elektromagnetyczna, dyfuzja gazu, dyfuzja termiczna cieczy, wirowanie gazu, separacja aerodynamiczna itp. UF6 jest najbardziej odpowiednim związkiem chemicznym do izotopowego wzbogacania naturalnego uranu. Wynika to z dwóch okoliczności: l) fluor ma jeden stabilny izotop (19F), dlatego masa cząsteczkowa UF6 zależy tylko od masy izotopów uranu.

To właśnie dyfuzja gazu stała się pierwszą metodą stosowaną do uzyskania przemysłowych ilości uranu-235 w pierwszych zakładach wzbogacania. W Stanach Zjednoczonych opracowywaniem dyfuzji gazu dla projektu na Manhattanie kierował zdobywca Nagrody Nobla Harold Urey. W ZSRR do 1954 r. tym kierował akademik Boris Konstantinov, a następnie zastąpił go Izaak Kikoin.

Do wzbogacania uran jest podawany w postaci sześciofluorku uranu – UF6 w temperaturze>50oC. W tej temperaturze UF6 jest gazem.

Natomiast metoda wirówkowa wykorzystuje specjalne, wysokoobrotowe wirówki. Sześciofluorek uranu doprowadza się do środka wirnika. W nim – pod wpływem siły odśrodkowej – cięższe cząsteczki (238UF6) dążą w kierunku korpusu, a lżejsze (235UF6) gromadzą się wokół osi. Pod wpływem różnicy ciśnień między wejściem gazu a wyjściami frakcji zubożonej i wzbogaconej, sześciofluorek uranu jest wtłaczany do zewnętrznego systemu rurociągów (nie jest do tego potrzebna ani sprężarka, ani pompa). Dzięki temu zapotrzebowanie na energię jest znacznie mniejsze niż w procesie dyfuzji gazowej (https://swiadomieoatomie.pl/Energetyka-jadrowa/Kompendium-wiedzy/Bezpieczenstwo/Cykl-paliwowy).

Po wzbogaceniu uran jest transportowany do wytwórni paliwa jądrowego (w postaci U3O8) gdzie prowadzone jest oczyszczanie produktu, przetwarzanie do postaci UO2 i wytwarzanie spiekanych pastylek. Pastylki te są następnie ładowane do rurek cyrkonowych (1%Nb) wypełnianych helem i szczelnie zamykanych. Tak wykonane pręty paliwa jądrowego są następnie montowane w kasecie paliwowej.

Reaktory, w których moderatorem jest ciężka woda lub grafit (PHWR, Candu, Magnox) mogą pracować na paliwie naturalnym. Reaktory, w których moderatorem jest zwykła woda wymagają paliwa uranowego wzbogaconego w izotop rozszczepialny 235U do wartości około 3-5% (ang. Low Enriched Uranium – LEU). Wynika to z faktu, iż zwykła (lekka) woda pochłania neutrony w większym stopniu niż grafit i ciężka woda. Reaktory takie (PWR, BWR) stanowią ponad 80% obecnie zainstalowanych bloków energetycznych. Reaktory badawcze i do celów specjalnych (napędowe, do produkcji radiopierwiastków) pracują zwykle na paliwie wzbogaconym powyżej 20% 235U (ang. Highly Enriched Uranium – HEU).

Aby móc zastosować wydobyty uran jako paliwo jądrowe koncentrat uranowy musi zostać przekształcony do innych form, które będą wykorzystywane w kolejnych etapach cyklu paliwowego: UF6 w procesie wzbogacania oraz UO2 lub metaliczny uran – jako paliwo do reaktorów pracujących na uranie naturalnym. Proces konwersji koncentratu uranowego (U3O8) do UF6 jest procesem dwustopniowym.

W pierwszym etapie następuje rozpuszczanie yellowcake w roztworze kwasu azotowego, filtrowanie i chemiczne oczyszczanie, po czym uzyskany azotan uranylu (UNH) jest zamieniany w tlenek uranu, a następnie w czterofluorek uranu UF4 (tzw. zielona sól).

W drugiej fazie następuje fluoryzacja UF4, który ostatecznie przechodzi w sześciofluorek uranu. Zwykle oba te etapy przeprowadzane są w jednym zakładzie, lecz czasami dokonuje się tego w dwóch oddzielnych obiektach (np. zakłady Comurhex we Francji). W trakcie tych złożonych procesów chemicznych powstaje bardzo duża ilość płynnych odpadów, które są składowane w rozległych basenach (ang. lagoons) zwykle w pobliżu zakładu konwersji („Jądrowy cykl paliwowy”, Program Polskiej Energetyki Jądrowej. Analiza i opracowanie).

Otrzymany produkt UF6 w temperaturze otoczenia znajduje się w fazie stałej, a w temperaturze 56.40C sublimuje do postaci gazowej. Z uwagi na jego silne własności korozyjne jest przechowywany i transportowany w specjalnie certyfikowanych cylindrycznych stalowych pojemnikach o średnicy 122 cm. W zależności od typu (Model 48X, Y, G, H) mogą one zawierać od 11,6 do 12,7 t UF6. Czysty UO2 otrzymywany w trakcie konwersji U3O8 do UF6 wykorzystywany jest do produkcji paliwa dla reaktorów PHWR i Candu pracujących na uranie naturalnym („Jądrowy cykl paliwowy”, Program Polskiej Energetyki Jądrowej. Analiza i opracowanie).

Z UF4 otrzymuje się natomiast uran metaliczny (w tzw. procesie Ames), który następnie służy do produkcji paliwa dla reaktorów Magnox (obecnie są one już wyłączone). W zakładach konwersji dokonuje się również rekonwersji zubożonego uranu (ang. depleted uranium – DU) z formy UF6 – pochodzącego z zakładów wzbogacania, do stabilnego U3O8, który nie posiada tak silnych własności korozyjnych i może być bezpiecznie przechowywany w oczekiwaniu na ponowne użycie. W zakładach prowadzi się także recykling UNH pochodzącego z zakładów przerobu paliwa do U3O8, który może zostać następnie wykorzystany do produkcji UF6 i ponownie wzbogacony. Obecnie konwersję koncentratu uranowego do postaci UF6 prowadzi się na skalę przemysłową w 6 zakładach na świecie i wraz z rozwojem energetyki jądrowej wystąpi konieczność budowy kolejnych („Jądrowy cykl paliwowy”, Program Polskiej Energetyki Jądrowej. Analiza i opracowanie).

Produkcja uranu metalicznego z czterofluorku uranu. Wytapianie

7. Reaktor do redukcja czterofluorku uranu z wapniem. Rycina 115.
Foto: infopedia.su

Redukcja czterofluorku uranu z wapniem. Podajmy kilka praktycznych danych na temat termicznej redukcji wapnia czterofluorku uranu na przykładzie przedsiębiorstw we Francji i Belgii. Proces prowadzi się w reaktorach tyglowych ze stali nierdzewnej wyłożonych naturalnym fluorytem z dodatkiem najczystszych próbek żużla zwrotnego CaF2. Kształt wewnętrznej powierzchni takiego tygla po wyłożeniu jest dokładnie sprawdzany zgodnie z szablonem, po czym przeprowadza się suszenie (500 ° C) i spiekanie materiału (850 ° C) tygla. Kształt wewnętrznej powierzchni takiego tygla po wyłożeniu jest dokładnie sprawdzany zgodnie z szablonem, po czym przeprowadza się suszenie (500 ° C) i spiekanie materiału (850 ° C) tygla. Rozmiar tygli zależy od skali produkcji. Na przykład tygle o wysokości 1500 mm i średnicy 300 mm są stosowane w niektórych przedsiębiorstwach. Ogólny widok tygla do termicznej redukcji wapnia czterofluorku uranu pokazano na ryc. 115.

Podczas redukcyjnego wytapiania większość zanieczyszczeń czterofluorku uranu przekształca się w metaliczny uran. Na przykład, jeśli czterofluorek uranu zawiera 50 ppm Fe, wówczas jego metal będzie zawierał co najmniej 46 ppm. Mangan, bor i większość innych zanieczyszczeń całkowicie pozostaje w metalu.

Oto przybliżona zawartość zanieczyszczeń w surowym metalu otrzymanym po stopieniu redukcyjnym, ppm: C 500, N 500, O 350, Fe 1100, Mg 20, Al 30, Ca 20, Cr 100, Mn 30, Ni 40, Si 100.

Aby zmniejszyć zawartość tych zanieczyszczeń, przeprowadza się końcowe czyszczenie – rafinację wytopu. Zwykle odbywa się to w piecu próżniowym (indukcyjnym lub oporowym). Przez 1 godzinę stopiony uran utrzymuje się w temperaturze 1300–1400 ° C w próżni 0,5 mm Hg. Art. Następnie napełnianie odbywa się w formach grafitowych lub żeliwnych, które również są pod próżnią. Tygle wykonane są z grafitu, tlenku magnezu lub dwutlenku uranu (ryc. 116).

8. Piec próżniowy do końcowego czyszczenia – rafinacja wytopu. Rycina 116. Foto: infopedia.su

Mechanizm usuwania zanieczyszczeń różni się dla różnych zanieczyszczeń i zależy od ich charakteru. Bardziej lotne zanieczyszczenia (w tych warunkach), takie jak Na, Ca, Mg, odparowują i są usuwane przez ssanie za pomocą pompy próżniowej. W takim przypadku utrata uranu jest znikoma. Jednak zanieczyszczenia, których lotność jest niewielka i porównywalna z lotnością uranu (na przykład Al, Fe, Si, Ni), nie są usuwane. Tu na ratunek przychodzą procesy formowania i segregacji żużla. Wtrącenia żużla: tlenki, węgliki, azotki, hydroksywęglany, związki nierozpuszczalne w stopionym uranie, unoszą się w górnej warstwie żużla, ponieważ ich gęstość jest znacznie niższa niż gęstość stopionego uranu. Warunkiem dobrego oddzielenia zanieczyszczeń jest brak mieszania i możliwie niższa temperatura podczas starzenia, zbliżająca się do temperatury topnienia uranu. W tych warunkach w wyniku szeregu reakcji powstają stabilne termodynamicznie związki (https://infopedia.su/20x10fa.html).

Obiekt o długości 60 m. o przekroju poprzecznym trapezowym

9. Obiekt o długości 60 m. o przekroju poprzecznym trapezowym. Ściana niższa obiektu ma wys. około 4 m, jest skośna i obsypana wałem ziemnym, który na wierzchu ma szer. 4 metrów, ściana przeciwległa skośna około 9 m wysokości. Ściany zostały obsypane ziemią. Foto: Stanisław Bulza

Ściana niższa obiektu ma wys. około 4 m, jest skośna i obsypana wałem ziemnym, który na wierzchu ma szer. 4 metrów, ściana przeciwległa skośna około 9 m wysokości. Ściany zostały obsypane ziemią. Podstawa ma szerokość 2,7 m. Pod ścianą mniejszą znajduje się ceramiczna rura odwadniająca. Obiekt jest położony na linii fundamentów przemysłowych. Obiekt nie znajduje się w osi na wprost zespołu fundamentów z kanałem w środku, lecz jest trochę przesunięty.

10. Pojemnik beczkowy V = 210 l (TUK-44/8) jest przeznaczony do przechowywania i transportu naturalnego koncentratu uranu w postaci tlenku (U3O8), dwutlenku (UO2), tetrafluorku uranu (UF4) wykonanego z naturalnego uranu o zawartości Cl235 mene 1%. Foto: mzavod.kz/

UF4 jest promieniotwórczy, dlatego przewożono go tym korytarzem w wózkach kolejki wąskotorowej do reaktora płomieniowego, w którym odbywała się fluoryzacja UF4, gdzie ostatecznie przechodził w sześciofluorek uranu (UF6).

Współcześnie do transportu UF4 służy pojemnik beczkowy V = 210 l (TUK-44/8), który jest przeznaczony do przechowywania i transportu naturalnego koncentratu uranu w postaci tlenku-tlenku (U3O8), dwutlenku (UO2), tetrafluorku uranu (UF4) wykonanego z naturalnego uranu o zawartości 2l235.

Reaktor płomieniowy

Niedaleko sztolni nr 1. w kierunku północnym znajduje się betonowy kwadratowy fundament w ziemi o wymiarach około 500×500 cm, o grubości ścian około 40 cm i o głębokości około 150 cm. W komorze znajdują się dwa fundamenty, których wysokość jest niższa od otaczających je betonowych ścian. Fundamenty na długości posiadają po dwie śruby. Jeden z fundamentów posiada kanał wypływowy, prawdopodobnie pod rurę.

11. Betonowy kwadratowy fundament w ziemi o wymiarach około 500×500 cm, o grubości ścian około 40 cm i o głębokości około 150 cm. W komorze znajdują się dwa fundamenty, których wysokość jest niższa od otaczających go betonowych ścian. Fundamenty na długości posiadają po dwie śruby po dwóch stronach. Z przodu fundament posiada kanał wypływowy, prawdopodobnie pod rurę. Foto: Stanisław Bulza.

Przeznaczenie

Nie znalazłem niemieckiego rysunku, czy planów reaktora płomieniowego stosowanego do fluoryzacji UF4, który ostatecznie przechodzi w sześciofluorek uranu. Zamieszczam więc plan i opis wynalazku rosyjskiego uczonego, który dotyczy wytwarzania heksafluorku uranu przez fluorowanie tlenków uranu w warstwie zawieszonej.

Klasy IPC: B01J19 / 24 stacjonarne reaktory bez ruchomych elementów w środku
Autor (autorzy): Grebenev L.D., Kapchenko I.V.
Patentee (s): Firma produkcyjno-handlowa „Kait”
Priorytety: zastosowanie:
1992-03-13 publikacja patentu:
02/20/1998

Wynalazek dotyczy dziedziny technologii chemicznej wytwarzania heksafluorku siarki (SF6), głównie dziedziny inżynierii aparatury chemicznej. Reaktor według wynalazku zawiera obudowę, podajnik, lej samowyładowczy, dysze do dostarczania fluoru i odprowadzania produktu handlowego, urządzenie do rozładowywania stałych pozostałości i układ chłodzenia, dzwon zainstalowany w ujściu podajnika; syfon do wyboru gazu SF6 do chłodzenia; pierścieniowy kolektor do wprowadzania do reaktora schłodzonego gazu SF6 znajdującego się w górnej strefie ochronnej helu; dysza do wybierania helu do chłodzenia i dysza do wprowadzania ochłodzonego helu do reaktora, podczas gdy dysza do wprowadzania fluoru do reaktora znajduje się w strefie ochronnej. Dane do patentu Federacji Rosyjskiej 2104773.

Znany sposób wytwarzania gazu SF6 przez fluorowanie stopu siarki w temperaturze 138–149 ° C w poziomym stalowym reaktorze o średnicy 305 mm i długości 760 mm. Reaktor jest podzielony przez przegrodę na komorę ładunkową i komorę spalania. Komora ładunkowa ma właz do załadunku siarki i grzałkę elektryczną do jej stopienia. Komora spalania ma dyszę dostarczającą fluor chłodzony wodą, termoparę i skraplacz do sublimacji siarki umieszczony nad komorą.

12. Betonowy kwadratowy fundament w ziemi o wymiarach około 500×500 cm, o grubości ścian około 40 cm i o głębokości około 150 cm. W komorze znajdują się dwa fundamenty, których wysokość jest niższa od otaczających go betonowych ścian. Fundamenty na długości posiadają po dwie śruby po dwóch stronach. Z przodu fundament posiada kanał wypływowy, prawdopodobnie pod rurę. Foto: Stanisław Bulza.

Stop siarki wchodzi z komory ładunkowej do komory spalania przez otwór na dole przegrody, który jest zamknięty przez stop, co zapobiega przedostawaniu się fluoru do komory ładunkowej.

Pomimo swojej prostoty, ta konstrukcja reaktora ma znaczące wady, które ograniczają jego zastosowanie, a mianowicie: – niską wydajność reaktora, która wynosi 0,68 kg/h w fluorze; – fluorowanie siarki zachodzi na powierzchni stopu z uwolnieniem dużej ilości ciepła, co powoduje zwiększoną korozję reaktora z fluorem na granicy faz (wzdłuż linii wodnej) i stwarza niebezpieczeństwo wybuchu podczas interakcji fluoru z wodą w przypadku wypalenia reaktora; – wraz ze wzrostem wydajności reaktora pojawia się problem usuwania dużej ilości ciepła i wyboru materiału reaktora odpornego na korozję; – sublimaty siarki odciągane od rektora gazem SF6 są głównym powodem zatkania komunikacji.

13. Płyta betonowa w pobliżu kwadratowego fundamentu w ziemi. Foto: Stanisław Bulza.

Najbliżej wynalazku pod względem konstrukcji i kombinacji cech jest reaktor płomieniowy z chłodzonymi ścianami, stosowany do wytwarzania heksafluorku uranu przez fluorowanie tlenków uranu w warstwie zawieszonej.

Reaktor jest pionowym aparatem monelowym chłodzonym wodą za pomocą cewki przyspawanej do ściany. W górnej części reaktora znajduje się lej zasypowy, podajnik ślimakowy i urządzenie do rozpylania proszku tlenku uranu.

Podczas pracy reaktora tlenki uranu i fluoru są wprowadzane do górnej części reaktora, gdzie natychmiast reagują, tworząc strefę spalania bezpośrednio przy ujściu podajnika. Aby uniknąć tworzenia się ciastek, temperaturę w strefie reakcji utrzymuje się na poziomie 450-550° C przez podawanie fluoru rozcieńczonego azotem, co chroni reaktor Monela przed korozją (przed spaleniem). Usuwanie gazowego heksafluorku uranu odbywa się przez łącznik boczny.

Aby uzyskać gaz SF6, zaleca się stosowanie naturalnego pirytu mineralnego, podczas którego fluorowania nie powstają sublimaty siarki, a ponadto jednocześnie uzyskuje się dwa produkty handlowe: gaz SF6, który jest stosowany w przemyśle elektrycznym do produkcji kabli i kondensatorów wysokiego napięcia oraz fluorek żelaza, stosowany do produkcji silnych magnesów.

14. Patent reaktora płomieniowego z chłodzonymi ścianami, stosowany do wytwarzania heksafluorku uranu przez fluorowanie tlenków uranu w warstwie zawieszonej. Rycina 1. Foto: freepatent.ru.

Reaktor płomieniowy ma jednak znaczące wady, które nie pozwalają na jego wykorzystanie do produkcji gazu SF6 przez fluorowanie pirytu: – z powodu dużego efektu termicznego reakcji fluorowania pirytu (6476,3 kcal/kg), który jest dwa razy większy niż fluorowanie tlenków uranu, problem usuwania dużych ilości ciepła; – fluor rozcieńczony azotem wprowadza się do górnej części reaktora za pomocą dyszy chłodzonej wodą, w wyniku czego strefa reakcji w wysokiej temperaturze znajduje się u ujścia podajnika, co prowadzi do silnego nagrzania i korozji podajnika z fluorem (spalanie). W warunkach fluorowania pirytu jest to niedopuszczalne ze względu na niebezpieczeństwo wybuchu z powodu interakcji fluoru z wodą w przypadku spalania schłodzonej dyszy; – rozcieńczenie fluorem azotem zmniejsza wydajność reaktora i wprowadza dodatkowy odczynnik, który komplikuje oczyszczanie gazu.

Reaktor (ryc. 1) zawiera obudowę 1 z płaszczem chłodzącym 2, pokrywę 3 z płaszczem chłodzącym 4, jednostkę wylotową gazu HFC 5 i jednostkę rozładowującą pozostałości stałe 6 z fluorowania. Pokrywa 3 ma urządzenie 7 do podawania sproszkowanych surowców do reaktora i kolektor fluoru 8. Urządzenie 7 zawiera lejek zasypowy z poziomą śrubą 9 i pionową śrubą 10 zainstalowaną w pionowym kanale urządzenia 7, pionowy kanał urządzenia 7 jest otwarty w strefie reakcji naczynia reaktora. Kolektor fluoru 8 jest połączony z łącznikiem 11 zasilania fluorem oraz dwoma zestawami dysz (kanałów) 12 i 13 do dostarczania fluoru do naczynia reaktora. Otwory wylotowe (RYS. 1, 2) dysz 12 są rozmieszczone równomiernie w pokrywie wokół koła 14, otwory wylotowe dysz 13 są równomiernie rozmieszczone wokół koła 15, podczas gdy koła są koncentryczne, a ich środek leży na środkowej osi pionowej 16 reaktora. Promień R2 koła 15 jest dwa razy większy niż promień R1 koła 14, przy czym R1 stanowi 0,3 promienia R3 naczynia reaktora. Dysze 12 i 13 o kształcie cylindrycznym mają te same profile (dysze 12 i 13 mają takie same przekroje wzdłuż całej długości dyszy).

15. Pojemnik z UF6. Foto: ru.wikipedia.org.

Dysze 12 są zamontowane osiowo – pod tym samym kątem α (ryc. 3), wybranym z przedziału 15-20 stopni, do osi pionowej 16 reaktora (dla każdej dyszy 12 kąt α znajduje się w płaszczyźnie przechodzącej przez środkową oś pionową reaktora i oś dysza 12). Dysze 13 są zamontowane osiowo stycznie, tj. tak, że rzut osi każdej dyszy na pierwszą płaszczyznę przechodzącą przez środkową oś pionową reaktora i wylot tej dyszy do naczynia reaktora oraz rzut osi dyszy na drugą płaszczyznę przechodzącą przez środkową oś pionową reaktora i prostopadłą do pierwszej płaszczyzny, są umieszczone względem pionu oś odpowiednio pod kątami β1 i β2 (ryc. 3, 4). Wszystkie dysze 13 są umieszczone tak samo w odniesieniu do osi 16 (kąt β1 dla wszystkich dysz 13 jest taki sam, a kąt β2 dla wszystkich dysz 13 jest taki sam). Kąt β1 jest wybierany z przedziału 15-20 stopni, a kąt β2 jest wybierany z przedziału 20-30 stopni (http://www.freepatent.ru/patents/2104773).

Monel

Wspomniany wyżej Monel to grupa stopów niklu, składająca się głównie z niklu (od 52 do 67%) i miedzi, z niewielkimi ilościami żelaza, manganu, węgla i krzemu. (Stopy o zawartości miedzi 60% lub większej nazywane są cupronickiel.). Silniejszy niż czysty nikiel stopy Monela są odporne na korozję wielu czynników, wielu kwasów (w tym kwasu siarkowego i fluorowodorowego) zasad, na działanie wody morskiej. Można je łatwo wytwarzać przez obróbkę na gorąco i na zimno, obróbkę skrawaniem i spawanie. Monel został stworzony przez Roberta Crooksa Stanleya (1856-1951), który pracował dla International Nickel Company (INCO) w 1901 r.

Dobra odporność na korozję przez kwasy i tlen sprawia, że Monel jest dobrym materiałem dla przemysłu chemicznego. Nawet korozyjne fluorki mogą być obsługiwane w aparacie Monel; Dokonano tego na szeroką skalę przy wzbogacanu uranu w instalacji dyfuzji gazowej Oak Ridge. Tutaj większość rur o większej średnicy dla heksafluorku uranu została wykonana z Monelu. Regulatory dla reaktywnych gazów butlowych, takich jak chlorowodór stanowią kolejny przykład, w którym PTFE nie jest odpowiednią opcją, gdy wymagane są wysokie ciśnienia tłoczenia. Czasami będą one obejmować rozdzielacz Monela i kurki przed regulatorem, które umożliwiają przepłukanie regulatora suchym, obojętnym gazem po użyciu w celu dalszej ochrony sprzętu.

Żelbetowy obiekt

Obiekt ma dł. 43,75 m, szer. 11,45 m, wys. 3 m. Budynek składa się z dwóch części, przedzielonych korytarzem, pod którym jest kanał techniczny. Kanał wchodzi z zewnątrz i wychodzi na zewnątrz. Część frontowa posiada otwór drzwiowy pod drzwi dwuskrzydłowe oraz 11 otworów okiennych. W tej części znajduje się 8 pomieszczeń. Natomiast druga część jest bez drzwi i okien również z ośmioma pomieszczeniami. O ile betonowe mury są grubości 40 cm, to w tej części fundamenty narożne zostały wzmocnione do grubości 70 cm. W ścianach działowych znajdują się małe okienka na kable. W tej części przy głównym kanale znajduje się wnęka o długości 11m, szerokości 0,9 m. z otworami  pod kable lub rury. Część obiektu jest przykryta płytami betonowymi. Grubość murów wynosi 40 cm, natomiast w części bez okien i drzwi narożne mury są wzmocnione murem żelbetowym o gr. 70 cm. Niżej znajduje się następny obiekt, ale jest niedokończony. Od 1. sztolni w kierunku południowym na zboczu góry rozpoczyna się cały ciąg podłużnych wykopów pod duże, żelbetowe budynki. Planowano wybudować 8-9 tego typu konstrukcji, tyle bowiem wykonano wykopów (rysunek obiektu wraz z opisem przedstawiłem w część IX (https://www.polishclub.org/2017/03/26/stanislaw-bulza-szlakiem-smierci-koniec-tajemnicy-riese-czesc-ix/).

Przeznaczenie

W część pierwszej obiektu z oknami i jednymi drzwiami dwuskrzydłowymi w pomieszczeniach mogła być sterownia wirówek. Natomiast w części bez okien i drzwi fundamenty narożne zostały wzmocnione murem żelbetowym o gr. 70 cm dlatego, że po uruchomieniu wirówek następowały drgania. Stopień wzbogacenia jednej wirówki gazowej jest niewielki, dlatego są one łączone w kolejne kaskady, w których wzbogacone surowce z wylotu każdej wirówki są podawane na wejście następnej i wyczerpywane na wejście jednej z poprzednich. Przy wystarczającej liczbie wirówek w kaskadzie można uzyskać bardzo wysoki stopień wzbogacenia. Każde z ośmiu pomieszczeń było przeznaczone na jedną kaskadę.

16. Stopień wzbogacenia jednej wirówki gazowej jest niewielki, dlatego są one łączone w kolejne kaskady, w których wzbogacone surowce z wylotu każdej wirówki są podawane na wejście następnej i wyczerpywane na wejście jednej z poprzednich. Przy wystarczającej liczbie wirówek w kaskadzie można uzyskać bardzo wysoki stopień wzbogacenia.
Foto: www.popmech.ru

Do wzbogacania uranu potrzebna jest szybkoobrotowa wirówka wzbogacająca, w której pod wpływem sił odśrodkowych następuje rozdzielenie gazowych związków izotopów uranu (fluorek uranu) 235UF6oraz238UF6.Uran wzbogacony (235U) jako lżejszy pozostaje w komorze środkowej, uran zubożony (238U) przemieszcza się ku ściankom wirówki. Aby uzyskać wystarczającą koncentrację uranu wzbogaconego, stosuje się wiele układów wirówek połączonych szeregowo. Opisana metoda wzbogacania była stosowana do wzbogacania uranu do zastosowań cywilnych (reaktory: z 0.7% do 3.3%), a także do zastosowań wojskowych (bomba atomowa: z 0.7% do 90%).

Niemieccy naukowcy korzystali z wirówek wzbogacających uran, co było konieczne do uzyskania ładunku bomby nuklearnej. W ośrodku w Kadern od września 1943 r. wirówki wytwarzały początkowo dziennie 20 gramów uranu wzbogaconego o 15 proc, a później 50 gramów dziennie. Leszek Adamczewski w książce „Pierwszy błyski” o niemieckich wirówkach do wzbogacania uranu pisze: „W 1944 r. w miejscowości Kandern, tuż nad granicą ze Szwajcarią, prof. Paul Harteck z Hamburga zainstalował dwie podwójne wirówki, zwane ultrawirówkami, w których wzbogacono uran aż o 15 proc. Po zdobyciu przez aliantów Paryża (25 sierpnia 1944 r.) i spodziewany atak na zachodnie regiony Rzeszy sprawiły, że Harteck postanowił ewakuować swe wirówki w bezpieczniejsze miejsce. Po uzgodnieniu formalności z doktorem Kurtem Diebnerem z Urzędu Uzbrojenia Wojsk Lądowych hitlerowskiego Wehrmachtu i jednym z czołowych naukowców programu „Uranverin”, prof. Harteck na miejsce ewakuacji wybrał miejscowość Celle, małe miasteczko 120 km na południe od Hamburga. Nie chciał jednak ryzykować utraty obu cennych ultrawirówek i dlatego do Celle trafiła tylko jedna z nich. Drugie urządzenie wraz z częściami do kilku innych wirówek wywieziono w nieznane miejsce”. Autor zapytuje: „czyżby do Schmiedebergu? W Kowarach nie było zakładu przeróbki rudy uranowej. Kopalnia nie zajmowała się jego przeróbką poprzestając jedynie na wstępnym oczyszczeniu rud uranowych z domieszek magnetytu i skały płonnej. Taki zakład był w Riese.

Według amerykańskiej misji „Alsos”, której członkowie poszukiwali niemieckich naukowców i dokumentacji technicznej, w Celle Niemcy uruchomili zakład produkcji ultrawirówek. W kwietniu 1945 r. specjalny oddział „Alsos”, dotarł do miasteczka Haigerloch w południowych Niemczech, gdzie w jaskini u podnóża zamkowego wzgórza odkryto niedokończony reaktor atomowy. Reaktor odnaleziony przez amerykańskich żołnierzy w Haigerloch nie był jedynym, lecz czwartym, o którym wiadomo, niemieckim stosem uranowym, jak wówczas nazywano te urządzenia. Pierwszy eksplodował w Lipsku podczas próbnego rozruchu. Drugi i trzeci zbudowano w Gottow i Berlinie.

W projekcie Manhattan proces wirowania uznano za jedyną obiecującą metodę separacji w kwietniu 1942 r. Josse Beams opracował taki proces na uniwersytecie w Wirginii w latach 30. XX wieku, ale napotkał trudności techniczne. Proces ten wymagał dużych prędkości obrotowych, ale przy pewnych prędkościach powstały drgania harmoniczne, które groziły rozerwaniem maszyny na części. Konieczne było zatem szybkie przyspieszenie przez te prędkości. W 1941 roku rozpoczął pracę z heksaflurkiem uranu, jedynym znanym gazowym związkiem uranu, i był w stanie oddzielić uran-235. W Kolumbii Urey kazał Karlowi Cohenowi zbadać ten proces i opracował zbiór teorii matematycznych umożliwiający zaprojektowanie odśrodkowej jednostki separacji, którą Westinghouse zobowiązał się zbudować.

Zwiększenie tego do zakładu produkcyjnego stanowiło ogromne wyzwanie techniczne. Urey i Cohen oszacowali, że wyprodukowanie kilograma uranu-235 dziennie wymagałoby do 50 000 wirówek z wirnikami o długości 1 metra (10 stóp) lub 10 000 wirówek z wirnikami o długości 4 metrów (13 stóp), przy założeniu że można zbudować 4-metrowe wirnik. Perspektywa utrzymywania tak dużej liczby wirników w ciągłej pracy z dużą prędkością wydawała się zniechęcająca, a kiedy Beams uruchomił swój eksperymentalny aparat, uzyskał tylko 60 proc. przewidywanej wydajności, co wskazuje, ze potrzeba więcej wirówek. Beams, Urey i Cohen rozpoczęli następnie prace nad szeregiem ulepszeń, które obiecały zwiększyć wydajność tego procesu. Jednak częste awarie silników, wałów i łożysk przy dużych prędkościach opóźniały prace w zakładzie pilotażowym. W listopadzie 1942 r. proces wirowania został zarzucony przez Komitet Polityki Wojskowej zgodnie z zaleceniami Conanta, Nicholsa i Augusta C. Kleina z Stone & Webster.

Chociaż metoda wirówkowa została porzucona przez projekt Manhattan, badania nad nią znacznie się rozwinęły po wojnie wraz z wprowadzeniem wirówki typu Zippe, którą opracowali w Związku Radzieckim rosyjscy uczeni i niemieccy uczeni wzięci do niewoli. Ostatecznie stała się preferowaną metodą separacji izotopów uranu, będąc znacznie bardziej ekonomiczną niż inne metody separacji stosowane podczas II wojny światowej (https://en.wikipedia.org/wiki/Manhattan_Project).

Początki radzieckiej technologii wirówkowej sięgają nazistowskich Niemiec, gdzie eksperymenty z separacją uranu przeprowadzono w ramach projektu atomowego. Jeden z uczestników tego projektu, inżynier fizyczny Geront Zippe, był między innymi niemieckim jeńcem wojennym wysłanym do ZSRR. Pod kierunkiem Maxa Steenbecka, jego rodaka i teścia, Zippe prowadził badania eksperymentalne do 1954 r., najpierw w Laboratorium A w Suchumi (przyszły Instytut Fizyki i Technologii w Suchumi), a przez ostatnie dwa lata w specjalnym biurze projektowym w fabryce Kirowa w Leningradzie (https://www.popmech.ru/technologies/13637-i-vse-taki-ona-vertitsya/#part1).

Ćwierć wieku później w USA postanowili jednak zmienić dyfuzję gazu na wirówki. Pierwsza próba nie powiodła się – w 1985 r., Kiedy zainstalowano pierwsze 1300 pojazdów opracowanych w Oak Ridge National Laboratory, rząd USA zakończył program. W 1999 r. W ponownie otwartym zakładzie w Paikton (Ohio) ponownie rozpoczęto prace nad instalacją nowej generacji amerykańskich wirówek (10-15 razy większych niż rosyjskie o wysokości i dwa do trzech razy średnicy) z wirnikiem z włókna węglowego. Zgodnie z planem w 2005 r. Miało zostać zainstalowanych 96 kaskad 120 „żyroskopów”, ale do końca 2012 r. projekt nadal nie został oddany do użytku komercyjnego (https://www.popmech.ru/technologies/13637-i-vse-taki-ona-vertitsya/(.

Bunkier

18. Przy drodze, w kierunku zachodnim od zbiornika wodnego znajduje się betonowy bunkier, o grubości ścian 50 cm i gr. stropu 50 cm, dł. 1100 cm szer. 555 cm, z wartownią. Był to magazyn (zbiornik produktu) do składowania końcowego produktu, jakim był wzbogacony uran. Foto: Stanisław Bulza.

Przy drodze, w kierunku zachodnim od zbiornika wodnego znajduje się betonowy bunkier, o grubości ścian 50 cm i gr. stropu 50 cm, dł. 1100 cm szer. 555 cm, z wartownią. Przeznaczenie obiektu jest interpretowane różnie. Według jednych, jest to obiekt nieznanego przeznaczenia, a według innych, w obiekcie tym przechowywano ładunki wybuchowe, które służyły do drążenia sztolni. Tutaj należy postawić następujące pytanie: dlaczego takich obiektów nie ma na Włodarzu, Osówce czy w Rzeczce? Na tych obiektach wydrążono przecież o wiele więcej sztolni niż na Soboniu. Zużyto więc o wiele więcej materiałów wybuchowych, a jednak nie trzymano tych ładunków w takich bunkrach, bo ich tam nie ma. Na Włodarzu jest magazyn na ładunki wybuchowe, ale inny. Jeżeli Riese było centrum przetwarzania uranu, to musiał być magazyn (zbiornik produktu) do składowania końcowego produktu, jakim był wzbogacony uran. Takim właśnie magazynem była powyższa budowla, która stoi samotnie, daleko od obiektów do wzbogacania uranu.

Po przeciwnej stronie bunkra, znajduje się głębokie wybranie ziemi (wyschnięty staw). W trakcie tych złożonych procesów chemicznych, opisanych powyżej, powstaje bardzo duża ilość płynnych odpadów, które są składowane w rozległych basenach (ang. lagoons) zwykle w pobliżu zakładu konwersji. Czy w tym głębokim wykopie składowano płynne odpady? Sprawa wymaga dalszego badania.

Stanisław Bulza

Przeczytaj więcej artykułów Stanisława Bulzy na naszym portalu  >   >   > TUTAJ .

2019.12.08.
Avatar

Autor: Stanisław Bulza