Verrijkt uranium

Verrijkt uranium of verrijkt uraan is uranium met in verhouding meer Uraan-235 ²³⁵U dan zoals het van nature in uraanerts voorkomt. Het bereiken van een hoger percentage uraan-235 wordt 'verrijken' genoemd.

Natuurlijk uranium bestaat hoofdzakelijk uit uraan-238, een kleine fractie uraan-235 ²³⁵U en sporen van uraan-234. Hiervan is alleen ²³⁵U splijtbaar. Voor het op gang houden van een kettingreactie is een grotere fractie ²³⁵U nodig dan in natuurlijk uranium voorkomt. Uranium wordt verrijkt door zoveel mogelijk ²³⁵U uit het mengsel af te scheiden. Het overgebleven ²³⁸U wordt verarmd uranium genoemd. Deze is daardoor minder radioactief geworden. Het gewonnen ²³⁵U heeft een aanzienlijk kortere halveringstijd, nog altijd ongeveer 700 miljoen jaar, dus is hoger radioactief.

Uraan-235 wordt toegepast in kernreactoren en in kernwapens, een type kernsplijtwapen bekend als de uraniumbom. Voor kernenergie is uranium met een gehalte van 3 à 5 procent uraan-235 voldoende. Voor kernwapens is een percentage ²³⁵U van minstens 20 nodig, maar is een percentage boven de 90 gewenst en gebruikelijk. Dergelijk hoog-verrijkt uranium wordt weapons grade uranium genoemd.

Er zijn vijf methoden bekend om uranium te verrijken, maar in de praktijk wordt alleen de eerste methode gebruikt:

• gas-ultracentrifuge
• gasdiffusie
• elektromagnetische scheiding
• thermische vloeistofdiffusie
• laserscheiding, atomair en moleculair

Voor verrijken werden twee methoden gebruikt. Hierbij wordt gebruikgemaakt van het feit dat ²³⁵U per atoom lichter is dan ²³⁸U. De kern van ²³⁵U bevat 92 protonen en 143 neutronen, dus heeft een atoommassa van 235. Isotoop ²³⁸U heeft ook 92 protonen maar 146 neutronen en is daardoor 1,3% zwaarder.^[1] In beide gevallen wordt uranium aan fluor gebonden tot uraanhexafluoride (UF₆, met dus ook lichtere en zwaardere moleculen, waarna deze verbinding bij kamertemperatuur gasvormig wordt gemaakt door de druk te verlagen. Daarna kan het gehalte ²³⁵U met een gascentrifuge of door gasdiffusie worden verhoogd.

Gascentrifuge

Bij de methode wordt gas in een centrifuge bewerkt. De zwaardere fractie wordt iets meer naar de buitenkant geslingerd en het gas met die iets hogere concentratie van het zware ²³⁸U kan daar worden afgetapt. In de centrifuge blijft aldus een groter aandeel ²³⁵U over.

Gasdiffusie

Bij gasdiffusie wordt het gas door een membraan geperst, waarbij de lichtere fractie iets gemakkelijker door het membraan diffundeert dan de zwaardere fractie. Het gehalte aan ²³⁵U neemt hierdoor toe.

Tot 1942 was eigenlijk alleen elektromagnetische scheiding in gebruik. De Amerikanen kregen de technische problemen bij de gascentrifuge niet onder de knie, en stapten in 1942 over op gasdiffusie, hoewel dit procedé per verrijkingseenheid veel meer energie kost dan de gascentrifuge. De Duitsers hielden vast aan het gascentrifuge-procedé met behulp van ultracentrifuges.

Na de Tweede Wereldoorlog werd ook in de Sovjet-Unie aan de uranium verrijkt. Jaap Kistemaker uit Nederland raakte er in 1953 bij betrokken. Het werd in het kader van de Ostpolitik onverstandig geacht om uraniumverrijkingsfabrieken in West-Duitsland te bouwen. De eerste Duitse verrijkingsfabriek werd daarom in Almelo gebouwd bij het in 1970 opgerichte URENCO, een samenwerking van Nederland (Ultra-Centrifuge Nederland), Duitsland en het Verenigd Koninkrijk.

Nog een derde van het uranium werd in 2008 door middel van gasdiffusie verrijkt. De Eurodif gasdiffusie fabriek, ook wel bekend als George Besse I, in Frankrijk werd in 2012 gesloten. Vanwege het hoge energieverbruik stond deze fabriek naast de kerncentrale Tricastin. Het gereedkomen van een nieuwe en efficiëntere SET-gascentrifuge fabriek, George Besse II, maakte de sluiting mogelijk. De laatste Amerikaanse gasdiffusie fabriek, Paducah Gaseous Diffusion Plant in Kentucky, sloot in 2013 de deuren en daarmee werd deze methode nergens meer gebruikt.

Er zijn vier bedrijven die verrijkt uranium maken, dat zijn Rosatom in Rusland, URENCO in Nederland, China National Nuclear Corporation (CNNC) in de Volksrepubliek China en Orano in Frankrijk. In 2022 had Rosatom veruit de grootste capaciteit gevolgd door URENCO. De kleinste aanbieder is Orano.

Zeer hoogverrijkt uranium, bijvoorbeeld uit afgedankte kernwapens, kan met natuurlijk of verarmd uranium worden vermengd, om het in lager verrijkt uranium te veranderen. Dit wordt downblending genoemd.

Zie de categorie Uranium enrichment van Wikimedia Commons voor mediabestanden over dit onderwerp.