Verrijkt uranium

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

Een schijf hoogverrijkt uranium

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 wordt gevonden.

²³⁵U 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 ²³⁵U 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.

Uranium wordt verrijkt door zoveel mogelijk ²³⁵U uit het mengsel af te scheiden. Het overgebleven uraan-238 wordt verarmd uranium genoemd. Deze is daardoor minder radioactief geworden. Het gewonnen uraan-235 heeft een aanzienlijk kortere halveringstijd – nog altijd circa 700 miljoen jaar – en is dus hoger radioactief.

Methoden voor verrijking

Schematische weergave van een gas-ultracentrifuge met ²³⁸U in donkerblauw en ²³⁵U in lichtblauw. Door de rotatie verzamelt zich het zwaardere ²³⁸U aan de randen en het lichtere ²³⁵U in het midden. Door verhitting van onder ontstaan convectierollen die het ²³⁸U naar beneden vervoeren en het ²³⁵U omhoog.

Gasdiffusie waarbij het gas door membranen wordt gevoerd

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

• scheiding met behulp van gascentrifuges
• 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 en heeft dus een atoommassa van 235, ²³⁸U heeft ook 92 protonen maar 146 neutronen en is daardoor 1,3% zwaarder.^[1] In beide gevallen wordt uraan gebonden aan fluor 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 worden verhoogd met een gascentrifuge of door gasdiffusie.

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 de zware versie 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 dit project voortgezet in de Sovjet-Unie. Vanaf 1953 raakte de Nederlander Jacob Kistemaker betrokken. Wel werd het in het kader van de Ostpolitik onverstandig geacht om uraniumverrijkingsfabrieken in de Bondsrepubliek Duitsland op te richten. Daarom werd in Almelo de eerste Duitse verrijkingscapaciteit opgesteld bij het in 1970 opgerichte URENCO, een samenwerking van Nederland (Ultra-Centrifuge Nederland), Duitsland en het Verenigd Koninkrijk.

In 2008 werd nog een derde van het uranium verrijkt door middel van gasdiffusie. In 2012 werd de Eurodif gasdiffusie fabriek, ook wel bekend als George Besse I, in Frankrijk 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. In 2013 sloot de laatste Amerikaanse gasdiffusie fabriek, Paducah Gaseous Diffusion Plant in Kentucky, de deuren en daarmee kwam een einde aan deze methode.

Bedrijven

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.

Bedrijf[1]	Capaciteit (×1000 SWU/jaar)	Aandeel
Rosatom	27100	44%
URENCO	17.900	29%
CNNC	8900	14%
Orano	7500	12%
Overig	100	0%
Totaal	61.500	100%