Циклус нуклеарног горива

Циклус нуклеарног горива састоји се из 9 фаза.

• Како би се уранијум припремио за употребу у нуклеарном реактору, мора да прође фазу вађења руде и млевења, затим конверзију, обогаћивање и фабрикацију, тј. спајања у горивне шипке. Ове фазе представљају "предњи крај" циклуса нуклеарног горива.
• Након употребе уранијума у реактору, у циљу производње електричне енергије, гориво постаје "искоришћено тј. истрошено" и може да се подвргне даљим изменама које укључују: привремено складиштење горива, његову поновну прераду и понављање циклуса пре евентуалног смештања у трајња складишта као отпад. Заједно, ове фазе се називају "задњи крај" циклуса нуклеарног горива.

1.Вађење руде и млевење

Руда уранијума се обично вади из површинских или подземних рудника. У Аустралији се на пример налазо отворени, површински рудник Ренџер али такође на југу земље се налати и рудник под земљом, који поред уранијум, производи и угаљ, нешто злата и сребра. Најновији рудници у Канади су подземног типа. Руда уранијума се после копања и вађења шаље у млин, који се најчешће налази близу рудника. Тамо се руда меље до ситног праха, који се затим ставља у сумпорну киселину, како би се одстраниле нечистоће и одвојио уранијум. Одваја се од раствора и наталожи се у облику уранијум оксида У3О8. Некада се уранијум у овој фази назива "жути колач", због своје изразито жуте боје. Уранијум оксид У3О8 је продукт који се продаје. Око 200 тона У3О8, за годину дана, је потребно како би се задовољиле потребе нуклеарног реактора за производњу 1000мегавати електричне енергије.

2.Конверзија

Уранијум мора да се налази у форми гаса приликом обогаћивања. Зато се У3О8 конвертује у гас- уранијум хексафлурид УФ6. Ова конверзија се одвија у специјалним електранама у Европи, Русији и северној Америци.

3.Обогаћивање

Већина реактора који данас раде користе обогаћено уранијумско гориво, у коме је пропорција уранијума 235 повећана са природног нивоа од 0,7% на 3,5% и више. Процес обогаћивања горива уклања око 85% изотопа уранијум 238 сепарацијом гасовитог уранијум хексафлурида на два дела. Први део је обогаћен до траженог нивоа и даље наставља циклус горива. Други део је осиромашен у уранијум 235 и његове пратиоце- најчешће уранијум 238 у побуђеном стању. Само мала количина уранијум 235 (око 0,25%) остаје осиромашена, и даље је неупотребљива за производњу енергије. Мада и осиромашени уранијум је нашао примену у металној форми у кобилици јахти или као заштита од радијације, с обзиром да је 1,7 пута гушћи од олова.

4.Фабрикација горива

Обогаћени УФ6 се затим транспортује у фабрику за фабрикацију горива. Тамо се конвертује у уранијум диоксид (УО2) и сабија се у мале таблете. Ове таблете се потом наслажу у танке шипке, обично направљене од зирконијума или нерђајућег челика, како би се формирале горивне шипке. Горивне шипке су затим распоређене у кластре, како би формирали горивни елемент, који је већ спреман за постављање у језгро реактора. Реактор, који има снагу од око 1000мегавата, на годишњем нивоу искористи око 25 тона свежег горива.

5.Нуклеарни реактор

Неколико стотина горивних елемената чини језгро реактора. За реактор снаге 1000 мегавати, обично је потребно око 75 тона слабо обогаћеног уранијума. У језгру реактора, уранијум 235 се дели (процес фисије), производећи топлоту у континуалној процесу који се назива ланчана реакција. Процес зависи пре свега на модератору, који је најчешће вода или графит. Мала количина уранијума 238 се у језгру претвара у плутонијум, а скоро половина тога се такође дели у процесу фисије, производећи једну трећину излазне снаге реактора. Приликом ове реакције, ослобађа се енергија која доводи до кључања воде и производи се пара која се одводи до парне турбине, која покреће електрични генератор. У овом случају, производи се око 7 билиона киловат часова електричне енергије за једну годину. Како би се повећала ефикасност фисионе реакције, једна трећина истрошеног горива у језгру се уклања из реактора сваке године или на сваких 18 месеци, и замењује се свежим нуклеарним горивом.

6.Складиштење истрошеног горива

Горивни елементи који су уклоњени из реактора су веома радиоактивни, а такође ослобађају и велику количину топлоте. Зато се прво стављају у специјалне базене, обично близу самог ректора, како би се радиоактивност и топлота снижили. Вода у базену користи и као заштита од радијације и као хладилац горивних елемената. Истрошено гориво може безбедно да остане у овим базенима дуг период. Такође, елементи могу да се стављау у специјалне просторије, где су хлађени ваздухом. Како год, оба ова типа скалдишћења су само привремени. Након тога, гориво се или опет обрађује, или се скаладишти у трајна складишта, као нуклеарни отпад.

7.Поновна прерада

Иако се назива истрошено гориво, оно и даље садржи око 96% оригиналне количине уранијума, иако је уранијума 235 само 1%. Око 3% истрошеног горива садржи отпадне продукте а 1% је плутонијум, који се произвео док је гориво било у реактору, и који се није даље делио фисијом. Поновна обрада одваја уранијум и плутониум од отпадних продукта и од гориивне шипке тако што се исече горивни елемент а затим ставља у киселину како би се одвојили разни материјали. Уранијум који се одатле добила може да се врати у процес конверзије у ураниум хексафлурид и да се коначно поново обогаћује у процесу Обогаћивања. Плутонијум може да се меша са обогаћеним уранијумом у циљу добијања МОКС горива. МОКС гориво се производи у посебним фабрикама у Белгији, Француској, Немачкој, Енглеској, Русији и Јапану. Овај процес је стар око 25. година, а први примерци овог горива направљени су у Француској 1995. године. Јапан на пример планира да користи једну трећину горива, у 54 реактора, у виду МОКС горива до 2010 године. Преосталих 3% истрошеног горива представља отпад који може да се складишти у течном стању и касније очвршћено. Капацитет фабрика за поновну обраду горива у Европи и Русији је око 5000 тона за годину дана.

8.Витрификација- остакљивање

Након поновне обраде горива, настали течни отпада може да се јако загрева како би се произвео суви прах, који се спаја са стаклом силикатног бора како би се уклонио отпад. Стакло се затим ставља у канистре, сваки подноси 400 килограма стакла. Ако пратимо и даље реактор са снагом од 1000 мегавати, за једну годину добија се 5 тона овог стакла, што је око 12 канистера, који су високи 1,3 метра и пречника 0,4 метра. Ови канистри се потом стављају у специјална складишта, где су адекватно чувана уз одговарајућу заштиту од радијације. Ово је последња тачка до које стиже циклус нуклеарног горива, данас. Коначно уништење или разградња отпада и даље није решена ствар.

9.Коначно складиште

Гориво које је искоришћено, ставља се у канистре од нерђајућег челика. Трентуно, једино решење које постоји је да се ови канистри складиште на стабилно место, испод земље. Очекује се, да прво трајно складиште буде отворено 2010. године.

Погледати

*Светска нуклеарна асоцијација