Ciklus nuklearnog goriva

• Kako bi se uranijum pripremio za upotrebu u nuklearnom reaktoru, mora da prođe fazu vađenja rude i mlevenja, zatim konverziju, obogaćivanje i fabrikaciju, tj. spajanja u gorivne šipke. Ove faze predstavljaju „prednji kraj“ ciklusa nuklearnog goriva.
• Nakon upotrebe uranijuma u reaktoru, u cilju proizvodnje električne energije, gorivo postaje „iskorišćeno tj. istrošeno“ i može da se podvrgne daljim izmenama koje uključuju: privremeno skladištenje goriva, njegovu ponovnu preradu i ponavljanje ciklusa pre eventualnog smeštanja u trajanja skladišta kao otpad. Zajedno, ove faze se nazivaju „zadnji kraj“ ciklusa nuklearnog goriva.

• 
  Ruda uranijuma
• 
  Žuti kolač
• 
  UF6 se obogaćuje
• 
  Tablete uranijum dioksida- nuklearno gorivo

1. Vađenje rude i mlevenje

Ruda uranijuma se obično vadi iz površinskih ili podzemnih rudnika. U Australiji se na primer nalazi otvoreni, površinski rudnik Rendžer ali takođe na jugu zemlje se nalazi i rudnik pod zemljom, koji pored uranijuma, proizvodi i ugalj, nešto zlata i srebra. Najnoviji rudnici u Kanadi su podzemnog tipa. Ruda uranijuma se posle kopanja i vađenja šalje u mlin, koji se najčešće nalazi blizu rudnika. Tamo se ruda melje do sitnog praha, koji se zatim stavlja u sumpornu kiselinu, kako bi se odstranile nečistoće i odvojio uranijum. Kada se uranijum odvoji od ove smese, s njim se obično izdvoje i ostali metali sličnih osobina.

2. Žuti kolač i oksid uranijuma

Kako bi se odstranili nepotrebni metali, cela smesa se meša sa aneksima i kateksima, koji za sebe vezuju rudu uranijuma. Dobijena skoro čista ruda se zatim meša sa amonijakom. Ovim procesom se dobija takozvani žuti kolač (U3F8), koji se filtrira i prosuši. Žuti kolač je produkt koji se prodaje i kupuje radi korišćenja u nuklearnom reaktoru. Oko 200 tona U3F8, za godinu dana, je potrebno kako bi se zadovoljile potrebe nuklearnog reaktora za proizvodnju 1000megavati električne energije. Kako bi dobili „nuklearno čiste“ gorivo, žuti kolač se rastvara u HNO3. Iz tog rastvora se ekstrahuje pomoću tributilfosfata. Nakon zagrevanja na temperaturi od 200 do 900 Celzijusa i redukcijom uz pomoć vodonika, H2, dobija se čist dioksid uranijuma. Njegova oznaka je UO2 .

3. Konverzija

Konačni produkt prethodne faze je dioksid uranijuma koji se nalazi u čvrstom stanju. S obzirom da se u tom produktu nalazi nedovoljno uranijuma 235 koji je neophodan za razvoj nuklearne lančane reakcije, potrebno je njegov procenat u oksidu povećati. Danas, postupak obogaćivanja oksida je veoma skupa, zato se stalno traže alternativna rešenja obogaćivanja kako bi se investicije što više smanjile. Uranijum okdis se obogaćuje uranijumom 235 u gasovitom stanju. Postupak je sledeći:

• Odvojeno od UO2 se priprema fluorovodonik,HF, čija je proizvodnja relativno jeftina
• Meše se oksid uranijuma sa fluorovodonikom
• Dobija se UF4, prašak zelene boje
• Zeleni prašak se u specijalnim reaktorima meša sa gasovitim fluorom F2, čija je proizvodnja veoma skupa i komplikovana
• Dobija se gasoviti uranijum heksafluorid, UF6
• Sledi proces obogaćivanja ovog gasa u specijalnim fabrikama

4. Obogaćivanje

Većina reaktora koji danas rade koriste obogaćeno uranijumsko gorivo, u kome je proporcija uranijuma 235 povećana sa prirodnog nivoa (od 0,7%) na 3,5% i više. Proces obogaćivanja goriva uklanja oko 85% izotopa uranijum 238 separacijom gasovitog uranijum heksaflurida na dva dela. Prvi deo je obogaćen do traženog nivoa i dalje nastavlja ciklus goriva. Drugi deo je osiromašen u uranijum 235 i njegove pratioce- najčešće uranijum 238 u pobuđenom stavu. Samo mala količina uranijum 235 (oko 0,25%) ostaje osiromašena, i dalje je neupotrebljiva za proizvodnju energije. Mada i osiromašeni uranijum je našao primenu u metalnoj formi u kobilici jahti ili kao zaštita od radijacije, s obzirom da je 1,7 puta gušći od olova.

5. Fabrikacija goriva

Obogaćeni UF6 se zatim transportuje u fabriku za fabrikaciju goriva. Tamo se konvertuje u uranijum dioksid UO2 i sabija se u male tablete. Ove tablete se potom naslažu u tanke šipke, obično napravljene od zirkonijuma ili nerđajućeg čelika, kako bi se formirale gorivne šipke. Gorivne šipke su zatim raspoređene u klastre, kako bi formirali gorivni element, koji je već spreman za postavljanje u jezgro reaktora. Reaktor, koji ima snagu od oko 1000megavata, na godišnjem nivou iskoristi oko 25 tona svežeg goriva.

• 
  Gorivni element koji se sastoji od oko 350 gorivnih šipki

6. Nuklearni reaktor

Nekoliko stotina gorivnih elemenata čini jezgro reaktora. Za reaktor snage 1000 megavati, obično je potrebno oko 75 tona slabo obogaćenog uranijuma. U jezgru reaktora, uranijum 235 se deli (proces fisije), proizvodeći toplotu u kontinualnoj procesu koji se naziva lančana reakcija. Proces zavisi pre svega na moderatoru, koji je najčešće voda ili grafit. Mala količina uranijuma 238 se u jezgru pretvara u plutonijum, a skoro polovina toga se takođe deli u procesu fisije, proizvodeći jednu trećinu izlazne snage reaktora. Prilikom ove reakcije, oslobađa se energija koja dovodi do ključanja vode i proizvodi se para koja se odvodi do parne turbine, koja pokreće električni generator. U ovom slučaju, proizvodi se oko 7 biliona kilovat časova električne energije za jednu godinu. Kako bi se povećala efikasnost fisione reakcije, jedna trećina istrošenog goriva u jezgru se uklanja iz reaktora svake godine ili na svakih 18 meseci, i zamenjuje se svežim nuklearnim gorivom.

7. Skladište istrošenog goriva

Gorivni elementi koji su uklonjeni iz reaktora su veoma radioaktivni, a takođe oslobađaju i veliku količinu toplote. Danas su poznata dva principa privremenog skladištenja:

• Skladište bazenskog tipa- Specijalni bazeni, obično blizu samog rektora, kako bi se radioaktivnost i toplota snizili. Voda u bazenu se koristi i kao zaštita od radijacije i kao hladilac gorivnih elemenata. Istrošeno gorivo može bezbedno da ostane u ovim bazenima dug period, i do 50 godina. Problem kod ovog tipa skladišta je nastajanje sekundarnih otpada, koji su takođe radioaktivni, a nastaju prilikom hlađenja vode u koju je istrošeno gorivo stavljeno
• Skladište suvog tipa- Gorivni elementi mogu da se stavljaju u specijalne betonske ili metalne kontejnere, koji su zatim naređani u posebne, izolovane prostorije. Hlađenje je ovde prirodnom cirkulacijom vazduha, što je glavna prednost u poređenju sa prethodnim, bazenskim tipom, s obzirom da ne nastaju sekundarni otpadi.

Oba skladišta su samo privremeni. Nakon nekoliko desetina godina, kada je gorivo dovoljno ohlađeno i kada je radioaktivnost na takom nivou da se s njim može vršiti manipulacija, gorivo se ili opet obrađuje, ili se skladišti u trajna skladišta, kao nuklearni otpad.

8. Ponovna prerada

Iako se naziva istrošeno gorivo, ono i dalje sadrži oko 94-95% originalne količine uranijuma, iako je uranijuma 235 samo 2-3%. Oko 3% istrošenog goriva sadrži otpadne produkte a 1% je plutonijum, koji se proizveo dok je gorivo bilo u reaktoru, i koji se nije dalje delio fisijom. Ponovna obrada odvaja uranijum i plutonijum od otpadnih produkta i od gorivnih šipki tako što se iseče gorivni element a zatim stavlja u kiselinu kako bi se odvojili razni materijali. Uranijum koji se dobija može da se vrati u proces konverzije u uranium heksaflurid i da se konačno ponovo obogaćuje u procesu obogaćivanja. Plutonijum može da se meša sa obogaćenim uranijumom u cilju dobijanja MOKS goriva(MOX- Mixed OXid). MOKS gorivo se proizvodi u posebnim fabrikama u Belgiji, Francuskoj, Nemačkoj, Engleskoj, Rusiji i Japanu. Ovaj proces je star oko 25. godina, a prvi primerci ovog goriva napravljeni su u Francuskoj 1995. godine. Japan na primer planira da koristi jednu trećinu goriva, u 54 reaktora, u vidu MOKS goriva do 2010. godine. Preostalih 3% istrošenog goriva predstavlja otpad koji može da se skladišti u tečnom stanju i kasnije očvršćeno. Kapacitet fabrika za ponovnu obradu goriva u Evropi i Rusiji je oko 5000 tona za godinu dana.

9. Vitrifikacija- ostakljivanje

Nakon ponovne obrade goriva, nastali tečni otpada može da se jako zagreva kako bi se proizveo suvi prah, koji se spaja sa staklom silikatnog bora kako bi se uklonio otpad. Staklo se zatim stavlja u kanistre, svaki podnosi 400 kilograma stakla. Ako pratimo i dalje reaktor sa snagom od 1000 megavati, za jednu godinu dobija se 5 tona ovog stakla, što je oko 12 kanistera, koji su visoki 1,3metra i prečnika 0,4 metra. Ovi kanistri se potom stavljaju u specijalna skladišta, gde su adekvatno čuvana uz odgovarajuću zaštitu od radijacije. Ovo je poslednja tačka do koje stiže ciklus nuklearnog goriva, danas. Konačno uništenje ili razgradnja otpada i dalje nije rešena stvar.

10. Konačno skladište

Gorivo koje je iskorišćeno, stavlja se u kanistre od nerđajućeg čelika. Trenutno, jedino rešenje koje postoji je da se ovi kanistri skladište na bezbedno mesto, ispod zemlje. Očekuje se, da prvo trajno skladište bude otvoreno 2010. godine.

Vidi još

• Nuklearni reaktor
• Nuklearna fizika
• Enriko Fermi

Spoljašnje veze

• Svetska nuklearna asocijacija Arhivirano na sajtu Wayback Machine (14. septembar 2008)(jezik: engleski)