nuklearno gorivo

nuklearno gorivo, tvar koja se rabi u fisijskim nuklearnim reaktorima kao izvor nuklearne energije za proizvodnju topline u nuklearnim elektranama. Najvažniji su sastojak nuklearnoga goriva fisibilni nuklidi, tj. nestabilne atomske jezgre koje podržavaju fisiju: prirodna uranijeva jezgra ²³⁵U i jezgre plutonija i uranija dobivene u oplodnim nuklearnim reaktorima ²³⁹Pu, ²⁴¹Pu i ²³³U. Plutonijevi izotopi dobivaju se od uranijeva izotopa ²³⁸U, a izotop ²³³U od torijeva izotopa ²³²Th (konverzija nefisibilnoga materijala u fisibilni). Odabir nuklearnoga goriva ovisi o svojstvima nuklearnoga reaktora.

Prirodni uranij smjesa je izotopa ²³⁴U (0,006%), ²³⁵U (0,711%) i ²³⁸U (99,283%). Fisibilni izotop ²³⁵U se u fisijskoj lančanoj reakciji raspada u dva dijela uz emisiju novih neutrona, npr.:

²³⁵U + n → ²³⁶U → ¹⁴⁰Ba + ⁹⁴Kr + 2n,

²³⁵U + n → ¹³⁹Ba + ⁹⁴Kr + 3n,

²³⁵U + n → ¹³⁷Cs + ⁹⁶Rb + 3n.

Priprema nuklearnoga goriva za nuklearne elektrane

Uranij je na Zemlji vrlo raširen kemijski element, no pojavljuje se u malim koncentracijama (prosječno dva grama na tonu) i u različitim mineralnim oblicima (glavne su rude uraninit i karnotit) pa su troškovi njegova izdvajanja iz ruda veliki.

Najviše uranija dobiva se u rudnicima u Kazahstanu (41% svjetske proizvodnje u 2020) te u Australiji (13%). Uranijeva se ruda čisti, a potom melje. Uranijevi minerali otapaju se u otopinama kiselina ili lužina kako bi nastao koncentrat uranijeva oksida U₃O₈, koji se naziva žuti kolač. Slijedi postupak obogaćivanja uranija, tj. povećavanja udjela uranija 235 u nuklearnom gorivu, koji se primjenjuje jer mali udjel uranija 235 u prirodnom gorivu (0,711%) otežava održavanje lančane reakcije pa je za rad većine nuklearnih reaktora potreban njegov veći udjel (do 5%). Uranij se najlakše obogaćuje u plinovitom stanju. Kemijskim postupkom dobiva se uranijev heksafluorid (UF₆), koji je pri temperaturi 56 °C u plinovitom stanju. Razdvajanje izotopa postiže se centrifugiranjem, pri čem se teže molekule, koje sadržavaju uranij 238, odvajaju na vanjski rub, a lakše molekule, koje sadržavaju uranij 235, zadržavaju u sredini. Obogaćeni uranijev heksafluorid tlačnom i termičkom obradbom pretvara se u uranijev dioksid (UO₂).

Priprema nuklearnoga goriva za najčešću primjenu u energetskim reaktorima obuhvaća izradbu tableta, koje se stavljaju u metalnu cijev od cirkonijeve slitine ili nehrđajućega čelika, čime se dobije gorivni štap. Gorivni se štapovi slažu u gorivni element, čvrstu mehaničku konstrukciju kvadratna ili heksagonalna oblika, a gorivni se elementi ulažu u reaktorsku posudu tako da tvore cilindričnu strukturu (reaktorska jezgra).

Istrošeno nuklearno gorivo nastaje kada se većina fisibilnih nuklida u gorivu raspadne i nagomilaju se produkti nuklearnih raspada pa se lančana reakcija više ne može održavati ekonomično. Istrošeno gorivo izvlači se iz jezgre nuklearnoga reaktora i pohranjuje u bazen za istrošeno gorivo u kojem se približno pet godina hladi strujanjem vode, a potom se može suho uskladištiti u posebno izrađene nepropusne spremnike, koji omogućuju hlađenje a zadržavaju radioaktivno zračenje.

Preradba istrošenoga goriva izdvajanje je zaostalih fisibilnih nuklida kako bi se iskoristili u pripremi novoga goriva ili za dobivanje fisibilnih nuklida plutonija 239, plutonija 241 ili uranija 233. Ponovna uporaba (recikliranje) istrošenoga goriva smanjuje radioaktivni otpad i potrebu za svježim prirodnim uranijem. Ako se istrošeno gorivo ne preradi, postaje visokoradioaktivni otpad.

Odlaganje istrošenoga goriva planira se vrlo pozorno jer se visokoradioaktivni otpad tretira kao potencijalna opasnost za stanovništvo i okoliš za razdoblje od više tisuća godina. Odlaže se u posebne nepropusne spremnike za trajno odlaganje.

Vrste nuklearnoga goriva

Oksidno gorivo, uranijev dioksid, rabi se u većini nuklearnih elektrana. Njegove su prednosti nepromjenljivost faza sve do tališta na vrlo visokoj temperaturi (2860 °C), otpornost na neutronsko zračenje te otpornost prema koroziji u dodiru s vrućom vodom, odn. s vodenom parom, a nedostatak je mala toplinska vodljivost.

Miješano oksidno gorivo sadržava više od jedne vrste fisibilnih nuklida. Obično se sastoji od oksida plutonija (oko 7%) i prirodnoga ili osiromašenoga uranija. Dodavanje plutonija u istrošeno nuklearno gorivo omogućuje da se ono ponovno iskoristi.

Metalno gorivo, metalni uranij, rabi se kao gorivo u istraživačkim i ponekim energetskim reaktorima. Njegova je prednost to što uporabom može proizvoditi više fisijskoga materijala nego što ga troši, a nedostatak taj što njegova temperatura ne smije prijeći 660 °C. Na toj se temperaturi, zbog faznoga prijelaza, mijenjaju fizikalna svojstva metalnoga uranija, što nepovoljno utječe na pouzdanost i sigurnost rada reaktora.

Plutonijev dioksid (PuO₂) rabi se s pomoću radioizotopnoga termoelektričnoga generatora kao izvor energije u satelitima i svemirskim sondama, npr. u svemirskim letjelicama Cassini-Huygens, Galileo, New Horizons i Ulysses. Prednosti su goriva postojanost na visokim temperaturama, tako da se njegove svojstva ne mijenjaju tijekom mnogo godina, dovoljno dugo vrijeme poluraspada, tako da dugo može stvarati toplinu za dobivanje električne energije, velika gustoća snage, tako da mala količina može generirati znatnu količinu topline, relativno niske emisije neutrona, beta-zračenja i gama-zračenja, tako da ne ometaju instrumente svemirskih letjelica i ne zahtijevaju pretjerano masivnu zaštitu, a nedostatak je njegova visoka cijena.

Proizvodnja uranija (u tonama)