nuklearno gorivo

nuklearno gorivo, fisibilan materijal, tvar koja podliježe kontroliranoj lančanoj fisijskoj reakciji (→ fisija) uz oslobađanje golemih količina energije (→ nuklearna energija) iskoristivih u tehn. svrhe (→ nuklearna elektrana). Uranij je jedini kem. element u prirodi u kojem se pod određenim uvjetima može zbivati kontrolirana lančana fisijska reakcija. Prirodni uranij smjesa je izotopa 234U (0,006%), 235U (0,711%) i 238U (99,283%), od kojih je samo izotop 235U fisibilan, tj. može se izravno iskoristiti za lančanu fisijsku reakciju, u kojoj se sudarom s neutronom, uz emisiju novih neutrona, raspada u dva dijela, npr.

235U + n → 236U → 140Ba + 94Kr + 2n

                → 139Ba + 94Kr + 3n

                → 137Cs + 96Rb + 3n

Osim izotopa 235U, fisibilni su i plutonijevi izotopi 239Pu i 241Pu te uranijev izotop 233U. Njih u prirodi nema, ali se mogu proizvesti u nuklearnom reaktoru nuklearnim reakcijama uhvata neutrona, i to plutonijevi izotopi od uranijeva izotopa 238U, a izotop 233U od torijeva izotopa 232Th (konverzija nefisibilnoga materijala u fisibilni). Zbog vrlo malog udjela fisibilnog izotopa 235U otežano je održavanje lančane reakcije pa je potrebno povećati njegov udjel u gorivu. Taj se postupak naziva obogaćivanje uranija, a dobiveno se gorivo naziva obogaćenim gorivom. Uranij se najčešće obogaćuje difuzijskim i centrifugalnim postupcima. Kao gorivo većine energetskih nuklearnih reaktora rabi se prirodno ili slabo obogaćeno uranijsko gorivo (do 5% izotopa 235U). (→ nuklearni reaktor)

Uranij je na Zemlji vrlo raširen kem. element, no pojavljuje se u malim koncentracijama, pa su troškovi njegova izdvajanja iz ruda vrlo veliki (→ uranij). Rezervama uranija nazivaju se utvrđene količine uranija (zalihe) kojima je cijena izdvajanja do 80 USD/kg. Rezerve uranija u siječnju 2003. iznosile su približno 2,46 mil. tona (od toga Australija 28%, Kazahstan 16%, Kanada 14%, Južnoafrička Republika 9%, Namibija 6%, Rusija 5%, SAD i Niger po 4%). Godišnja proizvodnja uranija u posljednjih se nekoliko godina ustalila na približno 36 tis. tona. To ne zadovoljava godišnje potrebe (67 tis. tona), pa se manjak nadoknađuje iz civilnih i voj. zaliha te preradbom istrošenoga goriva.

Nuklearno gorivo najčešće se proizvodi u obliku metalnog uranija i uranijeva dioksida (UO2). Metalni uranij služi kao gorivo za istraživačke i neke energetske reaktore, a u načelu se može rabiti za reaktore u kojima temperatura goriva ne prelazi 660 °C. Naime, na toj se temperaturi, zbog faznoga prijelaza, mijenjaju njegova fizikalna svojstva, što nepovoljno utječe na pouzdanost i sigurnost rada reaktora. U većini energetskih reaktora gorivo je uranijev dioksid. 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.

Priprema nuklearnoga goriva za primjenu u energetskim reaktorima uključuje 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 mehan. konstrukciju kvadratna ili heksagonalna oblika, a gorivni se elementi ulažu u reaktorsku posudu tako da tvore cilindričnu strukturu (reaktorska jezgra).

U fisijskoj reakciji nuklearno se gorivo troši; kada se količina fisibilnih nuklida u gorivu toliko smanji da se lančana reakcija više ne može održati, istrošeno nuklearno gorivo ili jedan njegov dio treba zamijeniti svježim. Istrošeno se gorivo stavlja u duboki bazen, u kojem debeli sloj vode osigurava hlađenje goriva i zaštitu od radioaktivnosti. Istrošeno gorivo još uvijek sadrži malu količinu fisibilnih nuklida, koji se preradbom goriva mogu izdvojiti i koristiti za pripremu novoga nuklearnoga goriva. Takav način korištenja nuklearnoga goriva naziva se zatvorenim gorivnim ciklusom. Alternativni je način otvoreni gorivni ciklus, u kojem se istrošeno gorivo ne prerađuje, nego se tretira kao visokoradioaktivni otpad. Zbog visoke cijene preradbe i relativno niske cijene uranija sve veći broj zemalja primjenjuje otvoreni gorivni ciklus.

Visokoradioaktivni otpad dobiven preradbom istrošenoga goriva potencijalna je opasnost za stanovništvo i okoliš za razdoblje od više tisuća godina pa ga valja trajno spremiti na siguran način. Odlaganje u stabilne geol. formacije prihvaćeno je kao tehnologija kojom se može dugoročno riješiti problem visokoradioaktivnog otpada. (→ radioaktivni otpad)

Proizvodnja uranija

Proizvodnja uranija (u tonama).

Država Do 2000. 2000. 2003.
Australija 83 578 7579 7572
Bugarska 16 720 0 0
Češka 106 769 507 345
Francuska 73 368 296 0
Gabon 26 612 0 0
Indija 7 066 207 230
Južnoafrička Republika 150 043 798 758
Kanada 329 840 10 683 10 457
Kazahstan 88 272 1870 3300
Kina 6735 700 750
Kongo 25 600 0 0
Madžarska 21 020 10 0
Namibija 69 412 2715 2036
Niger 78 946 2914 3143
Njemačka 218 814 28 150
Rumunjska 17 643 86 90
Rusija 111 263 2760 3150
SAD 352 274 1522 857
Ukrajina 9092 1005 800
Uzbekistan 93 730 2028 1770
Ostale države 15 490 303 375
UKUPNO 1 902 287 36 011 35 783
nuklearno gorivo. Hrvatska enciklopedija, mrežno izdanje. Leksikografski zavod Miroslav Krleža, 2017. Pristupljeno 20.9.2017. <http://www.enciklopedija.hr/Natuknica.aspx?ID=44387>.