Czym dokładnie jest paliwo jądrowe i skąd je bierzemy?

Zdjęcie autora: URANIUM

URANIUM

Koło Naukowe Energetyków Jądrowych AGH

Według IAEA PRIS na świecie obecnie funkcjonuje 417 jądrowych reaktorów energetycznych. Zawieszono eksploatację kolejnych 25, z kolei w budowie znajduje się 58 jednostek. Wiele osób zastanawia się więc, czym jest paliwo do tych reaktorów? Z czego się składa, jak powstaje? Jak wygląda? W tym artykule odpowiemy na te pytania.

Podstawy działania reaktorów jądrowych, w szczególności reaktorów typu PWR, czyli reaktorów wodno-ciśnieniowych, opisaliśmy już w poprzednim artykule. Wiemy już, że praktycznie wszystkie reaktory na świecie jako paliwo wykorzystują uran o odpowiednim wzbogaceniu, w postaci małych pastylek tlenku uranu, umieszczanych w prętach paliwowych. Pręty są zaś częściami całych kaset paliwowych, które umieszczamy w reaktorze. Przyjrzyjmy się temu jednak bliżej: czym jest to paliwo?

W reaktorach jądrowych dochodzi do reakcji rozszczepienia neutronami ciężkich jąder, zazwyczaj izotopów uranu, na jądra mniejsze. W procesie tym uwalniane są duże ilości energii oraz kolejne neutrony, które mogą rozszczepić następne atomy.

Skąd bierzemy uran?

Uran występuje na ziemi w stosunkowo dużych ilościach. Sporą ilość jego złóż znajdziemy między innymi w Kanadzie, Kazachstanie, Australii, Rosji czy Namibii. Także w Polsce znaleźć można pewne jego ilości, jednakże ich wykorzystanie na ten moment nie jest opłacalne. Dostępnych jest wiele metod pozyskiwania tego pierwiastka – przykładowo rozwijane są obecnie metody ekstrakcji uranu rozpuszczonego w oceanach. Jest to jednak na razie bardziej ciekawostka, a koszty tej metody pozostają wysokie. Większość uranu na ten moment jest otrzymywana metodami górniczymi. Rudę uranu, czyli skały o wystarczającej zawartości minerałów uranu, wydobywa się metodami odkrywkowymi lub głębinowymi. Zyskującą popularność metodą jest też ługowanie w złożu – metoda ta wpływa w niewielki sposób na krajobraz i polega na chemicznym wypłukaniu uranu ze znajdującej się pod ziemią rudy, poprzez wtłaczanie za pomocą wydrążonych otworów lekko kwasowego (lub alkalicznego) roztworu. Roztwór ten z „wymytymi” związkami uranu następnie trafia z powrotem na powierzchnię. 

Budynki naziemne w kopalni uranu Cigar Lake w Kanadzie. Źródło – Cameco 

Uranu na ziemi jest więcej, niż na początku mogłoby się wydawać. Jest 500 razy bardziej powszechny od złota i występuje w podobnych ilościach co cyna

Przetwarzanie rudy

Wydobyta ruda uranu, w zakładach przetwórstwa rudy uranowej, takich, jak dawne zakłady R-1 w Kowarach, jest kruszona i trawiona kwasem siarkowym (lub silną zasadą). Umożliwia to separację uranu od skały – uran uzyskiwany jest jako tlenek, U3O8

Byłe zakłady przetwórstwa rudy uranowej R-1 w Kowarach. Zdjęcia autora.

Tak uzyskany produkt, zwany potocznie yellowcake, pakowany jest i sprzedawany na rynku międzynarodowym. Wykorzystując metodę ługowania w złożu mamy do czynienia z bardzo podobnym procesem, jednak pozbawionym problemu niechcianych odpadów skalnych.

Tak powstały tlenek uranu jednak nie może być jeszcze użyty jako paliwo – nie licząc samego procesu fabrykacji, czeka nas jeszcze proces zwany wzbogaceniem – o ile nie produkujemy paliwa do reaktora CANDU. 

Tlenek Uranu U3O8, zwany „koncentratem” lub „yellowcake”. Źródło – Cameco 

Wzbogacenie paliwa

Neutrony w reaktorze muszą zostać spowolnione, by rozszczepić jądra uranu 235 – musimy zmniejszyć ich energię, do czego wykorzystywany jest moderator, zazwyczaj woda. To w dużej mierze właśnie od użytego moderatora i jego właściwości, takich jak ilość pochłoniętych przez niego neutronów i stopień ich spowolnienia, będzie zależał minimalny udział masowy uranu 235 w paliwie. Można to rozumieć jako minimalne stężenie łatwo rozszczepialnych jąder do utrzymania reakcji łańcuchowej. W reaktorach moderowanych lekką (zwykłą) wodą, udział masowy uranu-235 wynosi od 3% do 5%. Naturalny uran zawiera tylko 0.7% uranu 235, co wystarczy do użycia go jako paliwa w reaktorach moderowanych ciężką wodą, na przykład w Kanadyjskich reaktorach CANDU, jednakże nie wystarczy to do funkcjonowania reaktorów lekkowodnych, na przykład planowanych w Polsce reaktorów wodno-ciśnieniowych AP1000.

Uran więc musimy poddać "wzbogaceniu" – należy zwiększyć udział masowy uranu 235. Aby to osiągnąć, należy w jakiś sposób pozbyć się części uranu 238, którego udział masowy w uranie naturalnym to prawie 99.3%. Wzbogacanie wykorzystuje 1% różnicę masy między lżejszym U-235 i cięższym U-238. Obecnie, niemal wszędzie na świecie, wykorzystywane są do tego wirówki. Tlenek uranu U3O8 ulega konwersji na heksafluorek uranu UF6, który sublimuje (zamienia się bezpośrednio z ciała stałego na gaz) przy temperaturze 56,5°C. Tak otrzymany gaz trafia do serii wirówek, gdzie separowany jest na dwa strumienie – strumień zubożony, o coraz to mniejszej zawartości U-235 i strumień wzbogacony, o coraz to większej wartości U-235. Wirówka wykorzystuje fizyczne właściwości cząsteczek – cięższe cząsteczki są wypychane do ścianek mocniej niż te lżejsze. Uran w postaci gazowej przepuszczamy przez serię wirówek aż do uzyskania wymaganego stopnia wzbogacenia. Po osiągnięciu go, heksafluorek uranu UF6 ponownie ulega konwersji na ditlenek uranu UO2.

Kaskada wirówek. Źródło – Urenco. 

Przy produkcji uranu o wzbogaceniu 5% na każdy kilogram wzbogaconego uranu musimy zużyć aż 10 kilogramów naturalnego uranu. Pozostały uran o obniżonej zawartości U-235 nazywamy „zubożonym uranem”. Znajduje on zastosowanie w niektórych sektorach gospodarki, na przykład przy produkcji osłon przed promieniowaniem czy przy produkcji amunicji przeciwpancernej

Produkcja paliwa jądrowego - fabrykacja

Po wzbogaceniu i konwersji, sproszkowany ditlenek uranu UO2 zostaje sprasowany do postaci małych cylindrycznych pastylek. Pastylki te zostają następnie spieczone w wysokiej temperaturze w przeznaczonych do tego piecach – daje im to wymaganą wytrzymałość mechaniczną. Paliwo jądrowe występuje więc w postaci małych ceramicznych pastylek. 

Pastylki uranowe. Źródło – NRC 

Pastylki są następnie umieszczane w prętach paliwowych, co gwarantuje ich poprawne ułożenie. Koszulka paliwowa, czyli część pręta, która osłania ułożone na sobie pastylki, musi być wykonana z materiału jak najbardziej „przezroczystego” dla neutronów – zazwyczaj wykorzystywany jest do tego stop zwany Zircaloy, składający się w większości z cyrkonu. Nie pochłania on neutronów – tym samym nie wpływając negatywnie na przebieg reakcji – przy bardzo dużej wytrzymałości mechanicznej, termicznej i chemicznej. Pręty paliwowe nie są jednak wypełnione pastylkami „po brzegi” – wynika to z faktu, że pastylki rozszerzają się pod wpływem wysokiej temperatury, oraz z faktu, że niektóre produkty rozszczepienia uranu są gazami. Pręty paliwowe są ze sobą łączone w większe elementy, zwane kasetami paliwowymi. Wymiary prętów i ich ustawienie w kasetach różni się między różnymi typami reaktorów, a nawet między modelami. 

Grafika schematyczna przykładowej kasety paliwowej. Źródło - United States Department of Energy

Kapsułki paliwowe mają wysokość nieco ponad centymetr i średnicę około 1 cm. W przypadku paliwa do rosyjskich reaktorów WWER przez środek kapsułki drążony jest dodatkowo otwór na wylot o średnicy około milimetra. Mimo tak małych rozmiarów, jedna kapsułka paliwowa wygeneruje w elektrowni tyle energii, co spalenie całej tony węgla kamiennego.

Załadunek do reaktora i wypalanie

Gotowe kasety paliwowe są ładowane do reaktora. W reaktorze, w czasie pracy, uran zawarty w pastylkach ulega rozszczepieniu na mniejsze jądra, uwalniając przy tym olbrzymie ilości ciepła. Dokładniej zasady działania elektrowni jądrowej opisaliśmy już nieco wcześniej. Co kilkanaście miesięcy od jednej czwartej do jednej trzeciej paliwa jest wymieniana na paliwo świeże. Zazwyczaj wymiana paliwa następuje co 18 miesięcy, lecz może być to także 12 miesięcy lub nawet 24 miesiące – zależne to jest od wybranej przez operatora długości kampanii paliwowej. 

Załadunek pierwszej kasety paliwowej do reaktora Vogtle 4. Źródło – Georgia Power Company 

Wyładunek zużytego paliwa z reaktora

Zużyte paliwo jądrowe wbrew popkulturowym wyobrażeniom nie jest zielonym szlamem. Po wypaleniu wygląda ono tak samo, jak przed załadunkiem do reaktora. Widoczna jednak przy wyładunku jest niebieska poświata wokół zużytych kaset paliwowych – jest to promieniowanie Czerenkowa, powstające wokół silnych emiterów promieniowania beta zanurzonych w wodzie. Zużyte paliwo jest bardzo radioaktywne, na tyle, że nawet gdy jest już wyciągnięte z reaktora, stale nagrzewa się przez zachodzące w nim rozpady promieniotwórcze. Z powodu na stałą potrzebę chłodzenia i wysoką aktywność, zużyte kasety paliwowe przetrzymywane są na terenie elektrowni w specjalnych basenach na zużyte paliwo – woda bardzo dobrze zatrzymuje nawet silne promieniowanie. Na tyle dobrze, że z radiologicznego punktu widzenia, pływanie w takim basenie, o ile nie będziemy nurkować na głębokość zużytego paliwa, jest mniej więcej tak samo bezpieczne, co pływanie w każdym innym basenie. Dla amatora takich kreatywnych kąpieli, większym zagrożeniem byłaby ochrona obiektu niż promieniowanie. 

Basen na zużyte paliwo jądrowe. Źródło – IAEA 

Aktywność, a co za tym idzie ilość wydzielanego ciepła, z czasem jednak spada. Po kilku latach zużyte paliwo można wyciągnąć z basenu chłodzącego i umieścić w suchym przechowalniku.

Suche przechowalniki na zużyte paliwo jądrowe. Źródło - @MadiHilly 

Dalsze losy zużytego paliwa, koncept składowisk głębinowych i recyklingu paliwa, opiszemy już niedługo.

Źródła: World Nuclear Association, IAEA, NRC, NEI, EIA

Materiał został przygotowany przez Koło Naukowe Energetyków Jądrowych URANIUM, AGH.
Antoni Korgul