Jak powstaje paliwo jądrowe? Od rudy uranowej po reaktor
Grzała
Na temat energii jądrowej wiele uwagi przykłada się do jej minimalnej emisyjności oraz z drugiej strony do obaw związanych z odpadami i bezpieczeństwem pracy reaktorów. Mało jednak uwagi poświęca się powstawaniu samego paliwa jądrowego, którym zasilane są te elektrownie. Ile rudy uranu trzeba przerobić, gdzie położone są złoża uranu, jak zmieniają się technologie wydobycia i przeróbki oraz jakie perspektywy i wyzwania stoją przed tym sektorem energetycznym.
Czym jest uran i do czego służy?
Uran to promieniotwórczy metal ciężki o liczbie atomowej równej 92. Występuje jako mieszanina różnych izotopów, z dominującym uranem 238, który stanowi około 99,3% naturalnego uranu oraz w mniejszym stopniu, bo około 0,7% – uranu 235. Ten drugi izotop jest zarówno kluczowy w reakcji rozszczepienia potrzebnej do wytwarzania energii elektrycznej, jak i jest sławny z jej niszczycielskiej mocy. Po wydobyciu naturalnego uranu wzbogaca się go do wyższych stężeń, czyli zwiększa się udział uranu 235 w ogólnej zawartości uranu. Uran wykorzystuje się głównie jako paliwo do reaktorów wytwarzających energię elektryczną, ale również ma zastosowania w przemyśle, badaniach i medycynie.
Rudy uranu
Uran pozyskiwany jest głównie z rud uranowych, z których najpopularniejszą jest blenda uranowa. O opłacalności wydobycia decyduje zawartość uranu w rudzie — już wartości rzędu kilku dziesiątych promila mogą przesądzać o rozpoczęciu eksploatacji.
Źródło: Jędrzej Pełka
Miejsca wydobycia uranu
Chociaż uran jest dosyć powszechnym pierwiastkiem w skorupie ziemskiej, to bardzo często wydobycie go jest nieopłacalne ekonomicznie. Głównymi miejscami wydobycia uranu są Kazachstan, który odpowiadał za około 43% światowego wydobycia. Kolejne kraje to: Kanada (15%), Namibia (12%), Australia (8%) i Uzbekistan (7%). W Polsce również są zidentyfikowane obszary zawierające złoża uranu, jednak koszty wydobycia są wysokie, a zasoby małe.
Historycznie uran wydobywano w małych ilościach jako żółty barwnik do szklanych produktów już na początku naszej ery w starożytnym Rzymie i był głównie w ten sposób stosowany, aż do końca XIX wieku. Kopalnie tego surowca, jakie dziś znamy zaczęły powstawać na początku lat 40. XX wieku do celów wojskowych, a następnie cywilnych między innymi w Kongo, czy później w Namibii i Kanadzie.
Sposoby wydobycia uranu
Wydobycie rudy uranowej jest przeprowadzane za pomocą różnych metod. Jeszcze ponad 30 lat temu tradycyjne kopalnie odkrywkowe i podziemne stanowiły około 55% światowej produkcji, gdzie w roku 2022 już większość uranu była pozyskiwana za pomocą ługowania in situ ISL (około 56% światowej produkcji). Metoda ta polega na wpompowywaniu roztworu do złoża rudy pod powierzchnię ziemi, gdzie rozpuszczany jest pożądany pierwiastek. Następnie roztwór ten wyciąga się na powierzchnię, odzyskując z niego materiał bez konieczności wydobywania skały na powierzchnię. Zmiany sposobu wydobycia uranu pokazuje, jak zmieniają się technologie. Teraz wydobycie jest bardziej efektywne i w dodatku mniej inwazyjne środowiskowo.
Źródło: world-nuclear.org
Jak się przerabia i wzbogaca rudę uranu?
Po wydobyciu rudy kruszy się ją i mieli tak, aby skała stała się drobno sproszkowana co zwiększa powierzchnię jej reakcyjną. Tak spreparowaną rudę rozpuszcza się w kwasie siarkowym lub w węglanach (metoda kwaśna i alkaliczna). Tak uzyskany roztwór się filtruje, oczyszcza i poddaje kilku dodatkowym reakcjom chemicznym, po czym mamy na końcu dwutlenek uranu. Paliwo to ma taki stosunek izotopów jak uran naturalny i nadaje się jedynie do reaktorów ciężkowodnych, czyli takich, w których używa się wody ciężkiej (D2O), czyli takiej, która zamiast wodoru ma jego izotop – deuter. Stosuje się ją jako moderator w reaktorach jądrowych, ponieważ skuteczniej spowalnia neutrony prędkie w stosunku do „zwykłej” wody.
Aby można było użyć uranu w reaktorze chłodzonym mniej kosztowną, zwykłą wodę, to należy zwiększyć w paliwie zawartość izotopu uranu 235, tak aby zwiększyć jego promieniotwórczość. Robi się to za pomocą różnych metod, które korzystają z faktu, że mało pożądany izotop uranu 238 ma większą masę od uranu 235. Na początku uran za pomocą fluoru zmienia się w gazowy sześciofluorek uranu (UF6).
W metodzie kanalikowej korzysta się z półkolistych kanalików, przez który przepuszcza się nasz UF6, gdzie działająca tam siła odśrodkowa w niewielkim stopniu rozdziela dwa izotopy delikatnie, zwiększając zawartość izotopu uranu 235 w gazie.
W metodzie dyfuzyjnej przepuszcza się UF6 przez przegrody półprzepuszczalne. Lżejszy izotop szybciej przechodzi przez pory przegród, co również prowadzi do wzbogacenia paliwa.
Najskuteczniejszą i najbardziej popularną obecnie jest metoda wirówkowa, w której gaz jest wpuszczany do bardzo szybko obracającej wirówce. Cięższy izotop przyciska do zewnętrznych ścianek w środku, koncentrując lżejszy uran 235. Metoda ta jest tańsza od wcześniejszych sposobów.
Przejście przez pojedynczą maszynę wzbogaci uran jedynie w niewielkim stopniu. Bardzo często cykl ten jest powtarzany setki, a nawet tysiące razy by uzyskać od 3 do 5% zawartości izotopu uranu 235 w paliwie potrzebnego do efektywnego działania reaktora lekkowodnego.
Źródło: britannica.com
Ile rudy trzeba przetworzyć?
Jeśli opłacalna ruda ma w sobie stężenie 0,075% = 750 ppm uranu, gdzie jest to 750 gramów na tonę rudy, czyli już na samym początku musimy przetworzyć tonę rudy, aby dostać tylko prawie kilogram naturalnego uranu, który zawiera tylko 0,7% izotopu uranu 235. Aby uzyskać kilogram paliwa jądrowego o stężeniu 3% izotopu uranu 235 będziemy potrzebować około 5700 kilogramów rudy, i to przy braku strat podczas wzbogacania uranu. To porównanie pokazuje, jak ogromne ilości rudy potrzeba do wytworzenia jednego kilograma nisko wzbogaconego paliwa dla elektrowni jądrowej.
Perspektywy i wyzwania
Rosnąca liczba powstających reaktorów i kolejnych planowanych pokazuje, że wzrasta zainteresowanie pozyskiwaniem taniej energii w ten sposób. Dodatkowo wykorzystanie technologii SMR, czyli małych reaktorów modularnych, których koszt początkowy jest znacznie niższy niż budowa całego kompleksu elektrowni, będzie oznaczał znaczne zwiększenie zapotrzebowania na uran oraz cały przemysł związany z jego wydobyciem i obróbką. Dodatkowo tworzone są nowe metody wzbogacania uranu, na przykład z wykorzystaniem lasera, co dalej będzie obniżać koszty produkcji paliwa jądrowego.
Głównym wyzwaniem, z którym spotka się energetyka jądrowa, jest dalszy brak szerokiej akceptacji społecznej, skala produkcji uranu, infrastruktury przeróbki oraz regulacje środowiskowe i prawne.
Źródła: nuclear.pl, world-nuclear.org, gov.pl, britannica.com
Materiał został przygotowany przez Koło Naukowe Odnawialnych Źródeł Energii “Grzała”
Mikołaj Krok
