Your browser does not support Javascript, in order to see this website. Please turn it on.

Branduolinio kuro ciklas

Branduolinio kuro ciklas – tai visas branduolinio kuro ir energijos gamybos procesas, įskaitant mokslinius - tiriamuosius darbus. Ciklą sudaro 4 pagrindinės fazės:

  1. Kasyba, urano konversija, urano sodrinimas, branduolinio kuro gamyba. Iškasama urano rūda, uranas sodrinamas ir iš jo gaminamas branduolinis kuras.
  2. Energijos gamyba. Branduolinis kuras naudojamas atominėje jėgainėje – gaminama energija. Panaudotas kuras laidojamas (3) arba perdirbamas (4).
  3. Laidojimas. Jeigu panaudotas kuras neperdirbamas, jis gabenamas į galutinio saugojimo vietą − geologinio laidojimo įrenginį atliekyną.
  4. Perdirbimas. Perdirbti skirtas branduolinis kuras gabenamas į perdirbimo gamyklą. Iki 95 % perdirbto branduolinio kuro vėl gali būti panaudota naujo kuro gamybai ir energijos gavybai branduoliniuose reaktoriuose.

Detalus branduolinio kuro ciklo aprašymas

Pirmiausia vykdoma urano rūdos telkinių paieška ir atrastų uolienų klodų įvertinimas, kurio metu nustatoma urano rūdos koncentracija ir, apskaičiavus jos gavybos savikainą, priimamas sprendimas dėl telkinio tolimesnio eksploatavimo.

Uranas - plačiai paplitęs Žemėje elementas. Jo yra visur – nuosėdinėse uolienose, granite, mineraluose. Milžiniški urano kiekiai yra ištirpę vandenynuose. Aplinkoje aptinkami du gamtiniai urano izotopai: U-238 (99,3 %) ir U-235 (0,7 %), kartu su daugybe jų skilimo produktų. Vidutinė urano koncentracija Žemės plutoje viršija sidabro koncentraciją 40 kartų, aukso – 500 kartų. Urano yra daugiau nei stibio, alavo, kadmio, gyvsidabrio ir panašiai kaip arseno, molibdeno ar cinko.

Vidutinė urano koncentracija:

  • viršutiniame grunto sluoksnyje – 2-3 g/t
  • granite – 4-5 g/t
  • žemos gradacijos urano rūdoje – 1000 g/t
  • aukštos gradacijos urano rūdoje – 20 000 g/t
  • jūros vandenyje – 0.003 g/t

Bendras šiuo metu identifikuotas ir  įvertintas urano žaliavos U3O8 kiekis pasaulyje – virš 7 000 000 t. Šio urano žaliavos kiekio užtektų 100 metų. Apskaičiuota , jog Žemės plutoje yra 1017 kg urano, o ištirpusio urano kiekis vandenynuose sudaro dar 1013 kg.

Nusprendus pradėti telkinio eksploataciją, pradedami urano rūdos kasybos darbai, kurie, priklausomai nuo telkinio gylio, gali būti atliekami žemės paviršiuje arba giliau iškastose šachtose. Toliau iškasta urano rūda (kurioje urano oksido U3O8 koncentracija yra iki 1 %) vežama į perdirbimo gamyklą, kurioje ji sumalama ir šarminių reakcijų metu gaunamos vadinamasis „geltonasis pyragas“ (angl. - Yellowcake), kuriame urano oksido U3O8 yra apie 80% visos medžiagos.

Pastaruoju metu vis plačiau yra taikomas gerokai efektyvesnis, taip vadinamas “in-situ leach“ (ISL) urano žaliavos gavimo būdas, kai uranas cheminiu būdu yra ištirpdomas tiesiog uolienose ir išsiurbiamas kartu su tirpalais. Šiuo metu ISL metodu išgaunama virš 45% visų urano žaliavų. Plačiausiai ši technologija naudojama Kazachstane, Australijoje, Kanadoje.

Urano sodrinimui vykdyti U3O8 turi būti paverčiamas urano heksafluoridu UF6, kuris prie 57 °C pereina į dujinę būseną. Kartais U3O8 yra tiesiogiai verčiamas į keramikinės formos urano dioksidą UO2, kuris iš karto gali būti naudojamas kaip kuras tokiuose branduoliniuose reaktoriuose kaip CANDU, kurie nereikalauja sodrinto urano.

Kadangi gamtoje esančiame urane branduolių dalinimosi grandininei reakcijai palaikyti reikiamo urano U-235 yra tik 0,71 % (likusius 99,3 % sudaro U-238), uraną būtina sodrinti. Uranas gali būti sodrinamas izotopų atskyrimo, dujinės difuzijos arba dujų centrifugos metodais. Šiuo metu dujų centrifugos metodas yra vienas iš pačių efektyviausių urano sodrinimo metodu, o dujinės difuzijos metodas jau nebetaikomas dėl didelių energetinių sąnaudų. Ateityje ypač perspektyviu yra laikomas urano sodrinimas lazeriniu būdu.

Po sodrinimo gautame UF6 grandininei branduolių dalijimosi reakcijai reikalingo U-235 koncentracija siekia iki 5% (priklausomai nuo reaktoriaus, kuriame kuras bus naudojamas, rūšies). Toks įsodrinto urano heksafluoridas branduolinio kuro gamykloje paverčiamas urano dioksido UO2 milteliais, kurie yra supresuojami į tabletės pavidalo formą. Po terminio apdirbimo urano tabletės tampa ypatingai kietos ir yra sudedamos į metalo (dažniausiai cirkonio) strypus, kuriuos sujungus į tam tikrą formą (priklausomai nuo reaktoriaus, kuriam kuras gaminamas), gaunamas galutinis pirmojo branduolinio kuro ciklo etapo produktas – branduolinio kuro rinklės.

Branduolinės elektrinės reaktoriuje branduolinis kuras patalpinamas į reaktoriaus šerdį. 1000 MW elektrinės galios reaktoriaus normaliai veiklai užtikrinti į reaktoriaus šerdį reikia patalpinti 75 tonas sodrinto urano. Keičiant panaudotą branduolinį kurą nauju, reaktorius dažniausiai yra sustabdomas. Kai kuriuose branduoliniuose reaktoriuose kuras gali būti keičiamas ir nestabdant reaktoriaus darbo (pvz. RBMK ar CANDU tipo reaktoriuose).

Iškrautas iš reaktoriaus panaudotas branduolinis kuras pirmiausia yra laikomas reaktoriaus pastate arba šalia reaktoriaus esančioje teritorijoje suprojektuotuose vandens baseinuose. Jeigu baseinų plotas yra pakankamas, iš baseino išimtas panaudotas branduolinis kuras gali būti saugomas specialiose panaudoto branduolinio kuro saugyklose. Panaudoto kuro strypai baseine laikomi kelerius metus. Jeigu branduolinio kuro cikle yra perdirbimo fazė, tuomet panaudotas kuras, kuriame yra nemažai (~1%) dalių urano U-235 ir plutonio Pu-239, izotopų bei nedalaus urano U-238 ir kitų radioaktyvių elementų, gabenamas į perdirbimo gamyklą, kurioje cheminių reakcijų metu grandininei reakcijai tinkami cheminiai elementai išskiriami iš panaudoto branduolinio kuro.

Branduolinis kuras yra perdirbamas tose šalyse, kurių ekonominės galimybės leidžia palaikyti šią daug lėšų reikalaujančią bet kartu aplinkos taršą radionuklidais mažinančią procedūrą. Iš perdirbto panaudoto kuro išskirtas U-235 yra naudojamas regeneruoto RF kuro gamybai, o išskirtas plutonis – MOX kuro gamybai. Iš 7 panaudotų UO2 branduolinio kuro rinklių galima pagaminti vieną MOX kuro rinklę, o susidariusių radioaktyviųjų atliekų kiekiai ir laidojimo kaštai sumažėja iki 35% lyginant su tiesioginiu neperdirbto panaudoto branduolinio kuro laidojimu.

Paskutinė ir daug diskusijų kelianti branduolinio kuro ciklo dalis yra panaudoto branduolinio kuro ir radioaktyviųjų atliekų saugojimas ir laidojimas. Galimi 3 principiniai branduolinių reaktorių kuro tvarkymo metodai:

  • panaudotas branduolinis kuras saugomas (kartu su dalijimosi produktais, nepanaudotu uranu ir plutoniu), numatant vėliau jį laidoti visiškai neperdirbtą;
  • panaudotas branduolinis kuras perdirbamas, išskiriant iš jo uraną, o atliekos, kuriuose lieka plutonis ir dalijimosi produktai, saugomos ir laidojamos;
  • panaudotas branduolinis kuras perdirbamas, išskiriant iš jo uraną ir plutonį, o atliekos, kuriuose lieka dalijimosi produktai, saugomos ir laidojamos.

Daugiausiai lėšų reikalauja didelio aktyvumo atliekų izoliavimas nuo aplinkos. Tam gali būti panaudojami paviršiniai atliekynai ir geologinės saugyklos, kuriose atliekos laidojamos laikantis pagrindinių tarptautiniu mastu pripažintų radioaktyviųjų atliekų tvarkymo principų ir pažangiausių laidojimo metodų.

Kartais prieš talpinant radioaktyviąsias atliekas į atliekynus atliekamas pažangusis radioaktyviųjų atliekų perdirbimas, kurio metu neutronų ar protonų srautas nukreipiamas į panaudotą branduolinį kurą. Taip pavojingiausi ilgaamžiai radionuklidai virsta trumpaamžiais. Šis metodas vadinamas radionuklidų transmutacija. Transmutacijos metu dešimtys kartų sumažinamas radioaktyviųjų atliekų aktyvumas, o radioaktyviųjų atliekų suskilimo periodas iki natūralaus gamtinio fono sutrumpėja nuo dešimčių tūkstančių metų iki kelių šimtų metų.