Palivový cyklus

V súčasnej dobe sa ako palivo v jadrových elektrárňach používa urán. Pre potreby jadrovej energetiky sa v prírode vyskytuje v dostatočnom množstve. Urán obsahuje dva hlavné izotopy urán 238 a urán 235. Použiteľné pre štiepnu reakciu sú však len jadrá atómov uránu 235. V prírodnom uráne sa tieto vyskytujú v množstve približne 0,7%. Väčšina reaktorov v súčasnosti používa mierne obohatený urán, t.j. taký v ktorom je podiel uránu 235 pomocou špeciálnej technológie zvýšený na 2 až 4%. Palivo sa v reaktore štiepi za vzniku väčšieho množstva rádioaktívnych štiepnych produktov. Niektoré z atómov uránu 238 sa jadrovými reakciami premieňajú na ťažšie rádioaktívne prvky. Najdôležitejší z nich je izotop plutónia 239, ktorý je štiepiteľný a je potenciálnym palivom. Časť atómov plutónia sa v reaktore štiepi a uvoľňuje energiu. V jadrovom reaktore, v ktorom sa používa ako palivo urán, vzniká až 1/3 uvoľnenej energie štiepením plutónia. Po vyhorení sa palivo z reaktora vyberá a umiestňuje do bazénu vyhoreného paliva, ktorý je naplnený roztokom kyseliny boritej (12g/kg vody). Vo vyhorenom palive ostáva ešte aj nespotrebovaný urán, plutónium a iné ťažké prvky. Po ochladení v bazéne sa vyhorené palivo môže prepracovať, čím sa získava nevyužitý urán a plutónium. Zložitý technologický proces zaobchádzania s jadrovým palivom sa nazýva palivový cyklus.

Palivový cyklus sa delí:

1.      Predná časť palivového cyklu

·        Ťažba a úprava uránovej rudy

·        Spracovanie rudy

·        Rafinácia, konverzia a obohacovanie uránu

·        Výroba paliva

2.      Použitie paliva v jadrových elektrárňach

3.      Zadná časť palivového cyklu

·        Dočasné skladovanie vyhoreného paliva

·        Prepracovanie vyhoreného paliva

·        Definitívne uloženie vyhoreného paliva

Predná časť palivového cyklu.

Ťažba a úprava uránovej rudy

obrázok uránovej rudy                                   

                

Uránová ruda sa ťaží v baniach. Obsah uránu v nej je od niekoľkých   stotín percenta do 3%. Pri ťažbe vzniká veľké množstvo hlušiny, ktorá sa používa na vyplnenie vyťažených priestorov v bani. V posledných rokoch sa začali využívať hydrometalurgické postupy, pri ktorých je ruda vylúhovaná vhodnými roztokmi priamo v lokalite. Pri tomto spôsobe ťažby hlušina nevzniká. Pozornosť sa musí venovať chemickým zmenám v horninách a jej dôsledkom na zloženie spodných a povrchových vôd.

 

 

 

 

 

Spracovanie rudy

Obr.žltý koláč

Cieľom úpravy a spracovania rudy je získanie uránového koncentrátu (tzv. žltého koláča) s obsahom uránu aspoň 65%. Základnými operáciami  sú drvenie a mletie rudy na jemný prášok, lúhovanie, prepieranie, extrakcia, zrážanie a sušenie žltého koláča. Pri týchto  operáciách vzniká rádioaktívny odpad obsahujúci prirodzené rádionuklidy, ktorý sa ukladá v odpadových nádržiach v blízkosti úpravovní.

 

 

 

 

Rafinácia, konverzia a obohacovanie uránu

Procesy rafinácie a konverzie sú nutné na premenu uránových zlúčenín obsiahnutých v žltom koláči na prchavý hexafluorid uránu. Najpoužívanejší spôsob obohacovania je difúzia. Pre mimoriadnu energetickú náročnosť obohatenie vykonávajú len priemyselne najvyspelejšie štáty.

Výroba paliva

Obr: sklad čerstvého paliva

Obohatený hexafluorid uránu sa mení na oxid uraničitý, ktorý sa špeciálne upravuje  a lisuje do tabliet s priemerom 9,1 mm a dĺžkou asi 15 mm. Tablety sa hermeticky uzatvárajú do rúrok zo špeciálnej zliatiny zirkónia a tvoria palivový prútik. Rúrky sú odolné voči chladivu a tvoria bariéru, zadržujúcu štiepne produkty. Palivové prútiky sa po zvarení testujú na tesnosť. Zväzok palivových prútikov tvorí palivovú kazetu.

 

 

 

 

 

 

Využitie paliva v reaktore

Teplo vznikajúce pri štiepení odvádza chladiace médium- voda, pričom sa palivo vyhorením po stránke konštrukčnej a štrukturálnej takmer nemení. V priebehu vyhorievania dochádza k týmto izotopickým zmenám:

·         ubúda pôvodný štiepny materiál urán 235

·         z uránu 235 vznikajú nové štiepne izotopy (plutónium 239 a 241), ktoré sa podieľajú na uvoľňovaní energie

·         vznikajú produkty štiepenia (strusky), s rôznym polčasom rozpadu, vyznačujúce sa silnou absorpciou neutrónov

Po určitej dobe, ktorá je z hľadiska fyzikálneho a ekonomického optimálna, sa palivo z reaktora vyberie.

 

Zadná časť palivového cyklu

Dočasné skladovanie vyhoreného paliva

Bazén vyhoreného paliva

Po odstavení, vychladení a otvorení reaktora sa špeciálnym zariadením z reaktora premiestňujú palivové články do skladovacieho bazéna. Všetky manipulácie s vyhoreným palivom sa musia robiť pod 3 až 6 m vrstvou vody. Vyhorené palivo je zdrojom veľkej rádioaktivity a tepla. Vyhorené palivové články musia byť pri transporte i počas skladovania trvalo v chladiacom a tieniacom prostredí- vo vode. Bazén vyhoreného paliva je spojený so šachtou reaktora cez transportný kanál. V bazéne sú rošty, do ktorých sa ukladajú vyhorené palivové kazety na dobu min. 3 roky. Chladiace zariadenia udržiavajú teplotu vody v bazéne medzi 40 až 50 stupňami celzia. Požadovanú úroveň aktivity vody v bazéne udržiava čistička vody. Voda sa čistí mechanickým, katiónovým a aniónovým filtrom. Takto upravená voda sa vracia späť do bazéna. Po uplynutí potrebnej doby skladovania v bazéne pri reaktore sa vyhorené palivo preváža do medziskladu.

Medzisklad

Medzisklad vyhoreného paliva sa nachádza mimo budovy reaktora. Slúži na dlhodobé skladovanie paliva pri otvorenom palivovom cykle na obdobie do 50 rokov a pri zatvorenom palivovom cykle 3 až 10 rokov. V mokrých medziskladoch sa palivové články skladajú v bazénoch naplnených vodou v roštoch, resp. v skladovacích puzdrách transportných kontajnerov. V suchých medziskladoch sa palivové články ukladajú do oceľových alebo betónových kontajnerov chladených vzduchom. Hlavnými časťami medziskladu vyhoreného paliva sú: transportný koridor s prijímacím zariadením, dekontaminačné zariadenia, zariadenia pre transport, skladovacie zariadenia. Vyhorené palivo sa z bazénov pri reaktoroch preváža v transportných kontajneroch. Veľkosť kontajnerov, a tým aj množstvo prevážaného paliva, je určená dopravným prostriedkom. Vyhorené palivo sa prepravuje v súlade s predpismi vydanými Medzinárodnou agentúrou pre atómovú energiu.

Preprava paliva

Obr: prepravník vyhoreného paliva

Palivový cyklus kladie vysoké nároky na prepravu, vždy sa dotýka širokej verejnosti. Bezpečná preprava rádioaktívnych látok vyžaduje splnenie troch základných požiadaviek: (1) zodpovedajúca izolácia a tienenie od životného prostredia, (2) bezpečný odvod tepla, a (3) zabránenie vzniku štiepnej reakcie. Nároky na prepravu nie sú v celom palivovom cykle rovnaké. Pokiaľ sa palivo nedostane do jadrovej elektrárne, nepredstavuje doprava vážne radiačné riziko. Čerstvé palivové články sa prepravujú v puzdrách zo špeciálneho materiálu. Manipulácia a doprava vyhoreného paliva sa realizuje v kontajneroch, ktoré z dopravného hľadiska predstavujú najnáročnejšiu obalovú techniku. Vlastnosti kontajnera sa overujú skúškami v skúšobnom zariadení.

 

 

 

 

Prepracovanie vyhoreného paliva

Cieľom prepracovania vyhoreného paliva je získať nespotrebovaný urán a pri štiepnom procese vznikajúce plutónium a ďalšie rádioizotopy. Prepracovaním vzniká malé množstvo rádioaktívnych odpadov, ktoré je treba, rovnako ako vyhorené palivo, bezpečne a trvale uložiť. Plutónium môže nahradiť časť uránu 235 pre obohatenie nového paliva pre využitie v bežných tlakovodných reaktoroch. Prepracovanie vyhoreného paliva, rovnako ako obohacovanie uránu, môžu pre vysokú energetickú náročnosť vykonávať len ekonomicky silné štáty, pretože ide o zložitý a veľmi nákladný proces. Kovový odpad z pokritia palivových prútikov sa spracuje ako stredne aktívny odpad. Štiepne produkty sa roztavia na sklovinu. Z 1 tony vyhoreného paliva vznikne len približne 115 litrov vysokoaktívneho odpadu. Na spôsob likvidácie vysokoaktívnych odpadov, vo forme sklených blokov po prepracovaní alebo priamo vyhoreného paliva, majú odborníci rovnaký názor. Budú sa ukladať v odolných kontajneroch do vhodných geologických formácií niekoľko stoviek metrov pod povrchom zeme. Špeciálne tímy odborníkov sa zaoberajú aj metódami zrýchľovania rozpadu aktívnych prvkov pomocou výkonných urýchľovačov.

Definitívne uloženie vysokoakívnych odpadov a vyhoreného paliva

Vysokoaktívne odpady, ktoré zostanú po prepracovaní vyhoreného jadrového paliva, alebo samotné vyhorené palivo, sa trvale zneškodnia uložením hlaboko pod zem. Doteraz je to najbezpečnejší spôsob, ako zabrániť preniknutiu rádionuklidov do životného prostredia. Hlbinné úložiská sa už vo svete budujú. Vybudovanie trvalých úložísk vysokoaktívneho odpadu, reso. vyhoreného paliva a ich uvedenie do prevádzky sa v mnohých krajinách sveta, vrátane Slovenska, predpokladá v rokoch 2020 až 2030. V prípade uzatvoreného palivového cyklu sa vyhorené palivo prepracuje, štiepiteľné materiály urán a plutónium sa znovu využívajú pre výrobu paliva a štiepne produkty sa upravujú do formy vhodnej pre trvalé uloženie. Pri otvorenom palivovom cykle sa po medziskladovaní predpokladá uloženie vyhoreného paliva, po vhodnej úprave, do trvalého úložiska.