 |
||||
|
Jak widać, etapy cyklu są ze sobą powiązane, co zostanie omówione wraz z poszczególnymi etapami cyklu. Wydobycie (Minning) Ruda uranowa to zwykle minerał
zwany uranitem, choć wydobywa się tez kofinit i branerit. Zawartość
uranu w zlokalizowanym różnymi metodami (geologicznym, radiometrycznymi)
złożu jest bardzo różna, jednak złoża uznawane za opłacalne do
eksploatacji zawierają zwykle od 0.03% do 10% (chociaż większość
zawiera uranu mniej niż 1%) Wydobycie uranu może się odbywać
kilkoma metodami, można je podzielić na dwie grupy: wydobycie w
kopalniach (odkrywkowych bądź podziemnych) oraz in situ leach i
by-product. Kopalnie odkrywkowe stosuje się w miejscach, przede
wszystkim tam złoże nie sięga głębiej niz 40 metrów pod ziemię,
ponadto pożądane jest aby złoże było zwarte (nie było w postaci żył).
Kopalnie podziemne są używane w przypadku głębokich złóż.
Wstępna obróbka (Milling) i konwersja (Conversion) W tych dwóch etapach surowa ruda uranowa jest poddawana obróbce, aby otrzymać substancję gotową do wzbogacenia, zawierającą już tylko czysty uran (238 i 235, ale nie tyle aby można użyć go jako paliwa). Należy mieć świadomość, że świeżo wydobyta ruda zawiera jedynie 0.1 - 1% uranu (i to głównie 238), jest to więc substancja zupełnie nie użyteczna do celów przemysłowych - daje to też wyobrażenie ile rudy należy przerobić aby otrzymać 1kg czystego uranu. Proces ekstrakcji uranu z rudy jest następujący: najpierw materiał jest jest rozkruszany na drobny pył przez specjalne maszyny aby uwolnić drobiny uranitu, następnie przy pomocy silnych kwasów bądź alkalików rozpuszcza sie drobiny minerału uranowego i tworzy się w ten sposób zawiesina. Z zawiesiny tej za pomocą różnych metod (najczęściej tzw. wymiany jonowej) uzyskuje się koncentrat zawierający już uran a nie minerał go zawierający. Ostatnim etapem tego skomplikowanego fizyko-chemicznego procesu jest filtracja i odwodnienie. Tak powstałą substancję, ze względu na jej kolor i konsystencje nazywa się "yellow cake". Szczegóły całej procedury może czytelnik znaleźć tutaj. "Yellow cake" jest jednakże jedynie półproduktem, nie może być użyty jako paliwo uranowe choć zawiera już 60% czystego uranu. Dlatego następnym krokiem do wyprodukowania użytecznego paliwa jądrowego jest konwersja. Polega ona na związaniu uranu zawartego w półprodukcie w dwutlenek uranu bądź sześciofluorek uranu (w zależności od przyszłego zastosowania). Uran w takiej postaci jest już gotowy aby zostać poddanym wzbogaceniu. Wzbogacanie (Enrichment) i produkcja paliwa reaktorowego (Fuel fabrication) Jak wspomniano we wstępie najbardziej popularne stężenie uranu 235 w paliwie jądrowym wynosi 3.5-4.5%. Aby tego dokonać najpierw należy usunąć znaczną część U-238 (dla stężenia 3.5% ok. 80% U-238). Istnieją dwa główne sposoby wzbogacania uranu na skalę przemysłową i oba używają sześciofluorku uranu: dyfuzyjna i wirówkowa. Produktem tego procesu jest wzbogacony sześciofluorek uranu, który jest konwertowany aby otrzymać dwutlenek uranu. Paliwo jądrowe ma zwykle postać ceramicznych kulek, które są utworzone z (najczęściej) dwutlenku uranu sprasowanego pod wysokim ciśnieniem i temperaturą (pow. 1400 C). Kulki te następnie są umieszczane w metalowych tubach, które z kolei są głównym elementem prętów paliwowych. Wytwarzanie energii (Power generation) i zużyte paliwo (Spent fuel ) Zaaplikowane do rdzenia
reaktora paliwo w postaci prętów powodują,
zgodnie z tym co napisane zostało w części o procesach fizycznych
samopodtrzymującą reakcję jądrową wytwarzającą olbrzymie ilości
energii, która w większości działających reaktorów jest zamieniana
za pomocą parowych turbin na energię elektryczną . W tym miejscu można
się pokusić o porównanie - zużycie jednej tony wzbogaconego uranu daje
tle energii co spalenie 16 000 ton węgla lub 80 000 baryłek ropy, co
daje astronomiczną liczbę 40 milionów kilowatogodzin. Rysunek
poniżej [a] przedstawia generator prądu zasilany przez turbinę
(niewidoczną na zdjęciu), w
Składowanie zużytego paliwa i recykling (Spent fuel storage, Reprocessing) Zużyte paliwo
reaktorowe emituje promieniowanie-głównie pochodzące od fragmentów
rozczepienia oraz znaczne ilości ciepła. Pierwszym etapem jest
umieszczenie takiego paliwa w przechowalni umieszczonej w bezpośrednim sąsiedztwie
reaktora, aby oba typy promieniowania osłabły. Są to najczęściej
baseny wypełnione wodą (na przykład w reaktorze "Maria"),
która skutecznie tłumi promieniowanie radioaktywne i absorbuje ciepło.
W takim basenie zużyte paliwo musi przebywać co najmniej 5-6 miesięcy.
Po tym okresie paliwo to jest albo przewożone w celu recyklingu
(odzyskania nie zużytego uranu 235), albo do miejsca składowania odpadów.
W krajach posiadających wiele elektrowni jądrowych od wielu lat, powoli
staje się to problemem, powstają nawet specjalne placówki składowania i
ciągłego monitorowania złożonych odpadów, jak choćby ten widoczny na
zdjęciu poniżej [a] zakład
Odpady znajdujące się w środku (będące w stanie równowagi termodynamicznej i chemicznej) są otoczone pojemnikiem z odpowiednio wytrzymałego materiału, który jest otoczony dwiema warstwami: silnie i słabo przepuszczającymi. Całość jest umieszczona w rejonie stabilnym geologicznie. Dwa poniższe zdjęcia pokazują realizacje tych kryteriów: po lewej pojemnik, po prawej umieszczanie pojemnika na miejscu składowania [a].
Inaczej rzecz ma się w przypadku wspominanego już reaktora typu CANDU. Zdjęcie poniżej z lewej ukazuje maszynę służącą do wymiany prętów reaktora tego właśnie typu [a]. Nowe elementy paliwowe są wpuszczane do reaktora horyzontalnie (co jest unikatowe i charakterystyczne dla CANDU), natomiast zużyte elementy są wypychane do strefy składowania odpadów. Pręt paliwowy można zobaczyć na rysunku poniżej z prawej [a] - jest to nie tyle pręt, co raczej długi na około 0.5m zespół składający się z indywidualnych prętów. Obudowa jest zrobiona z wytrzymałego, mającego mały przekrój na chwytanie neutronów materiału zwanego zircaloy, wewnątrz znajdują się elementy paliwowe wykonane z dwutlenku uranu.
© Krzysztof Zberecki
|
Jak
zostało powiedziane wcześniej, do zajścia reakcji jądrowej potrzebna
jest odpowiedni ilość izotopu uranu 235. Naturalny uran zawiera nie
więcej niż 0.7% U-235, podczas gdy w paliwie jego zawartość musi się zawierać
w przedziale 3.5-4.5% w nowoczesnych reaktorach, kilkanaście do
kilkudziesięciu w starszych typach; gdy zawartość izotopu 235
przekracza 40% uran taki jest traktowany jak materiał wojskowy i obrót
nim jest ściśle kontrolowany. Ponadto uran w postaci
pierwiastkowej (metal) nie jest najlepszy do celów przemysłowych,
dlatego też do produkcji paliwa używany jest raczej w postaci związanej
z innymi pierwiastkami (najczęściej jako tlenek). Widać więc, że uran
musi przebyć długą drogę zanim z rudy uzyska się pełnowartościowe
paliwo jądrowe. Właśnie o tym traktuje część poświęcona tzw. cyklowi
paliwowemu.
Zdjęcie obok przedstawia
nie wydobytą jeszcze rudę uranu w podziemnej kopalni - tak wygląda złoże w 
typowej
elektrowni jądrowej. Wykorzystane paliwo jądrowe składa się w 95% z
izotopu 238, ale zawiera również U-235, który nie uległ rozpadowi
podczas reakcji lecz w ilości mniejszej niż w typowym paliwie.
Takie zużyte paliwo podlega dalej procesom opisanym w następnym ogniwie
cyklu.
firmy
Ontario
Hydro położony w sąsiedztwie elektrowni w Toronto. Z tych powodów
tematowi temu zostanie poświecone nieco więcej uwagi. W zakładach zajmującym się recyklingiem zużyte paliwo dzieli się na
trzy frakcje: uran, pluton i odpady, które nadają się już tylko do składowania
(o czym dalej). Następnie otrzymany uran (który zawiera więcej U-235 niż
naturalny) może zostać wykorzystany jako paliwo po konwersji i ponownym
wzbogaceniu (co widać na 
można zobaczyć pręt paliwowy [a] używany w
reaktorze typu 
