nuklearno gorivo

nuklearno gorivo, tvar koja se upotrebljava u fisijskim nuklearnim reaktorima kao izvor nuklearne energije u nuklearnim elektranama. Uranij je jedini kemijski element u prirodi u kojem se pod određenim uvjetima može zbivati kontrolirana lančana fisijska reakcija. Prirodni uranij smjesa je izotopa ²³⁴U (0,006%), ²³⁵U (0,711%) i ²³⁸U (99,283%), od kojih je samo izotop ²³⁵U fisibilan, tj. može se izravno iskoristiti za fisijsku lančanu reakciju, u kojoj se sudarom s neutronom, uz emisiju novih neutrona, raspada u dva dijela, npr.

²³⁵U + n → ²³⁶U → ¹⁴⁰Ba + ⁹⁴Kr + 2n,

²³⁵U + n → ¹³⁹Ba + ⁹⁴Kr + 3n,

²³⁵U + n → ¹³⁷Cs + ⁹⁶Rb + 3n.

Osim izotopa ²³⁵U, fisibilni su i plutonijevi izotopi ²³⁹Pu i ²⁴¹Pu te uranijev izotop ²³³U. Njih u prirodi nema, ali se mogu proizvesti u nuklearnom reaktoru nuklearnim reakcijama uhvata neutrona, i to plutonijevi izotopi od uranijeva izotopa ²³⁸U, a izotop ²³³U od torijeva izotopa ²³²Th (konverzija nefisibilnoga materijala u fisibilni). Zbog vrlo malog udjela fisibilnog izotopa ²³⁵U otežano je održavanje lančane reakcije pa je potrebno povećati njegov udjel u gorivu. Taj se postupak naziva obogaćivanje uranija, a dobiveno se gorivo naziva obogaćenim gorivom. Uranij se najčešće obogaćuje difuzijskim i centrifugalnim postupcima. Kao gorivo većine energetskih nuklearnih reaktora rabi se prirodno ili slabo obogaćeno uranijsko gorivo (do 5% izotopa ²³⁵U).

Uranij je na Zemlji vrlo raširen kemijski element, no pojavljuje se u malim koncentracijama, pa su troškovi njegova izdvajanja iz ruda vrlo veliki.

Nuklearno gorivo najčešće se proizvodi u obliku metalnog uranija i uranijeva dioksida (UO₂). Metalni uranij služi kao gorivo za istraživačke i neke energetske reaktore, a u načelu se može rabiti za reaktore u kojima temperatura goriva ne prelazi 660 °C. Naime, na toj se temperaturi, zbog faznoga prijelaza, mijenjaju njegova fizikalna svojstva, što nepovoljno utječe na pouzdanost i sigurnost rada reaktora. U većini energetskih reaktora gorivo je uranijev dioksid. Njegove su prednosti nepromjenljivost faza sve do tališta na vrlo visokoj temperaturi (2860 °C), otpornost na neutronsko zračenje te otpornost prema koroziji u dodiru s vrućom vodom, odn. s vodenom parom.

Priprema nuklearnoga goriva za primjenu u energetskim reaktorima uključuje izradbu tableta, koje se stavljaju u metalnu cijev od cirkonijeve slitine ili nehrđajućega čelika, čime se dobije gorivni štap. Gorivni se štapovi slažu u gorivni element, čvrstu mehaničku konstrukciju kvadratna ili heksagonalna oblika, a gorivni se elementi ulažu u reaktorsku posudu tako da tvore cilindričnu strukturu (reaktorska jezgra).

U fisijskoj reakciji nuklearno se gorivo troši; kada se količina fisibilnih nuklida u gorivu toliko smanji da se lančana reakcija više ne može održati, istrošeno nuklearno gorivo ili jedan njegov dio treba zamijeniti svježim.

Istrošeno gorivo je nuklearno gorivo koje ne može ekonomično održavati lančanu reakciju i u kojem su se nagomilali produkti raspada. Stavlja se u duboki bazen, u kojem debeli sloj vode osigurava hlađenje goriva i zaštitu od radioaktivnosti. Istrošeno gorivo još uvijek sadrži malu količinu fisibilnih nuklida, koji se preradbom goriva mogu izdvojiti i koristiti za pripremu novoga nuklearnoga goriva. Takav način korištenja nuklearnoga goriva naziva se zatvorenim gorivnim ciklusom. Alternativni je način otvoreni gorivni ciklus, u kojem se istrošeno gorivo ne prerađuje, nego se tretira kao visokoradioaktivni otpad. Zbog visoke cijene preradbe i relativno niske cijene uranija sve veći broj zemalja primjenjuje otvoreni gorivni ciklus.

Visokoradioaktivni otpad dobiven preradbom istrošenoga goriva potencijalna je opasnost za stanovništvo i okoliš za razdoblje od više tisuća godina pa ga valja trajno spremiti na siguran način. Odlaganje u stabilne geološke formacije prihvaćeno je kao tehnologija kojom se može dugoročno riješiti problem visokoradioaktivnog otpada. (→ radioaktivni otpad)

Proizvodnja uranija