nuklearno gorivo

nuklearno gorivo, fisibilan materijal, tvar koja podliježe kontroliranoj lančanoj fisijskoj reakciji (→ fisija) uz oslobađanje golemih količina energije (→ nuklearna energija) iskoristivih u tehn. svrhe (→ nuklearna elektrana). Uranij je jedini kem. 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 lančanu fisijsku reakciju, u kojoj se sudarom s neutronom, uz emisiju novih neutrona, raspada u dva dijela, npr.

²³⁵U + n → ²³⁶U → ¹⁴⁰Ba + ⁹⁴Kr + 2n

                → ¹³⁹Ba + ⁹⁴Kr + 3n

                → 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). (→ nuklearni reaktor)

Uranij je na Zemlji vrlo raširen kem. element, no pojavljuje se u malim koncentracijama, pa su troškovi njegova izdvajanja iz ruda vrlo veliki (→ uranij). Rezervama uranija nazivaju se utvrđene količine uranija (zalihe) kojima je cijena izdvajanja do 80 USD/kg. Rezerve uranija u siječnju 2003. iznosile su približno 2,46 mil. tona (od toga Australija 28%, Kazahstan 16%, Kanada 14%, Južnoafrička Republika 9%, Namibija 6%, Rusija 5%, SAD i Niger po 4%). Godišnja proizvodnja uranija u posljednjih se nekoliko godina ustalila na približno 36 tis. tona. To ne zadovoljava godišnje potrebe (67 tis. tona), pa se manjak nadoknađuje iz civilnih i voj. zaliha te preradbom istrošenoga goriva.

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 mehan. 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 se gorivo stavlja 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 geol. formacije prihvaćeno je kao tehnologija kojom se može dugoročno riješiti problem visokoradioaktivnog otpada. (→ radioaktivni otpad)

Proizvodnja uranija