Jadrový palivový cyklus

Jadrový palivový cyklus je sériou činností a priemyselných procesov, ktoré sú spojené s využitím uránu ako paliva na výrobu elektriny z jeho štiepenia v jadrových elektrárňach.

Urán je relatívne bežný prvok – mierne rádioaktívny kov, ktorý sa nachádza v zemskej kôre. Je ho asi 500-krát viac ako zlata a približne toľko ako cínu. Je prítomný vo väčšine skál a v pôdach, ako aj v riekach a morskej vode.

Jadrový palivový cyklus sa dá rozdeliť do týchto etáp (kliknite na linky pod obrázkom pre zobrazenie detailu jednotlivých etáp):

Jadrový palivový cyklus

1. Ťažba a úprava uránovej rudy

Uránová ruda sa ťaží v hlbinných alebo povrchových baniach. Obsah uránu v rude je 0,1% až 3%. Najviac uránovej rudy sa ťaží v Kanade, Austrálii a Kazachstane. Drvením a následnou chemickou úpravou (lúhovaním) sa získava tzv. žltý koláč, ktorý obsahuje viac ako 80% uránu.

2. Konverzia a obohatenie

Zlúčeniny uránu obsiahnuté v žltom koláči sa konverziou menia do plynnej formy (hexafluorid uránu – UF6), ktorá je vhodnejšia pre obohacovanie štiepiteľným uránom 235. Urán, ktorý sa nachádza v prírodných zdrojoch, obsahuje najmä dva izotopy: U-238 a  U-235. Hlavným štiepiteľným izotopom je urán 235, ktorého je však v prírodnom uráne 238 len malé množstvo (priem. 0,7%), a preto treba jeho podiel v jadrovom palive zvýšiť až na takmer 5%. Komerčne najrozšírenejším procesom obohacovania je použitie centrifúg.

3. Výroba paliva

UF6 sa chemicky spracováva na prášok UO2 (oxid uraničitý) Ten sa lisuje a speká pri vysokej tepote (1400°C) do formy keramických tabliet, ktoré sú hermeticky zapuzdrené do rúrok zo zirkónovej ocele. Spolu 126 rúrok tvorí jednu palivovú kazetu. Na prevádzku jedného reaktora VVER-440 je ročne potrebných 7 až 9 ton uránového paliva. Čerstvé jadrové palivo nepredstavuje radiačné riziko, pretože je len veľmi slabým zdrojom žiarenia a aktivuje sa až v reaktore.

4. Využitie paliva v reaktore

Tepelná energia uvoľnená pri štiepení uránu v reaktore sa odvádza chladiacim médiom (vodou) a následne sa mení v turbogenerátore na elektrickú energiu. Palivo v reaktore musí byť vždy zaliate vodou, inak by sa mohlo prehriať a pri teplotách nad 1500°C sa začína taviť pokrytie paliva, pri teplotách nad 2500°C už aj samotné palivo. Časť U-238 v palive sa mení v reaktore na plutónium. Hlavný izotop plutónia je tiež štiepiteľný a prispieva asi jednou tretinou k celkovej energii uvoľnenej v reaktore.

5. Skladovanie vyhoretého paliva

Po 5 až 6 rokoch prevádzky v reaktore sa palivo presunie do bazénu vyhoreného paliva, ktorý je hneď vedľa reaktora. Tu sa vo vode dochladzuje a znižuje sa jeho aktivita. Voda je vynikajúcim tienením žiarenia a zároveň absorbuje zbytkové teplo, ktoré vyhorené palivo produkuje. Po 5 rokoch dochladzovania sa môže vyhorené palivo previezť do skladu vyhoretého paliva v Bohuniciach, kde sa skladuje v bazénoch s vodou. Tento sklad prevádzkuje štátna spoločnosť JAVYS, a.s., a skladuje sa v ňom všetko vyhoreté jadrové palivo, ktoré sa na Slovensku nachádza. Do budúcna sa počíta s rozšírením skladovacej kapacity skladu o sklad suchého typu (skladovanie v špeciálnych kontajneroch chladených len prirodzenou cirkuláciou vzduchu).

6. Prepracovanie paliva

Vyhorené palivo obsahuje asi 95% uránu, 1% plutónia a 4% vysoko rádioaktívnych štiepnych produktov, ktoré vznikli v reaktore. Palivo je možné recyklovať v prepracovateľských závodoch, kde sa separuje na tri zložky: urán, plutónium a vysokoaktívny odpad. Urán a plutónium sa môžu opätovne použiť pri výrobe čerstvého jadrového paliva, obsahujúceho zmes štiepiteľných izotopov U a Pu (tzv. palivo MOX).

Proces prepracovania je však veľmi finančne i energeticky náročný, preto je na svete len niekoľko prepracovateľských závodov. Vyhorené palivo zo slovenskýchjadrových elektrární sa zatiaľ neprepracováva, ale  v budúcnosti sa takáto možnosť nevylučuje.

7. Definitívne uloženie vyhoreného paliva

Celosvetovo akceptovaným definitívnym riešením pre bezpečné uloženie vyhoretého jadrového paliva je jeho uloženie v špeciálnych kontajneroch v hlbinnom geologickom úložisku. Pre výber vhodnej lokality pre vybudovanie hlbinného úložiska sa aplikujú prísne požiadavky na horninové prípadne sedimentačné prostredie. Hoci v súčasnosti nie je v prevádzke vo svete žiadne  hlbinné úložisko vyhoreného paliva, viaceré krajiny (napr. Fínsko, Švédsko, Švajčiarsko) vybudovali demonštračné prieskumné jednotky, na ktorých skúmajú a deklarujú bezpečnosť a realizovateľnosť takýchto projektov. Uvedenie prvého hlbinného úložiska do prevádzky sa očakáva okolo roku 2020 vo Fínsku.

Z pohľadu Slovenska túto problematiku nie je potrebné riešiť urgentne, pretože celkový objem vyhoreného paliva je pomerne malý a bez problémov sa dá bezpečne dlhodobo skladovať v sklade.  Slovenské elektrárne odvádzajú v zmysle platnej legislatívy finančné prostriedky určené na pokrytie budúcich nákladov spojených s nakladaním s vyhoretým jadrovým palivom, rádioaktívnymi odpadmi a vyraďovaním jadrových elektrární. Národný jadrový fond spravuje tieto prostriedky a zabezpečuje realizáciu úloh vyplývajúcich z vnútroštátneho programu záverečnej časti mierového využívania jadrovej energie v SR.V zmysle platného Vnútroštátneho programu záverečnej časti mierového využívania jadrovej energie aj u nás prebieha geologický prieskum lokalít vhodných pre výstavbu úložiska. Predpokladá sa, že finálne úložisko by mohlo byť k dispozícii okolo roku 2065.

Okrem toho sa skúmajú aj ďalšie možnosti využitia vyhoreného paliva pomocou nových technológií. Vyvíjajú sa nové typy reaktorov, tzv. rýchle množivé reaktory, ktoré budú v budúcnosti využívať vyhorené palivo z reaktorov, ktoré sú v prevádzke v súčasnosti. Toto sa javí ako optimálne riešenie zadnej časti jadrového palivového cyklu.