Palivový cyklus

Životný cyklus jadrového paliva sa začína ťažbou uránovej rudy a následnou extrakciou uránu. V prípade potreby sa urán následne obohatí a použije na výrobu jadrového paliva. Hotové palivové súbory sa zavezú do reaktora, kde približne štyri roky uvoľňujú energiu prostredníctvom štiepnej reakcie. Po vybratí z reaktora sa vyhoreté palivo buď skladuje v medzisklade, alebo sa prepracováva, aby sa z neho získal urán a plutónium na výrobu nového paliva. Takýto spôsob nakladania s palivom sa označuje ako uzavretý palivový cyklus. Ak sa vyhoreté palivo neprepracováva, hovorí sa – hoci nie celkom presne – o otvorenom palivovom cykle.

Ťažba a výroba paliva

Vyťažená uránová ruda sa spracúva na uránový koncentrát (yellowcake), ktorý sa následne chemicky upraví na hexafluorid uránu UF₆. Ten sa v zariadení na obohacovanie upravuje tak, aby sa obsah izotopu ²³⁵U zvýšil na približne 3 až 5 %, čo je potrebné na výrobu jadrového paliva.

Obohatený oxid uraničitý vo forme prášku sa lisuje do palivových tabliet. Tie sa ukladajú do tenkostennej rúrky zo zirkóniovej zliatiny, ktorá tvorí pokrytie palivového prútika. Z palivových prútikov sa následne zostavujú palivové súbory, ktoré sa zavážajú do aktívnej zóny jadrového reaktora, kde počas prevádzky prebieha štiepna reťazová reakcia.

 

Jadrový reaktor

Palivo zostáva v reaktore priemerne štyri roky. V reaktoroch PWR sa každý rok vymieňa približne štvrtina palivových súborov. Zostávajúce súbory sa po výmene premiestnia na iné miesta v aktívnej zóne, aby sa palivo využívalo čo najrovnomernejšie a znížilo sa tepelné aj neutrónové namáhanie.

 

Vedeli ste, že...?

V jednom jadrovom reaktore s elektrickým výkonom 1 000 MW sa nachádza približne 75 ton jadrového paliva. Po jeho prepracovaní zostáva približne 5 ton vitrifikovaného odpadu.

 

Vyhoreté palivo

Po vybratí z reaktora sa palivo označuje ako vyhoreté palivo. Často používaný výraz vyhorené palivo nie je celkom presný, pretože palivo stále obsahuje určité množstvo uránu a plutónia, ktoré možno opätovne využiť. V množivých reaktoroch vzniká počas prevádzky dokonca viac štiepiteľného materiálu, než koľko ho bolo v pôvodnom palive. Izotop ²³⁸U totiž zachytáva neutróny a premieňa sa na štiepiteľné plutónium.

 

Medziskladovanie

Bezprostredne po vybratí z reaktora je vyhoreté palivo vysoko rádioaktívne a zároveň produkuje značné množstvo zvyškového tepla spôsobeného rádioaktívnym rozpadom. Preto sa najskôr ukladá do bazéna pri reaktore, kde sa chladí a zároveň tieni vodou. Po približne 3 až 4 rokoch jeho rádioaktivita výrazne poklesne a palivo možno premiestniť do suchého medziskladu alebo odoslať na prepracovanie.

 

Prepracovanie

Prepracovanie vyhoretého jadrového paliva prináša viacero výhod. Hlavnou z nich je možnosť získať z paliva približne o 25 % viac energie. Zároveň sa množstvo vysoko rádioaktívneho odpadu zníži približne o 80 %. Pri prepracovaní sa z vyhoretého paliva oddeľuje urán a plutónium. Plutónium sa následne využíva na výrobu paliva typu MOX, zatiaľ čo urán sa po opätovnom obohatení zmieša s prírodným uránom a použije sa na výrobu nového uránového paliva.

 

Uzavretý a otvorený palivový cyklus

Ak sa vyhoreté palivo prepracováva, hovoríme o uzavretom palivovom cykle. Palivo môže prejsť viacerými cyklami prepracovania. Plutónium možno opätovne využiť približne dvakrát, pretože pri ďalšom ožarovaní sa jeho izotopové zloženie postupne stáva menej vhodným na výrobu nového paliva. Urán možno recyklovať viackrát.

Ak sa vyhoreté palivo iba skladuje v medzisklade a ďalej sa neprepracováva, označuje sa tento spôsob – nie celkom presne – ako otvorený palivový cyklus.

Vyhoreté palivo môže byť v budúcnosti využívané aj v nových technológiách na získavanie ďalšej energie prostredníctvom transmutácie.

 

Vedeli ste, že...?

Jadrové elektrárne na celom svete doteraz vyprodukovali približne 290 000 ton vyhoretého paliva, z ktorých bolo približne 90 000 ton prepracovaných.

 

Konečné uloženie

Vysoko rádioaktívny odpad, či už vo forme vyhoretého paliva alebo koncentrovaného odpadu z prepracovania, musí byť na veľmi dlhý čas bezpečne izolovaný od životného prostredia. Na tento účel sa budujú hlbinné geologické úložiská, v ktorých bude odpad bezpečne uložený počas desiatok až stoviek tisíc rokov.

Vo väčšine krajín sa však trvalé ukladanie vyhoretého paliva do hlbinných geologických úložísk zatiaľ ešte nezačalo. Dôvodom je relatívne malé množstvo doteraz vzniknutého vyhoretého paliva a zároveň pokračujúci vývoj nových technológií jeho spracovania. Jednou z perspektívnych možností je technológia ADTT (Accelerator Driven Transmutation Technology), ktorá by mohla výrazne znížiť množstvo vznikajúceho rádioaktívneho odpadu alebo ho premeniť na izotopy s podstatne kratšími polčasmi rozpadu, ktoré nevyžadujú dlhodobé ukladanie.