Proces produkcji paliwa jądrowego

Wydobycie i wstępna obróbka rudy uranu

Wydobycie rudy uranu jest procesem żmudnym i kosztownym. W zależności od głębokości zalegania złoża oraz jego rodzaju wydobycie rudy uranowej prowadzone jest następującymi metodami: a) podziemną (głębinową) – jak w typowej kopalni węgla kamiennego, b) odkrywkową – jak w kopalni węgla brunatnego, c) otworową (ang. In Situ Leaching) – polegającą na ługowaniu podziemnego złoża roztworami zasad i kwasów, a po upłynnieniu rudy wypompowaniu jej na powierzchnię. W 1990 roku 55% wyprodukowanego uranu pochodziła z kopalni podziemnych, lecz metoda ta powoli zastępowana jest przez technologię otworową. 10 największych kopalni rudy uranu na świecie przedstawiono w poniższej tabeli.

Ruda uranowa jest najpierw kruszona i mielona w procesach mechanicznych oraz przerabiana i oczyszczana roztworami chemicznymi na bazie kwasu siarkowego, amoniaku, tlenku magnezowego i sody. Następnie ruda jest płukana, filtrowana i spiekana. Stały koncentrat U₃O₈, zwany „yellow cake” (dosłownie „żółte ciasto”), zawiera około 75% uranu. Koncentrat w tej postaci jest wysyłany z kopalni do zakładu konwersji, w którym poddawany jest kolejnym procesom przerobu chemicznego.

Konwersja uranu

W stadium „yellow cake” uran jeszcze nie nadaje się na paliwo do reaktora jądrowego. Następnym etapem jest proces zwiększenia udziału procentowego rozszczepialnego izotopu uranu-235. Wzbogacenie pierwiastka w ten izotop rozpoczyna się od konwersji U₃O₈ we fluorek uranu UF₆. Zastosowanie fluoru w procesie wzbogacania wynika z jego właściwości fizycznych i chemicznych, do których należy bardzo duża aktywność pierwiastka (dzięki czemu z łatwością łączy się z atomami innych pierwiastków) oraz fakt, że w przyrodzie występuje tylko jeden izotop fluoru, w związku z czym różnica mas poszczególnych cząsteczek UF₆ wynika z różnicy mas izotopów uranu (uranu-235 i uranu-238), a nie różnicy mas izotopów fluoru. Ponadto fluorek uranu występuje w formie gazowej już przy temperaturze około 60 °C, co umożliwia odseparowanie poszczególnych cząsteczek dzięki różnicy mas. Proces konwersji U₃O₈ rozpoczyna się od usunięcia śladów boru i kadmu poprzez rozpuszczenie w kwasie azotowym i mieszaniu roztworu w kolumnie, której wysokość wynosi kilkadziesiąt metrów. Następnie roztwór azotanu uranylu przekształca się w proszek UO₂ poprzez ogrzanie do temperatury ponad 300 °C i wtrysk amoniaku w postaci gazowej. Dalej uran przechodzi przez dwa etapy fluorowania kwasem fluorowym, w wyniku czego najpierw otrzymywany jest UF₄, a następnie UF₆. Stały UF₆ jest białym, gęstym, krystalicznym materiałem, przypominającym sól kamienną (patrz rysunek poniżej). Schemat opisanych procesów technologicznych przedstawiono poniżej.

Otrzymany produkt UF₆ w temperaturze otoczenia znajduje się w fazie stałej, a w temperaturze 56,4 °C sublimuje do postaci gazowej. Z uwagi na jego silne własności korozyjne jest przechowywany i transportowany w specjalnie certyfikowanych, stalowych pojemnikach, widocznych na zdjęciu poniżej.

Czysty UO₂ otrzymywany w trakcie konwersji U₃O₈ do UF₄ wykorzystywany jest do produkcji paliwa dla reaktorów pracujących na uranie naturalnym, np. CANDU.

Wzbogacanie uranu

Kolejnym krokiem przygotowania paliwa jest zwiększenie ilości izotopu uranu-235. Z historycznego punktu widzenia pierwszą metodą rozdzielenia izotopów, stosowaną na dużą skalę, była metoda elektromagnetyczna. Wykorzystuje ona zasadę działania spektrometru masowego, w którym zjonizowane atomy uranu są przyspieszane pod wpływem pola elektrycznego, a następnie wprowadzane w obszar oddziaływania magnetycznego i tam, w zależności od ich masy, zataczają tory o mniejszej lub większej krzywiźnie, a następnie poszczególne cięższe i lżejsze cząsteczki zbierane są w rozdzielonych przestrzennie miejscach.

Najbardziej rozpowszechnionymi metodami wzbogacania stosowanymi na świecie na skalę przemysłową są: metoda dyfuzji gazowej oraz metoda wirówkowa gazowa.

Metoda dyfuzyjna

W metodzie dyfuzji gazowej wykorzystuje się zależność szybkości przechodzenia gazów przez porowate membrany od ich mas cząsteczkowych. A więc metoda ta polega na przepuszczaniu gazu pod ciśnieniem przez odpowiednie porowate przegrody, patrz rysunek poniżej. Otwory membran, przez które przetłaczany jest UF₆ są na tyle małe, że cząsteczki z trudem przedostają się na drugą stronę. Można powiedzieć, że cząsteczki te są „przepychane” przez otwory przez kolejne napływające pod ciśnieniem cząsteczki. W związku z różnicą mas cząsteczek UF₆, te lżejsze (a więc zawierające izotop uranu-235) szybciej przetłaczane są przez membrany i następuje zwiększenie ich stężenia po pokonaniu przegrody. W celu uzyskania odpowiedniego stopnia wzbogacenia należy powtarzać ten proces wielokrotnie (rzędu tysięcy razy) w specjalnie zestawionych kaskadach. Wzbogacanie metodą dyfuzyjną jest bardzo energochłonne i mało wydajne, przez co zakłady muszą posiadać dużą ilość kaskad, zajmują bardzo duży obszar i zużywają bardzo dużą ilość energii. Obecnie nie stosuje się już tej metody do wzbogacania uranu.

Metoda wirówkowa

Metoda wirówkowa jest technologią sprawdzoną od ponad trzydziestu lat w Stanach Zjednoczonych, Holandii, Niemczech, Wielkiej Brytanii i innych krajach. Metoda ta bardzo się rozwinęła dzięki postępowi technologii materiałów kompozytowych. Proces ten wymaga znacznie mniejszej liczby stopni rozdziału, aby osiągnąć poziom wzbogacenia porównywalny z wynikami dyfuzji gazowej. Rozdzielenie izotopów następuje w wirujących z dużą prędkością pojemnikach cylindrycznych zawierających UF₆. Pod wpływem siły odśrodkowej cząsteczki cięższe zbierają się na obwodzie, podczas gdy lżejsze migrują do środka, powodując rozdzielenie się izotopów. Podawanie i pobór gazowego UF₆ przez wloty i wyloty zamontowane na krańcach zbiorników wirujących wytwarza przepływ przeciwprądowy w osi obrotu wirówki, dzięki któremu promieniowy gradient izotopowy staje się gradientem osiowym. Dzięki takiej optymalizacji prądu osiowego, wirówka pracuje na zasadzie podobnej do kolumny destylacyjnej: prąd wznoszący ulega stopniowemu wzbogaceniu w uran-235, podczas gdy prąd opadający zubaża się.

Produkcja paliwa jądrowego

Po zwiększeniu udziału procentowego uranu-235, kolejnym etapem przygotowania paliwa do reaktora jądrowego jest wytworzenie pastylek paliwowych. Na początku wzbogacony UF₆, który ma postać stałego granulatu, zostaje przekonwertowany w proszek UO₂ o czarnej barwie. Najczęściej stosowanym procesem przygotowania proszku jest technologia sucha, która polega na reagowaniu UF₆ w gazowej mieszance pary wodnej i wodoru. Następnie stosuje się metody metalurgii ceramicznej, poprzez prasowanie proszku w formach o kształcie małych cylindrów, w których wytwarzane są pastylki. Pastylki poddawane są spiekaniu, czyli podgrzewaniu w piecach w bardzo wysokiej temperaturze (około 1700 °C). Następnie pastylki szlifuje się z dokładnością do kilku mikrometrów i wsuwa się jedną po drugiej do tzw. koszulek paliwowych, wykonanych ze stopu cyrkonu i wypełnionych helem, które zamyka się z obu końców. Wypełniona koszulka paliwowa tworzy tzw. pręt paliwowy, zawierający ok. 300 pastylek. Następnie pręty paliwowe układa się w kasety paliwowe, stanowiące końcową formę paliwa do reaktora jądrowego.