E.Realo, TÜ Füüsika Instituut

Tuumkütusetsükli moodustavad mitmed tegevused, mis on vajalikud tagamaks elektritootmist tuumajaamas. Tsükli algus koosneb uraani kaevandamisest ja eraldamisest, konversioonist, rikastamisest, rekonversioonist ja tuumkütuse valmistamisest. Avatud kütusetsükkel lõpeb kasutatud tuumkütuse ja radioaktiivsete jäätmete käitlemise ning vahe- ja lõppladustamisega. Tegelikult tuumkütuse ühekordne kasutamine – avatud tsükkel - ei annagi tsükli nimetust välja. Suletud kütusetsükkel saadakse, kui kasutatud tuumkütus töödeldakse ümber uueks kütuseks, see suunatakse uuesti tuumareaktorisse ja ainult väike kogus jäätmeid läheb lõppladustamisele. Vaatleme lähemalt ainult tänapäevast uraani kasutavat kütusetsüklit. Tooriumil baseeruv kütusetsükkel on alles arendusjärgus.

Uraani kaevandamine ja eraldamine 

Uraani leidub maakoores kõikjal, kivimites, mullas ja samuti merevees. Siiani on teda majanduslikel kaalutlustel toodetud peamiselt mineraalsetest maakidest, kus sisaldus ületab 0,1 %. Uraanimaak kaevandatakse kas avatud karjääridest või allmaakaevandustest ja saadetakse tavaliselt lähedal asuvasse tehasesse. Maak purustatakse, peenestatakse lobriks ja sellest eraldatakse uraan tugevas happes või leelises lahustamise teel. Lahusest sadestatakse uraanoksiidi U₃0₈ kontsentraat, mis kuivatatakse, kuumutatakse ja pakendatakse. Nõrgalt radioaktiivset ~ 85 % uraani sisaldavat uraanoksiidi U₃0₈ nimetatakse oma khaki-värvusest hoolimata „kollakoogiks“, millisel kujul uraan ka kaubastatakse. Põhiosa maagi radioaktiivsusest ja ka raskemetallid jäävad kaevandus- ja eraldusjääkidesse, mis tuleb ohutult ladustada, et takistada nende pääsu keskkonda.

Rangeri uraanikaevandus, Northern Territory, Austraalia (Ranger Uranium Mine)

Tänapäeval kasutatakse järjest rohkem maa-aluse leostamise tehnoloogiat. Siin lastakse nõrgalt leeliseliseks või happeliseks muudetud hapnikurikkal põhjaveel tsirkuleerida läbi poorse maagikihi selles sisalduva uraani lahustamiseks. Maapinnale tuuakse juba uraanilahus, mida eelkirjeldatud viisil keemiliselt töödeldakse.

Suurimad uraanitootjad on Kanada, Austraalia ja Kasahstan.

Konversioon

Konversioonitehases muundatakse „kollakook“ algul uraandioksiidiks UO₂ ja seejärel gaasiliseks uraanheksafluoriidiks UF₆. Uraandioksiid on raskeveereaktorite rikastamata tuumkütuse valmistamiseks otseselt kasutatav. Kergeveereaktorite kütuse valmistamiseks peab aga uraankütuse sisaldust isotoobi ²³⁵U suhtes suurendama - rikastama. Seda saab teha ainult gaasilisel kujul oleva uraaniga, seepärast saadetakse rikastusvabrikusse UF₆. Sellel kütusetsükli etapi peamiseks ohuallikaks ei ole radioaktiivsus, vaid fluorvesiniku kasutamine. 

Blind River konversioonitehas, Cameco firma, Ontario, Kanada (WNA)

Rikastamine

Rikastamisega suurendatakse uraanis ühe tema põhiisotoobi, lõhustumiseks võimelise ²³⁵U, osakaalu teise isotoobi ²³⁸U suhtes. Kui uraani looduslikus isotoopide segus on ainult 0,7 % ²³⁵U, siis kergeveereaktoris kasutamiseks tuleb tema sisaldust suurendada 3,5 – 5 %. Selleks on ainult üks tee, uraanist tuleb eemaldada üle 85 % isotoopi ²³⁸U. Meetodeid on selleks väljatöötatud mitmeid, kuid tööstuslikus mahus kasutusel ainult kaks: gaasidifusiooni- ja tsentrifuugimeetod. Uraaniisotoopide ca 1 % massierinevust kasutades, toimub mõlema meetodi puhul gaasilise uraanheksafluoriidi lahutamine kahte kanalisse. Ühes saadakse ²³⁵U suhtes rikastatud UF₆, teises – nn vaesestatud, peamiselt ainult ²³⁸U sisaldav (²³⁵U on vähem kui 0,25 %). Suured rikastustehased on USA-s, Prantsusmaal, Venemaal.

Rikastustehase gaasitsentrifuugide kaskaad, USA

Rekonversioon

Selle protsessi käigus muundatakse nii rikastatud kui ka vaesestatud uraanheksafluoriid vastavateks uraandioksiidideks. Vaesestatud nõrgalt radioaktiivne suure erikaaluga uraan leiab kasutamist ülihea kiirgusvarjestusmaterjalina, ballastina laevanduses, materjalina sõjatehnikas jm.

Tuumkütuse valmistamine

Enamus kasutatavast tuumkütusest valmistatakse uraandioksiidist pressitud ja kõrgel temperatuuril kuumutatud keraamiliste tablettide kujul. Tabletid pakitakse hermeetiliselt tsirkooniumisulamist torudesse kütusevarrasteks. Viimastest koostatakse reaktorisse paigutamiseks kütusekomplektid.

Uraanoksiidi pulber, kütusetabletid ja tuumkütusekomplekt, Cameco, Kanada (WNA)

Sellel etapil tuleb pöörata erilist tähelepanu tuumaohutusele, eriti kui on tegemist 3 – 5 % kõrgema rikastusastmega kütusematerjalidega – kriitilisuse tekkimise oht!

Energiatootmine tuumareaktoris

²³⁵U lõhustumise ahelreaktsiooni skeem

Tuumareaktoris lõhustuvad ²³⁵U tuumad neutronite toimel kaheks kildtuumaks ja 2-3 neutroniks, mis uusi lõhustumisi tekitavad. Toimub juhitav ahelreaktsioon, milles vabanevat energiat kasutatakse vee soojendamiseks ja auru tekitamiseks. Uraani lõhustumine pole siiski ainus soojuseallikas. Reaktoris tekitatakse tuumkütust ka juurde. Neutroni haarde tulemusel muundub osa kütuses sisalduva mittelõhustuva isotoobi ²³⁸U tuumadest plutooniumiks ²³⁹Pu, mis lõhustudes samuti energiat vabastab. Osutub, et selliselt tekitatud uus tuumkütus annab kolmandiku (uuemates reaktorites enamgi!) tuumareaktori toodetud energiast. Edasised tegevused on ühised mistahes kütusel töötavas soojuselektrijaamas toimuvaga: aur käitab auruturbiini, millega ühisel teljel olev generaator elektrit toodab. Edasi muundatakse aur veeks, jahutatakse ja juhitakse tagasi reaktorisse. Nagu soojuselektrijaamades ikka, läheb ka tuumajaamades umbes kaks kolmandikku tekitatud soojusest keskkonna soojendamiseks.

Kasutatud tuumkütus

Töö käigus suureneb tuumkütuses kildtuumade, plutooniumi ja teiste raskete nn väikeaktiniidide osakaal. Paljud neist on ahned neutronineelajad, nn „reaktorimürgid“, ja kütuse edasine kasutamine pole teatud aja möödudes enam mõttekas. Kasutatud tuumkütus, mis on tootnud 36 miljonit kWh elektrienergiat 1 tonni loodusliku uraani kohta, eemaldatakse tavaliselt aasta või kahe pärast reaktorist. Võrdluseks, sama koguse elektri saamiseks oleks vaja põletada 20000 t kivisütt või 8,5 miljonit kuupmeetrit gaasi

Kasutatud tuumkütus eemaldatakse reaktorist

Kasutatud tuumkütusekomplektid on reaktorist väljavõtmise järel ülimalt radioaktiivsed - intensiivse ioniseeriva kiirguse ja soojuse allikad. Et peamiselt lühiealised kildtuumad radioaktiivselt laguneksid, paigutatakse kasutatud kütus aastateks või aastakümneteks tuumajaama lähedusse ehitatud veebasseini või õhkjahutusega hoidlasse. Viimased peavad tagama kiirgusvarjestuse ja soojuse ärajuhtimise kõrval ka radioaktiivse materjali turvalisuse.

Kasutatud tuumkütuse edasine käitlemine „jahtumise“ järel sõltub  juba riigis kasutatava kütusetsükli poliitikast: ümbertöötlemine uueks tuumkütuseks või käitlemine vahe-/ lõppladustamiseks.

Ümbertöötlemine

Ümbertöötlemistehases eraldatakse kasutatud kütuses sisalduv uraan, plutoonium ja väikeaktiniidid lõhustusproduktidest (kildtuumadest). Lõppladustamist vajavateks radioaktiivseteks jäätmeteks lähevad ainult viimased, so umbes 3 % kogu kasutatud kütuse asemel. Uraan, milles on lõhustuvat ²³⁵U rohkem kui looduslikus, suunatakse tagasi kütusetsüklisse: konversioon, rikastamine jne. Plutooniumi ja väikeaktiniide saab koos uraaniga otse kasutada seguoksiidkütuse (MOX-kütus) valmistamiseks. Viimases on lõhustuvateks tuumadeks nii ²³⁵U kui ka ²³⁹Pu. Sellist taaskasutamist on põhimõtteliselt võimalik korduvalt rakendada, kuid praegusel ajal, kui kütusetsüklis puuduvad kiired tuumareaktorid, pole see veel praktiline. MOX-kütust valmistatakse ja kasutatakse reaktorites paljudes maades: Prantsusmaal, Belgias, Venemaal, Ühendkuningriigis, Jaapanis jm. Lõppladustamiseks ettenähtud kõrgaktiivsed radioaktiivsed jäätmed tavaliselt vitrifitseeritakse (klaasistatakse): muudetakse kuumutamise teel pulbriks, mis sulatatakse klaasimassi ja see omakorda roostevabast terasest anumatesse. Sel viisil muutub nende pääs keskkonda võimatuks paljudeks aastatuhandeteks. 1000 MWe võimsusega tuumareaktor toodab aastas ainult 5 tonni selliseid vitrifitseeritud jäätmeid. Ümbertöötlemine on igal juhul soodne nii kütuse säästliku kasutuse kui radioaktiivsete jäätmete koguse olulise vähenemise seisukohalt.

Kasutatud tuumkütuse komplekt paigutatakse lõppladustamiseks  teras- ja vaskkonteinerisse, Soome (WNA)

Kasutatud tuumkütuse vahe- või lõppladustamine

Ehkki peamised teaduslik-tehnilised lahendused on läbi töötatud, ükski kasutatud tuumkütuse lõppladustusrajatis tänapäeval veel ei tööta. Ehitamisel on sellised rajatised Soomes, USA-s, planeerimisjärgus veel paljudes maades, kuid esimest lõppladustamist pole oodata enne 2010. a. Soovitatavaks peetakse sügaval maa all asuva nn geoloogilise lõpprajatise varianti stabiilses graniidis, savis, soolalademetes, jm. Võimalust kasutatud kütust vajadusel välja võtta arvestatakse nii kasutatud kütuse pakendamisel kui ka hoidla konstruktsioonis. Kasutatud tuumkütusekomplektid pakendatakse lõppladustamiseks hermeetiliselt korrosioonikindlatesse konteineritesse - roostevabateras või vask on eelistatavad materjalid. Senini on kasutusel maapealsed või maapinna-lähedased vahehoidlad. Põhjendusi tuuakse mitmeid: 1) kasutatud kütuse kogused on suhteliselt väikesed, õigustamaks suuri kulutusi lõpphoidlale; 2) pikem vahehoiustamine ja seega pikem aeg radioaktiivseks lagunemiseks soodustab hiljem lihtsamat ja ohutumat käitlemist; 3) soovimatus loobuda tuumkütuse taaskasutatavast osast, pidades silmas tulevast ümbertöötlemist, otsest kasutamist CANDU-tüüpi reaktoris või tuleviku kiire reaktori kütusena.

Vähe- ja keskaktiivsete radioaktiivsete jäätmete hoidla SFR, SKB, Rootsi

Tuumkütusetsükkel arvudes (WNA)

Allpool on esitatud 1000 MWe võimsusega kergeveereaktori keskmised näitajad aastas. Eeldatakse  4 % ²³⁵U suhtes rikastatud kütust, mille kogus reaktoris on 72 t uraani, aastas vahetatakse üks kolmandik kütusest, reaktor töötab täisvõimsusega 80 % aastast.