Nuklearno gorivo

Nuklearno gorivo je materijal koji sadrži atomske jezgre nekih teških kemijskih elemenata kojima se mogu ostvariti nuklearni procesi za oslobađanje energije.

U nuklearnom gorivu takvi se procesi podržavaju sami od sebe te se odvijaju lančano, prenoseći se od jedne do druge atomske jezgre i to kada se u nuklearnom reaktoru nađe dovoljna količina nuklearnog goriva raspodijeljenog na pravilan način. Nuklearni gorivni ciklus skup je aktivnosti kojima se dobiva sirovina za gorivo, izrađuje gorivo, upravlja njegovim korištenjem i brine o iskorištenom gorivu (spremanju, preradi i odlaganju radioaktivnog otpada). Nuklearno gorivo je najgušći dostupni izvor energije.

Većina nuklarnih goriva sadrže teške fisijske elemente koji uzrokuju lančanu reakciju nuklearne fisije u nuklarnom reaktoru. U najčešća nuklearna goriva ubrajaju se tri fisilna materijala : uranij-235 (²³⁵U), plutonij-239 (²³⁹Pu) i uranij-233 (²³³U). Samo jedan od njih nađen je u prirodi više nego u tragovima, a to je izotop ²³⁵U. On čini samo oko 0,7% prirodnog elementa uranija, stoga se taj materijal zove prirodno ili primarno nuklearno gorivo. Druga dva nuklarna goriva, ²³⁹Pu i ²³³U, dobivaju se u nuklearnim reaktorima. Bombardiranjem neutronima od ²³⁸U nastaje ²³⁹Pu, a od ²³²Th nastaje ²³³U - to su sekundarna nuklearna goriva, a ²³⁸U i ²³²Th od kojih nastaju ta sekundarna goriva nazivaju se oplodnim materijalima. Izvorni materijali za nuklearno gorivo, uranij i torij, široko su rasprostranjeni u Zemljinoj kori te su veliki energetski potencijali. Njihova ukupna količina do dubine od oko 5km procjenjena je na približno 12•10¹²t. Najveći dio tih elemenata rijetko se susreće u koncentracijama ekonomičnim za eksploataciju, međutim, moguće je iz umjereno siromašnih ruda, sa sadržajem od oko 0,1% uranija, dobiti 20 do 30•10⁶t uranija i nekoliko milijuna tona torija. Oni imaju više od deset puta veći energetski potencijal nego sve postojeće zalihe fosilnih goriva (ugljen, nafta, plin).

Osobine i vrste nuklearnih goriva

Nuklearno gorivo mora biti vrlo čisto i bez primjesa koje apsorbiraju neutrone. Prije stavljanja u nuklearni reaktor, gorivo se stavlja u metalne košuljice koje trebaju zadržati fisijske fragmente za svo vrijeme ciklusa u nuklearnom reaktoru, kao i za vrijeme njegove prerade. Budući da se u nuklearnom reaktoru stvara toplinska energija, nuklearno gorivo izloženo je visokim temperaturama i temperaturnim gradijentima, te ionizirajućem zračenju koje mijenja fizička i kemijska svojstva materijala. Stoga, pored čistoće, nuklearno gorivo mora biti postojano i izdržljivo u takvim uvjetima.

Oksidna goriva

UOX

Iako vrsta keramičkog materijala, promatra se posebno. Sinteriziran uranijev dioksid najčešće se upotrebljava kao nuklearno gorivo u energetskim nuklearnim rekatorima. Za izradu gorivnih elemenata prah uranijevog dioksida komprimira se u oblik tableta i sinterira sinterira na visokim temperaturama, obično u atmosferi vodika. Uranijev dioksid ima znatnih prednosti u odnosu na metalni uranij:

može se upotrijebiti na visokim radnim temperaturama,
otporan je na radijacijska oštećenja,
otporniji je na koroziju,
u normalnim uvjetima rada reaktora ne reagira s materijalima od kojih se pravi košuljica gorivog elementa,
ne reagira s vodom.

Nedostatak mu je, međutim, što ima malu toplinsku vodljivost i relativno malu gustoću u odnosu na metalni uranij.

MOX

Zbog promjene kristalne strukture na dosta niskim temperaturama metalni plutonij ne upotrebljava se kao nuklearno gorivo, već njegove legure ili oksidi. Obično se upotrebljava sinterirana smjesa uranijeva i plutonijeva dioksida. Posebnu teškoću predstavlja opasnost da se tijekom izrade gorivih elemenata ne stvori kritična masa već s malom količinom plutonija. Zbog emisije jakog α-zračenja, u plutoniju se stalno stvara toplinska energija. Torij se kao oplodni materijal upotrebljava slično kao ²³⁸U. Torij se obično kombinira s uranijom u obliku čvrste smjese njihovih dioksida ili dikarbida.

Metalna goriva

Čisti metalni uranij rijetko se upotrebljava kao nuklearno gorivo usprokos svojim dobrim osobinama (npr. toplinska vodljivost), jer pri zagrijavanju na dosta niskoj temperaturi mijenja kristalnu strukturu, a time fizička i mehanička svojstva. Legiranjem uranija s drugim metalima: niobijem, molibdenom, cirkonijem, aluminijem i drugima, mogu se poboljšati osobine metalnog uranija kao nuklearnog goriva, ali ne toliko da bi se mogao svrstati u šire upotrebljavana goriva.

Keramička goriva

Keramička goriva imaju bolju toplinsku vodljivost od oksidnih, no sklonija su naticanju uslijed fisijskih produkata, te se o njihovom ponašanju manje zna. Najčešća su takva goriva uranijev karbid (UC) i uranijev nitrid (UN) koji primjenjuje NASA.

Tekuća goriva

Taline soli

U ovom tipu goriva, fisijski materijal otopljen je u talini neke soli koja služa kao hladilo. Najčešće se radi o fluoridima.

Otopine soli

Gorivo je vodena otopina uranilovog sulfata ili neke druge soli uranija. Ovaj tip goriva nije se koristio u reaktorima velike snage. Prednost mu je dobra iskoristivost neutrona, a nedostatak najlakša disperzija u slučaju nezgode.