Palivo

Efektivnost jednotlivých zdrojů energie můžeme porovnat i podle jejich výhřevnosti, která udává, kolik tepla na jednotku paliva získáme jeho dokonalým spálením (včetně ochlazení spalin na původní teplotu paliva). Příklady některých paliv jsou uvedeny v tabulce:

Model palivového souboru VVER

Pelety – malé válečky z UO₂ jsou uloženy v palivových proutcích, které jsou sdruženy do palivových souborů (kazet). V aktivní zóně Temelína je například asi 19,2 milionů pelet, z nichž každá váži jen 4,8 gramu, ale nahradí 880 kg černého uhlí. Energie se z pelety získává v průběhu 4 let. Elektrárna Temelín tak ročně ušetří přibližně 15 milonů tun hnědého uhlí. Toto množství by se vešlo na 300 tisíc nákladních vagónů.

Kde se bere čerstvé jaderné palivo

Koncentrovaná ruda ve formě oxidu uranu U₃O₈, nazývaného pro svou barvu žlutý koláč

Dolování

Kontinentální i oceánská kůra Země obsahuje na mnoha místech ložiska uranu. V zemské kůře je uran zastoupen přibližně stejně jako cín nebo zinek a nalézá se v mnohých minerálech a dokonce i v mořské vodě. Pro těžbu uranu a jeho využití v jaderných elektrárnách jsou samozřejmě z ekonomického hlediska zajímavá bohatá naleziště rudy s vysokým obsahem uranu. Hlavní známá ložiska jsou v Austrálii, Kazachstánu, Rusku, Kanadě. Zeměpisnou pestrost doplňují i velké zásoby v Jihoafrické republice, USA, Brazílii, Nigeru, Namibii, Ukrajině a v Českém masivu. Celosvětově převládá konvenční těžba zastoupená hlubinným (30 %) a povrchovým (25 %) způsobem. Dalším a stále více rozšířeným způsobem se stává chemické loužení (40 %) kyselinou nebo zásadou. Roztoky rozpouštějící uran se pomocí vrtů pumpují do podzemí a následně čerpají do chemických úpraven. Uran se rovněž získává jako vedlejší složka těžby mědi, zlata (5 %), či fosfátů. Uranu se celosvětově těží ročně 50 až 60 tisíc tun.

Uran se po vytěžení převede do formy tzv. žlutého koláče (oxid uranu U₃O₈), který je výchozí surovinou pro výrobu paliva. Pro většinu současných reaktorů se však nejdříve musí obohatit o štěpitelný izotop ²³⁵U.

Schéma CALUTRONU, nejstarší metoda obohacování uranu vycházela z principu hmotnostního spektrometru

Obohacování

Přírodní uran existoval již při vzniku Země. Na počátku, zhruba před 4,5 miliardou let, měl vysoký obsah izotopu ²³⁵U – byl tedy „vysoce obohacený“. Během času se nestabilní izotopy podle zákona radioaktivní přeměny rozpadají (přeměňují) a izotop ²³⁵U, který má ve srovnání s izotopem ²³⁸U poločas rozpadu přibližně sedmkrát kratší, se stal vzácnějším. Dnes obsahuje přírodní uran izotopu ²³⁵U pouze 0,7 %. Pro energetické využití se ve většině světových jaderných reaktorů obvykle používá uran obsahující okolo 3 až 4 % izotopu ²³⁵U. Jak to ale udělat, když přírodní uran obsahuje 99,3 % izotopu ²³⁸U a z hlediska chemického chování jsou oba izotopy prakticky totožné? Existují technologické postupy obohacování uranu založené na rozdílných fyzikálních vlastnostech izotopů.

Nejpoužívanější metody obohacování jsou difúze a odstředivková metoda, popř. kombinace těchto metod. Obě využívají nepatrný rozdíl v hmotnostech obou sledovaných izotopů uranu. Obohacovací proces je energeticky i časově velice náročný a vyžaduje vyspělou technologii. Největší obohacovací závody využívající plynné difúze jsou ve Francii a v USA, centrifugy se využívají v Rusku, Číně, Velké Británii, Nizozemí, Německu. Menší obohacovací závody jsou i v Jižní Africe, Pakistánu a v Japonsku.

Princip difúzní metody obohacování uranu

Difúze

Uran je nejprve přeměněn na plynný hexafluorid UF₆, který se pod tlakem protlačuje keramickými porézními přepážkami v mnohastupňových difúzních kaskádách. Molekuly hexafluoridu s izotopem ²³⁵U jsou lehčí a tedy oproti molekulám s izotopem ²³⁸U nepatrně „hbitější“, takže procházejí o něco málo rychleji. Aby ve výsledném produktu byl více zastoupen izotop ²³⁵U, je třeba proces tisíckrát opakovat. Proces probíhá za vysokých teplot, kompresory protlačující plyn membránami spotřebují mnoho energie.

Centrifugace

Pro druhou metodu se uran rovněž převádí na plynný UF₆. V odstředivkách (centrifugách) při vysokých otáčkách se pak molekuly s těžším izotopem hromadí na okrajích a ve středu centrifug zůstávají převážně molekuly s izotopem ²³⁵U. Tento systém pracuje s 50krát menší spotřebou energie než difúzní systémy a jeho účinnost je závislá především na rychlosti otáčení centrifugy. Pro potřebné obohacení je nezbytné použití kaskád několika desítek tisíc kusů odstředivek.

2