Skąd się bierze uran?

dr Tomasz Rożek

Wyciąga się go spod ziemi, czyści, wzbogaca, wykorzystuje, a później oczyszcza i… jeszcze raz wykorzystuje. Po kilkudziesięciu latach od wydobycia uran – choć w innej postaci – wraca z powrotem pod ziemię.

W Polsce mają powstawać elektrownie jądrowe. Mamy do wyboru kilku producentów i kilka różnych typów reaktorów. Który wybierzemy? Wszystko będzie zależało od wymagań jakie zostaną przed polskim atomem postawione. Europejski reaktor EPR (produkuje go francuska firma Areva) jest największym z obecnie oferowanych. Jego moc wynosi 1600 MW. Inną opcją jest znacznie mniejszy (o mocy 1000 MW) reaktor AP1000. Ten ostatni produkowany jest przez amerykańsko-japońskie konsorcjum Westinghous–Toshiba. Na rynku jest jeszcze rosyjski Rosatom (z niemieckim Simensem) i amerykański General Electric z japońskim Hitachi. Niezależnie jednak od wybranej przez nas technologii, sposób przygotowania paliwa jądrowego będzie taki sam.

Wydobycie i wzbogacenie

Uran, tak jak węgiel, wydobywa się spod ziemi. Ale w przeciwieństwie do węgla to, co zostaje wydobyte w kopalniach uranu, nie nadaje się jeszcze do użytku. Minie wiele miesięcy, zanim ruda zamieni się w sprasowane tabletki tlenku uranu i znajdzie we wnętrzu reaktora. Najwięcej rudy uranu wydobywa się w Kanadzie, Australii, Nigrze, Kazachstanie i Namibii. Całkiem spore złoża znajdują się też w Kongu i USA. Naturalną mieszaninę uranu tworzą trzy jego wersje, trzy izotopy. Materiałem rozszczepialnym jest izotop U-235 (którego jądro zbudowane jest z 92 protonów i 143 neutronów), niestety w naturze jest go bardzo mało, bo tylko 0,7 proc. Najwięcej jest uranu 238 (prawie 99,3 proc.). Ten nie może jednak być paliwem dla reaktorów atomowych. Są jeszcze śladowe ilości U-234. Zanim uran wydobyty spod ziemi stanie się paliwem, rudę uranową trzeba oczyścić i wzbogacić.

Co to znaczy? W dosyć skomplikowanym procesie trzeba ze wspomnianych już 0,7 proc. ilość U-235 zwiększyć do kilku procent. Izotop nierozszczepialny jest cięższy od rozszczepialnego tylko o 3 neutrony. Izotopów tego samego pierwiastka nie da się rozdzielić sposobami chemicznymi, a metody mechaniczne muszą być bardzo subtelne. Odpowiedniej technologii nie da się kupić na rynku, bo te same urządzenia wzbogacają paliwo do elektrowni cywilnych, ale mogą je także wzbogacić do poziomu na tyle wysokiego, że nadaje się ono do wybudowania bomby atomowej. Tak więc odpowiednią technologię trzeba stworzyć samemu albo… ukraść. Najpopularniejszy sposób na wzbogacanie to tzw. centryfugi – superszybkie wirówki, wykonujące nawet 90 tys. obrotów na minutę. Siła odśrodkowa powoduje, że izotop cięższy oddziela się od lżejszego. Na świecie wzbogacać uran potrafią Francja, USA, Japonia, Rosja i Chiny. Jest też europejskie konsorcjum Niemcy–Holandia–Wielka Brytania oraz Pakistan. No i Iran oraz Korea Północna.

Reaktor

Odpowiednio wzbogacony i uformowany w niewielkie pastylki materiał rozszczepialny wkładany jest do wnętrza reaktora. Stamtąd po kilku, kilkunastu miesiącach jest wyciągany i na nawet kilka lat umieszczany w znajdującym się obok reaktora dużym basenie. Wyciągnięte wprost z reaktora paliwo jest bardzo gorące i bardzo radioaktywne. W basenie traci temperaturę i obniża aktywność. Gdy możliwy jest już jego transport, w specjalnych, testowanych na wszelkie okoliczności pojemnikach wypalone pręty uranowe są przekazywane do zakładu przetwarzania odpadów. Do niedawna materiał był rozpuszczany w silnym kwasie i zalewany betonem, szkłem czy żywicą. Następnie pakowany w odpowiednie pojemniki wędrował do tzw. składowiska odpadów wysokoaktywnych. Takie postępowanie jest jednak dużym marnotrawstwem. Wypalone paliwo można – po przerobieniu – użyć jeszcze raz, bo w reaktorze wypala się tylko niewielka ilość umieszczonego w nim uranu. W zakładzie przetwarzania odpadów z wypalonego paliwa odzyskuje się zresztą nie tylko uran, ale także inne pierwiastki, które zostały we wnętrzu reaktora wyprodukowane. Takie jak na przykład jeden z izotopów plutonu. Także on może być wykorzystany jako paliwo jądrowe.

Składowisko

Po roku działalności reaktora jądrowego o mocy 1 GW dostaje się kilkaset kilogramów radioaktywnych odpadów. Czy to dużo? I tak, i nie. Gdyby porównać to do zanieczyszczeń i odpadów (także promieniotwórczych), jakie wiążą się z produkcją prądu z węgla, kilkaset kilogramów rocznie z dużej elektrowni brzmi jak bajka. Bajką nie jest jednak to, że odpady radioaktywne trzeba traktować z dużą ostrożnością. To rodzi spore koszty. Dolicza się je do ceny prądu z atomu. Koszty, o których mowa, trudno jednak dokładnie policzyć, bo doglądać zmagazynowanego paliwa będzie trzeba przez setki lat. Czy to jednak problem tylko energetyki jądrowej? Francja w 58 reaktorach produkuje prawie 80 proc. swojej energii elektrycznej. Równocześnie tylko 2–3 proc. radioaktywnych odpadów, o które trzeba się we Francji troszczyć, pochodzi z energetyki atomowej. Przytłaczająca większość wzięła się z technologii jądrowych stosowanych w medycynie, przemyśle czy nauce.

Po kilkudziesięciu latach to, co pozostało z wydobytego spod ziemi uranu, z powrotem wraca pod ziemię. Niewiele jest w tym uranu. Całkiem sporo jest natomiast pierwiastków, które naturalnie w przyrodzie nie występują. One przez długie dziesięciolecia będą się rozpadały, systematycznie tracąc radioaktywność. Z czasem będą się stawały pierwiastkami stabilnymi. Głębokich repozytoriów (składowisk podziemnych) jest na świecie kilkanaście. W Europie sześć działających i kilka w fazie budowy. W Polsce także będzie musiało powstać składowisko wysokoradioaktywnych odpadów. Nie została jeszcze wybrana ani jego lokalizacja, ani technologia, w jakiej wypalone pręty uranowe będą przechowywane. Czy w Polsce będzie musiał powstać zakład przerobu wypalonego paliwa? Niekoniecznie. Międzynarodowe umowy nie nakładają na nasz kraj obowiązku przerabiania paliwa u siebie. Możemy to robić w Niemczech albo we Francji. To, co jednak po takim przerobie pozostanie musi być składowane w Polsce.

Artykuł opublikowany pierwotnie w Gościu Niedzielnym nr 29/2209.

Tekst zamieszczony za zgodą autora, dr. Tomasza Rożka, kierownika Działu Nauka i Gospodarka w czasopiśmie "Gość Niedzielny".

Oryginalny tekst z grafiką znajduje się na stronie Gościa Niedzielnego: http://goscniedzielny.wiara.pl/?grupa=6&art=1248094838&dzi=1104764436&idnumeru=1247817489