Wykupienie dostępu pozwoli Ci czytać artykuły wysokiej jakości i wspierać niezależne dziennikarstwo w wymagających dla wydawców czasach. Rośnij z nami! Pełna oferta →
Po scaleniu się zawieszonych w przestrzeni kosmicznej drobin w kształt naszej planety uran znalazł się w skorupie ziemskiej. Istnieją przypuszczenia, że większość, jeśli nie całe ciepło geotermalne ma swe źródło w rozpadzie radioaktywnego uranu i toru, który zachodzi głęboko we wnętrzu kuli ziemskiej.
Nie taki rzadki
Bliżej powierzchni ilość uranu w skałach jest niewielka. Mimo to jest dość powszechnym minerałem. W przyrodzie mamy go więcej niż rtęci czy srebra. Występuje w glebie, roślinach, a nawet naszych ciałach. W największym stężeniu w minerałach - blendzie uranowej i uraninicie, czyli tlenku uranu. Uran znajduje się także w wodzie morskiej - 3 miligramy w metrze sześciennym. Aby uzyskać jeden kilogram, trzeba by więc przerobić aż 330 ton morskiej wody. Korzystanie jednak z tych prawie nieograniczonych zasobów jest bardzo kosztowne - 300 dolarów za kilogram surowca - trzy razy więcej niż obecna cena uranu na rynku.
Światowe wydobycie uranu w przeliczeniu na czysty pierwiastek wyniosło w 2009 roku 60 tys. ton. Prawie dwie trzecie z tego należy do trzech państw - Kazachstanu dostarczającego 27% światowego wydobycia oraz Kanady i Australii. Najwięcej, bo aż jedna czwarta światowych potwierdzonych zasobów uranu znajduje się w Australii.
Uran rozproszony jest w niewielkich ilościach w różnych rodzajach skał. Im niższa procentowa zawartość uranu, tym więcej musimy wydobyć skał, by uzyskać kilogram surowca. W Kanadzie w Basenie Athabasca znajdują się pokłady minerałów z zawartością tlenku uranu sięgającą nawet 24%. Należą one jednak do rzadkości. Prawie jedna piąta światowych zasobów uranu zawarta jest w skałach piaskowcowych. Jego zawartość waha się od 0,05 do 0,4%. Oznacza to, że aby wydobyć jeden kilogram tlenku uranu, należy przetworzyć od 250 do 2000 kg skały. Po wydobyciu ruda uranowa poddawana jest skomplikowanym procesom, których ostatecznym produktem jest brązowawy oktatlenek triuranu - U3O8.
Wzbogacony na wirówce
Wydobyty, naturalny uran to mieszanka dwóch izotopów, czyli odmian pierwiastka różniących się liczbą neutronów w jądrze atomu - uranu 235 i uranu 238. Prawie całość, bo ponad 99%, to uran 238, nierozszczepialny pod wpływem neutronów termicznych i w związku z tym mało przydatny w produkcji energii. Cenna pozostałość to uran 235 - wykorzystywany w reaktorach atomowych i wytwarzaniu broni jądrowej. Pierwiastek ten o występującym w przyrodzie składzie izotopowym nie nadaje się do wykorzystania. Najpierw należy zmienić proporcje mieszaniny tych dwóch izotopów na korzyść uranu 235. Proces ten nazwano w technologii jądrowej wzbogacaniem. Służą do niego między innymi szybkoobrotowe wirówki, w których przy pomocy siły odśrodkowej separuje się gaz zawierający obydwa izotopy. W trakcie wzbogacania w mieszance maleje ilość izotopu 238, a rośnie izotopu 235. Po osiągnięciu koncentracji około 4% uranu
235 produkt wzbogacenia - czarny krystaliczny proszek, dwutlenek uranu - gotowy jest do zastosowań cywilnych, takich jak elektrownie jądrowe. Dalsze wzbogacanie, nawet do 90%, prowadzone jest tylko na potrzeby wojska - do produkcji broni jądrowej czy reaktorów atomowych stosowanych w łodziach podwodnych.
Energia z masy
Po wzbogaceniu tlenek uranu formowany jest w niewielkie wałeczki wysokości 15 mm, przypominające kolorem tabletki węgla sprzedawane w aptekach. Czarne pastylki ułożone w stos wprowadza się do cyrkonowej rurki, nazwanej koszulką. Taka wypełniona uranem uszczelniona rurka nazywana jest prętem paliwowym. Pręty pogrupowane są w wiązki, które zależnie od typu reaktora jądrowego mogą zawierać od 49 do nawet 400 sztuk.
Kiedy cała mozolna procedura wydobycia, wzbogacania i konstruowania elementów paliwowych dobiega końca, uran zaczyna pełnić swoją użyteczną rolę. W wyniku procesów zachodzących wewnątrz reaktora atomy uranu ulegają rozszczepieniu, emitując promieniowanie, tracąc przy tym tylko jedną tysięczną wchodzącej w skład reakcji masy. Wydaje się, że to niewiele. Jednak zgodnie z najsłynniejszym na świecie wzorem fizycznym E=mc?, który mówi o równoważności masy i energii, okazuje się, że ta znikoma z pozoru utrata masy przekłada się na emisję niewiarygodnej ilości energii. "Wypalenie" 1 kilograma uranu daje tyle samo energii co spalenie 2500 tys. ton węgla - 125 kolejowych wagonów.
W przeciętnej elektrowni jądrowej o mocy 1 gigawata "spalane" jest około 30 ton uranu rocznie. W trakcie pracy reaktora paliwo ulega wypaleniu - oznacza to, że ilość uranu 235 zawartego w czarnych pastylkach stopniowo zmniejsza się aż do wartości, w której produkcja energii staje się nieefektywna. Podczas tego procesu z uranu 235 powstają produkty rozszczepienia - lżejsze pierwiastki o bardzo wysokiej radioaktywności. Dlatego usunięte z reaktora elementy paliwowe nie nadają się jeszcze do transportu. Paradoksalnie, zużyte paliwo z elektrowni jądrowych jest dużo bardziej promieniotwórcze niż "świeże". Z tego powodu zużyte elementy paliwowe po wyjęciu z reaktora najczęściej przechowuje się przez kilka lat w wypełnionym wodą basenie na terenie elektrowni jądrowej, gdzie tracą powoli swoją aktywność i temperaturę. Po tym czasie gotowe są do przewiezienia w miejsce, gdzie poddaje się je dalszemu przetwarzaniu.
Jazda w pojemnikach
Pomimo nieprzydatności wypalonych prętów paliwowych do wytwarzania energii pastylki wchodzące w ich skład wciąż zawierają dużo cennego uranu. Po wypaleniu w skład promieniotwórczych pastylek wchodzą produkty rozszczepienia, zmniejszona ilość uranu 235 oraz pluton 239, który powstał w reakcji uranu 238 z neutronami.
Odzyskiwaniem uranu i plutonu ze zużytych prętów zajmuje się tylko 5 zakładów na świecie. Jeśli więc chcemy ponownie wykorzystać wypalone paliwo, musimy przygotować je do dalekich podróży. Materiały radioaktywne szczególnie niebezpieczne, np. wypalone paliwo, transportuje się w tak zwanych pojemnikach typu B. Te masywne stalowo-ołowiane kontenery, ważące nawet 110 ton, służą do transportu zaledwie 6 ton przetworzonego paliwa i zdolne są do przetrwania zderzenia z prędkością 100 km/h czy półgodzinnego pożaru. Według World Nuclear Association transport materiałów radioaktywnych należy do bardzo bezpiecznych. Od 1971 roku nie wydarzył się ani jeden niebezpieczny wypadek, mimo że odbyło się około 7000 transportów, w których przewieziono ponad 80 tys. ton zużytego paliwa. Najdłuższą drogę odbywają radioaktywne odpady z Japonii. W ciągu prawie trzydziestu lat przetransportowano okrętami do zakładów w La Hague we Francji i Sellafield w Wielkiej Brytanii ponad 7 tys. ton materiałów radioaktywnych.
Przetworzenie zużytych prętów paliwowych polega na rozpuszczeniu ich w kwasie i późniejszym rozdzieleniu składników. Tutaj koło się zamyka. Użyteczne, radioaktywne izotopy wracają do zakładów wytwarzających paliwo jądrowe, natomiast odpady i produkty rozszczepienia przeznacza się do składowania.
Wystrzelić w kosmos
Składowanie odpadów promieniotwórczych budzi chyba większe kontrowersje w społeczeństwie niż budowa elektrowni atomowej. Obecność radioaktywnych pierwiastków zachowujących aktywność przez dziesiątki tysięcy lat budzi niepokój, dlatego planowane i budowane miejsca składowania sytuowane są w pokładach stabilnych geologicznie skał. Do takich należy amerykańskie składowisko Yucca Mountain w Newadzie czy Olkiluoto w Finlandii wykute w granitowym masywie na głębokości 520 metrów. Pomysłów na składowanie materiałów radioaktywnych jest zresztą więcej. Od wiercenia głębokich na wiele kilometrów szybów do mało realnych pomysłów wystrzeliwania odpadów w kosmos. Największą jednakże nadzieję na rozwiązanie problemu składowania materiałów radioaktywnych daje proces zwany transmutacją. Postęp, jaki obecnie ma miejsce w rozwoju nauk jądrowych, pozwala na stwierdzenie, że w niedługim czasie możliwe będzie przetworzenie długożyciowych pierwiastków w takie, których okres połowicznego rozpadu będzie wynosił nie miliony, ale setki lat.
To perspektywa, z którą dużo łatwiej się pogodzić.
