1. Nuklearna goriva?
Nuklearno gorivo je materijal koji sadrži atomske jezgre nekih teških
hemijskih 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 (
235
U), plutonij-239 (
239
Pu) i uranij-
233 (
233
U). Samo jedan od njih nađen je u prirodi više nego u tragovima, a to je
izotop
235
U. On čini samo oko 0,7% prirodnog elementa uranija, stoga se taj
materijal zove prirodno ili primarno nuklearno gorivo. Druga dva nuklarna
goriva,
239
Pu i
233
U, dobivaju se u nuklearnim reaktorima. Bombardiranjem
neutronima od
238
U nastaje
239
Pu, a od
232
Th nastaje
233
U - to su sekundarna
nuklearna goriva, a
238
U i
232
Th 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•10
12
t. 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•10
6
t uranija i nekoliko
milijuna tona torija. Oni imaju više od deset puta veći energetski potencijal
nego sve postojeće zalihe fosilnih goriva (ugljen, nafta, plin).
2. Osnovne faze u korištenju nuklearnih goriva?
Nuklearni gorivni ciklus je skup aktivnosti kojima se dobiva sirovina za gorivo,
izrađuje gorivo, upravlja njegovim korištenjem i brine o iskorištenom gorivu,
što uključuje spremanje, preradu i odlaganje radioaktivnog otpada. Faze
nuklearnog gorivnog ciklusa su:
Istraživanja ležišta urana, iskapanje i prerada rudače,
Konverzija (
Prvi korak u obogaćivanju urana je njegova konverzija iz U
3
O
8
u
UF
6
– uranov heksafluorid. Postrojenja za konverziju nalaze se u Rusiji, Kanadi,
Francuskoj, Velikoj Britaniji i SAD-u
.)
Obogaćenje urana moguće je sljedećim metodama:
1
Difuzijska metoda je prva metoda korištena za dobivanje
obogaćenog urana, a temelji se na pojavi da prolaz plina kroz
membranu ovisi brzini molekula plina.
Metoda centrifuga,
Aerodinamički procesi
Elektromagnetska separacija,
Lasersko obogaćenje.
Izrada goriva. Gorivo je najčešće u formi oksida, bilo UO
2
ili MOX. Ranije
se upotrebljavao metalni uran. Prednost metalnog goriva u odnosu na
oksidno je bolja termička vodljivost, ali ima niže talište. Manje
uobičajene forme su keramičko gorivo, te goriva u formi uranovog
nitrida (UN) i uranovog karbida (UC). Prednost nitridnog goriva u
odnosu na klasično je veća termička vodljivost i viša temperatura
taljenja. Danas se upotreba UC goriva razmatra u izvedbi mikro čestica
goriva (TRISO čestice) za IV generaciju VHTR reaktora. UC gorivo također
karakterizira visoka termička vodljivost i visoka temperatura taljenja
Izgaranje goriva u reaktoru,
Privremeno odlaganje. Nakon što je gorivo izvađeno iz reaktora
privremeno se odlaže i hladi u bazenu za istrošeno gorivo. Nakon toga,
ako je kapacitet bazena nedovoljan za sve istrošeno gorivo tokom rada
2
čestice (α - Većina helija na Zemlji (oko 99%) je produkt alfa-raspada uranija i
torija. Do raspada dolazi zbog nestabilnosti atomske jezgre odnosno
neuravnoteženoga broja protona i neutrona u njoj.), beta-čestice (β - je brzi
elektron ili pozitron koji nastaje pri raspadu atomskih jezgri nekih
radioaktivnih elemenata. Beta-čestice su vrsta ionizirajućeg zračenja, koje ima
dovoljno energije da u međudjelovanju s hemijskom tvari ionizira tu tvar. U
međudjelovanju s tvari dolazi do izmjene energije i izmjene strukture ozračene
tvari. Takve posljedice mogu biti korisne, ali i vrlo štetne.) i gama (γ - su
neutralne i vrsta su ionizirajućeg zračenja, te posjeduju znatno veću
prodornost od alfa-čestica i beta-čestica. Gama zrake su snopovi fotona. Foton
je kvant energije, odnosno "energetski paket", bez mase mirovanja.)
zračenjima. Zračenja iz jezgre se događaju i u drugim oblicima, uključujući
emitiranje protona ili neutrona, te spontanih nuklearnih fisija (cijepanja)
masivnih jezgri. Radioaktivni raspad pretvara jednu jezgru u drugu ako nova
jezgra ima veću energiju vezanja po nukleonu nego što je imala početna jezgra.
Razlika u energiji vezanja (prije i poslije raspada) određuje koji se raspadi
mogu energijski događati, a koji ne. Višak će energije vezanja izlaziti u obliku
kinetičke energije ili mase čestica u raspadu. Nuklearni raspadi moraju
zadovoljiti nekoliko zakona očuvanja energije, podrazumijevajući da
vrijednost očuvane veličine nakon raspada (uzimajući u obzir sve produkte)
ima jednaku vrijednost kao i za jezgru prije raspada.
4. Prolaz zračenja kroz materiju?
4
Mogućnost ionizacije osnovna je posljedica prolaza radioaktivnih zračenja
kroz materiju, pa radioaktivna zračenja nazivamo i ionizirajuća zračenja. Tako
alfa čestice potpuno zaustavlja gornji sloj ljudske kože, te izvana ne mogu
prodrijeti do osjetljivih unutrašnjih organa. Nasuprot tome, alfa su čestice vrlo
opasne kada se unesu ingestijom ili disanjem, jer se potpuno apsorbiraju u
malom volumenu osjetljivog tkiva, kojeg mogu sasvim uništiti.
Prolaz α i β zračenja:
Alfa i beta čestice najčešće gube energiju međudjelujući s elektronskim
omotačima atoma sredstva kroz koji prolaze. Uvek su zastupljena tri procesa, a
udio svakog pojedinačnog zavisi od osobina atoma (molekula) sredine i
osobina zračenja.
Ekscitacija ( je proces u kome brza naelektrisana čestica predaje nekom
od elektrona u omotaču atoma mali deo svoje energije pa elektron
prelazi u neki viši energetski nivo posle čega se brzo vraća u svoje
osnovno stanje uz emisiju X zračenja).
Jonizacija (
je proces u kome visokoenergetska naelektrisana čestica
predaje nekom od elektrona u omotaču atoma energije dovoljnu da
elektron napusti atom usled čega nastane jonski par: pozitivno
naelektrisan atom i negativno naelektrisan elektron koji je napustio
atom. Postoji primarna jonizacija i sekundarna jonizacija
Disocijacija (
je proces pri kom dolazi do reverzibilnog raskidanja
hemijske veze usled primljene dodatne energije i hemijska vrsta
(molekula, jon i sl.) se rastavlja na jednostavnije delove.
Prolaz γ zračenja:
5
