Rudarjenje in predelava uranove rude
Uran se nahaja v zemeljski skorji. Je precej razširjen, vendar v zelo majhnih koncentracijah.
Uranovo rudo najprej drobimo in meljemo ter iz nje odstranjujemo jalovino. Uranove minerale raztapljamo v raztopinah kislin ali baz. Prečiščen koncentrat, ki vsebuje U3O8, imenujemo rumena pogača.
Rumeno pogačo za izdelavo gorivnih tablet pretvorimo v primernejšo obliko. Običajno jo pretvarjamo v uranov heksafluorid (UF6), da dobimo plinsko obliko uranovih molekul, katere lažje obogatimo. Uranov heksafluorid je pri normalnih pogojih v trdnem stanju, pri temperaturi 56 °C pa v plinastem stanju.
Obogatitev urana
Poznamo dve metodi. Prva, ki je bila razvita, temelji na plinski difuziji, kjer uranov heksafluorid pod pritiskom spuščamo skozi posebne membrane, ki so različno prepustne za lažje in težje molekule. Tako se postopoma povečuje delež lahkih molekul (izotop urana 235), čemur pravimo postopek obogatitve. Postopek ločevanja je treba več tisočkrat ponoviti, da dosežemo zahtevano razmerje.
Druga, učinkovitejša metoda ločevanja je plinska centrifuga. V rotirajočih centrifugah se težje molekule izotopov urana nahajajo na zunanjem robu centrifuge, medtem ko se lažje molekule zadržujejo v sredini, od koder jih izčrpamo.
Jedrske elektrarne večinoma uporabljajo obogateno gorivo, ki vsebuje od 1 do 5 % izotopa urana 235. Naravni uran namreč vsebuje le 0,71 % tega izotopa (večinski del pa predstavlja uran 238), zato ga je treba obogatiti. Obstajajo tudi tipi elektrarn, ki uporabljajo samo naravni uran. Njihovi reaktorji so zaradi tega dimenzijsko nekajkrat večji, da lahko vzpostavijo kontrolirano verižno reakcijo.
Izdelava gorivnih elementov
Obogateni uranov heksafluorid pretvorimo v uranov dioksid v obliki prahu, ga stisnemo v tabletke in termično obdelamo.
Dimenzije gorivnih tabletk: premer: okoli 8 mm in dolžina: 9,8 mm.
Gorivne tabletke so neprodušno zaprte v ceveh gorivnih palic s premerom 9,5 mm.
Gorivne palice v NEK so dolge 3,65 m, debelina njihove srajčke pa je približno 0,57 mm. Gorivna palica je narejena iz cirkonijeve zlitine, kovine, ki ima dobre kemijsko-mehanske lastnosti. Ima tudi zelo dobre fizikalne lastnosti in zadržuje cepitvene produkte. Prostor med srajčko in gorivnimi tabletkami je napolnjen s helijem, kar preprečuje deformacijo gorivnih palic, ki bi lahko nastala zaradi obratovalnih razmer v reaktorju (tlak nad 150 bar).
Gorivne palice se nato združijo v gorivni element. V NEK posamezni gorivni element vsebuje 235 gorivnih palic.
Uporaba jedrskega goriva v reaktorju
V sredici reaktorja (v NEK sestavljena iz 121 gorivnih elementov) gorivo sprošča toploto, ki se nato preko mehanske energije pretvarja v električno energijo. Sveže gorivo pred vstopom v reaktor ni radioaktivno in omogoča enostavno manipulacijo. Šele v reaktorju, ko steče verižna reakcija, postane močno radioaktivno in pri jedrskih reakcijah oddaja toploto, ki greje vodo.
Predelava uporabljenega jedrskega goriva in ponovna raba v reaktorju
Novejši jedrski reaktorji omogočajo uporabo tako imenovanega MOX-goriva. MOX-gorivo je izdelano iz mešanice recikliranega uporabljenega in svežega goriva. Manipulacija z MOX-gorivom je zahtevnejša, saj je to gorivo radioaktivno. Iz izrabljenega goriva, tj. goriva, ki je bilo že uporabljeno v reaktorju, se reciklirata uran in plutonij ter se z mešanjem s svežim uranom uporabita kot MOX-gorivo. Preostanek iz recikliranja je visoko radioaktivni odpadek, ki ima vsaj 100-krat manjšo radiotoksičnost, kot jo ima sicer izrabljeno gorivo. V praksi to pomeni 1000 let potrebne izolacije odpadka od okolja namesto 100.000 let. Recikliranje uporabljenega goriva in uporaba MOX-goriva omogočata krajši čas potrebne izolacije odpadka od okolja, vnovično uporabo jedrskega goriva in zmanjšanje potrebe po svežem naravnem uranu.
Kratkoročno skladiščenje uporabljenega goriva
Po odstranitvi iz sredice je gorivo najprej shranjeno v bazenu za uporabljeno gorivo, predvsem z namenom, da je hlajenje goriva ustrezno. Že po petih letih je mogoče tudi suho skladiščenje tega goriva v posebej izdelanih nepropustnih vsebnikih (kontejner v obliki valja) za izrabljeno gorivo, ki omogočajo ustrezno hlajenje goriva in preprečujejo sevanje goriva v okolico. Že ime pove, da gre za suho skladiščenje, kar pomeni, da toploto, ki jo oddaja uporabljeno gorivo, odvaja zrak okoli vsebnika.
Dolgoročno odlaganje visoko radioaktivnih odpadkov
Uporabljeno gorivo samo po sebi ne spada med visoko radioaktivne odpadke, saj je sekundarna surovina, iz katerega lahko pridobimo predelan uran in plutonij, ki se uporabljata za novo jedrsko gorivo. V kolikor uporabljenega goriva ne bi predelovali in s tem ne bi bil več koristna surovina, bi postal visoko radioaktivni odpadek, sicer pa se za odpadek tretira samo preostanek odpadka iz postopka predelave.
Nereciklirano gorivo, ki se tretira kot nekoristna surovina, se odlaga v posebnih nepropustnih vsebnikih za trajno odlaganje. Konceptov nepropustnih vsebnikov je več, so pa podobni vsebnikom za suho skladiščenje izrabljenega goriva. Vsebniki se odlagajo globoko v obstojne trdne kamnine, kjer ni večjih pretokov vode, ki predstavlja največjo potencialno nevarnost za transport radionuklidov. Zaradi visoke radio-toksičnosti je tak odpadek treba izolirati od okolja za približno milijon let.
Druga možnost je dolgoročno odlaganje odpadka iz postopka recikliranja izrabljenega goriva. Visoko radioaktivne odpadke pred odlaganjem utrdijo s postopkom vitrifikacije. Pri tem se radioaktivni odpadki stalijo skupaj s posebnim steklom, pri čemer nastane trda netopna snov, podobna strjeni lavi, kar predstavlja zelo obstojen material, ki preprečuje transport radionuklidov v okolje. Vitrificirani odpadek je dodatno shranjen v posebnem nepropustnem kanistru, ki se ga nato trajno odloži prav tako globoko v trdno kamnino. V postopku vitrifikacije in predelave se za petkrat zmanjša potreben volumen in zahtevana doba izolacije. V tem primeru je le-ta 100-krat krajša kot pri uporabljenemu gorivu in znaša 10.000 let. Količine odpadkov so manjše predvsem zato, ker se uran in plutonij uporabita za izdelavo MOX-goriva.