Uraanipolttoaineen valmistuksen riskit

Konversio

Luonnonuraani pitää rikastaa eli isotooppiväkevöidä, koska ydinreaktorissa halkeavan uraani-235 pitoisuus on malmissa vain 0,7 % ja se pitää nostaa 4 % tasolle, jotta se soveltuisi reaktorikäyttöön. Suurin osa luonnonuraanista on uraani-238 isotooppia.

Uraani muunnetaan eli konversoidaan kemiallisesti kaasumaiseen muotoon. Ensin siitä tehdään konversiolaitoksessa välituotteita kuten uraanitrioksidia (UO3) uraanidioksidia (UO2) Näihin lisätään fluorihappona, jolloin saadaan uraanitetrafluoridia (UF4). Tähän lisätään fluorikaasua reaktorissa ja konversioprosessin lopputuloksena on kaasuuntuva uraaniheksafluoridi (UF6). 

Prosessissa erotellaan "yellow caken" sisältämät radioaktiiviset ja raskasmetalleja sisältävät sivuainekset, joita voi olla 10 - 30 %. Nämä jäävät jätteeksi.

Uraanin isotooppiväkevöinti

Uraaniheksafluoridi voidaan rikastaa eli isotooppiväkevöidä kaasudiffuusiomenetelmällä tai kaasusentrifugilla, jolloin uraani- 235 isotoopin pitoisuus nostetaan alle prosentista noin 4 %:iin. Prosessissa UF6 lämmitetään kaasuksi ja johdetaan kaasusentrifugiin.

Uraanin eri painoiset isotoopit kulkevat eri nopeudella laitteen kalvojen läpi, jolloin raskaampaa uraani-238 isotooppia voidaan poistaa ja uraani-235 pitoisuutta nostaa. Erotellusta U-238 tulee niin sanottua köyhdytettyä uraania, jota käytetään suuren painonsa takia mm. ammuksissa.

UF6 muuttuu normaalipaineessa suoraan kiinteistä kiteistä kaasuksi noin 57 asteen lämpötilassa. Suuremman paineen alla UF6 on myös nestemäistä. Aine säilytetään ja kuljetetaan kaasutiiviissä terässäiliöissä.

Muuttuessaan nesteeksi ja kaasumaiseksi UF6:den tilavuus kasvaa voimakkaasti ja paine säiliöissä kasvaa. Tämä lisää säiliön rikkoontumisen ja aineen ulos purkautumisen vaaraa, varsinkin jos säiliöt ovat ylitäytettyjä. UF6 on hyvin reaktiivista ja syövyttävää joutuessaan veden, esimerkiksi ilman kosteuden kanssa tekemisiin. Ihmiselle se aiheuttaa keuhkovaurioita ja munuaisvammoja.

Samalla rikastuslaitteistolla, jolla rikastetaan uraania ydinpolttoaineeksi, voidaan uraani-235 pitoisuus nostaa 90 % tasolle, jolloin materiaali soveltuu ydinaseen keskeiseksi ainesosaksi. YK:n ydinsulkusopimus kieltää ydinasevaltoja jakamasta ja muita maita käyttämästä teknologioita, joita voidaan käyttää ydinaseen valmistamiseen.

Uraanin rikastaminen esimerkiksi kaasusentrifugilla siviilikäyttöön on ollut pitkään tulkittu sopimuksessa sallituksi toiminnaksi, jos maa hyväksyy kansainvälisen ydinenergiajärjestön IAEA:n tarkastukset. Tilanne on kärjistynyt, koska useat maat ovat kehittäneet ydinaseen uraania rikastamalla ja valvonnan kiertäminen on muuttunut helpommaksi. Eräät maat kuten Iran, joilla on suunnitelma rikastaa uraania, ovat joutuneet epäillyiksi suunnitelmista valmistaa ydinase.

Nyt myös IAEA on pitänyt uraanin rikastamista ydinsulkusopimuksen kannalta ongelmallisena ja on kehottanut maita näyttämään esimerkkiä ja olemaan aloittamatta uraanin rikastusta.

Polttoaineen valmistus ja käyttö

Rikastettu uraani muunnetaan uraanidioksidiksi (U2O) ja muunnetaan napeiksi, jotka asetellaan zirkoniumista tehtyyn polttoainesauvaan. Polttoaineen valmistuksessa täytyy varmistaa, että rikastettua uraania ei koskaan joudu niin suuri määrä lähekkäin, että uraani saavuttaa kriittisyyden eli käynnistyy hallitsematon ketjureaktio. Turvallisuussääntöjen rikkomisen takia näin tapahtui Tokaimuran ydinpolttoainelaitoksessa Japanissa vuonna 1999, jossa ydinreaktio saatiin sammumaan vasta päivien jälkeen. Kolme ihmistä kuoli ja sadat ihmiset altistuivat säteilylle.

Valmiit polttoainesauvat kuljetetaan käyttöpaikalle ja sijoitetaan ydinreaktoriin neutroneita hidastavan aineen, esimerkiksi veden keskelle niin, että hallittu uraanin ketjureaktio alkaa. Uraani-235 atomit pommittavat toisiaan neutroneilla, jotka halkaisevat seuraavan uraaniytimen, joka vapauttaa taas seuraavan neutronin. Reaktio tuottaa polttoainesauvassa lämpöä ja radioaktiivisia hajoamistuotteita.

Polttoaine on reaktorissa normaalisti noin kolme vuotta, jonka jälkeen se on muuttunut voimakkaasti radioaktiiviseksi. Ketjureaktion tuottamat hajoamistuotteet sisältävät voimakkaasti läpäiseviä gammasäteilijöitä, lisäksi ne sisältävät vähemmän läpäiseviä beeta- ja alfa-säteiljöitä, jotka ovat vaarallisia iholle joutuessaan tai nautittuina ja usein hyvin pitkä-ikäisiä. Siksi käytetty polttoaine pitää säilyttää vesialtaissa vuosikymmeniä sen käytön jälkeen ja sen jälkeen eristää ympäristöstä sadoiksi tuhansiksi vuosiksi.