Ydinpolttoainekierto tarkoittaa ydinpolttoaineen raaka-aineiden hankinnan, valmistuksen, kuljetusten, käytön, kierrätyksen ja jätehuollon muodostamaa kokonaisuutta, joka on tarpeen ydinreaktoreiden käyttämiseksi ja ydinenergian tuottamiseksi. Vuonna 2007 Suomi toi ydinpolttoainetta Ruotsista 20 tonnia uraania ja Venäjältä 13 tonnia uraaniaEnergian tuonti alkuperämaittain vuonna 2007, Tilastokeskus (Tullihallitus/Ulkomaankauppatilasto, Säteilyturvakeskus, Öljy- ja Kaasualan Keskusliitto ry.) 20.3.2008, mikä tilavuudeltaan vastaa kolmea kuutiometriäUranium dioxide. Webelements.com. ja riitti tuottamaan 28 % sähköstä SuomessaFinland: Electricity and Heat for 2007 . International Energy Agency, Pariisi, Ranska..
Erilaisia ydinpolttoainekiertoja on olemassa, riippuen siitä minkä tyyppisestä reaktorista on kyse. Nykyään selvästi yleisin käytössä oleva reaktori on tyypiltään ns. kevytvesireaktori (Light Water Reactor – LWR), joka käyttää ns. uraani-ydinpolttoainekiertoa (katso myös Torium-ydinpolttoainekierto ja sulasuolareaktori). Luonnonuraani on raskas, puhtaassa muodossaan lievästi radioaktiivinen metalli, jota esiintyy luonnossa varsin paljon; luonnonuraani on suurin piirtein yhtä yleistä kuin tina ja noin 500 kertaa kultaa yleisempää. Kuitenkin kevytvesireaktorissa ydinenergian tuottamiseen vaadittavaa 235U:a on luonnonuraanista vain 0,7 %, minkä vuoksi tarvitaan polttoaineen rikastamista. Loput, eli noin 99,3 % 238U:a, ei suoraan sovellu energiantuottoon kevytvesireaktorissa, joskin osa siitä muuttuu reaktorin käydessä plutoniumiksi, joka voi osallistua energiaa tuottavaan ketjureaktioon.
Ydinpolttoaineelle on tyypillistä, että hyvin pienet polttoainemäärät luovuttavat suuria määriä energiaa. Siksi ydinpolttoaineen tuotannon mittakaava ja sen vaikutukset samoin kuin loppusijoitettavien aineiden määrät ovat pieniä suhteessa tuotettuun energiaan. Ydinpolttoaineen käyttö ei synnytä useimmille muille polttoaineille tyypillisiä päästöjä, kuten rikki-, typpi- ja hiilidioksidipäästöjä. Käytetty polttoaine voidaan joko jälleenkäsittelyllä palauttaa polttoainekiertoon 95 %:sesti (vaikkakin suurin osa jälleenkäsitellystä polttoaineesta on 238U:aa, joka ei siis osallistu fissioenergiantuottoon kevytvesirektorissa) tai loppusijoittaa. Suomessa käytettyä ydinpolttoainetta ei jälleenkäsitellä, vaan se on tarkoitus loppusijoitettaa kokonaan kallioon.
Käyttämätön ydinpolttoaine uraanidioksidi UO2 on vain lievästi radioaktiivista. Sen 235U-isotooppirikastusastejakauma on yleensä noin 3–5 % eli noin 95–97 % 238UO2 ja noin 3–5 % 235UO2. Käytetty ydinpolttoaine sen sijaan säteilee hyvin voimakkaasti, joten säteilysuojelutoimet ovat sen varastoinnissa ja kuljetuksessa tarpeen. Käytetystä ydinpolttoaineesta radioaktiivisen tekee 235U hajoamisen (fission) seurauksena syntyvät voimakkaasti radioaktiiviset fissiotuotteet ja reaktorissa neutronikaappauksella aktivoituneet aineet.
Ydinpolttoaine luonnonvarana Pääartikkeli Uraanin esiintyminen
pienoiskuva|Uraanin riittävyys on sitä suurempi, mitä enemmän varoja hyväksytään arvioon mukaan. Luvut ilmaisevat varojen keston vuosissa nykykulutuksella.
Uraani on uusiutumaton luonnonvara, jota kuitenkin on maankuoressa suhteessa sen kulutukseen niin huomattava määrä, ettei sen ehtyminen ennakoitavissa olevalla aikajänteellä ole realistinen vaihtoehto. Uraania on maapallolla kaikkiaan noin 63 biljoonaa tonnia, ja maankuoressa sen pitoisuus on noin 4 miljoonasosaa. Tämän lisäksi käytössä ovat olemassa olevat uraanivarastot, ydinpolttoaineen jälleenkäsittely sekä ydinaseriisunnasta saatava polttoaine. Noin 40 % maailman ydinsähköstä tuotetaan tällä hetkellä näistä kaivostoimintaa kaipaamattomista polttoaineenlähteistä.
OECD:n ydinenergiajärjestön NEA:n ja YK:n alaisen IAEA:n yhteisen raportin mukaan alle 130 dollarin kilohinnalla taloudellisesti käytettävissä olevat tunnetut malmivarannot ovat runsaat 4,7 miljoonaa tonnia, mikä riittäisi nykyisten reaktorien tarpeisiin seuraavaksi 85 vuodeksi. Tunnettujen varantojen lisäksi maankuoressa on kuitenkin toistaiseksi löytämättömiä uraanivaroja. Nykyisin kaivostoiminta edellyttää vähintään 1 000 ppm pitoisuutta uraania malmissa, jotta sen hyödyntäminen olisi kannattavaa. Näissä esiintymissä on Yhdysvaltojen energiaministeriössä tehdyn geologisen kartoituksen perusteella noin 90 miljoonaa tonnia uraania.Deffeyes, K., MacGregor, I.: World Uranium resources Scientific American, Vol 242, No 1, January 1980, pp. 66–76. NEA:n ja IAEA:n uraanivarantojen inventoinnista vastaavat tutkijat ovat arvioineet, että nykykaivostoiminnalle hyödyntämiskelpoiset tavanomaiset varannot uraania riittävät ainakin vuosisadoiksi kun huomioidaan tunnettujen varantojen lisäksi toistaiseksi löytämättömät esiintymät, joita geologian nojalla maankuoressa arvioidaan olevan.
Käytettävissä olevan uraanin määrä riippuu voimakkaasti uraanin hinnasta koska mitä korkeampi hinta on, sitä köyhempiä esiintymiä voidaan hyödyntää panostamalla enemmän kaivostoimintaan. Uraanin hinnan kaksinkertaistuminen kasvattaa uraanivarat kymmenkertaisiksi, hinnan kymmenkertaistuminen jo noin 300-kertaisiksi. Jos viime vuosina nähdystä uraanin hinnan yli kymmenkertaistumisesta edes osa on pysyvää, on seurauksena taloudellisesti kiinnostavien uraanivarojen erittäin huomattava kasvu aivan uuteen suuruusluokkaan. Raakauraanin osuus ydinsähkön hintarakenteessa on vain joitakin prosentteja, joten uraanin huomattavakaan kallistuminen ei nostaisi sähkön hintaa kovinkaan merkittävästi.Ux Consulting Company: Ux U3O8 vs. CIS Prices . Roswell, Georgia, USA, 12.6.2007.
Uraanin riittävyyteen vaikuttavat merkittävästi myös käytetty tekniikka. Ydinvoimaloiden polttoainetaloudellisuus kehittyy koko ajan, mikä hidastaa uraanivarantojen kulumista. Toisaalta kierrättämällä ydinpolttoaine jälleenkäsittelyn kautta, yli 90 % polttoaineesta on mahdollista palauttaa ydinpolttoainekiertoon. Merkittävimmin polttoainevaroja kasvattaisi kuitenkin hyötöreaktorien laajempi käyttäminen, sillä ne kykenevät käydessään tuottamaan enemmän polttoainetta kuin kuluttavat. Toistaiseksi hyötöreaktoritekniikka on tuotantokäytössä kuitenkin vain Venäjällä, vaikka kokeita on tehty muun muassa Yhdysvalloissa, Ranskassa, Japanissa ja Britanniassa.Fells, N.: Nuclear Power , MS Encarta Online Encyclopedia, 2005. Toinen mahdollisuus liittyy fuusioenergiaan, joka hyödyntää polttoaineenaan deuteriumia. Deuteriumia on mahdollista erottaa vedestä, joten maailman meret tarjoaisivat fuusiovoimaloille miltei ehtymättömän polttoainevarannon.
Polttoainekierron alkupää
Uraanin tuotanto
Maailman suurimpia uraanintuottajia ovat Australia ja Kanada, jotka yhdessä tuottavat yhtä paljon uraania kuin kaikki muut maat yhteensä. Merkittäviä uraanivarantoja on myös muun muassa Venäjällä, Kazakstanissa, Uzbekistanissa, Namibiassa, Etelä-Afrikassa ja eräillä alueilla Etelä-Amerikassa.
Uraanimalmin louhinta muistuttaa hyvin paljon muiden metallien tai kivihiilen louhimista. Uraanitaloudelle on tyypillistä, että suhteessa saatuun energiaan tarvitun uraanipolttoaineen määrä on hyvin pieni – suuruusluokkaa yksi sadastuhannesosa verrattuna hiileen. Pitää kuitenkin ottaa huomioon, että fissioenergian tuottamiseen soveltuvan U-235-isotoopin osuus luonnon uraanista on vain 0,7 % ja loput energiantuotannon kannalta käyttökelvotonta U-238-isotooppia. Sekä avolouhoksia että tunnelikaivoksia käytetään. Uusissa kaivoksissa saatetaan käyttää myös malmin kemiallista liuottamista, jolloin esiintymään johdetaan liuotinvirta, jonka mukana uraani otetaan talteen, eikä perinteistä louhintaa tarvita. Seuraavaksi malmin sisältämä uraani erotetaan kemiallisesti noin 85-prosenttiseksi uraanirikasteeksi tai Ammoniumdiuranaatiksi (NH4)2U2O7, jota kutsutaan myös nimellä ”yellowcake” sen keltaisen värin takia. Täten vältytään kuljettamasta kaivospaikalta ylimääräistä massaa uraanin mukana. Prosessia sanotaan uraanin rikastamiseksi.
Luonnonuraani on vain lievästi radioaktiivista, eikä sen käsittelyssä vaadita säteilysuojelutoimia. Kaivostoimintaan tai polttoaineen valmistukseen ei liity ydinreaktioita, joten ne eivät voi synnyttää radioaktiivisuutta, mutta sen sijaan ne voivat siirtää luonnossa jo olevaa radioaktiivisuutta paikasta toiseen. Uraani esiintyy yleensä kivilajeissa, jotka sisältävät keskimääräistä enemmän luonnollisia radioaktiivisia aineita. Nämä jäävät malmin erotuksesta yli jäävään sivukiveen, jonka varastointi täytyy järjestää turvallisesti.
Kaivoksissa käytetään myös kemiallisia aineita, joista osa on myrkyllisiä ja toisaalta kallion mineraalit saattaavat sisältää raskasmetalleja tai muuten suurina annoksina myrkyllisiä aineita, joten sivukivestä, kaivosjätteestä ja muusta jättestä tulee uraanikaivoksillakin huolehtia asiaankuuluvin järjestelyin. Historiallisesti jätehuollon tasossa on esiintynyt kaivosten välillä vaihtelua, parhaiden esimerkkien ollen yleensä nykyaikaisen ympäristövaikutusten arviointimenettelyn sekä ympäristölupakäytännön piirissä olevissa kaivoksissa, sekä toisaalta heikoimpien esimerkkien ollessa ilman valvontaa olevista tai korkean korruption maista, joissa ympäristövaikutusten arviointia ei joko tunneta tai harjoiteta.
Merkittävien energiamäärien varastoiminen uraanina on suhteellisen helppoa, sillä yksi kilo ydinpolttoainetta vastaa yli 100 tonnia hiiltä. Uraania on huomattavia määriä varastoissa ympäri maailman. Tällä hetkellä kulutettavasta ydinpolttoaineesta suuri osa tuleekin vanhojen varastojen purkamisesta ja ydinaseriisunnasta.
Väkevöinti
Luonnonuraanista noin 0,7 % on fissiiliä, helposti halkeavaa U-235-isotooppia, loppu on pääasiassa isotooppia U-238. Useimmat reaktorit käyttävät korkeammin väkevöityä polttoainetta, jota varten U-235:n suhteellista osuutta uraanissa täytyy kasvattaa noin 3–5 %:iin. Koska eri isotoopit käyttäytyvät kemiallisesti identtisesti, väkevöinnissä hyödynnetään uraanin eri isotooppien atomien pienenpientä massaeroa U-238:n ollessa hieman raskaampi. Väkevöintiä varten uraanirikaste tai Ammoniumdiuranaatiksi (NH4)2U2O7 muunnetaan uraaniheksafluoridiksi (UF6), joka on kaasu yli 50 °C:ssa. Tätä kutsutaan konversioksi. Väkevöinti tapahtuu joko kaasudiffuusiolla tai sentrifugien avulla. Tyypillisesti voimalaitoskäyttöön kevytvesireaktoreiden polttoaineeksi tarkoitettu uraani väkevöidään noin 3–5 %:iin. Ydinaseita valmistettaessa samalla jalostusprosessilla tuotetaan ydinpommiin soveltuvaa yli 90 %:sti väkevöityä uraania, mutta väkevöintiasteeltaan alhaisempi tavallinen ydinpolttoaine ja luonnonuraani ovat sellaisenaan kelvottomia asekäyttöön. Väkevöinti tuottaa runsaasti köyhdytettyä uraania. Köyhdytettyä uraaniheksafluoridia, jossa 235U-pitoisuus on alle 0,2 %, syntyy noin 88 % koko käytettävästä uraaniheksafluoridista, kun rikastusaste on reaktorikäyttöön vaadittava 3–5 %.
Polttoaineen valmistus Väkevöity uraaniheksafluoridi muunnetaan uraanidioksidiksi (UO2), joka on olomuodoltaan keraaminen, kiinteä jauhe. Uraanioksidi puristetaan ja sintrataan keraamisiksi tavallisesti sylinterinmuotoisiksi napeiksi, jotka ovat tilavuudeltaan yleensä alle kuutiosenttimetrin kokoisia. Kustakin napista voidaan tuottaa sähköä noin 10 000 kilowattituntia. Uraaninapit pinotaan zirkoniumsauvoihin, jotka hitsataan umpinaisiksi ja kootaan nipuiksi. Tämän jälkeen polttoainenippu toimitetaan voimalaitokseen käytettäväksi.
500px|thumb|left|Rahtilaiva NS Savannahin ydinpolttoainenippu, joka koostuu 164 polttoainesauvasta (nippu lyhennetty keskeltä kuvaan)