Malmista ydinpolttoaineeksi

Uraanimalmilla tarkoitetaan luonnon mineraaliesiintymää, josta on taloudellisesti kannattavaa tuottaa uraania. Maailman uraanimalmiesiintymien keskipitoisuus vaihtelee huomattavasti (<0,03 - 22 % U) esiintymätyypistä riippuen. Suomessa on ydinenergia-asetuksessa määritelty uraanimalmiksi kivennäinen, jossa uraanin keskimääräinen pitoisuus on suurempi kuin 1 kg tonnissa (0,1 %). Uraniniitti (uraanidioksidi UO2) on yleisin uraanimalmimineraali. Uraniniitti on kiteistä, ja uraanidioksidin amorfista muunnosta kutsutaan pikivälkkeeksi.

Uraanin tie ydinpolttoaineeksi alkaa kaivoksesta kuten kaikkien metallien. Louhinta tapahtuu usein samoin menetelmin kuin minkä tahansa malmin louhinta. Uraania erotetaan päätuotteena uraanikaivoksissa ja sivutuotteena muiden metallien (esim. kulta ja kupari) kaivoksissa. Maailmalla uraania tuotetaan ISL-menetelmällä (41 %), maanalaisista kaivoksista (28 %), avolouhoksista (25 %) ja lisäksi sivutuotteena eri menetelmillä (5 %). Tuotannoltaan suurimmat uraanikaivokset vuonna 2010 olivat McArthur River Kanadassa (7 654 tU), Ranger Australiassa (3 216 tU) ja Rössing Namibiassa (3 077 tU).

Uraanin rikastus tarkoittaa uraanin erottamista malmista. Uraanikaivosalue käsittää yleensä sekä kaivoksen (louhinta) että rikastamon (laitos, jossa uraani erotetaan malmista uraanirikasteeksi). Maanalaisten kaivosten ja avolouhosten uraanimalmi murskataan ja jauhetaan hienojakoiseksi lietteeksi, josta uraani erotetaan liuottamalla. Liuennut uraani erotetaan, saostetaan ja kalsinoidaan; lopputuotteena on uraanirikaste (U3O8), jonka uraanipitoisuus voi olla 80-95 % U.

ISL-menetelmässä (in situ leaching) malmia ei louhita, vaan liuotinta syötetään maanalaiseen, huokoiseen malmiesiintymään injektiokaivoja pitkin ja uraanipitoista liuosta pumpataan tuotantokaivoista takaisin maanpinnalle. Liuennut uraani erotetaan ja saostetaan. Köyhien malmien rikastukseen voidaan käyttää kasaliuotusta, jossa louhittu (maanalainen tai avolouhinta) ja murskattu uraanimalmi kasataan suuriksi aumoiksi, joiden läpi valutetaan liuotinta. Uraani erotetaan ja saostetaan liuoksesta kuten muissakin menetelmissä.

Uraania käytetään ydinvoimaloiden polttoaineena. Uraanikaivoksilla tuotettavaa uraanirikastetta ei voida käyttää sellaisenaan, vaan se pitää jatkojalostaa. Konvertoinnissa rikasteen luonnonuraani puhdistetaan ja muutetaan kaasumaiseen olomuotoon uraaniheksafluoridiksi (UF6). Kevytvesireaktoreita varten (90 % maailman voimalaitosyksiköistä) luonnonuraania sisältävä uraaniheksafluoridi toimitetaan väkevöitäväksi eli isotooppiseen rikastukseen.

Ydinreaktorien sähköntuotanto pohjautuu indusoituun fissioon perustuvaan ketjureaktioon, jonka aikaansaamiseksi luonnonuraanin isotoopin 235U osuutta pitää nostaa (0,71 % → 3-5 %) eli uraani väkevöidään yleensä kaasusentrifugitekniikalla (perustuu isotooppien 235U ja 238U massaeroon). Väkevöinnin sivutuotteena syntyy köyhdytettyä uraania, joka varastoidaan väkevöintilaitoksille. Seuraavassa vaiheessa väkevöity uraaniheksafluoridi toimitetaan polttoaineen valmistukseen, jossa se muunnetaan kiinteäksi uraanidioksidiksi (UF6 → UO2), joka puristetaan ja sintrataan pelleteiksi. Polttoainepelletit ladataan zirkoniumputkiin, jotka hitsataan umpinaisiksi ja kootaan nipuiksi. Lopuksi polttoaineniput toimitetaan voimalaitoksiin käytettäviksi.

Voimaloiden vuosihuollon yhteydessä osa polttoainenipuista vaihdetaan, sillä jatkuvan ydinreaktion ylläpitämiseksi reaktorissa täytyy olla riittävä määrä halkeamiskelpoisia aineita. Yleensä polttoainetta pidetään reaktorissa 3-5 vuotta, minkä jälkeen 235U:n määrä on laskenut suunnilleen samalle tasolle kuin luonnonuraanissa (95 % polttoaineesta on edelleen uraania). Kaiken kaikkiaan uraanista muuttuu 4-5 % muiksi aineiksi, joista 3-4 % on uraanin hajoamistuotteita ja noin 1 % uraania raskaampia alkuaineita, ns. transuraaneja, kuten plutoniumia.

Käytetty polttoainenippu siirretään välivaraston vesialtaaseen, jossa sen radioaktiivisuus vähenee nopeasti lyhytikäisimpien aineiden hajotessa pysyviksi aineiksi. Käytetyn polttoaineen radioaktiivisuus laskee vuodessa sadasosaan siitä, mitä se oli välittömästi reaktorista otettaessa. Samassa ajassa polttoaineen lämpöteho laskee 1400 kilowatista noin 10 kilowattiin.

Käytetyn polttoaineen käsittelyssä on reaktorista poistamisen jälkeen kaksi mahdollisuutta: jälleenkäsittely ja uuden polttoaineen valmistus tai loppusijoitus kallioperään. Suomessa toimivien neljän ydinvoimalaitosyksikön sekä rakenteilla olevan viidennen yksikön käytetty ydinpolttoaine on päätetty loppusijoittaa Olkiluodon kallioperään.

Esimerkki 1000 MWe ydinvoimalaitosyksikön vuodessa käyttämän polttoaineen materiaalivirrasta uraanimalmista käytetyksi polttoaineeksi (lähde: World Nuclear Association)

Uraanimalmia Enon Paukkajanvaarasta. Keltainen mineraali uranofaania. Kuva: J.Väätäinen, GTK.