Malmista ydinpolttoaineeksi

Uraanimalmilla tarkoitetaan luonnon mineraaliesiintymää, josta on taloudellisesti kannattavaa tuottaa uraania. Tuotannossa olevien uraaniesiintymien 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 %). Uraanimalmimineraaleista yleisin on uraniniitti, joka on kiteinen uraanioksidi. Amorfista muunnosta uraanioksidista kutsutaan pikivälkkeeksi.

Uraanin tie ydinpolttoaineeksi alkaa kaivoksesta kuten kaikkien metallien. Louhinta tapahtuu usein samoin menetelmin kuin minkä tahansa muunkin malmin louhinta. Uraania erotetaan päätuotteena uraanikaivoksissa ja sivutuotteena muiden metallien (esim. kulta ja kupari) kaivoksissa. Maailmalla uraania tuotetaan ISL-menetelmällä (45 %), maanalaisista kaivoksista (28 %), avolouhoksista (20 %) ja lisäksi sivu- tai rinnakkaistuotteena eri menetelmillä (7 %). Tuotannoltaan suurimmat uraanikaivokset vuonna 2012 olivat McArthur River Kanadassa (7 520 tU) sekä Olympic Dam (3 386 tU) ja Ranger (3 146 tU) Australiassa.

Uraanin rikastus tarkoittaa uraanin erottamista malmista. Uraanikaivosalue käsittää yleensä sekä kaivoksen (louhinta) että rikastamon (laitos, jossa uraani erotetaan malmista uraanirikasteeksi). Maanalaisissa kaivoksissa ja avolouhoksissa louhittu uraanimalmi murskataan, sekoitetaan veden kanssa ja jauhetaan rikastamolla hienojakoiseksi lietteeksi, josta uraani erotetaan liuottamalla. Jauhatuksessa syntynyt liete ohjataan liuotussäiliöihin, joihin lisätään prosessista riippuen esim. rikkihappoa, ferrisulfaattia ja vetyperoksidia uraanin liuottamiseksi ja hapettamiseksi.

Kaivoksen tuotantomenetelmästä riippumatta uraani on saatava liuokseen (hapan tai alkalinen), josta se erotetaan hydrometallurgisin menetelmin (useimmiten nesteuutto). Nesteuutossa uraani erotetaan orgaanisen liuoksen avulla, jonka jälkeen uraani napataan orgaanisesta liuoksesta esim. ammoniumsulfaattiliuoksen avulla, jolloin lopputuloksena on puhdistettu ja konsentroituneempi liuos. Nesteuuton jälkeen liuos ohjataan saostussäiliöihin, joissa uraani saostetaan liuoksesta esim. ammoniumdiuranaattina ammoniakin avulla. Tämän jälkeen ammoniumdiuranaattisakka erotetaan liuoksesta sakeuttimessa. Ammoniumdiuranaatista koostuvaa uraanirikasteen välivaihetta kutsutaan keltaisen värinsä vuoksi ”keltaiseksi kakuksi” (yellowcake). Sakeuttamisen jälkeen ammoniumdiuranaatti sentrifugoidaan, kuivataan ja kalsinoidaan monen sadan asteen lämpötilassa, jolloin lopputuotteena on lähinnä uraanioksideista koostuva uraanirikaste, joka pakataan terästynnyreihin ja toimitetaan jatkojalostettavaksi. Uraanirikasteen uraanipitoisuus on tyypillisesti noin 85 %, kosteuspitoisuus alle 0,5 % ja väriltään tuote on usein vihertävän mustaa.

ISL-menetelmässä (in situ leaching) malmia ei louhita, vaan liuotin syötetään alas malmivyöhykkeeseen injektiokaivoja pitkin ja uraanipitoinen liuos pumpataan ylös tuotantokaivoja pitkin maanpinnalle uraanin erottamista varten. Liuennut uraani erotetaan ja saostetaan. Köyhien malmien rikastukseen voidaan käyttää kasaliuotusta, jossa louhittu (maanalainen tai avolouhinta) ja murskattu uraanimalmi kasataan, ja malmikasojen 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 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 U-235 osuutta pitää nostaa (0,72 % → 3-5 %) eli uraani väkevöidään yleensä kaasusentrifugitekniikalla (perustuu isotooppien U-235 ja U-238 massaeroon). Väkevöinnin sivutuotteena syntyy köyhdytettyä uraania, jota varastoidaan yleensä väkevöintilaitoksilla. Seuraavassa vaiheessa väkevöity uraaniheksafluoridi toimitetaan polttoaineen valmistukseen, jossa se muunnetaan kiinteäksi uraanioksidiksi (UF6 → UO2) ja puristetaan pelleteiksi. Polttoainepelletit pinotaan zirkoniumsauvoihin, 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 isotoopin U-235 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.

Taulukko 1. Esimerkki 1000 MWe ydinvoimalaitosyksikön vuodessa käyttämän polttoaineen materiaalivirrasta uraanimalmista käytetyksi polttoaineeksi (lähde: World Nuclear Association)

Kaivos
20 000 tonnia malmia, keskipitoisuus 1 % U
(luonnonuraania, nat. U)
Rikastus
230 tonnia rikastetta (uraanin oksideja),
jossa 195 tU (nat. U)
Konversio
288 tonnia uraaniheksafluoridia UF6,
jossa 195 tU (nat. U)
Väkevöinti
35 tonnia väkevöityä UF6,
jossa 24 tonnia väkevöityä U (4 % 235U).
253 tonnia köyhdytettyä UF6 (0,25 % 235U)
Polttoaineen valmistus
27 tonnia uraanidioksidia UO2,
jossa 24 tonnia väkevöityä U
Reaktorin käyttö
8,76 TWh sähköä = 22,3 tonnia nat. U/TWh
Käytetty polttoaine
27 tonnia, jossa
240 kg plutoniumia (Pu) ym. transuraaneja,
23 tU (0,8 % 235U),
1100 kg halkeamistuotteita
 
 

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

Aihepiiristä muualla

Tukes (kaivosviranomainen 1.7.2011 alkaen)
TEM: kaivostoiminta ja malminetsintä/uraani
TEM: ydinenergia
Euratom Supply Agency (englanninkielinen)
STUK: Säteilyturvakeskuksen etusivu
STUK: Uraani Suomessa, oikopolut
STUK: Säteily ympäristössä ( mm. uraanikaivokset, radon)
STUK: Ydinturvallisuus (voimalaitokset, jätteet)
STUK: Uraania! seminaari 10.9.2010, Helsinki
ERACEdu: Uraanintuotannon ja ydinvoiman riskit: Uraanintuotannon ja ydinvoiman riskit 19-20.10.2010, Kuopio
Atomiteknillinen seura (esitelmiä ja raportteja)
Energiateollisuus ry: Hyvä tietää –esitesarja (uraani, ydinvoima, ydinjäte)