Eto, položio sam jedan od tri preostala ispita s područja nuklearne energetike oko kojih skoro već godinu dana obilazim kao mačak oko vruće kaše. Nuklearna energetika, naime, jest interesantna kad ja vama ovako pišem o popularnim i probranim temama na popularno-znanstven način, to je onda vrlo zanimljivo i intrigantno, no kad se udubite u cijelu tu priču, osim ako niste suludi fanatik za čitavom reaktorskom teorijom, to postaje uistinu zamor mentala. No, da pustimo jadikovku malo na stranu i bacimo se na posao.

Par riječi o plutoniju i kako on nastaje u reaktoru

Dakle plutonij je element kojeg ćete naći u periodnom sustavu elemenata pod brojkicom 94, ima šest izotopa: Pu-239 do Pu-244. Svaki od pojedinih izotopa ima drastično različita fizikalna i kemijska svojstva, pa ga ne zovu bez razloga: “fizičarev san i inžinjerova noćna mora”. Kad govorimo o nuklearnoj energetici, najviše nas zanima upravo Pu-239, koji je bio sadržaj bombe bačene na Nagasaki 1945., snage od oko 20 kilotona TNT-a. Osim strateškog materijala za nuklearne bojne glave, plutonij može poslužiti i kao materijal za tzv. “prljave bombe”, to jest radiološko oružje čiji je cilj eksplozijom proširiti radioaktivni materijal. Što se tiče radiološkog utjecaja plutonija, on je postavljen pod upitnik samim time što radnik bez značajnijih posljedica može držati kilogram plutonija bez zaštite, ali i značajnijih posljedica. Druga stvar je, međutim, jest udisanje plutonija ili njegovo dospijeće u probavni trakt gdje su posljedice smrtonosne već i pri izuzetno malim količinama.

Kad govorimo o klasičnom nuklearnom reaktoru kao što je Krško, gorivo je izrađeno od uranova oksida (UO₂, jedna tona urana u uranovu oksidu pri ulasku u reaktor sadrži 33 kg U-235, neznatne količine U-234, dok ostatak količine (preko 965 kg) čini U-238. Obogaćenje goriva označava upravo udio U-235 u toni urana i u konkretnom slučaju, ono je 33/1000 = 3,3%. Uranov izotop U-235 je interesantan jer kad je bombardiran neutronima, dolazi do fisije (razbijanja jezgre) i energije koja pokreće nuklearni reaktor, dok jedan određeni dio neutrona doslovce zaglavi u U-238 i posredno ga pretvara u plutonij Pu-239 i druge plutonijeve izotope. Konkretno govoreći, za dani primjer, od 33 kilograma urana U-235 na kraju boravka goriva u reaktoru (3 - 4 godine), ostane svega oko 8,3 kg, ali se istovoremeno proizvede oko 9 kilograma plutonija po toni urana u gorivu. Plutonij nam je, posebice izotopi Pu-239 i Pu-241, interesantan osim za nuklearno oružje i za ponovno korištenje u nuklearnom reaktoru, budući da kao i U-235 vrlo lako u sudaru s neutronima dolazi do reakcije fisije i oslobađanja energije, što i jest čitava poanta nuklearnog reaktora.

A kako sad izvaditi plutonij iz nuklearnog goriva?

Ako mislite da je izdvojiti plutonij iz nuklearnog goriva, kao izrezati truli dio jabuke, gadno se varate. Plutonij naime ostaje pomiješan u gorivu s uranom te produktima fisije, a sve se to nalazi u gorivom štapu koji je obložen košuljicom od cirkonijeve slitine pod nazivom Zircalloy. Osim što je nuklearno gorivo visokoradioaktivno, u postupku vađenja se koriste i odvratni koncentrati kiselina i druge korozivne tvari, tako da se čitavim postupkom zbog opasnosti od radijacije i korozivnog djelovanja mora upravljati daljinski i automatizirano. Ono što nas zanima iz goriva su ostaci urana te nastali plutonij. Postupak se zove PUREX, a razvijen je u SAD-u i najčešće je primjenjivan općenito za preradu nuklearnog goriva:

• Prvo što je potrebno jest gorive štapove promjera nešto većeg od centimetar i duljine između 3.5 i 4 metra nasjeckati na manje komade. Štapovi su obloženi Zircalloy košuljicom debljine do milimetra, dok se unutar njih nalazi gorivo u tabletama valjkastog oblika duljine otprilke centimetar.

• Sljedeći korak je stuštiti te komade štapova u koncentriranu nitratnu kiselinu (HNO₃), koja će otopiti uran i plutonij, ali cirkonij ne. U ovoj fazi se izdvajaju komadi košuljica koji ne reagiraju s kiselinom i spremaju kao radioaktivan otpad. U otopini goriva, osim ostalih sadržaja nalaze se uranov-oksid-nitrat (UO₂(NO₃)₂) i plutonijev nitrat (Pu(NO₃)₄)

• Korak iza toga jest izdavanje urana i plutonija od ostatka otopljenog goriva uz pomoć tributil-fosfata (TBP), kemijske formule: (C₄H₉)₃PO₄, otopljenog u kerozinu, gdje nakon reakcije dobivamo odvratno komplicirane kemijske spojeve: UO₂(NO₃)₂(TBP)₂ i Pu(NO₃)₄(TBP)₂. Ostali sadržaj goriva ne reagira s ovim spojem.

• Za one kojima do sada nije dojadila kemija, najmučniji korak, plutonij se reducira, pri čemu ostaje Pu(NO₃)₄, dok uran ostaje kao UO₂(NO₃)₂(TBP)₂, što, laički rečeno omogućava razdavajanje plutonija od urana. Uranski i plutonijev nitrat se još jednom (pojedinačno) pročišćuju svježim organskim fazama.

• Pretpostavimo li da želimo upotrijebiti plutonij u nuklearnom gorivu, plutonijev nitrat, Pu(NO₃)₄, reduciramo u plutonijev oksid (PuO₂), dok se uranov nitrat UO₂(NO₃)₂ pretvara u plin: uranov-heksafluorid (UF₆), koji se koristi za obogaćivanje urana. Više o obogaćivanju urana će biti riječi u nekom od idućih članaka.

Jednom kad smo ponovo dobili obogaćeni UO₂, plutonijev oksid možemo iskoristiti tako da ga pomiješamo s uranovim oksidom i od toga napravimo mješovito (U,Pu)O₂ gorivo, također poznato i pod nazivom MOX (Mixed OXide) gorivo. Udio plutonija jest 3-5% ako će se gorivo koristiti u reaktorima poput Krškog, a može dovesti i do 20% kod nekih posebnih izvedbi reaktora.

Realna primjena postupka?

PUREX postupak jest, kao što ste vidjeli, iako najrašireniji vrlo zahtjevan i u energetskoj praksi, zbog još uvijek podosta niske cijene urana nije u širokoj primjeni. No, dođe li do naglog porasta cijena urana, ideja o recikliranju nuklearnog goriva (budući da se ovdje ne izdvaja samo plutonij op.a.) mogla bi postati vrlo aktualna. S druge strane, za vojne primjene nikad niti jedna cijena nije bila visoka i kao što se nekoć moglo “ložiti” reaktore samo da bi se proizvodio plutonij, tako vjerujem da niti PUREX postupak za vojne primjene sigurno nije preskup. Naravno, ako država ima novca za nuklearne igre bez granica. :-))

Resursi

• V. Knapp, D. Pevec, M. Prah - Nuklearni gorivi ciklusi (Zagreb, 1989.)
  
• D. Feretić, N. Čavlina, N. Debrecin - Nuklearne elektrane (Zagreb, 1995.)
• Wikipedia - Plutonium

Povezani članci

• Zašto gradnja europskog nuklearnog reaktora (EPR) u Finskoj toliko kasni?
• U Vinči radioaktivnost curi već godinu dana, no to nije opasno…
• Mayak - zatajena nuklearna nesreća
• Kako izgleda izmjena goriva u nuklearnom reaktoru?
• Misle li oni stvarno još za ove vlasti ratificirati Kyoto protokol?!
• Još malo nuklearnog hopa-cupa - zašto Slovenci mogu, a Hrvati ne?