Från malm till kärnbränsle

Uranet är ett relativt vanligt grundämne i jordskorpan, upp till 1 000 gånger vanligare än guld. I granitsten är medelhalten 4 gram per ton sten. Brytningsduglig uranmalm ska innehålla minst 10 000 ton uran, helst med en halt på mer än 1 procent. Man känner inte till sådana fyndigheter i Finlands berggrund.

Uranets väg till kärnbränsle börjar i gruvan, precis som alla metaller. Brytningen sker enligt samma metoder som brytningen av vilken som helst malm. I den underjordiska brytningen ökar visserligen automationen snabbt på grund av de hälsorisker som radonet ger upphov till. Från en gruva eller ett dagbrott uppfordras malmen till markytan, krossas, mals, anrikas och renas till U 3O 8 som innehåller 80–90 procent uran.

Härifrån fortsätter resan till en koncentreringsanläggning, där den relativa andelen klyvningsdugligt U-235 höjs från natururanets 0,7 procent till minst 3 procent. För ett ton koncentrerat uran av denna typ behövs cirka 5,5 ton natururan. För denna fas av processen måste uranet förvandlas till uranhexafluorid i gasform, UF6. I denna form kan uranet anrikas vid en centrifuganläggning så att det blir tillräckligt rikt för användning som bränsle.

Det koncentrerade uranet återförvandlas på kemisk väg till uranoxid. Av denna pressas 10 millimeter långa knappar med en diameter på 12 millimeter. Knapparna komprimeras genom sintring, dvs. upphettning, i vätegas med en temperatur på 1 700 grader. Knapparna placeras i långa metallrör som svetsas igen i båda ändarna så att de blir lufttäta. Dessa bränslestavar buntas ihop i fyr- eller sexkantiga knippen. I varje bränsleelement finns tiotals enskilda stavar. Bränslet levereras till kraftverken som sådana element.

I samband med kraftverkens årliga service byts en del av bränsleknippena ut, eftersom det krävs en tillräcklig mängd klyvningsdugliga ämnen för att upprätthålla kärnreaktionen i reaktorn. I allmänhet får ett bränsleelement ligga i reaktorn i 3–5 år, varefter mängden U 235 har sjunkit till ungefär samma nivå som i natururan. Nittiofem procent av elementet består fortfarande av uran. Sammanlagt 4–5 procent av uranet förvandlas till andra ämnen, av vilka 3–4 procent är sönderfallsprodukter av uranet och cirka 1 procent grundämnen som är tyngre än uran, så kallade transuraner, till exempel plutonium.

Det använda bränsleknippet flyttas till ett mellanlager i en vattenbassäng, där dess radioaktivitet snabbt avtar då de mest kortlivade ämnena sönderfaller till permanenta ämnen. Radioaktiviteten i det använda bränslet avtar inom ett år till en hundradel av det som den var omedelbart efter att bränslet lyftes ur reaktorn. Inom samma tid sjunker ämnets värmeeffekt från 1 400 kilowatt till cirka 10 kilowatt.

Efter avlägsnandet ur reaktorn finns det två möjligheter för hanteringen av det använda kärnbränslet: återbehandling och framställning av nytt bränsle eller slutförvaring djupt nere i berggrunden. I Finland kan använt bränsle inte återbehandlas på grund av att det är dyrt, och å andra sidan förbjuder lagen export av bränsle. Det enda alternativet är således slutförvaring i Finlands berggrund.

 
 

Uraani 
Uranmalm från Paukkajanvaara i Eno. Det gula mineralet uranofan. Foto: J. Väätäinen, GTK.

Informationskällor på andra ställen:

Tukes
ANM: Gruvdrift och malmletning
ANM: Kärnenergi 
STUK - Strålsäkerhetscentralen
Atomtekniska sällskapet  (föredrag och rapporter)
Finsk Energiindustri r.f.: Hyvä tietää –broschyrserien (uran, kärnkraftverk, kärnavfall)
Euratom Supply Agency