Palivový cyklus jaderných elektráren

Palivový cyklus jaderných elektráren je poměrně složitý. Na rozdíl od uhlí, které se po malé úpravě může hned použít k výrobě elektřiny, musí totiž vytěžený uran projít řadou technologických procesů, než je možné ho použít jako paliva v jaderné elektrárně. Přesto jsou palivové náklady jaderné elektrárny nižší než náklady elektrárny spalující fosilní paliva. Je to dáno především vysokým energetickým obsahem uranu. Teoreticky nahradí 1 kg uranu 3 miliony kg černého uhlí. I když se v současných typech reaktorů využijí řádově jen procenta energetického obsahu uranu, nahradí 1 kg jaderného paliva až 100 tun černého uhlí.
Palivový cyklus dnešních jaderných elektráren začíná těžbou uranové rudy v hlubinných nebo povrchových dolech. Ekonomicky těžitelná ruda obsahuje v současné době minimálně 0,1% uranu. Vytěžená ruda je v uranové úpravě rozdrcena, jemně rozemleta a výsledný produkt ještě bývá vyluhován roztokem kyseliny sírové. Po vysrážení se z roztoku získá koncentrát žluté barvy ve formě oxidu uranu (odkud též jeho název „žlutý koláč“). Uranový koncentrát se odesílá do konverzního závodu na vyčištění a konverzi na plynný hexafluorid uranu Ten pak slouží jako vsázka do obohacovacího závodu, kde se zvýší obsah štěpitelného izotopu na přibližně 2 až 5%. Přírodní uran totiž obsahuje jen 0,7% štěpitelného izotopu. Zbytek, tj. více než 99%, tvoří neštěpitelný izotop, který nedovedou dnešní lehkovodní reaktory využít.
V obohacovacích závodech se z původní vsázky uranu obohatí asi jedna šestina, zbytek tvoří tak zvaný ochuzený uran obsahující zejména neštěpitelný uran. Obohacovací závody stačí zásobovat velký počet jaderných elektráren, proto je jich ve světě v provozu jen několik.
Obohacený plynný hexafluorid se ve speciálních kontejnerech dopravuje do závodů na výrobu palivových článků. Zde se přemění nejčastěji na pevný oxid uraničitý, z něhož se vyrábí malé tablety o průmětu přibližně 1,5 cm a délce několika centimetrů. Tablety se ukládají do několik metrů dlouhých trubek vyrobených ze speciálních slitin. Takto vzniklé palivové „produkty“ se po desítkách montují do palivových kazet.
Aktivní zóna reaktoru, ve kterém probíhá řízená štěpná reakce, obsahuje obvykle několik set takových palivových kazet. Tam uranové palivo vyvíjí obrovské množství tepla, které se využívá k výrobě elektřiny stejným způsobem, jako v elektrárnách na fosilní paliva.
Celkově můžeme shrnout, že k získání 1 kg jaderného paliva, které nahradí až 100 tun kvalitního černého uhlí, jsou třeba jen 2 až 4 tuny uranové rudy.
Asi jedna třetina palivových kazet se musí každoročně vyměnit za čerstvé. Tyto „vypotřebované“ palivové kazety nazýváme vyhořelým palivem. Každoročně se tak z reaktoru odstraňuje asi 28 tun vyhořelého paliva, které obsahuje 95% neštěpitelného izotopu uranu, 3% štěpných produktů, 1% štěpitelného izotopu uranu a asi 1% nově vytvořeného plutonia. Pouze 3% štěpných produktů je možné považovat za skutečný odpad. Zbytek může být po přepracování znovu využít jako palivo. Přepracování je ovšem v současné době technicky i ekonomicky velmi náročné.
Vyhořelé palivo se nejprve po dobu několika let skladuje ve vodních bazénech poblíž reaktoru. Zde se ochlazuje a také mu rychle klesá aktivita. Poté se palivové kazety z vodního bazénu u reaktoru buď odvezou do přepracovacího závodu, kde se z nich získá nové palivo a koncentrovaný odpad, nebo se umístí do meziskladu vyhořelého paliva, kde se skladují po dobu 40 – 50 let. Po uplynutí této doby se rozhodne, zda budou přepracovány a využity jako energetická surovina, nebo se jako odpad natrvalo uloží do hlubokých geologických úložišť, kde bude zvolna klesat jeho aktivita až na přirozenou úroveň. Meziskladování poskytuje i dostatek času k vývoji nových metod likvidace jaderných odpadů. Z hlediska odborníků ovšem nepředstavují hlubinná geologická úložiště zásadní problém. Již dnes jsou dobře známa stabilní ložiska soli, žuly či jílu, která mohou zajistit bezpečné uložení vyhořelého jaderného paliva na statisíce let. Důkazem pro takové tvrzení je i stabilní uložení ropy, zemního plynu či radionuklidů z tzv. přírodních reaktorů po dobu mnoha milionů let. V zemích, které provozují jadernou energetiku déle než my (například v USA, ve Švédsku či v Německu) již pracují hlubinné laboratoře určené k detailnímu studiu vlastností hornin, ve kterých by mohla být hlubinná úložiště vybudována. Vyřešena je i otázka ekonomická – jaderné elektrárny mají zřízeny zvláštní účet, na který ukládají prostředky nutné k vybudování hlubinného úložiště.