Siklus Nuklir: Penambangan, Pengayaan, di Reaktor dan Pembuangan

Reaktor nuklir menggunakan bahan yang disebut uranium dioksida (UO2) sebagai bahan bakar mereka. Bahan bakar ini dimuat ke dalam inti reaktor, yang, untuk menghasilkan listrik 1.000 Megawatt, adalah sekitar 14 kaki tingginya dan 12 meter diameternya. Operator pembangkit listrik tenaga nuklir dapat menghasilkan sejumlah besar panas dan listrik dari inti reaktor.
Siklus bahan bakar nuklir
Siklus bahan bakar nuklir untuk reaktor light-water ditunjukkan pada gambar di atas. Siklus ini terdiri dari langkah-langkah "front end" yang mengarah pada persiapan uranium untuk digunakan dalam reaktor nuklir dan "back end" berupa langkah-langkah aman untuk mengelola, mempersiapkan, dan membuang sisa bahan bakar nuklir yang sangat radioaktif.

Siklus Front End Bahan Bakar Nuklir
Eksplorasi
Siklus bahan bakar nuklir dimulai dengan eksplorasi sumber daya uranium dan penambangan untuk mengekstrak bijih yang ditemukan. Berbagai teknik digunakan untuk menemukan uranium termasuk survei radiometrik udara, sampling kimia air-tanah dan tanah, dan eksplorasi pengeboran untuk memahami geologi yang mendasarinya.

Kadang-kadang sulit untuk menemukan sumber daya uranium yang ekonomis karena bijih biasanya tidak kontinyu seperti lapisan batubara, melainkan mereka membentuk diskrit, deposito terkonsentrasi seperti bintik-bintik dalam keju biru. Sebuah perusahaan pertambangan dapat mengebor lubang di sekitar deposit besar uranium tanpa menemukannya. Demikian juga, satu lubang bor dapat menemukan simpanan tunggal, namun tidak bisa mengkonfirmasi keberadaan deposit yang lebih besar.
Setelah deposit tersebut ditemukan, penambang biasanya melacak lokasi-lokasi yang lebih dekat atau melakukan pengeboran lanjutan untuk mengetahui karakteristik deposit.

Pertambangan Uranium 
Setelah sumber daya yang ekonomis telah ditemukan, langkah berikutnya dalam siklus bahan bakar adalah menambang bijih baik menggunakan teknik pertambangan konvensional (bawah tanah atau terbuka) atau teknik tidak konvensional seperti teknik in-situ solution mining atau heap leaching, yang menggunakan cair pelarut untuk melarutkan dan mengekstrak bijih uranium.

Penggilingan Uranium
Konsentrat uranium, biasa dikenal sebagai U3O8 atau yellowcake
Setelah diekstrak dari tambang, bijih uranium kemudian disempurnakan menjadi konsentrat uranium di fabrikasi. Untuk deposit jenis vena, fasilitas penggilingan pada tambang terbuka atau tambang bawah tanah akan menghancurkan, melumat, dan menggiling bijih menjadi bubuk halus yang kemudian akan direaksikan dengan bahan kimia untuk memisahkan uranium dari mineral lainnya. Produk uranium yang terkonsentrasi biasanya berupa bubuk kuning atau oranye terang yang disebut "yellowcake" (U3O8), dan aliran limbah dari operasi ini disebut "mill tailings".

Untuk  solution mining, uranium biasanya ditemukan berupa lapisan pada partikel pasir bawah tanah yang disebut conglomerate. Untuk deposit jenis ini, uranium dipisahkan dengan mengekspose pasir dengan larutan air tanah yang pH-nya telah sedikit ditingkatkan menggunakan bahan kimia alami seperti oksigen, karbon dioksida, atau soda kaustik. Uranium larut ke dalam air, yang lalu diambil dan diedarkan melalui fasilitas bed resin (juga disebut penggilingan) untuk diekstrak dan selanjutnya dikonsentrasikan menjadi "yellowcake". Air bersih kemudian dikembalikan ke tanah di mana proses penambangan diulang.  

Konversi uranium
Langkah selanjutnya dalam siklus bahan bakar nuklir adalah konversi "yellowcake" ke gas heksafluorida uranium (UF6). Langkah ini diperlukan karena ada tiga bentuk (isotop) uranium yang terjadi di alam: U-234, U-235, dan U-238. Banyak desain reaktor nuklir yang memerlukan konsentrasi lebih kuat (pengayaan) dari isotop U-235 untuk beroperasi secara efisien. Untuk melakukan pemecahan atom, uranium yellowcake pertama-tama diubah menjadi senyawa gas (UF6).

Pengayaan Uranium
Gas heksafluorida uranium yang berasal dari fasilitas converter disebut "UF6 alami" karena konsentrasi asli dari isotop uranium masih tidak berubah. Gas ini kemudian dikirim ke lokasi pengayaan dimana pemisahan isotop terjadi.

Karena atom U-235 lebih kecil, ia bergerak lebih cepat daripada atom U-238, mereka cenderung berdifusi lebih cepat melalui dinding membran berpori, di mana mereka dikumpulkan dan terkonsentrasi. Produk akhir terdiri dari sekitar  4% sampai 5% konsentrasi U-235 yang disebut  "enriched UF6". Material ini disegel dalam tabung dan dibiarkan dingin dan mengeras sebelum diangkut ke lokasi pengolahan selanjutnya dengan kereta api, truk atau kapal.

Teknik lain adalah proses pengayaan gas centrifuge, di mana gas UF6 berputar dengan kecepatan tinggi dalam serangkaian silinder untuk memisahkan atom 235UF6 dan 238UF6 berdasarkan massa atom yang berbeda. Teknologi pengayaan baru yang saat ini sedang dikembangkan adalah atomic vapor laser isotope separation (AVLIS) and molecular laser isotope separation (MLIS).

Uranium Re-Konversi dan Fabrikasi Bahan Bakar Nuklir
assembly fuel
Langkah berikutnya dalam produksi bahan bakar nuklir berlangsung di salah satu fasilitas fabrikasi bahan bakar nukir. Di sini, gas UF6 yang telah diperkaya direaksikan untuk membentuk serbuk uranium dioksida hitam. Bubuk tersebut kemudian dipadatkan dan dibentuk menjadi berbentuk pelet bahan bakar yang kecil. Pelet ditumpuk dan disegel ke dalam tabung logam panjang yang berdiameter sekitar 1 cm untuk membentuk batang bahan bakar (fuel rod). Batang bahan bakar tersebut kemudian digabungkan bersama untuk membentuk sebuah  fuel assembly  (rangkaian bahan bakar nuklir). Tergantung pada jenis reaktor, ada  sekitar 179-264 batang bahan bakar dalam setiap  fuel assembly , dan sebuah inti reaktor berisi 121-193 fuel assembly .

Di Reaktor
Dari fabrikasi, fuel assembly dikirim dengan truk ke reaktor dan disimpan di gudang "fresh fuel" sampai ia diperlukan oleh operator reaktor. Pada tahap ini, uranium tersebut hanya sedikit bersifat radioaktif dan pada dasarnya semua radiasi terjadi dalam tabung logam. Biasanya, sekitar sepertiga dari inti reaktor (40 sampai 90 fuel assembly) ditukar setiap 12 sampai 24 bulan.

Inti reaktor itu sendiri dirangkai secara silinder dari banyak bahan bakar, dengan diameter sekitar 12 meter dan tinggi 14 meter. 
Inti reaktor pada dasarnya tidak memiliki bagian yang bergerak kecuali sejumlah kecil batang kendali yang dapat dimasukkan untuk mengatur reaksi. Menempatkan perangkat bahan bakar di samping satu sama lain dan menambahkan air cukup untuk memulai reaksi nuklir.

Siklus Back End Bahan Bakar Nuklir
Penyimpanan Interim
Setelah digunakan dalam reaktor, fuel assembly menjadi sangat radioaktif dan harus dilepas dan disimpan di bawah air di kolam bahan bakar bekas-pakai, di area reaktor selama beberapa tahun. Meskipun reaksi fisi telah berhenti, bahan bakar bekas-pakai tadi terus mengeluarkan panas dari peluruhan unsur-unsur radioaktif yang terjadi ketika atom uranium terbelah. Air di kolam berfungsi untuk mendinginkan bahan bakar dan melindungi operator dari radiasi.

Setelah dilakukan pendinginan selama beberapa tahun di kolam pendingin, elemen bahan bakar bekas-pakai dapat dipindahkan ke wadah penyimpanan, tong kering, untuk disimpan lebih lanjut di tempat penyimpanan. Operator reaktor sekarang menyimpan bahan bakar bekas-pakai ini dalam beton outdoor khusus atau kontainer baja dengan pendingin udara.

Pengolahan Ulang
Kurang dari 4% dari uranium yang dimuat ke dalam reaktor dikonsumsi saat reaksi nuklir terjadi. Sisa uranium tetap tidak berubah. Pengolahan kimia dari bahan bakar bekas-pakai untuk memulihkan sebagian sisa produk fisi untuk digunakan dalam perangkat bahan bakar yang baru memang layak secara teknis. Beberapa negara, seperti Perancis, memproses ulang bahan bakar bekas nuklir, tetapi negara lain seperti Amerika Serikat tidak mengizinkannya.

Pembuangan Akhir
Langkah terakhir dalam siklus bahan bakar bekas-pakai nuklir adalah mengumpulkan limbah fuel assembly dari situs penyimpanan sementara atau fasilitas pemrosesan ulang, dan membuang limbah sisa nuklir tingkat tinggi ini di sebuah gudang penyimpanan bawah tanah permanen.


via eia


IndoEnergi Home