Kärnbränsle

Uran är det ämne som används som kärnbränsle i de flesta kärnkraftreaktorer i världen, och i alla svenska reaktorer. Det är en lång process från brytning av uranmalmen tills det utbrända bränslet hamnar i ett slutförvar i Sverige. Processen går via anrikning, bränsletillverkning och reaktordrift. Därefter via korttidsförvaring, mellanlagring och inkapsling av det använda bränslet.

I Sverige finns mycket uran, ofta i granit och alunskiffer. Halten uran är dock så låg att det i dagsläget inte är kostnadseffektivt att utvinna det. Det uran som används i de svenska kärnkraftverken bryts därför utomlands. För att driva de svenska kärnkraftverken går det åt cirka 1 500 ton naturligt uran per år. Det motsvarar cirka 200 ton anrikat uran.

Brytning och anrikning av uran

Uran är ett metalliskt grundämne och malmen bryts på liknande sätt som andra metaller, ofta i dagbrott. För att utvinna uranet krossas malmen som därefter utsätts för kemiska processer som lakning då exempelvis starka syror som svavelsyra eller en sodalösning används. Lakningen och reningen resulterar i ett gulbrunt pulver som kallas yellowcake.

Anrikningen av uranet sker efter att uranet renats ytterligare en gång och omvandlats till flyktig uranhexafluorid i en process som kallas konvertering.

Anrikning är en process där halten av ett ämne ökas. I detta fall handlar det om att öka uranisotopen uran-235 (235U). För att göra det måste isotopen 235U skiljas från isotopen uran-238 (238U). Vid anrikningen ökas halten 235U från den naturliga 0,7 procent till mellan 3 och 5 procent.

Anrikning av uran är en svår och energikrävande process eftersom de två isotoperna 235U och 238U nästan har identiska egenskaper. 235U är aningen lättare än 238U och därför används huvudsakligen centrifuger för att separera de två isotoperna åt.

Allt uran som används i Sverige anrikas utanför Sverige.

Via kemiska processer omvandlas det anrikade uranet så småningom till urandioxid. Pulver av urandioxid pressas samman till centimeterstora, cylinderformade kutsar som värmebehandlas så att urandioxidkornen sintras samman och kutsen får en tillräckligt hög densitet.

Bränslekutsarna slipas därefter till en exakt form och sätts samman till bränslestavar. I stavarna är kutsarna packade i omkring fyra meter långa rör av en zirkoniumlegering som kallas zircaloy. Ett antal bränslestavar sätts sedan samman i en så kallad bränslepatron. Antalet stavar per patron varierar, men de är ungefär hundra per patron för en kokvattenreaktor och tvåhundrafemtio för en tryckvattenreaktor.

I Sverige finns en bränslefabrik i Västerås som drivs av Westinghouse Electric Sweden. Där tillverkas bränsle för svenska kärnkraftverk och för export. En del av det bränsle som används i Sverige importeras.

Det går även att blanda plutoniumoxid i bränslet. Då får man så kallat MOX-bränsle, där MOX står för Mixed Oxide. Ett skäl till att använda MOX-bränsle är att göra sig av med plutonium från upparbetning som annars skulle kunna användas för att tillverka kärnvapen. MOX-bränsle fungerar ungefär som låganrikat bränsle.

Öppen och sluten kärnbränslecykel

Bränsleelementen byts ut efter tre år i en tryckvattenreaktor och efter fem år i en kokvattenreaktor. Det utbrända bränslet från svenska kärnkraftverk går sedan till det centrala mellanlagret för använt kärnbränsle (Clab) i Oskarshamn för att så småningom kunna slutförvaras. Detta är en så kallad öppen bränslecykel, där nytt bränsle tillförs och använt bränsle slutförvaras.

Det går också att upparbeta utbränt kärnbränsle. Syftet med upparbetning är att separera ut och rena plutonium och uran från övriga klyvningsprodukter. Det återvunna plutoniet återanvänds som en urandioxid-plutoniumdioxid-blandning, så kallat MOX-bränsle. Det återvunna uranet antingen anrikas och återanvänds i så kallat ERU-bränsle eller blandas samman med höganrikat uran i så kallat SIU-bränsle. Detta kallas för en sluten bränslecykel, där utbränt bränsle används för att tillverka nytt bränsle.

I Sverige upparbetas inget utbränt kärnbränsle och inget svenskt kärnkraftverk har använt MOX- eller SIU-bränsle. Däremot har svenska kärnkraftverk använt ERU-bränsle som har upparbetats utomlands.

Korttidsförvaring och mellanlagring av använt kärnbränsle

Kärnbränslet i en reaktor byts ut en gång per år. I kokvattenreaktorer byts en femtedel av bränslet ut mot nytt bränsle per år, och i tryckvattenreaktorer byts en tredjedel av bränslet ut.

När en reaktor stoppas och kärnklyvningen upphör så avger det fortfarande stora mängder energi – nära 7 procent av reaktorns maxeffekt. Efter en vecka i den avstängda reaktorn har resteffekten minskat med 95 procent och de använda bränsleelementen flyttas ut ur reaktorn och placeras i en bränslebassäng i reaktorbyggnaden. Där får de stå i minst ett år, medan bränslets aktivitet och värmeutveckling minskar med ytterligare 90 procent, eller mer om det utbrända bränslet får stå längre i bränslebassängen. Därefter transporteras det utbrända bränslet till det centrala mellanlagret för använt kärnbränsle (Clab) i Oskarshamn.

I Clab förvaras det använda bränslet i stora, kylda vattenbassänger i åtminstone 30 år. Under denna tid minskar aktiviteten och värmeutvecklingen i det utbrända bränslet med ytterligare 90 procent.

Mellanlagringen ska göra att bränslets aktivitet minskar med minst 99,99 procent innan det slutförvaras. Det är de kortlivade och därmed mest aktiva radioaktiva ämnena som sönderfaller under denna tid.

Slutförvar för använt kärnbränsle

I Sverige är kärnkraftsindustrin ansvarig för att ta hand om det kärntekniska avfallet från sina anläggningar. För detta ändamål bildade kärnkraftbolagen 1984 det gemensamma bolaget Svensk Kärnbränslehantering AB (SKB).

Våren 2011 ansökte SKB om tillstånd för att bygga ett slutförvar för svenskt kärnbränsle i Forsmark, Östhammars kommun.