Ditulis oleh:

Front-end fuel cycle

Komponen kitaran bahan api nuklear sebelum penjanaan kuasa elektrik dalam reaktor nuklear dirujuk sebagai bahagian hadapan kitaran bahan api nuklear. Empat fasa pertama kitaran bahan api nuklear ialah perlombongan dan pengilangan, penukaran, pengayaan, dan fabrikasi. Peringkat pertama ialah perlombongan dan pengilangan uranium melibatkan pengekstrakan uranium ore dan pemprosesan fizikal dan kimia seterusnya untuk menghasilkan kepekatan uranium “yellowcake”. Peringkat kedua ialah penukaran uranium menghasilkan uranium heksafluorida (𝑈𝐹6). Peringkat ketiga ialah pengayaan uranium ialah proses mengasingkan dan pengkayaan isotop U-235 dalam bentuk gas 𝑈𝐹6 yang mampu mengekalkan tindak balas rantai nuklear dalam reaktor kuasa nuklear komersial. Peringkat keempat ialah fabrikasi bahan api uranium bermula dengan penciptaan pelet uranium oksida, yang kemudiannya diletakkan ke dalam rod dan pemasangan bahan api khusus reaktor, yang kemudiannya dimuatkan ke dalam reaktor kuasa nuklear.

Peringkat 1: Perlombongan dan Pengilangan

Bahagian hadapan kitaran bahan api nuklear bermula dengan pengekstrakan uranium ore dari bumi, yang boleh dilakukan secara konvensional (perlombongan permukaan, lubang terbuka, bawah tanah) atau bukan konvensional (in-situ). Proses pengekstrakan yang digunakan ditentukan mengikut geologi, kepekatan bijih, dan ekonomi. Majoriti sumber uranium di Amerika Syarikat ditemui dalam deposit geologi di dataran tinggi Colorado  di sepanjang pantai Teluk Texas dan di lembangan Wyoming. Amerika Syarikat mempunyai kualiti dan kuantiti deposit uranium yang agak rendah jika dibanding dengan pengeluar uranium utama negara. International Atomic Energy Agency (IAEA), sebagai contoh, meletakkan sumber uranium Amerika Syarikat sebagai tempat ke-12 di dunia.

Pengilangan uranium ialah pemprosesan fizikal dan kimia bijih uranium untuk menghasilkan uranium pekat (𝑈3𝑂8), atau dikenali sebagai uranium “yellowcake”. Bijih yang dilombong dihancurkan dan dikisar dalam operasi pengilangan sebelum dirawat secara kimia dengan larutan asid atau alkali pekat. Walaubagaimanapun, prosedur pengilangan menghasilkan sejumlah besar bahan buangan yang dikenali sebagai tailing, berbanding dengan jumlah uranium pekat yang dihasilkan. Nuclear Regulatory Control menganggarkan bahawa 1 ton bijih uranium menghasilkan 1 kg uranium oksida “yellowcake”.

Teknologi in-situ termasuk menjalankan larutan asid atau alkali melalui bawah tanah telah menggantikan perlombongan dan pemprosesan tradisional di Amerika Syarikat. Uranium ore dilarutkan dan dipam ke permukaan di mana ia diproses untuk menjadikan uranium yang pekat. Pada suku pertama 2019, lima kemudahan in-situ fasiliti  di Wyoming mempunyai kapasiti keluaran tahunan kira- kira 5 ton, manakala sebuah kilang uranium konvensional, yang terletak di Utah, mempunyai kapasiti tahunan sebanyak 2.7 ton setiap hari.

Peringkat 2: Penukaran—Pengeluaran Uranium Heksafluorida

Kepekatan uranium dibawa ke kilang penukaran uranium, di mana ia ditukar secara kimia kepada 𝑈𝐹6. 𝑈𝐹6 ialah pepejal pada suhu ambien dan bertukar kepada gas pada suhu yang lebih tinggi. Komposisi isotop 𝑈𝐹6 ditakrifkan sebagai "semula jadi" kerana ia tidak diubah berbanding dengan komposisi yang terdapat di alam semula jadi. Menurut Persatuan Nuklear Dunia, terdapat enam loji penukaran uranium yang beroperasi di seluruh dunia. Kilang Honeywell di Metropolis, Illinois, merupakan satu-satunya kemudahan penukaran uranium di negara itu.

Peringkat 3: Pengayaan—Pengeluaran Uranium Diperkaya

𝑈𝐹6 yang dihasilkan semasa penukaran uranium digunakan untuk memperkaya uranium. Komposisi isotop uranium semulajadi adalah sekitar 0.71% U-235. Secara amnya, bahan api tenaga nuklear awam diperkaya kepada 3-5% U-235. Sehingga 2013, kebanyakan pengayaan uranium di Amerika Syarikat dilakukan menggunakan teknologi resapan gas. Amerika Syarikat kini mempunyai satu loji pengayaan uranium yang menggunakan teknologi centrifuge gas.

Teknik ini menggunakan aliran masuk gas 𝑈𝐹6 dan memasuki emparan gas. Empar berputar pada kelajuan tinggi, dan daya emparan menolak isotop U-238 yang lebih berat, manakala isotop U-235 yang ringan berkumpul ke arah pusat emparan. Proses diulang berkali-kali secara beransur-ansur meningkatkan komposisi isotop U- 235 daripada 0.71% kepada 3-5%. Struktur kimia 𝑈𝐹6 kekal tidak berubah semasa prosedur ini, namun kandungan isotop 𝑈𝐹6 telah meningkat. Hasilnya ialah uranium heksafluorida yang diperkaya (enrichment 𝑈𝐹6), dan terhasil juga aliran sisa uranium (depleted uranium).

Peringkat 4: Fabrikasi—Pengeluaran Uranium Oksida, Rod Bahan Api dan Perhimpunan

Pembuatan bahan api adalah langkah terakhir dalam pembuatan bahan api nuklear yang boleh digunakan. Uranium yang diperkaya diproses menjadi serbuk uranium oksida (𝑈𝑂2) dan kemudian dibentuk menjadi pelet seramik kecil di loji fabrikasi. Pelet diletakkan pada rod bahan api silinder, yang kemudiannya dicantumkan untuk menghasilkan pemasangan bahan api khusus reaktor. Pemasangan bahan api diletakkan ke dalam reaktor nuklear untuk menjana elektrik. Tahap pengayaan tertentu dan rod bahan api dan jenis pemasangan reaktor adalah unik dan ia menentukan jenis nuklear reaktor. 

Penjaanaan Kuasa

Bahan api yang digunakan di dalam reaktor nuklear mengalami pembelahan (fission) atom Uranium-235 dan proses ini membebaskan tenaga haba (Rajah 2). Tenaga haba ini digunakan untuk memanaskan air dan menghasilkan stim yang mengerakkan turbin bagi penjanaan tenaga elektrik (sama konsep seperti dinamo di basikal). Semasa operasi reaktor, sebilangan atom uranium yang terbelah menjadi unsur-unsur lain. Unsur -unsur ini dipanggil sebagai produk pembelahan yang merupakan sisa radioaktif. Ia termasuklah plutonium yang digunakan untuk membuat senjata nuklear. 

Proses penyimpanan bahan api terpakai

Penyimpanan bahan api terpakai merujuk kepada pengurusan dan penyimpanan bahan api nuklear terpakai selepas tidak lagi digunakan dan dikeluarkan daripada reaktor nuklear. Bahan api yang telah digunakan ini adalah sangat beradioaktif dan menghasilkan tenaga haba yang masih tinggi. Oleh sebab itu pengurusannya memerlukan pengendalian dan penyimpanan yang teliti untuk memastikan keselamatan manusia dan alam sekitar. Terdapat dua kaedah utama untuk menyimpan bahan api terpakai iaitu penyimpanan basah dan penyimpanan kering. Penyimpanan basah adalah apabila bahan api terpakai ini diletakkan dalam kolam yang direka khas yang di isi dengan air. Air berfungsi sebagai perisai sinaran dan penyejuk untuk menghilangkan haba yang dihasilkan oleh bahan api. Kolam simpanan basah biasanya terletak di tapak di loji kuasa nuklear. Kemudahan ini direka bentuk untuk menyediakan perisai dan penyejukan selama beberapa tahun atau untuk tempoh masa yang lama, seterusnya membolehkan bahan api menyejuk dan mengurangkan keradioaktifannya. Bagi kemudahan penyimpanan kering pula, kaedah ini melibatkan pemindahan bahan api terpakai dari kolam simpanan basah ke bekas kedap udara dan teguh, biasanya diperbuat daripada keluli dan konkrit dan diletakkan di dalam kemudahan penyimpanan yang selamat.

Penyimpanan kering adalah penyelesaian jangka panjang untuk menyimpan bahan api terpakai. Bekas-bekas tersebut direka bentuk untuk menyediakan perisai sinaran dan menghalang pembebasan bahan radioaktif ke alam sekitar. Sama seperti penyimpanan basah, kemudahan penyimpanan kering selalunya terletak di tapak di loji tenaga nuklear, tetapi terdapat juga kemudahan berpusat yang direka untuk penyimpanan bahan api terpakai jangka panjang daripada pelbagai reaktor. Kaedah penyimpanan basah dan kering telah digunakan di seluruh dunia. Pilihan antara kedua-duanya bergantung pada faktor seperti keperluan kawal selia, ruang yang tersedia dan pelan penyimpanan jangka masa panjang. Proses penyimpanan bahan api nuklear terpakai dikawal dan tertakluk kepada langkah keselamatan yang ketat untuk mengelakkan sebarang potensi risiko kepada kesihatan manusia dan alam sekitar.

Di sesetengah negara, terdapat perbincangan dan usaha berterusan untuk mencari penyelesaian alternatif untuk penyimpanan jangka panjang bahan api nuklear yang telah digunakan, seperti repositori geologi. Repositori ini akan melibatkan penyimpanan bahan api jauh di bawah tanah dalam (200 meter) formasi geologi yang stabil untuk menyediakan lapisan pengasingan dan perlindungan tambahan. Secara keseluruhannya, pengurusan dan penyimpanan bahan api nuklear terpakai adalah proses yang kompleks dan dikawal selia yang bertujuan untuk memastikan keselamatan dan keselamatan orang ramai dan alam sekitar.

Proses pelupusan bahan api terpakai

Pelupusan jangka panjang bahan api nuklear terpakai merupakan satu cabaran yang besar kerana tahap keradioaktifannya yang tinggi dan potensi risiko kepada kesihatan manusia dan alam sekitar. Pelbagai strategi dan pendekatan sedang dipertimbangkan dan dilaksanakan di pelbagai negara. Teknologi pelupusan yang paling biasa dicadangkan adalah repositori geologi dalam. Kemudahan ini melibatkan pengebumian bahan api terpakai jauh di bawah tanah dalam formasi yang stabil secara geologi. Matlamatnya adalah untuk mengasingkan sisa daripada biosfera untuk tempoh yang sangat lama. Repositori biasanya terletak dalam formasi geologi yang dalam, seperti formasi batuan yang stabil atau mendapan garam. Beberapa negara, termasuk Sweden dan Finland telah mencapai kemajuan dalam membangunkan repositori geologi yang dalam untuk pelupusan sisa nuklear mereka. Selain itu penyimpanan interim atau sementara turut dicadangkan melibatkan penyimpanan bahan api terpakai dalam kemudahan yang direka khas untuk tempoh yang panjang sehingga penyelesaian pelupusan jangka panjang dilaksanakan iaitu dalam bentuk simpanan basah (kolam) dan simpanan kering (bekas). Sesetengah negara bergantung pada penyimpanan sementara sebagai penyelesaian sementara sehingga pilihan pelupusan muktamad diwujudkan. Pilihan kaedah pelupusan bahan api terpakai berbeza-beza antara negara dan bergantung pada faktor seperti peraturan negara, penerimaan awam, kesesuaian geologi dan kebolehlaksanaan teknikal. Organisasi antarabangsa seperti Agensi Tenaga Atom Antarabangsa (IAEA) menyediakan garis panduan dan sokongan untuk pengurusan selamat dan pelupusan bahan api nuklear terpakai. Tumpuan adalah untuk memastikan keselamatan jangka panjang, keselamatan dan perlindungan alam sekitar semasa keseluruhan kitaran hayat bahan nuklear.

Pemprosesan semula bahan api nuklear

Pemprosesan semula bahan api nuklear merujuk kepada bahan api nuklear yang telah digunakan dalam reactor dan diguna pakai semula. Bahan api yang telah digunakan dan mencecah had pengunaannya dikumpulkan dan dimasukkan ke dalam penyimpanan sementara seperi kolam air atau bekas khas yang kering berfungsi untuk mengurangkan haba yang terhasil daripada penyusutan radioaktif. Bahan api nuklear yang telah disimpan dan telah stabil dari segi haba melalui pemprosesan semula dimana bahan api nuklear ini akan diproses melalui pemotongan kepada saiz lebih kecil, dilarutkan dan dipisahkan dengan menggunakan bahan kimia untuk  memisahkan plutonium dan uranium yang belum terbakar dimana uranium boleh digunakan semula dalam penghasilan bahan api nuklear yang lebih berkualiti. Antara dua (2) hasil pemprosesan semula bahan api nuklear ini adalah:

1. Bahan api nuklear yang baru seperti MOX (Mixed Oxide) yang merupakan campuran uranium dan plutonium digunakan di beberapa jenis reaktor seperti reaktor cepat atau reaktor air bertekanan.

2. Uranium tanpa plutonium dan diproses semula daripada awal sehingga menjadi bahan api nuklear yang boleh digunakan semula.

Konsep kitar semula bahan terpakai adalah konsep yang mudah untuk memahami pemprosesan semula bahan api nuklear begitu juga dengan fungsi proses ini dijalankan bertujuan untuk meminimumkan penghasilan sisa radioaktif tinggi dan sisa yang terhasil untuk dilupuskan. Pemprosesan semula bahan api nuklear merupakan proses yang terkawal dan sangat ketat dengan kawalan keselamatan yang tinggi memandangkan proses ini juga boleh memisahkan plutonium dan uranium. Plutonium ini boleh digunakan sebagai senjata nuklear. 

Penghargaan:

1.     Nur Khairunisa Zahidi

2.     Rafizi Salihuddin

3.     Nor Atikah Mazlan

4.     Aina Aqilah Mohd Asmadi