Fermi Energia tuumablogi

Mis on uraan ja kui palju seda Eesti maapõues peitub?

Uraan võib muuta tuumaenergia peaaegu sama lõpmatuks kui on praegu päike.Foto: Shutterstock

Uraan on päikesesüsteemi seitsmes planeet ja üllatuslikult lahendus ka paljudele maapealsetele muredele. Tegelikult on juttu kahest erinevast uraanist – nimelt see, millest meil tulevikus aina rohkem kasu on, asub maakoores ja merevees, mitte kõrgel taevas tähtede taga. Uurime, kuidas aitab uraan muuta tuumaenergia peaaegu sama lõpmatuks kui päike ning kui palju uraani peitub Eesti maapõues.

Mis on uraan ja kust seda leiab?

Peamised uraanimaardlad asuvad Austraalias, Kanadas, Nigeris, Lõuna-Aafrikas, Namiibias, Brasiilias, Kasahstanis ja Mongoolias. Prantsusmaal on maardlad Vendée’s ja Limousinis, kuid need hakkavad ammenduma, kirjutab uraani kaevandamisega tegelev ettevõte Orano.

Uraan on keemiline element sümboliga U ja aatomnumbriga 92. Uraanil on kolm looduslikult esinevat isotoopi: uraan-238 (see on kõige raskem ja levinum), uraan-235 ja uraan-234.

Uraan-235 on ainus looduses olulises koguses leiduv isotoop, mis lõhustub. See tähendab, et kui uraan-235 aatomi tuuma tabab aeglane neutron, lõhustub tuum kokkupõrke tagajärjel osadeks ehk nn kildtuumadeks ja eraldub kiirgust ja tohutul hulgal soojust. Uraani aatomi tuum on üks paremini lõhustuvaid tuumasid. Tuumaelektrijaamades kasutatakse tuuma lõhustumisel tekkivat soojust elektri tootmiseks.

Aatomi tuuma lõhustumise käigus eraldub ka paar uut neutronit, mida on vaja järgmiste tuumade lõhustamiseks. Tuumareaktoris on see protsess, mida kutsutakse ahelreaktsiooniks, nii füüsikaliste kui tehniliste abinõudega kenasti juhitav ja kontrolli all.

Peamised uraanimaardlad asuvad Austraalias, Kanadas, Nigeris, Lõuna-Aafrikas, Namiibias, Brasiilias, Kasahstanis ja Mongoolias.Foto: Shutterstock

Maagist reaktorini – kuidas uraan muundub?

Kaevandusest kaevandatud maak on sageli üsna madala uraani sisaldusega. Seetõttu tuleb nendest maakidest saadav uraan kontsentreerida.

Kuidas see siis käib? Kivid purustatakse, jahvatatakse seejärel peeneks ning uraan ekstraheeritakse mitmete keemiliste toimingute käigus. Nende toimingute tulemusel saame kollase pasta, mida nimetatakse ka kollakoogiks. Siinkohal peame maiasmokki kurvastama – süüa see kook ei kõlba, kuid see-eest sisaldab 75% uraanoksiidi.

Selline näeb välja uraanist saadav kollane pasta, mida nimetatakse ka kollakoogiks.Foto: Orano

Seejärel läheb kollakook – nagu sinu talvemantelgi – keemilisse puhastusse, kuigi olgu öeldud, et päris tavalises pesumajas seda protseduuri siiski ei tehta – ei ole mõtet küsima minna. Keemilise puhastuse läbinud kook muundatakse fluoritud vormiks (Uraanheksafluoriid UF6: 6 fluoriaatomit ühe uraani aatomi kohta) – seda nimetatakse konversiooniks. Pärast seda võib lisanditeta uraan minna lõpuks järgmisse etappi: rikastamisesse.

Tuumareaktorites kasutamiseks ja elektri tootmiseks tuleb looduslikku uraani rikastada suurema osakaaluga uraan-235-ga. Sajas kilos looduslikus uraanis on 99,3 kilo uraan-238 ja ainult 700 grammi uraan-235. Niisiis kontsentreeritakse looduslikus uraanis sisalduv 0,7-protsendine uraan-235, et ajada sisaldus kolme kuni viie protsendi peale. Pärast rikastamist on uraani kontsentratsioon seitse korda suurem kui kollakoogis.

Looduslikku uraani on vaja tuumareaktorites kasutamiseks rikastada.Foto: Urenco

Orano andmetel saab vaid ühe kilo rikastatud uraaniga toota sama palju energiat kui 160 tonni kivisöega.

Pärast töötlemist muutub uraan-235-ga rikastatud uraan mustaks pulbriks. See must pulber surutakse vormidesse kokku, pannakse ahju ja kuumutatakse… me saame aru, et see kõik kõlab kahtlaselt nagu Nami-Nami retsept, aga uraan ausõna pole söödav.

Tagasi asja juurde – mustast pulbrist saadud keraamilised pelletid, millest igaüks kaalub vaid 7 grammi, sisestatakse nelja meetri pikkustesse metalltorudesse. Neid nimetatakse kütusevarrasteks. Seejärel suletakse vardad hermeetiliselt ja seatakse kimpu, mida nimetatakse “kütusekoostudeks” – iga koost koosneb 264 vardast –, mida kasutataksegi reaktoris elektri tootmiseks.

Pärast töötlemist muutub uraan-235-ga rikastatud uraan mustaks pulbriks.Foto: Urenco
Kütusekoost, mis koosneb kütusevarrastest, kuhu sisse on paigutatud tuumkütus pelletitena.Foto: deepisolation.com

Näiteks 900 MWe surveveereaktori südamikus on 157 kütusekoostu ehk enam kui 11 miljoni graanulit. Igaüks neist graanulitest annab sama palju energiat kui tonn kivisütt. Iga kütusekoost toodab piisavalt elektrit, et katta 100 000 elanikuga linna kodune energiavajadus terveks aastaks.

Uraan võib muuta tuumaenergia “lõpmatuks”

Rahvusvaheline Aatomienergia Agentuur ehk IAEA prognoosib, et nõudlus tuumaenergia järele kasvab järgmistel aastakümnetel märkimisväärselt – aastaks 2050 kuni 82 protsenti võrreldes tänasega. See võib tähendada, et nõudlus uraani järele kasvaks nii palju, et maismaavarudest jääks väheks.

Nimelt pole uraan laialt levinud ainult kivimites, vaid ka merevees. USA energeetikaministeeriumi andmetel sisaldavad maailma mered ja ookeanid vähemalt 500 korda rohkem uraani kui on kokku kõigis teadaolevates maapealsetes varudes, vahendas Elektri- ja Elektroonikainseneride Instituudi ajakiri IEEE Spectrum. Mure seisneb aga selles, et enamasti pole vees leiduv uraan piisavalt kontsentreeritud, et sellega oleks mõttekas midagi peale hakata.

Seepärast on teadlased pikalt pead murdnud, kuidas leida tõhusaid viise mereveest uraani ekstraheerimiseks. Potentsiaal on tohutu – veest ekstraheeritud uraanist valmistatud tuumkütus muudaks tuumaenergia täielikult taastuvaks. Neljast miljardist tonnist uraanist, mis praegu merevees leidub, piisaks, et varustada tuhat tüüpilist 1000-megavatist tuumaelektrijaama 100 000 aastaks. Nii saaks tuumaenergiast peaaegu samasugune lõputu energia allikas nagu on praegu päike või tuul.

Kui kaugele on teadlased jõudnud? Ütleme nii, et töö käib. Tänavu jaanuaris teatasid teadlased, et poorne membraan imab mereveest 20 korda rohkem uraani kui seni valmistatud membraanid. Poorne membraan püüdis nelja nädalaga kinni üle 9 milligrammi uraani ühe grammi materjali kohta. Seda on rohkem kui teised uraani ekstraheerivad materjalid on suutnud koguda kaks korda pikema aja jooksul.

Ameerikas Tennessee osariigis asuva Oak Ridge’i riikliku labori keemiainsener Costas Tsouris ütles Elektri- ja Elektroonikainseneride Instituudi ajakirjale IEEE Spectrum, et poorse membraani suur uraani püüdmise võime on paljulubav ja ületab tõepoolest oma eelkäijaid, kuid katsed reaalmaailmas ootavad veel ees. Pöidlad pihku!

Kas uraani leidub ka Eestis?

Eesti Teadusagentuuri tellitud uuringus leiti tunamullu, et Eestis on maapõues üsna suured uraani varud. Uuring keskendus bioleostumise kasutusvõimalustele metallide eraldamiseks Eesti graptoliitargilliidist ehk mustast kildast.

Pakri poolsaarel paljandub graptoliitargilliit üle neljameetrise kihina liivakivide peal.Foto: Shutterstock

Graptoliitargilliit on ligikaudu 480 miljonit aastat tagasi savi ja hajusa orgaanilise aine settimisel ning kõvastumisel tekkinud tumepruun savikivim ehk argilliit. Eesti aladel ulatub graptoliitargilliit küllaltki laia vööndina Hiiumaalt Narvani, hõlmates riigi maismaaosast üle 12 000 ruutkilomeetri (Eesti Loodus). Kivim paljandub Põhja-Eesti klindil ja mitmel pool Eesti põhjaosa jõeorgudes, aga ka inimtekkelistes kaevetes.

Eestis leiduvatest kivimitest on just graptoliitargilliidis märkimisväärses koguses uraani. Kui lubjakivis on uraani ühe tonni kohta keskmiselt pool kuni viis grammi, siis graptoliitargilliidis võib olla uraani ühe tonni kohta lausa 700 kuni 1000 grammi, kirjutas ERR seoses mainitud uuringuga.

Hüpoteetiliselt – kui kogu Eesti graptoliitargilliit üles kaevata ja uraan sealt välja võtta, saaks seda TTÜ professori Alvar Soesoo sõnul 5,6 miljonit tonni. Olge mureta – Eestis keegi siiski uraani kaevandama hakata ei plaani, kuna tänaste hindade (mis tähendab, et uraani on järelikult piisavalt) juures ei oleks see majanduslikult mõistlik.

Populaarsed lood mujal Geeniuses

Ära jää ilma päeva põnevamatest lugudest

Telli Geeniuse uudiskiri

Saadame sulle igal argipäeval ülevaate olulisematest Geeniuse teemadest.