Siklus bahan bakar nuklir
Siklus bahan bakar nuklir, disebut juga sebagai rantai bahan bakar nuklir, adalah serangkaian proses perkembangan bahan bakar nuklir yang melalui serangkaian tahapan yang berbeda. Siklus ini terdiri dari beberapa tahapan, diantaranya: tahap bagian hulu ("front end"), yaitu persiapan bahan bakar; tahap periode penggunaan, yaitu ketika bahan bakar digunakan selama operasi reaktor;
dan tahap bagian hilir ("back end"), yaitu tahapan yang paling penting untuk mengelola, menyimpan, baik atau membuang secara aman. Apabila bahan bakar bekas tidak di daur ulang, siklus bahan bakar dikategorikan sebagai siklus bahan bakar terbuka ("open fuel cycle" atau "once-through fuel cycle"); apabila bahan bakar bekas di daur ulang, maka siklusnya dikategorikan sebagai siklus bahan bakar tertutup ("closed fuel cycle").
Energi nuklir bergantung kepada material fisil yang memungkinkan terjadinya reaksi berantai dengan netron. Beberapa contoh material tersebut adalah Uranium (U) dan Plutonium (Pu). Sebagian besar reaktor nuklir menggunakan energi kinetik netron pada skala menengah sampai rendah sehingga meningkatkan kemungkinan terjadinya reaksi fisi. Kondisi tersebut memungkinkan reaktor untuk
menggunakan konsentrasi isotop fisil yang jauh lebih rendah dibandingkan dengan isotop fisil yang dibutuhkan untuk senjata nuklir. Grafit dan air berat merupakan yang paling efektif, karena bahan tersebut dapat memperlambat netron melalui tumbukan tanpa menyerapnya. Reaktor yang menggunakan air berat atau grafit sebagai moderator dapat beroperasi menggunakan uranium alam.
Uranium merupakan sumber energi dengan kelimpahan sungguh sangat besar, yaitu 13000 TW tahun. Sebagai perbandingan, kelimpahan energi dari batubara adalah 680 TW tahun. Sedangkan kelimpahan energi dari minyak dan gas adalah 400 TW tahun. Adapun konsumsi energi dunia pada tahun 2000 adalah 14 TW tahun, dan pada tahun 2100
diproyeksikan sekitar 55 TW tahun. (TW adalah singkatan dari terrawatt, dan 1 TW = 1000000000000 W). Uranium di kerak bumi terdeposit bersama-sama dengan mineral lainnya. Agar dapat menghasilkan energi yang efisien, uranium harus diolah melalui serangkaian tahapan proses yang panjang dan kompleks dibanding pemrosesan bahan bakar fosil seperti batubara, minyak, dan gas. Meskipun
demikian, porsi ongkos bahan bakar nuklir terhadap ongkos total pembangkitan listrik dari Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir (PLTN) adalah realtif kecil, yaitu sekitar 20 %.
Sebuah reaktor air ringan (Light Water Reactor/LWR) menggunakan air seperti di alam, dan membutuhkan bahan bakar isotop fisil diperkaya hingga konsentrasi yang lebih tinggi. Secara khusus, reaktor ini menggunakan hingga 3- 5% kandungan isotop yang tidak umum, satu-satunya isotop fisil yang ditemukan dalam jumlah yang signifikan di alam. Salah satu alternatif dari penggunaan bahan
bakar uranium diperkaya-rendah ("low-enriched uranium"/LEU) adalah bahan bakar ("mix oxide"/MOX) yang dihasilkan dari pencampuran plutonium dengan uranium alam atau uranium deplesi. Jenis bahan bakar ini memberi jalan terhadap penggunaan yang jumlahnya melimpah. Tipe lain dari bahan bakar MOX meliputi pencampuran LEU dengan torium yang menghasilkan isotop fisil. Baik plutonium dan U-233 diproduksi
dari penyerapan netron oleh iradiasi di dalam reaktor, dalam keadaan tertentu umumnya isotop dapat dipisahkan dari bahan bakar bekas uranium dan torium dari bahan bakar bekas torium di dalam.
Beberapa reaktor tidak menggunakan moderator untuk memperlambat netron. Seperti senjata nuklir, yang tidak menggunakan moderator atau disebut juga dengan netron cepat ("fast neutron"), reaktor- tersebut membutuhkan konsentrasi isotop fisil yang jauh lebih tinggi dengan tujuan untuk menghasilkan reaksi berantai. Reaktor tersebut juga mampu isotop fisil yang berasal dari material fertil; adalah salah satu reaktor yang menghasilkan material fisil lebih banyak daripada yang dikonsumsinya.
Selama reaksi nuklir di dalam reaktor, isotop fisil dalam bahan bakar nuklir dikonsumsi, menghasilkan lebih dan lebih, terutama yang dikategorikan sebagai limbah radioaktif. Pembentukan produk-produk fisi dan konsumsi isotop-isotop fisil pada akhirnya akan menghentikan reaksi nuklir sehingga menyebabkan bahan bakar menjadi bahan bakar bekas. ketik sejumlah 3% bahan bakar LEU
diperkaya digunakan, secara khusus mengandung kira-kira 1% U-235, 95% U-238, 1% plutonium dan 3% produk-produk fisi lainnya. Bahan bakar bekas dan limbah radioaktif tingkat tinggi lainnya sangat berbahaya, meskipun reaksi nuklir menghasilkan volume limbah yang relatif kecil dibandingkan dengan pembangkit listrik lainnya dikarenakan densitas energi yang besar dari bahan bakar nuklir. Pengelolaan
keselamatan produk-produk samping energi nuklir tersebut, termasuk penyimpanan dan pembuangannya, merupakan persoalan sulit bagi negara yang menggunakan energi nuklir.
Tahapan dimulai dari penambangan dan penggilingan bijih uranium untuk mendapatkan konsentrat uranium. Tahapan proses selanjutnya adalah pemurnian dan konversi, pengkayaan atau peningkatan kadar U-235 dalam uranium, dan fabrikasi perangkat bakar nuklir sesuai dengan jenis reaktornya.
Seluruh tahapan mulai dari penambangan hingga fabrikasi perangkat bakar disebutsebagai ujung depanatau "front end" siklus bahan bakar nuklir.
Bahan bakar uranium yang telah habis masa gunanya dalam membangkitan energidisebut bahan bakar bekas atau "spent fuel" yang akan melalui beberapa tahapan pengelolaan setelah dikeluarkan dari teras reaktor. Masa guna bahan bakar nuklir di reaktor antara 3- 6 tahun.
Pengelolaan bahan bakar bekas meliputi: penyimpanan sementara, proses olah ulang dan daur ulang, dan pada akhirnya ditangani sebagai limbah aktivitas tinggi. Tahapan ini disebut sebagai ujung belakangatau "back end" siklus bahan bakar nuklir.
Proses olah ulang dan daur ulang bahan bakar nuklir bekas merupakan sebuah opsi. Siklus bahan bakar nuklir yang tidak menerapkan proses olah ulang dan daur ulang pada ujung belakang disebut siklus bahan bakar terbuka atau "open fuel cycle". Sedangkan siklus bahan bakar nuklir yang menerapkan proses olah ulang dan daur ulang bahan bakar bekas disebut siklus bahan bakar tertutup atau "closed fuel cycle".
Siklus bahan bakar nuklir tertutup melalui daur ulang bahan bakar bekas tanpa melalui proses pemisahan plutonium telah menjadi pilihan utama pengembangan sistem energi nuklir pada masa depan.
Uranium dapat ditambang melalui teknik terbuka (open cut) maupun teknik terowongan (underground) tergantung pada kedalaman batuan uranium yang diketemukan. Sebagai contoh tambang uranium Ranger adalah tambang terbuka sementara Olympic Dam merupakan tambang bawah tanah (tambang ini juga memproduksi tembaga, emas dan perak). Kedua tambang uranium tersebut berada di Australia yang merupakan negara dengan cadangan uranium
kategori murah terbesar di dunia. Bijih uranium hasil penambangan selanjutnya dikirim ke pabrik pengolah bijih yang umumnya berada di dekat tambang. Di pabrik ini, bijih uranium dihancurkan secara mekanik, dan kemudian uranium dipisahkan dari mineral lainnya melalui proses kimia menggunakan larutan asam sulfat. Hasil akhir dari proses ini berupa konsentrat uranium oksida (U3O8) yang sering disebut kue kuning atau "Yellow Cake", meskipun dalam banyak hal berwarna kecoklatan.
Beberapa tambang uranium di Australia, Amerika Serikat, dan Kazakhstan menggunakan In Situ Leaching (ISL) untuk mengkstrak uranium secara langsung dari batuan di dalam tanah dan membawanya ke permukaan dalam bentuk larutan kaya uranium, yang kemudian diendapkan dan dikeringkan menjadi padatan uranium oksida. Teknik ini terutama digunakan untuk mengekstrak uranium yang terdapat dalam batuan di dalam tanah yang tidak ekonomis apabila delakukan dengan teknik konvensional.