Tuumajaamade kütuseks on tavaliselt uraan, täpsemalt uraandioksiidist pressitud pelletid,
mis asetatakse erisulamist kütusevarrastesse.
Need vardad keevitatakse kinni ja seatakse kimpu, mida nimetatakse kütusekoostuks.
Vardaid reaktoris üksteise suhtes kindlasse asendisse liigutades käivitub varraste sees olevates kütusepelletites kontrollitud ahelreaktsioon, mis väljendub eralduvas soojusenergias, mis kandub reaktoris olevasse vette ning selle vee soojusenergia muudetakse auruks. Aur juhitakse turbiinile, ning turbiin käitab elektrit tootvat generaatorit.
Pea kõikides tänapäeva reaktorites kasutatav tuumkütus on uraandioksiid
See tähendab, et tuumkütus koosneb kahest keemilisest elemendist – uraanist ja hapnikust. Uraandioksiid on keraamiline materjal, kuid erinevalt meile tuttavatest keraamilistest materjalidest on ta värvuselt süsimust.
Sarnaselt kodukapis leitavale keraamikale on tuumkütus kõva materjal ning talub väga kõrget – tuhandeid kraade – kuumust. Lisaks on tuumkütus väga raske materjal – veest ligi 11 korda raskem. Elektri tootmisel on just see omadus väga kasulik, kuna väga väikese kütuse mahu juures on võimalik toota väga palju elektrit. See tähendab ka, et jäätmete maht on tegelikult väga väike.
Uraandioksiidi toodetakse maagist, mida on maailmas palju ning mis on laialt levinud. Veelgi rohkem leiab uraani üle maailma mereveest. Ka Eestis on uraan nii maapõues kui merevees levinud.
Sellest hoolimata on odavam uraani osta riikidest, kus selle kontsentratsioon maagis on keskmisest palju kõrgem. Hoolimata uraani päritolumaast on vaid väike osa sellest, alla ühe protsendi, enamikes täna eksisteerivates reaktorites lõhustatav.
See tuleneb sellest, et uraan kui keemiline element koosneb erinevatest isotoopidest ning vaid ühte neist on võimalik enamikes tänapäeva reaktorites efektiivselt lõhustada. Seetõttu tuleb uraani rikastada, ehk tõsta selle ühe kasuliku isotoobi osakaalu ligi viiele protsendile.
Nii uraani maagi kui ka selle töötlemise ja rikastamise turg on rahvusvaheline. Enamikku maailma 450 reaktoritest varustatakse uraaniga Austraaliast, Kasastanist, Nigerist, Kanadast või Namiibiast.
Rikastamine
Rikastamine toimub tihti aga hoopis Jaapanis, Prantsusmaal, USAs või Venemaal. Lisaks on mõned riigid otsustanud oma kütust ümber töödelda, et oluliselt tõsta elektri tootmise efektivisust kaevandatud uraani tonni kohta.
Tuumkütus saab alguse uraanimaagist, mis puhastamise järel jahvatatakse – tulemuseks on “kollakook” ehk uraani pulbriline kontsentraat, mis tegelikkuses võib olla ka rohekas, pruunikas või peaaegu musta värvi.
Kollakook vajab enne jaamas kasutamist täiendavat töötlemist – looduslik uraan koosneb peamiselt U-238 isotoobist, kuid ca 0,711% ka U-235 isotoobist, mis ongi tuumajaama kütuse “aktiivseks” osaks. Selle isotoobi osakaalu tõstmist nimetataksegi rikastamiseks, see toimub näiteks gaasilise uraan-heksafluoriidi tsentrifuugimise teel – raskem U-238 eraldub gravitatsioonijõu mõjul kergemast U-235 sisaldusega gaasist. Pärast rikastamist muudetakse saadus taas tahkeks uraandioksiidiks. Uraandioksiidi pulber pressitakse ning kuumutatakse pelletiteks ning valimis pelleteid kasutatakse kütusevarraste täitmiseks.
Iga pellet on ühe üsna väikese sõrme otsa suurune – umbes üks sentimeeter kõrge ja ühe sentimeetrise läbimõõduga – ning annab välja sama palju energiat kui 800 kilo söe või 540 liitri õli põletamine. Erinevalt fosiilsetest kütustest ei tooda aga tuumkütuse “põletamine” kasvuhoonegaase.
Kütusevardad
Kütusevardad on sisuliselt seest õõnsad õhukesed metalltorud, mis on tihedalt üksteise otsas istuvaid pelleteid täis pikitud. Kütusevarraste otsad keevitatakse kinni, et neisse jahutusvesi sisse ei pääseks.
Kütusevardad koondatakse mitme kaupa ühte konstruktsiooni – kütuseelementi – et kütuse transport ja laadimine oleks lihtsam. Erinevalt fossiilkütusest on tuumkütusel pikk kasutusaeg. Iga kütuseelementi kasutatakse soojuse tootmiseks reaktoris umbes 4-5 aastat, kusjuures umbes korra aastas vahetatakse kütuse positsiooni reaktoris.
Põhjus selleks on sama nagu aegajalt lõkkes süte segamisel, ehk et põlemine oleks ühtlane. Oma kasuliku eluea lõppedes liigutatakse kütuseelemendid reaktorist välja esmalt samas hoones asuvasse kütusebasseini, ning transporditakse seejärel jäätmete ladestamisjaama.
Ei ole olemas ühte õiget kütuseelementi, vaid konkreetsed detailid varieeruvad reaktori tüübist ning kütuse tootjast olenevalt. Kuid tüüpiliselt on üks kütusevarras on umbes nelja meetri pikkune ning mahutab ligi 400 pelletit. Tüüpiliselt on üks kütuseelement veidi üle nelja meetri kõrge, on ruudukujulise läbilõikega, mahutab 17 x 17 kütusevarrast ning kaalub ligi 700 kilo.