Proses Pengolahan Uranium

Kadar uranium dalam bijih umumnya sangat rendah, yaitu berkisar antara 0,1 – 0,3 % atau 1-3 kg uranium tiap ton bijih. Untuk mempermudah dan menekan biaya transportasi, maka uranium dalam bijih ini perlu diolah terlebih dahulu. Tujuan utama dari pengolahan adalah untuk pemekatan dengan cara mengurangi sebanyak mungkin bahan lain yang ada dalam bijih sehingga dapat menyederhanakan proses transportasi ke tempat pemrosesan berikutnya. Pengolahan bijih uranium dapat dilakukan dengan cara penggerusan, pelindihan maupun ekstraksi kimia dan pengendapan. Hasil akhir dari proses pengolahan uranium ini adalah diperolehnya endapan kering berwarna kuning yang disebut pekatan (konsentrat) yang berkadar uranium sekitar 70 %. Karena berwarna kuning maka endapan ini disebut juga yellowcake. Dari 1000 ton bijih rata-rata dapat dihasilkan 1,5 ton yellowcake.

Pengolahan uranium terdiri dari : pemanggangan, penghancuran, pemekatan fisis, pelindian asam/basa, dekantasi, pertukaran ion, presipitasi, filtrasi.

Pemanggangan

Proses pemanggangan bertujuan untuk membuat senyawa Uranium dan Vanadium lebih mudah dilindi, sehinnga Vanadium dapat diam bi l sebagai hasil samping, karena proses pemanggangan ada pengaruh terhadap pemungutan Uranium dan Vanadium.Pada suhu 350oC U terambil dulu, tapi diatas 350 -500 oC % U terambil turun, diatas 500oC – 800oC dengan NaCl V mulai banyak terambil. Selain itu pemanggangan dapat merusak ikatan organik, sehingga memudahkan pelindian dan memudahkan pengenapan/dekantasi.

Penghancuran

Proses ini bertujuan untuk mereduksi ukuran bijih agar lebih mudah terlindi (+10 Mesh )

Pemekatan fisis

Bertujuan : untuk mengurangi bahan pelindi, mengurangi bahan-bahan yang tidak membawa U tinggi.

Pemekatan fisis bergantung pada tipe bijih,sehingga dapat dilakukan dengan cara yaitu :

a) Flotasi buih

b) Pengenapan grafitasi

c) Pemilahan dengan meja-alur-getar

d) Pemilahan radioaktif

e) Pemungutan bahan bijih lain yang bernilai ekonomis

Bijih yang telah melalui pemekatan fisis, sudah memiliki grade rata-rata lebih tinggi.

Pelindian

Pelindian yang dikenakan dapat berupa :

Pelindian basa / alkali, dengan Na2CO3

Pelindian asam, umumnya dengan H2SO4 encer

Sebagaian besar bijih dapat dikenai lindi asam, tapi bijih dengan konstituen basa, lebih ekonomis dikenai lindi basa, karena kalau lindi asam, perlu banyak. Mengingat semua bijih U dilindi dengan asam sulfat atau dengan karbonat, maka hasil lindiannya banyak mengandung asam bebas, Fe, Al; F;Mn;Ca;Ti;Si dan U dalam konsentrasi kecil, oleh karena itu diperlukan cara seekonomis mugkin. Jadi cara pengendapan langsung umumnya tidak ekonomis dan layak secara teknis

Cara pertukaran ion ternyata sangat layak. Cara ini bekerja atas dasar kemampuan resin-penukar anion dalam menyerap anion U secara selektif dari lautan asam / basa. Setelah U terserap cukup banyak, maka dilakukan pengusiran U dari resin menggunakan garam tetentu, supaya bisa dihasilkan U lebih pekat dan relatif lebih murni. Kemudian hasil pemekatan ini bisa diendapkan dengan alkali menghasilkan Yellow Cake dengan kadar U yang cukup tinggi.

Selain dengan cara pertukaran ion, pemurnian juga dapat dilakukan dengan proses ekstraksi pelarut. Cara ini berdasar pada sifat pelarut organik tertentu yang tidak bercampur dengan air ( eter; ester, amina dll)yang mencapai kesetimbangan dan punya kemampuan membentuk komplek dengan garam U Kemudian kedua fase dibiarkan memisah, maka senyawa logam akan terdistribusi dalam fase-fase tersebut

Cara ekstraksi memberikan keuntungan : karena dapat isolasi U / pemekatan U dan penghilangan kontaminan atau impuritas. Dalam proses ekstraksi larutan mengandung U dan pengotor, akan diekstraksi dengan menggunakan alat MIXER SETTLER. Alat untuk ekstraksi(ekstraktor).

Langkah terakhir adalah proses pengendapan, filtrasi dan pengeringan untuk memperoleh U-Konsentrat, karena umumnya hasil ekstraksi maupun penukar ion berupa larutan encer.

Biasanya U mengendap bersama-sama bersama-sama dengan impuritas atau pengotor, tanpa dimurnikan lagi.Tapi sering juga dilakukan pengendapan selektif dengan cara pengaturan pH. Jadi tujuan utama proses pengendapan adalah untuk menghasilkan konsentrat padat dari uranium dan terkenal dengan sebutan YELLOW CAKE.

Pemurnian Uranium

Proses pemurnian bertujuan untuk merubah yellowcake menjadi bahan dengan tingkat kemurnian yang tinggi sehingga berderajad nuklir dan bebas dari unsur-unsur pengotor lainnya. Senyawa kimia bahan bakar berderajad nuklir yang dihasilkan dapat berbeda bergantung proses pemurnian yang digunakan. Dari proses pemurnian akan diperoleh produk akhir berupa UO2, U3O8 atau U-logam

yang siap untuk proses selanjutnya. Ketiga macam produk akhir proses pemurnian itu disesuaikan dengan kebutuhan calon pemakai bahan bakar nuklir.

Konsentrat uranium Yellow Cake(YC) sebagai umpan pelarutan mengandung uranium cukup tinggi(50-90 %) U3O8

Pengotor dalam konsentrat masih cukup banyak

Pengotor yang paling banyak justru dari bahan yang digunakan dalam pengendapan ( contoh penggunakan NaOH dalam lar.carbonat) dan ion SO-4 terdapat dalam konsentrat yang dihasilkan dari”Ion Exchange”

Selain itu terdapat Pengotor lainnya yang keberadaannya tidak diizinkan dalam jumlah besar, seperti cadmium, boron, dan logam tanah jarang yang mampu menyerap neutron sehingga mengganggu ekonomi neutron dalam reaktor.

Pemurnian uranium tersebut dilakukan dengan cara ekstraksi pelarut menggunakan peralatan Mixer settler yang telah digambarakan sebelumnya. Mixer Settler terdiri dari dua bagian yaitu bagian pencampur, yang merupakan bagian tempat terjadinya kontak antara fase air dan fase organik. Dibagian ini terjadi perpindahan massa dari fase air ke fase organik. Kemudian bagian lain Mixer Settler adalah bagian pengenapan, yaitu tempat terjadinya pengenapan dan pemisahan antara fase organik dan fase air

Dalam proses ekstraksi pelarut yang banyak digunakan : Pelarut TBP dengan pengencer Kerosen.

Beberapa sifat TBP :

Sifat TBP pada suhu kamar berupa cairan tak berbau dan tak berwarna, berwarna kuning kecoklatan.

Densitas ( g/ml) 0,973

Viskositas (millipoise) 33,2

Kelarutan dalam air(g/l) 0,39

Kelarutan air dalam TBP(g/l 64

Pemilihan TBP sebagai solven, karena pertimbangan keamanan. TBP stabil pada konsentrasi asam nitrat tinggi, tidak eksplosif, modal rendah, biaya operasi rendah. TBP dapat terhidrolisa menjadi DBP dan MBP walaupun kecil diperkirakan peruraian TBP kurang dari 0,001 %. Persyaratan pengencer ( kerosen) adalah : tidak bercampur dengan air, harus campur sempurna dengan TBP,viskositas rendah,harga murah

Pemurnian UO2

Proses ekstraksi dalam pemurnian uranium memegang peranan penting, sebab dengan cara ekstraksi ini uranium dapat dipisahkan dari pengotor, shg didapatkan UO2 murni nuklir dan pengotor dalam skala ppm

Larutan U murni nuklir hasil proses ekstraksi pelarut perlu dilakukan proses lebih lanjut yaitu tahap pengendapan.

Pengendapan dengan amonia ( NH4OH ) memberi hasil berupa Ammonium diuranate (ADU)= (NH4)2U2O7

Reaksi :

2UO2(NO3)2 + 6NH4OH (NH4)2U2O7+ 4NH4NO3 + 3 H2O

Selain pengandapan dengan ammonia, juga dapat dilakukan pengendapan dengan gas NH3 dan CO2 membentuk Ammonium uranyl Carbonat(AUC) dengan reaksi sebagai berikut :

UO2(NO3)2 + 3NH4(CO3) (NH4)4UO2(CO3)+ 2NH3

Faktor Yang berpengaruh : pH, suhu, konsentrasi U, amonia, carbonat

Hasil AUC lebih menguntungkan dari ADU

Endapan tidak bersifat koloidal,sehingga mudah disaring

Filtrat lebih sedikit,sehingga efisiensi lebih besar

Ukuran partikel lebih homogen bulat(ADU runcing)

Free flowing lebih baik

Dalam rangkaian pembuatan bahan bakar UO2, kalsinasi dilakukan sebelum proses reduksi dan perlakuan panas dilakukan dalam atmosfer udara. Tujuan dari kalsinasi adalah untuk menghilangkan semua zat yang tidak dibutuhkan (senyawa non uranil) yaitu bahan volatil,H2O serta untuk membentuk U3O8.

Seperti halnya densitas, porositas merupakan salah satu karakteristik fisis yang diperlukan terutama untuk mengkarakterisasi bahan padatan hasil proses maupun yang akan diproses kembali. Sifat porositas bahan saling mempengaruhi dan dipengaruhi oleh besaran fisis yang lain maupun sifat thermalnya, misalnya bahan yang porous akan mempunyai nilai kerapatan yang rendah, luas permukaan yang lebih besar, konduktivitas panas yang rendah, dan sebagainya.

ADU : (NH4)2U2O7 2UO3 + 10H2O + O2 (500oC)

AUC : (NH4)4UO2(CO3) UO3 +2H2O+4NH3+3CO2 (400oC)

Salah satu proses dalam pembuatan UO2 adalah proses reduksi, Reduksi merupakan proses konversi oksida-oksida uranium meliputi UO3 dan U3O8 menjadi UO 2 yang didahului dengan pelepasan air dan dekomposisi senyawa organik . Reaksi reduksi U3O8 menjadi UO2 adalah sebagai berikut:

U3O8 (s) + 2H2(g) à 3UO2(s) + 2H2O(g)

Reduksi terhadap l U3O8 dapat dilakukan dengan gas H2 dalam medium gas N2. Reduksi berlangsung pada kondisi atmosfer, hal ini karena dengan kadar H2 yang kecil dapat menghindari bahaya kebakaran bila terjadi kebocoran pada tungku reduksi. Suhu yang terlampau tinggi memungkinkan terjadinya pelelehan sehingga dapat menutup pori-pori . Prosesnya reduksi sangat dipengaruhi oleh suhu dan waktu reduksi, Suhu reduksi merupakan faktor yang berpengaruh pada proses reduksi dan biasanya berkaitan dengan waktu yang digunakan, semakin tinggi suhu reduksi semakin singkat waktu yang digunakan. Suhu reduksi juga bergantung dari kereaktifan bahan yang hendak direduksi dan sifat UO2 yang dihasilkan. Perubahan fase selama proses reduksi U3O8 menjadi UO2 terjadi dalam dua tahapan, yaitu:

U3O8 à U4O9 à UO2

Pada konversi U3O8 menjadi U4O9 terjadi reaksi pada permukaan antara hidrogen dengan oksigen, laju reaksi proses ini sebanding dengan konsentrasi hidrogen dan oksigen pada permukaan oksida. Selama proses reduksi ukuran partikel butir kernel UO2 mengalami penyusutan.

Mekanisme reaksi yang terjadi pada proses reduksi yaitu mula-mula terjadi difusi gas hidrogen melalui film gas ke permukaan, kemudian gas hidrogen masuk ke dalam butiran dan terjadi reaksi difusi, karena oksigen yang berada dibutiran U3O8 sangat reaktif, maka hal ini merupakan suatu sebab terjadinya difusi dari permukaan butiran ke dalam butiran. Suhu dan waktu dalam proses reduksi U3O8 akan memberikan pengaruh pada kualitas UO2 yang dihasilkan, diantaranya terhadap densitas, rasio O/U dan luas muka spesifik, volume pori total, rerata jari-jari pori. Kenaikan suhu reduksi akan menaikkan kualitas kernel UO2 yang dihasilkan. Waktu reduksi yang lebih lama akan menghasilkan kernel UO2 yang lebih baik, karena semakin sempurnanya reaksi yang terjadi.

Reduksi : UO3 dan U3O8 jadi UO2

UO3(p) + H2(g) UO2(p)+H2O

U3O8(p) +2 H2(g) 3 UO2(p)+2H2O

UO2 yang dihasilkan dipakai sebagai bahan bakar nuklir. Oleh karena itu dituntut mempunyai sifat kimia, fisis maupun thermodinamika yang baik , shg memenuhi spesifikasi bahan bakar. Pemakaian UO2 sebagai bahan bakar dalam pil(pellet) dan disintering dengan densitas lebih besar 95 % x10,96 g/Cm3(TD).

Bahan bakar reaktor nuklir yang menggunakan keramik uranium diantaranya UO2, Struktur kristal UO2 adalah face centered cubic tipe CaF2 dan memiliki densitas teoritis 10,96 gr/cm3.Keramik uranium sebagai bahan bakar memiliki beberapa keuntungan yaitu tahan terhadap temperatur operasi reaktor yang tinggi dikarenakan memiliki titik leleh yang tinggi, titik leleh dari UO2 yaitu sekitar 2760o C ). Selain memiliki titik leleh yang tinggi, keramik uranium juga memiliki kestabilan terhadap irradiasi yang baik (dimensi, struktur, volume) karena tidak adanya transformasi fase pada suhu rendah, dan ketahanan korosi yang baik.

Persyaratan Bahan Bakar UO2

Densitasnya harus tinggi mendekati densitas teoritis UO2 (10,96 gr/cm3), pada kondisi ini UO2 memiliki konduktivitas panas, elastisitas dan perlakuan dimensional (dimensional behavior) yang paling baik.

Permukaan bahan bakar haruslah halus dan tidak ada retakan atau serpihan.(Bahan Bakar kernel untuk Reaktor Suhu Tinggi)

Bahan yang dipergunakan harus memiliki kemurnian yang tinggi.

Perbandingan stokiometris O/U harus sama atau mendekati 2,00 karena pada kondisi UO2 memiliki konduktivitas panas yang paling tinggi.

Porositas butir bahan bakar harus merata dan berukuran antara 1-10 μm, karena porositas berkaitan erat dengan densitas UO2 dan perilaku dimensional bahan bakar reaktor.

Pengayaan

Pengayaan dimaksudkan untuk meningkatkan kadar 235U dalam bahan bakar nuklir hasil proses pemurnian. Perlu diketahui bahwa dalam uranium alam hasil penambangan terdapat tiga jenis isotop uranium, yaitu 238U dengan kadar 99,285 %, 235U dengan kadar 0,715 % dan 234U dengan

kadar yang sangat kecil. Dalam reaktor nuklir yang dapat berperan sebagai bahan bakar hanyalah 235U, sedang 238U dan 234U tidak dapat dijadikan bahan bakar karena tidak dapat melakukan reaksi fisi. Dengan proses pengayaan maka kadar 235U menjadi tinggi sehingga bahan bakar dapat dipakai dalam waktu lama. Proses pengayaan ini akan meningkatkan kadar 235U dalam bahan bakar menjadi 3-5 % seperti lazimnya dibutuhkan oleh suatu reaktor nuklir. Proses pengayaan tidak selalu dilewati oleh bahan bakar, karena ada jenis reaktor nuklir yang dapat memanfaatkan uranium alam.

Untuk memperkaya uranium terdapat beberapa proses pemisahan yang telah dikembangkan dan terpakai dalam skala industri. Semua cara berprinsip pada pemisahan fase gas (UF6).

Proses pengkayaan dilakukan dengan cara :

1. Proses difusi gas

Prinsip proses difusi gas adalah gas UF6 dialirkan dari ruang tekanan tinggi ke ruang tekanan ruang lebih rendah melalui sekat berpori. Pada kenyataannya bahwa UF 6 (U-235) memiliki kecepatan difusi lebih besar dari pada UF6(U-238), sehingga diperoleh pengayaan U-235 pada ruangan tekanan rendah. Untuk UF6, fraksi disisi tekanan rendah memiliki kekayaan 1.0043 lipat lebih tinggi dari fraksi pada ruangan tekanan tinggi.

Pada difusi gas efek pisah tiap tingkat begitu kecil, sehingga untuk memperoleh pengkayaan untuk bahan bakar LWR diperlukan ribuan tingkat dalam suatu kaskade . Untuk pengaliran gas memerlukan kompresi untuk menembus barier difusi, maka proses ini memerlukan energi sangat tinggi

2. Proses sentrifugasi gas

Prinsip pemisahan pada dasarnya adalah apabila pesawat sentrifus diputar dengan kecepatan rotasi amat tinggi, maka akan tercipta suatu medan gaya berat buatan yang dapat dimanfaatkan untuk memisahkan isotop. Jadi apabila UF6 dalam wadah sentrifuse diputar dengan kecepatan amat tinggi, maka isotop lebih berat cenderung bergerak mendekati mantel sentrifus, sedangkan isotop yang lebih ringan cenderung bergerak mendekati rotor pesawat. Cara sentrifugasi mempunyai efek pisah jauh lebih tinggi dari pada pemisahan difusi gas, dari segi konsumsi energi untuk menjalankan operasi pemisahan dengan sentrifugasi membutuhkan jauh lebi kecil , kira- kira 0,1 lipat dari kebutuhan untuk proses difusi gas untuk tugas yang sama.

Proses gas sentrifuse merupakan proses yang menggunakan silinder berputar dan tersusun seara paralel. Rotasi pada silinder menciptakan gaya sentrifuse yang kuat yang menyebabkan molekul gas yang lebih berat (U-238) bergerak keluar dari silinder. Sedangkan molekul gas yang lebih ringan (U-235) akan berada didekat pusat silinder.

Setelah pengayaan, gas UF6 diperkaya diubah menjadi serbuk uranium dioksida (UO2) yang kemudian difabrikasi menjadi pelet bahan bakar. Pelet-pelet selanjutnya diletakkan dalam kelongsong logam dan dirakit menjadi perangkat bakar nuklir yang siap digunakan di dalam teras reaktor.

Pabrikasi

Proses pabrikasi bertujuan untuk menyiapkan bahan bakar nuklir dalam bentuk fisik yang sesuai dengan jenis yang dibutuhkan oleh reaktor nuklir calon pemakai bahan bakar tersebut. Ada bermacam-macam bentuk bahan bakar bergantung pada jenis rancang bangun reaktor. Perbedaan tersebut umumnya terletak pada bentuk dan ukuran bahan bakar yang digunakannya. Dalam proses pabrikasi, sebagian besarnya merupakan proses fisis mekanis ditambah sedikit proses kimia. Ada berbagai macam bentuk elemen bakar bergantung pada rancang bangun yang dikaitkan dengan kinerja reaktor pemakainya. Misal ada jenis reaktor yang memakai bahan bakar diperkaya dengan pengayaan 2-3 % berbentuk UO2 yang diproses menjadi pelet dengan diameter ± 10 mm. Pelet kemudian dimasukkan ke dalam tabung kelongsong paduan zirkonium dengan panjang 4-5 m. Pellet UO2 dapat difabrikasi dengan mudah dengan cara “pressing dan Sintering”

Serbuk UO2 yang sudah berderajad keramik dilakukan pressing dengan langkah :

Serbuk UO2 dicampur dengan polyetilene glykol dan polyvynil alkohol (PVA), kemudian ditambah air dan pelumas hingga seperti lumpur. Pengeringan pertama 70oC, campuran diayak. Serbuk tergranulasi tersebut, kemudian dikompakkan dan diperoleh pellet hijau. Selanjutnya sebagai(pengikat dan pelumas/zeng stearat/ asam stearat) pada pellet hijau tersebut dihilangkan pada suhu dibawah suhu sintering,

Proses sintering adalah proses perlakuan panas pada suhu tinggi mendekati 0,5 – 0,7 titik lelehnya.Proses sintering harus bebas O2 supaya tidak terjadi oksidasi dan dilakukan dalam lingkungan gas inert yaitu Ar atau H2 . Tujuan sintering untuk menaikkan densitas mendekati 95% densitas teoritis, mengatur mikro struktur, porositas. Diharapkan densitas butir yang dihasilkan mendekati teoritis yaitu 10,5 – 10,96 g/ml

Tahapan proses sinter :

1. Ikatan mula antar partikel serbuk

Proses pengikatan diri meliputi difusi atom-atom. Ikatan ini terjadi pada kontak fisik antar partikel yang berdekatan. Ikatan ini tidak menyebabkan perubahan demensi pada pellet.Semakin besar bidang kontak permukaan pellet, maka semakin besar juga proses pengikatan dalam proses sinter.

2. Pertumbuhan leher

Pertumbuhan leher terjadi setelah pengikatan mula antar partikel dan terjadi karena adanya perpindahan massa pada proses sinter.Pertumbuhan ini tidak mempengaruhi jumlah porositas dan tidak menyebabkan penyusutan pada pellet.

3. Pertumbuhan leher

Karena adanya pertumbuhan butir, maka menyebabkan terjadinya proses penutupan saluran pori. Dapat juga disebabkan oleh penyusutan pori.

4. Penutupan saluran pori

Karena adanya pertumbuhan butir, maka menyebabkan terjadinya proses penutupan saluran pori. Dapat juga disebabkan oleh penyusutan pori.

5. Pembulatan pori

Bila massa diangkut kedaerah leher dari permukaan pori, maka pori tersebut akan menuju proses pembulatan pori.Proses ini berjalan sempurna, bila waktu dan suhu sinter cukup.

6. Penyusutan pori

Karena gas-gas yang terdapat dalam pori-pori keluar ke permukaan, maka terjadi penurunan volume pellet, shg juga terjadi penurunan luas muka. Dengan kata lain dapat dikatakan proses pemadatan, shg terjadi peningkatan berat jenis dan peningkatan kekuatan

7. Pengkasaran pori

Proses ini terjadi setelah kelima proses tersebut terjadi dan berjalan sempurna. Pengkasaran terjadi karena adanya bersatunya lubang-lubang kecil dari pori sisa dan menjadi besar dan kasar. Jumlah total pori tetap, tetapi luas permukaan pori bertambah besar

Pelet tersinter masuk kelongsong, dan kedua ujung kelongsong ditutup dan dilas, yang membentuk batang bahan bakar, kmd dirakit menjadi bundel batang sebagai elemen bahan bakar.

Proses Pembakaran Uranium dalam Reaktor

Inti atom dari U-235 terdiri dari 92 proton dan 143 neutron (92+143=235). Saat sebuah inti atom U-235 menangkap neutron, ia akan membelah menjadi dua inti atom baru dan melepaskan sejumlah energi dalam bentuk panas, disertai pelepasan 2 atau 3 neutron baru.

Jika neutron yang dilepaskan tersebut dapat memicu reaksi yang sama pada atom U-235 lainnya, dan melepaskan neutron baru lain, reaksi fisi berantai dapat terjadi. Reaksi ini dapat terjadi dan terjadi lagi, hingga berjuta-juta kali, maka energi panas dalam jumlah sangat besar dapat dihasilkan dari sedikit Uranium. Secara kasar energi panas dari reaksi inti 1 gram U-235 adalah sama dengan energi panas dari pembakaran 1 ton batubara.

Reaksi fisi uranium yang berlangsung di dalam reaktor nuklir

Proses membelah atau “membakar” uranium secara berantai dan terkendali adalah sebagaimana yang terjadi di dalam reaktor nuklir. Panas yang dihasilkan digunakan untuk membangkitkan uap air, dan selanjutnya uap air digunakan untuk memutar turbin dan akhirnya menghasilkanlistrik.

Tabel berikut memberikan gambaran tentang bertapa besarnya kandungan energi dalam bahan bakar uranium dibandingkan sumber energi lainnya.

Seperti unsur lainnya, uranium memiliki beberapa isotop. Uranium alami sebagaimana yang terdapat dalam lapisan kerak bumi utamanya tersusun atascampuran isotop U-238 (99.3%) dan U-235 (0.7%). Isotop adalah elemen atau unsur yang memiliki nomor atom yang sama tetapi jumlah neutron atau berat atom-nya berbeda.

U-235 merupakan isotop uranium yang penting, sebab dalam kondisi tertentu inti ini dapat dibelah yang diikuti dengan pelepasan energi dalam jumlah besar (sekitar 200 MeV per-pembelahan). Reaksi pembelahan inti atom dikenal dengan ”fisi nuklir”, dan isotop U-235 disebut sebagai ”bahan fisil”.

Seperti isotop radioaktif lainnya, uranium juga mengalami peluruhan. U-238 meluruh dalam jangka waktu yang panjang dengan waktu paro yang sama dengan umur bumi (4500 juta tahun). Ini dapat diartikan U-238 hampir tidak radioaktif jika dibandingkan dengan isotop lain di lapisan batuan dan tanah. Namun demikian peluruhan U-238 menghasilkan energi 0,1 watt/ton dalam bentuk panas. Energi peluruhan ini cukup untuk menghangatkan inti bumi. Adapun U-235 meluruh dalam jangka waktu sedikit lebih cepat dibanding U-238 (sekitar 700 juta tahun).

Isotop uranium U-238 dan U-235 adalah pemancar radiasi alpha dengan energi cukup rendah dan dapat ditahan oleh selembar kertas. Bahaya radiasi akan muncul apabila isotop uranium masuk ke dalam tubuh karena akan merusak jaringan dan dapat menimbulkan penyakit kanker.

Di dalam sebuah reaktor nuklir, bahan bakar uranium dirakit dalam bentuk tertentu sedemikian hingga reaksi fisi berantai yang terkendali dapat dicapai. Panas yang dihasilkan dari pembelahan U-235 kemudian digunakan untuk membangkitkan uap yang akan memutar turbin dan menggerakkan generator untuk menghasilkan listrik.

Pada dasarnya PLTN dan PLT Fosil, dengan kapasitas yang sama, memiliki banyak kemiripan. Keduanya sama-sama membutuhkan panas untuk menghasilkan uap guna memutar turbin dan generator. Namun perbedaan pokok yang perlu digarisbawahi disini bahwa PLTN memanfaatkan fisi atom uranium yang dapat menggantikan pembakaran batubara atau gas.

Reaksi fisi berantai yang berlangsung di dalam teras reaktor nuklir dikendalikan oleh batang kendali yang mempunyai sifat menyerap neutron dan dapat ditarik/didorong untuk mengatur reaktor pada tingkat daya yang dibutuhkan.

Di dalam teras reaktor yang menerapkan konsep fisi thermal sebagaimana reaktor PLTN komersial saat ini, bahan bakar uranium dikelilingi oleh materi yang disebut moderator. Bahan ini berfungsi untuk memperlambat kecepatan neutron yang dihasilkan dari reaksi reaksi fisi sehingga memungkinkan terjadinya reaksi berantai. Air, grafit dan air berat biasa digunakan sebagai moderator dalam berbagai jenis reaktor.

Karena jenis bahan bakar yang digunakan (konsentrasi U-235 dalam bahan bakar uranium hanya 3 – 5%), maka apabila terjadi malfungsi yang fatal dalam reaktor, bahan bakar dapat saja menjadi terlalu panas dan meleleh, akan tetapi tidak dapat meledak seperti bom nuklir.

Ada banyak jenis reaktor nuklir yang digunakan dalam PLTN komersial saat ini, dan yang masuk 3 besar dari 440 PLTN adalah PWR – Pressurized Water Reactor (48%), BWR – Boilling Water Reactor (20,8%), dan PHWR – Pressurized Heavy Water Reactor (7,7%) .

Karena di dalam reaktor nuklir PLTN terdapat U-238 dalam jumlah besar (bahan bakar reaktor PLTN hanya mengandung 3 – 5% U-235, dan sisanya adalah U-238), reaksi U-238 dengan neutron akan sangat sering terjadi. Faktanya sekitar 1/3 energi yang dihasilkan bahan bakar dalam reaktor berasal dari pembelahan Pu-239.

Tapi terkadang Pu-239 dapat menangkap neutron tanpa membelah dan berubah menjadi Pu-240. Karena Pu-239 secara progresif terbakar/membelah atau berubah menjadi Pu-240, maka semakin lama bahan bakar berada di dalam reaktor akan semakin banyak Pu-240 di dalamnya.