چرخه سوخت هستهای چیست؟
اورانیومی که از زمین استخراج میشود، بلافاصله قابل استفاده در نیروگاههای تولید انرژی نیست. برای آنکه بتوان بیشترین بازده را از اورانیوم به دست آورد، فرآیندهای مختلفی روی سنگ معدن اورانیوم صورت میگیرد تا غلظت ایزوتوپ U235 که قابل شکافت است، افزایش یابد. چرخه سوخت اورانیوم نسبت به سوختهای رایج دیگر، از جمله زغال سنگ، نفت و گاز طبیعی به مراتب پیچیدهتر و متمایزتر است. چرخه سوخت اورانیوم را چرخه سوخت هستهای نیز میگویند. چرخه سوخت هستهای از دو بخش انتهای جلویی و انتهای عقبی Front end) و (Back end تشکیل شده است. انتهای جلویی چرخه، مراحلی است که منجر به آمادهسازی اورانیوم به عنوان سوخت رآکتور هستهای میشود و شامل استخراج از معدن، آسیاب کردن، تبدیل، غنیسازی و تولید سوخت است. هنگامی که اورانیوم به عنوان سوخت مصرف شد و انرژی از آن به دست آمد، انتهای عقبی چرخه آغاز میشود تا ضایعات هستهای به انسان و محیط زیست آسیبی نرسانند. این بخش عقبی شامل انبارداری موقتی، بازفرآوری کردن و انبار نهایی است.
- اکتشاف و استخراج
ذخایر طبیعی اورانیوم، سنگ معدن اورانیوم است که بر اساس مقدار قابل استحصال از معدن محاسبه میشود. با تکنیکها و روشهای زمینشناسی، معدن اورانیوم شناسایی میشود و نمونههایی از سنگ معدن به آزمایشگاه فرستاده میشود. در آنجا، محلولی از سنگ معدن تهیه میکنند و اورانیوم ته نشین شده را مورد بررسی قرار میدهند تا بفهمند چه مقدار اورانیوم را میتوان از آن معدن استخراج کرد و چقدر هزینه میبرد. اورانیوم موجود در طبیعت معمولاً از دو ایزوتوپ U235 و U238 تشکیل میشود که فراوانی آنها به ترتیب ۷۱/۰ درصد و ۲۸/۹۹ درصد است. هنگامی که معدن شناسایی شد، به سه روش میتوان اورانیوم را استخراج کرد. استخراج از سطح زمین، استخراج از معادن زیرزمینی و تصفیه در معدن. دو روش نخست همانند دیگر روشهای استخراج فلزات هستند ولی در روش سوم که در ایالات متحده استفاده میشود، سنگ معدن در خود معدن تصفیه میشود و اورانیوم به دست میآید. سنگ معدن اورانیوم معمولاً از اکسید اورانیوم (U3O8) تشکیل شده است و غلظت آن در سنگ معدن بین ۰۵/۰ تا ۳/۰ درصد تغییر میکند. البته این تنها منبع اورانیوم نیست. اورانیوم در برخی معادن فسفات با منشاء دریایی نیز وجود دارد که البته فراوانی بسیار کمی دارد، به طوری که حداکثر به ۲۰۰ ذره در یک میلیون ذره میرسد. از آنجایی که این معادن فسفات مقادیر انبوهی تولید دارند، میتوان اورانیوم را با قیمت معقولی استحصال کرد.
- آسیاب کردن
پس از استخراج سنگ معدن، تکه سنگها به آسیاب فرستاده میشود تا خوب خرد شده، خرده سنگهایی با ابعاد یکسان تولید شود. اورانیوم توسط اسید سولفوریک از دیگر اتمها جدا میشود، محلول غنی شده از اورانیوم تصفیه و خشک میشود. محصول به دست آمده، کنسانتره جامد اورانیوم است که کیک زرد نامیده میشود.
- تبدیل
کیک زرد جامد است، ولی مرحله بعد (غنیسازی) از تکنولوژی بخصوصی بهره میبرد که نیازمند حالت گازی است. بنابراین کنسانتره اکسید اورانیوم جامد طی فرآیندی شیمیایی به هگزافلوراید اورانیوم (UF6) تبدیل میشود. UF6 در دمای اتاق جامد است، ولی در دمایی نه چندان بالا به گاز تبدیل میشود.
- غنیسازی
برای ادامه یک واکنش زنجیرهای هستهای در قلب یک رآکتور آب سبک، غلظت طبیعی اورانیوم ۲۳۵ بسیار اندک است. برای آنکه UF6 به دست آمده در مرحله تبدیل، به عنوان سوخت هستهای مورد استفاده قرار گیرد، باید ایزوتوپ قابل شکافت آن را غنی کرد. البته سطح غنیسازی بسته به کاربرد سوخت هستهای متفاوت است. برای یک رآکتور آب سبک، سوختی با ۵ درصد اورانیوم ۲۳۵ مورد نیاز است، درحالی که در یک بمب اتمی، سوخت هستهای باید حداقل ۹۰ درصد غنی شده باشد. غنیسازی با استفاده از یک یا چند روش جداسازی ایزوتوپهای سنگین و سبک صورت میگیرد. در حال حاضر، دو روش رایج برای غنیسازی اورانیوم وجود دارد که عبارتند از انتشار گاز و سانتریفوژ گاز. در روش انتشار گازی (دیفیوژن)، گاز طبیعی UF6 با فشار بالا از یک سری سدهای انتشاری عبور میکند. این سدها که غشاهای نیمه تراوا هستند، اتمهای سبکتر را با سرعت بیشتری عبور میدهند. در نتیجه ۲۳۵UF6 سریعتر از ۲۳۸UF6 عبور میکند. با تکرار این فرآیند در مراحل مختلف، گازی نهایی به دست میآید که غلظت U235 بیشتری دارد. مهمترین عیب این روش این است که جداسازی ایزوتوپهای سبک در هر مرحله نرخ نسبتاً پایینی دارد، لذا برای رسیدن به سطح غنیسازی مطلوب باید این فرآیند را به دفعات زیادی تکرار کرد که این خود نیازمند امکانات زیاد و مصرف بالای انرژی الکتریکی است و بالتبع هزینه عملیات نیز بسیار افزایش خواهد یافت. در روش سانتریفوژ گاز، گاز UF6 را به مخزنهایی استوانهای تزریق میکنند و گاز را با سرعت بسیار زیادی میچرخانند. نیروی گریز از مرکز موجب میشود ۲۳۵Uf6 که اندکی از ۲۳۸UF6 سبکتر است، از مولکول سنگینتر جدا شود. این فرآیند در مجموعهای از مخزنها صورت میگیرد و در نهایت، اورانیوم با سطحی غنی شده مطلوب به دست میآید. هر چند روش سانتریفوژ گازی نیازمند تجهیزات گرانقیمتی است، هزینه انرژی آن نسبت به روش قبلی کمتر است. امروزه فناوریهای غنیسازی جدیدی نیز توسعه یافته است که همگی بر پایه استفاده از لیزر پیشرفت کردهاند. این روشها که روش جداسازی ایزوتوپ با لیزر بخار اتمی (AVLIS) و جداسازی ایزوتوپ با لیزر مولکولی (MLIS) نام دارند، میتوانند مواد خام بیشتری را در هر مرحله غنی کنند و سطح غنیسازی آنها نیز بالاتر است.
- ساخت میلههای سوخت
تولید میله سوخت، آخرین مرحله انتهای جلویی در چرخه سوخت هستهای است. اورانیوم غنی شده که هنوز به شکل UF6 است، باید به پودر دی اکسید اورانیوم (۲ UO) تبدیل شود تا به عنوان سوخت هستهای قابل استفاده باشد، پودر ۲ UO سپس فشرده میشود و به شکل قرص درمی آید. قرصها در معرض حرارت با دمای بالا قرار میگیرند تا به قرصهای سرامیکی سخت تبدیل شوند. پس از طی چند فرآیند فیزیکی، قرصهایی سرامیکی با ابعاد یکسان حاصل میشود. حال، متناسب با طراحی رآکتور و نوع سوخت مورد نیاز، این قرصهای کوچک را دسته دسته کرده و در لولهای بخصوص قرار میدهند. این لوله از آلیاژ بخصوصی ساخته شده است که در برابر خوردگی بسیار مقاوم است و در عین حال ازرسانایی حرارتی بسیار بالایی برخوردار است. حال میله سوخت آماده شده است و برای استفاده در رآکتور به نیروگاه فرستاده میشود.
- انتهای عقبی چرخه سوخت هستهای: مدیریت زبالههای هستهای
در نیروگاه هستهای هم مثل دیگر فعالیتهای بشری، ضایعاتی تولید میشود که به دلیل حساسیت مضاعف زبالههای رادیواکتیو، مدیریت این ضایعات باید تحت قوانین و محدودیتهای خاصی صورت بگیرد. در هر هشت مگاوات ساعت انرژی الکتریکی تولید شده در نیروگاه هستهای، ۳۰ گرم زباله رادیواکتیو به وجود میآید. برای تولید همین مقدار برق با استفاده از زغال سنگ پرکیفیت، هشت هزار کیلوگرم دی اکسید کربن تولید میشود که در دما و فشار جو، ۳ استخر المپیک را پر میکند. میبینید حجم زبالههای رادیواکتیو بسیار کمتر است، ولی خطر آنها به مراتب بیشتر است و مراقبت از آنها ضروریتر و دشوارتر. زبالههای رادیواکتیو بر اساس مقدار و نوع ماده رادیواکتیو به ۳ گروه تقسیم میشوند:
الف _ سطح پایین: لباسهای حفاظتی، لوازم، تجهیزات و فیلترهایی که حاوی مواد رادیواکتیو با عمر کوتاه هستند. اینها نیازی به پوشش حفاظتی ندارند و معمولاً فشرده شده یا آتشزده میشوند و در چالههای کم عمق دفن شده و انبار میشوند.
ب- سطح متوسط: رزینها، پسماندههای شیمیایی، پوشش میله سوخت و مواد نیروگاههای برق هستهای جزء زبالههای سطح متوسط طبقهبندی میشوند. اینها عموماً عمر کوتاهی دارند، ولی نیاز به پوشش محافظ دارند. این زبالهها را میتوان درون بتن قرار داد و در مخزن زبالهها گذاشت.
ج _ سطح بالا: همان سوخت مصرف شده رآکتورها است و نیاز به پوشش حفاظتی و سردسازی دارند. مراحل مدیریت این ضایعات عبارتند از:
- انبارداری موقتی
سوخت مصرف شده که از رآکتور خارج میشود، بسیار داغ و رادیواکتیو است و تشعشع و یونهای فراوانی را میتاباند. از این رو باید هم آن را سرد کرد و هم از تابیدن پرتوهای رادیواکتیو آن به محیط جلوگیری کرد. در کنار هر رآکتور، استخرهایی برای انبار کردن سوخت مصرف شده وجود دارد. این استخرها، مخزنهایی بتنی مسلح به لایههای فولاد زنگ نزن هستند که ۸ متر عمق دارند و پر از آب هستند. آب هم میلههای سوخت مصرف نشده را خنک میکند و هم به عنوان پوشش حفاظتی در برابر تابش رادیواکتیو عمل میکند. به مرور زمان، شدت گرما و تابش رادیواکتیو کاهش مییابد، به طوری که پس از چهل سال، به یک هزارم مقدار اولیه (زمانی که از رآکتور خارج شده بود) میرسد.
- بازفرآوری و انبار نهایی
۳ درصد سوخت مصرف شده در یک رآکتور آب سبک را ضایعات بسیار خطرناک رادیواکتیو تشکیل میدهد، ولی بقیه آن حاوی مقادیر قابل توجهی U-235،Pu-239 و U-238 و دیگر مواد رادیواکتیو است. این مواد را میتوان با روشهای شیمیایی از یکدیگر جدا کرد و اگر شرایط اقتصادی و قوانین حقوقی اجازه دهد، میتوان سوخت مصرف شده را برای تهیه سوخت هستهای جدید بازیافت کرد. کارخانههایی در فرانسه و انگلستان وجود دارند که مرحله بازفرآوری سوخت نیروگاههای کشورهای اروپایی و ژاپن را انجام میدهند. البته این کار در ایالات متحده ممنوع است. رایجترین شیوه بازفرآوری PUREX نام دارد که مخفف عبارت جداسازی اورانیوم و پلوتونیوم است. ابتدا میلههای سوختی را از یکدیگر جدا میکنند و در اسید نیتریک حل میکنند، سپس با استفاده از مخلوطی از فسفاتتری بوتیل و یک حلال هیدروکربن، اورانیوم و پلوتونیوم مصرف نشده را جدا میکنند و به عنوان سوخت جدید به مراحل تهیه سوخت میفرستند. ضایعات هستهای سطح بالا را پس از جداسازی، حرارت میدهند تا به پودر تبدیل شود. پس از این فرآیند که آهی کردن خوانده میشود، پودر را با شیشه مخلوط میکنند تا ضایعات را در محفظهای محبوس کند. این فرآیند شیشهسازی نام دارد. شیشه مایع برای ذخیرهسازی درون محفظههایی از جنس فولاد ضدزنگ قرار میگیرند و این محفظهها را در منطقهای پایدار (از نظر جغرافیایی) انبار میکنند. پس از یک هزار سال، شدت تابشهای رادیواکتیو ضایعات هستهای به مقدار طبیعی کاهش پیدا میکند. این نقطه تا به امروز، انتهای چرخه سوخت هستهای است.
پی نوشت:
۱-UraniumSa.Org
۲-Uranium.Info
شنبه ۲۱ آبان ۱۳۸۴ – شرق
مطالب مرتبط
