چرخه سوخت هسته‌ای و اجزای تشکیل دهنده آن

چرخه سوخت هسته ای شامل مراحل استخراج، آسیاب، تبدیل، غنی سازی، ساخت سوخت باز تولید و راكتور هسته ای است و به یك معنا كشوری كه در چرخه بالا به حد كاملی از خودكفایی و توسعه رسیده باشد با فناوری تولید سلاح های هسته ای فاصله چندانی ندارد.
انرژی هسته ای با توجه به ویژگی های حیرت انگیزش در آزادسازی حجم بالایی از انرژی در قبال از میان رفتن مقادیر ناچیزی از جرم، به عنوان جایگزین سوخت های پیرفسیلی كه ناجوانمردانه در حال بلعیده شدن هستند، مطرح شده است. ایران نیز با وجود منابع گسترده نفت و گاز به دلیل كاربردهای بهتری كه سوخت های فسیلی نسبت به سوزانده شدن در كوره ها و برای تولید حرارت دارند، برای دستیابی به این نوع از انرژی تلاش هایی را از سال های دور داشته است و در سال های پس از انقلاب همواره مورد اتهام واقع شده كه هدف اصلی اش نه فناوری صلح آمیز كه رسیدن به فناوری تسلیحات هسته ای است.
در این گفتار پیش از آن كه وارد مباحث متداول دیپلماتیك شویم نگاهی خواهیم انداخت به چرخه سوخت هسته ای و اجزای تشكیل دهنده آن، همچنین مرز میان كاربرد صلح آمیز و تسلیحاتی را نشان خواهیم داد.چرخه سوخت هسته ای شامل مراحل استخراج، آسیاب، تبدیل، غنی سازی، ساخت سوخت باز تولید و راكتور هسته ای است و به یك معنا كشوری كه در چرخه بالا به حد كاملی از خودكفایی و توسعه رسیده باشد با فناوری تولید سلاح های هسته ای فاصله چندانی ندارد.
● استخراج
در فناوری هسته ای، خواه صلح آمیز باشد یا نظامی، ماده بنیادی موردنیاز، اورانیوم است. اورانیوم از معادن زیرزمینی و همچنین حفاری های روباز قابل استحصال است. این ماده به رغم آن كه در تمام جهان قابل دستیابی است اما سنگ معدن تغلیظ شده آن به مقدار بسیار كمی قابل دستیابی است.
زمانی كه اتم های مشخصی از اورانیوم در یك واكنش زنجیره ای دنباله دار كه به دفعات متعدد تكرار شده، شكافته می شود، مقادیر متنابهی انرژی آزاد می شود، به این فرآیند شكافت هسته ای می گویند. فرآیند شكاف در یك نیروگاه هسته ای به آهستگی و در یك سلاح هسته ای با سرعت بسیار روی می دهد اما در هر دو حالت باید به دقت كنترل شوند. مناسب ترین حالت اورانیوم برای شكافت هسته ای ایزوتوپ های خاصی از اورانیوم ۲۳۵ (یا پلوتونیوم ۲۳۹) است. ایزوتوپ ها، اتم های یكسان با تعداد نوترون های متفاوت هستند.
به هرحال اورانیوم ۲۳۵ به دلیل تمایل باطنی به شكافت در واكنش های زنجیری و تولید انرژی حرارتی به عنوان «ایزوتوپ شكافت» شناخته شده است. هنگامی كه اتم اورانیوم ۲۳۵ شكافته می شود دو یا سه نوترون آزاد می كند این نوترون ها با سایر اتم های اورانیوم ۲۳۵ برخورد كرده و باعث شكاف آنها و تولید نوترون های جدید می شود.برای روی دادن یك واكنش هسته ای به تعداد كافی از اتم های اورانیوم ۲۳۵ برای امكان ادامه یافتن این واكنش ها به صورت زنجیری و البته خودكار نیازمندیم. این جرم مورد نیاز به عنوان «جرم بحرانی» شناخته می شود.باید توجه داشت كه هر ۱۰۰۰ اتم طبیعی اورانیوم شامل تنها حدود هفت اتم اورانیوم ۲۳۵ بوده و ۹۹۳ اتم دیگر از نوع اورانیوم ۲۳۸ هستند كه اصولاً كاربردی در فرآیندهای هسته ای ندارند.
● تبدیل اورانیوم
سنگ معدن اورانیوم استخراج شده در آسیاب خرد و ریز شده و به پودر بسیار ریزی تبدیل می شود. پس از آن طی فرآیند شیمیایی خاصی خالص سازی شده و به صورت یك حالت جامد به هم پیوسته كه از آن به عنوان «كیك زرد» (yellow cake) یاد می شود، درمی آید. كیك زرد شامل ۷۰ درصد اورانیوم بوده و دارای خواص پرتوزایی (radioactive) است.
هدف پایه ای دانشمندان هسته ای از فرآیند غنی سازی افزایش میزان اتم های اورانیوم ۲۳۵ است كه برای این هدف اورانیوم باید اول به گاز تبدیل شود. با گرم كردن اورانیوم تا دمای ۶۴ درجه سانتیگرادی حالت جامد به گاز هگزا فلوئورید اورانیوم (UFG) تبدیل می شود. هگزافلوئورید اورانیوم خورنده و پرتوزا است و باید با دقت جابه جا شود، لوله ها و پمپ ها در كارخانه های تبدیل كننده به صورت ویژه ای از آلیاژ آلومینیوم و نیكل ساخته می شوند. گاز تولیدی همچنین باید از نفت و روغن های گریس به جهت جلوگیری از واكنش های ناخواسته شیمیایی دور نگه داشته شود.
● غنی سازی
هدف غنی سازی مشخصاً افزایش میزان اورانیوم ۲۳۵ _ ایزوتوپ شكافت _ است. اورانیوم مورد نیاز در مصارف صلح آمیز نظیر راكتورهای هسته ای نیروگاه ها باید شامل دو تا سه درصد اورانیوم ۲۳۵ باشد اما اورانیوم مورد نیاز در تسلیحات اتمی باید شامل بیش از نود درصد اورانیوم ۲۳۵ باشد.شیوه متداول غنی سازی اورانیوم سانتریفوژ كردن گاز است. در این روش هگزافلوئورید اورانیوم در یك محفظه استوانه ای با سرعت بالا در شرایط گریز از مركز قرار می گیرد. این كار باعث جدا شدن ایزوتوپ های با جرم حجمی بالاتر از اورانیوم ۲۳۵ می شود (اورانیوم ۲۳۸). اورانیوم ۲۳۸ در طی فرآیند گریز از مركز به سمت پائین محفظه كشیده شده و خارج می شود، اتم های سبك تر اورانیوم ۲۳۵ از بخش میانی محفظه جمع آوری و جدا می شود. اورانیوم ۲۳۵ تجمیع شده پس از آن به محفظه های گریز از مركز بعدی هدایت می شود. این فرآیند بارها در میان زنجیری از دستگاه های گریز از مركز در كنار هم چیده شده تكرار می شود تا خالص ترین میزان اورانیوم بسته به كاربرد آن به دست آید.از اورانیوم غنی شده در دو نوع سلاح هسته ای استفاده می شود یا به صورت مستقیم در بمب های اورانیومی و یا طی چند مرحله در بمب های پلوتونیومی مورد استفاده قرار می گیرد.
● بمب اورانیومی
هدف نهایی طراحان بمب های هسته ای رسیدن به یك جرم «فوق بحرانی» است كه باعث ایجاد یك سری واكنش های زنجیره ای به همراه تولید حجم بالایی از حرارت می شود. در یكی از ساده ترین نوع طراحی این بمب ها یك جرم زیر بحرانی كوچك تر به جرم بزرگ تری شلیك می شود و جرم ایجاد شده باعث ایجاد یك جرم فوق بحرانی و به تبع آن یك سری واكنش های زنجیره ای و یك انفجار هسته ای می شود.كل این فرآیند در كمتر از یك دقیقه رخ می دهد. برای ساخت سوخت برای یك بمب اورانیومی هگزافلوئورید اورانیوم فوق غنی شده در ابتدا به اكسید اورانیوم و سپس به شمش فلزی اورانیوم تبدیل می شود. میزان انرژی آزاد شده ناشی از شكافت هسته ای را به كمك یك فناوری تقویتی افزایش می دهند. این فناوری شامل كنترل و به كارگیری خواص همجوشی یا گداخت هسته ای است.در همجوشی هسته ای ما شاهد به هم پیوستن ایزوتوپ هایی از هیدروژن و پس از آن تشكیل یك اتم هلیوم هستیم. به دنبال این واكنش مقادیر قابل توجهی گرما و فشار آزاد می شود. از سوی دیگر همجوشی هسته ای سبب تولید نوترون های بیشتر و تغذیه واكنش شكافت شده و انفجار بزرگ تری را ترتیب می دهد.
برخی تجهیزات این فناوری تقویتی به عنوان بمب هیدروژنی و سلاح های هسته ای _ حرارتی (Thermonuclear) شناخته می شوند.
● راكتورهای هسته ای
راكتورها دارای كاربردهای كاملاً دوگانه هستند. در مصارف صلح آمیز با بهره گیری از حرارت تولیدی در شكافت هسته ای كار می كنند. این حرارت جهت گرم كردن آب، تبدیل آن به بخار و استفاده از بخار برای حركت توربین ها بهره گرفته می شود. همچنین اگر قصد ساخت بمب های پلوتونیومی در كار باشد نیز اورانیوم غنی شده را به راكتورهای هسته ای منتقل می كنند.در نوع خاصی از راكتورهای هسته ای از اورانیوم غنی شده به شكل قرص هایی به اندازه یك سكه و ارتفاع یك اینچ بهره می گیرند. این قرص ها به صورت كپسول های میله ای شكل صورت بندی شده و درون یك محفظه عایق، تحت فشار قرار داده می شوند.
در بسیاری از نیروگاه های هسته ای این میله ها جهت خنك شدن درون آب غوطه ور هستند. روش های دیگر خنك كننده نیز نظیر استفاده از دی اكسیدكربن یا فلز مایع هستند. برای كاركرد مناسب یك راكتور _ مثلاً تولید حرارت با كمك واكنش شكافت _ هسته اورانیومی باید دارای جرم فوق بحرانی باشد، این بدین معناست كه مقدار كافی و مناسبی از اورانیوم غنی شده جهت شكل گیری یك واكنش زنجیری خود به خود پیش رونده موردنیاز است.برای تنظیم و كنترل فرآیند شكافت میله های كنترل كننده از جنس موادی نظیر گرافیت با قابلیت جذب نوترون های درون راكتور وارد محفظه می شوند. این میله ها با جذب نوترون ها باعث كاهش شدت فرآیند شكافت می شوند.
در حال حاضر بیش از چهارصد نیروگاه هسته ای در جهان وجود دارند و ۱۷ درصد الكتریسیته جهان را تولید می كنند. راكتورها همچنین در كشتی ها و زیردریایی ها كاربرد دارند.
● بازپردازش
بازپردازش یك عملیات شیمیایی است كه سوخت كاركردی را از زباله های اتمی جدا می كند.در این عملیات میله سوخت مصرف شده، غلاف بیرونی فلزی خود را در قبال حل شدن در اسیدنیتریك داغ از دست می دهد.محصولات این عملیات كه در راكتور مورد استفاده دوباره قرار می گیرد، شامل ۹۶ درصد اورانیوم، سه درصد زباله اتمی به شدت پرتوزا و یك درصد پلوتونیوم است.همه راكتورهای هسته ای پلوتونیوم تولید می كنند اما انواع نظامی آنها به صورت كاملاً بهینه تری نسبت به سایر انواع راكتور این كار را انجام می دهند. یك واحد بازپردازش و یك راكتور جهت تولید مقدار كافی پلوتونیوم می توانند به صورت نامحسوسی در یك ساختمان عادی جاسازی شوند.این مسئله باعث می شود استخراج پلوتونیوم با كمك بازپردازش به گزینه ای جذاب برای هر كشوری كه به دنبال برنامه های غیرقانونی سلاح های اتمی است، تبدیل شود.
● بمب پلوتونیوم
پلوتونیوم مزیت های متعددی نسبت به اورانیوم به عنوان جزیی از سلاح های اتمی دارد. تنها حدود چهار كیلوگرم پلوتونیوم برای ساخت یك بمب موردنیاز است، همچنین برای تولید ۱۲ كیلوگرم پلوتونیوم در هر سال تنها به یك واحد كوچك بازپردازش نیاز است. یك كلاهك هسته ای شامل یك كره پلوتونیوم، احاطه شده توسط پوسته ای از فلز، مثلاً بریلیوم، است كه نوترون ها را به فرآیند شكاف بازمی گرداند. این مسئله باعث می شود مقدار كمتری پلوتونیوم برای رسیدن به جرم بحرانی و ایجاد یك واكنش شكافت زنجیره ای مورد نیاز باشد. به هرحال یك گروه تروریستی برای دسترسی به پلوتونیوم از راكتورهای هسته ای غیرنظامی دارای مشكلات كمتری نسبت به دسترسی به اورانیوم غنی شده جهت ایجاد یك انفجار هسته ای هستند.كارشناسان معتقدند كه بمب های عمل آوری شده پلوتونیوم می تواند با تخصصی كمتر از آنچه كه توسط فرقه «آئوم» در حمله با گاز اعصاب به مترو توكیو(۱۹۹۵) به كار گرفته شد، طراحی و جمع آوری شود. یك انفجار هسته ای از این نوع می تواند با نیروی معادل یكصد تنی TNT منفجر شود؛ بیست بار قوی تر از بزرگ ترین حمله تروریستی تاریخ!

مترجم: پدرام الوندی

منبع : خبرگزاری فارس