سیکل سوخت هسته ای

چرخه سوخت هسته ای یا زنجیره سوخت هسته ای،مراحل پیوسته و مختلفی از تولید سوخت هسته ای است.این زنجیره از دو مرحله تشکیل شده که در پی مرحله اول آن،بر اثر فرآیند های انجام گرفته در راکتور،سوخت تولید می شود؛ مرحله دوم نیز مدیریت امنیت فرایند تولید و بازیافت سوخت را در بر می گیرد. اگر سوخت مصرف شده دوباره بازیافت نشود زنجیره سوخت ناتمام می ماند. از این رو بازیافت مرحله مهمی به شمار می رود.
مراحل زیر زنجیره سوخت هسته ای ر ا تشکیل می دهند:
۱) اکتشاف و استخراج و تغلیظ اورانیم:
اورانیم موجود در سنگ معدن حدود یک درصد است که توسط روشهای مکانیکی و شیمیایی به اکسید اورانیم که کیک زرد نام دارد تبدیل می شود. اورانیم۲۳۵ قابل شکافت و مناسب برای سوخت هسته ای در اکسید اورانیم وجود دارد که با ظرفیت صفر یا آزاد هرگز در طبیعت وجود ندارد. اورانیم یک فلز رادیواکتیو است که استفاده از آن درراکتورهای هسته ای برای تولید الکتریسیته اقتصادی برآورد شده است. در ایران مرکزی انواع دگرگونی با پرتوزایی قابل توجه یافت می شود. برای استخراج اورانیم از روشهای روباز زیرزمینی بازیابی درجا وروش بازیابی تپه ای استفاده می شود.
عملیات تغلیظ بلافاصله پس از استخراج وآماده سازی مواد معدنی به فرایندهای کانه آرایی جداسازی اورانیم از مواد معدنی و تخلیص آن اطلاق می گردد. محصول تغلیض شده اورانیم را کیک زرد می نامند که حدودا ۶۰% اورانیم دارد. مهم ترین فرایند تغلیظ لیچینگ (محلول سازی) نام دارد.
۲) تبدیل اورانیم:
اورانیم تغلیظ شده به صورت کیک زرد مستقیما غیر قابل استفاده به عنوان سوخت در راکتور هسته ای می باشد.بنابراین فرآیندهای بیشتری باید روی محصول فوق صورت بگیرد که به آن تبدیل اورانیم گفته می شود.
در مجتمع تبدیل، اورانیم به دی اکسید اورانیم یا اورانیم هگزا فلوراید تبدیل می شود. اولی به عنوان سوخت راکتور که اورانیم غنی شده نیاز ندارد و می تواند مستقیما بدون غنی سازی مورد استفاده قرار گیرد استفاده شده و ترکیب دوم قابلیت غنی شدن را دارد که پس از چند فرایند دیگر می تواند به عنوان سوخت در اکثر راکتورهای اتمی به کار گرفته شود. بنابراین لازم است که اورانیم به صورت گازی شکل درآید تا امکان انجام عملیات غنی سازی با سهولت بیشتری فراهم گردد.لذا تبدیل اورانیم پیش نیاز این فرایند می باشد.
۳) غنی سازی اورانیم:
منظور از غنی شدن یا غنی سازی افزایش ایزوتوپ طبیعی اورانیم-۲۳۵ از ۷/۰ درصد به ۴-۵/۳ درصد است. در نتیجه غنی کردن درصد اورانیم قابل شکافت که برای راکتورهای آب سبک لازم است افزایش می یابد. روشهای مهم غنی سازی عبارتنداز:
الف) دیفیوژن گازی
ب) سانتریفیوژ
ج) لیزری
د) شیمیایی
دو روش اول بر مبنای جدا سازی ایزوتوپی کار میکنند درمقیاس بزرگ مورد استفاده قرار می گیرند.
۴) فرآوری اورانیم:
ساخت سوخت که در بعضی مواقع به فرآوری اورانیم اطلاق می گردد، از مرحله تبدیل مجدد و یا به عبارتی از مرحله تولید اکسید اورانیم آغاز می گردد. سوخت راکتورها عموماً به صورت حبه های سرامیکی می باشد این حبه ها از اکسید اورانیم فشرده که از حرارتهای بالا سینتر شده اند ساخته می شود. این حبه ها در لوله های فلزی با روشهای خاص قرار گرفته و جمع آنها به صورت مجتمع سوخت جهت قرار دادن در قلب راکتور در محلهای مربوطه حمل می شوند.
۵) نیروگاه‌اتمی(مدیریت سوخت):
مجتمع های سوخت داخل محفظه تحت فشار راکتور قرار داده می شوند که هسته مرکزی راکتور را تشکیل می دهد. حرارت ایجاد شده در نتیجه شکافت هسته ای آب را به بخار تبدیل می کند. بخار حاصله توربین را به حرکت در می آورد و توربین مولد را چرخانده و نیروی برق تولید می شود. در این بخش از سیکل سوخت هسته ای نتایج کلیه فعالیت ها به عنوان اصلی ترین بخش از سیکل سوخت هسته ای باید منجر به نتیجه گردد که همان تولید انرژی است.
۶) سوخت مصرف شده:
در مدتی که سوخت های هسته ای در راکتور قرار گرفته اند، در اثر واکنشهای زنجیره ای شکافت تولید حرارت می نماید. در عین حال پرتو گیری بسیار زیادی نیز بر آن تحمیل شده و پس از مدتی به اصطلاح سوخته شده و رادیواکتیویته آن کاهش میابد. به عبارتی اورانیم آن مصرف شده و محصولات شکافت در آن تجمع پیدا می کنند. این مواد از این پس برای اتم های اورانیم- ۲۳۵به دلیل جاذب نوترون های حاصل ازشکافت،مواد مسموم کننده محسوب شده و سبب کاهش ضریب ازدیاد نوترون و رادیواکتیویته می شوند. لذا در این موقع که مجموعه های سوخت کمترین رادیو اکتیویته را دارند به عنوان سوخت های مصرف شده از راکتور خارج می شوند.
۷) بازفرآوری سوخت:
از آنجایی که سوختهای مصرف شده در راکتورهای اتمی دارای بیشترین مقدار رادیواکتیویته حاصل از فعالیتهای هسته ای هستند عملیات بازفرآوری اهمیت فوق العاده ای دارد وبه روشهای مختلفی با آن رفتار می شود:
الف) چنانچه این سوختهای مصرف شده پس از مدتی مورد بازفرآوری جهت استفاده مجدد از اورانیم باقیمانده و پلوتونیم تولیدشده، قرار گیرند سیکل سوخت بسته نام می گیرند.
ب) چنانچه این پسماندها و سوختهای مصرف شده برای همیشه دفن شوند به آن سیکل سوخت باز گفته می شود.
در جریان عملیات بازفرآوری حجم پسمان ها به میزان قابل توجهی کاهش داده می شود.
۸) پسمانداری سیکل سوخت:
پسمانداری ناشی از فعالیتهای مربوط به سیکل سوخت هسته ای و تولید الکتریسیته می باشد.منظور از پسمانداری کاهش حجم مواد رادیو اکتیو بر جا مانده و ایمنی محیط زیست می باشد، ممکن است طی اتخاذ استراتژیهای متفاوت در جهت همین منظور و بهره برداری بهینه به طور متفاوت با آن رفتار شود که این پسماندها به سه دسته با رادیواکتیو کم متوسط و زیاد تقسیم می شوند. این پسماندها بسته به تاثیر مخرب خود روی محیط زیست به روشهای گوناگونی دفع می شوند.

منبع : بانک اطلاعاتی آموزش و پرورش ایران