چرا انرژی هسته‌ای؟

● مقدمه
با استفاده از تكنولوژی موجود، فقط مقدار اندكی اورانیم به‌طور كامل غنی‌شده و سبب ایجاد انرژی عظیمی می‌گردد كه می‌تواند كل تقاضای میزان مصرف برق جهان را طی شش سال فراهم كند. سوخت فسیلی و فلورین بكار رفته در مراحل غنی‌شدگی سبب ایجاد و آزاد شدن گازهای گلخانه‌ای شده و در نتیجه انرژی هسته‌ای علی‌رغم تصور، بعنوان تكنولوژی «سازگار با محیط‌زیست» محسوب نمی‌گردد ولی برخی بعلت عدم تولید دی‌اكسیدكربن، این تكنولوژی را سازگار با محیط می‌دانند. تعداد راكتورهای هسته‌ای در جهان محدود بوده و موقعیت آن در روی شبكه ملی ثبت گردیده است.
انرژی هسته‌ای در دسترس ما در حال حاضر از تجزیه هسته‌ای اورانیم حاصل می‌گردد. اورانیوم ۲۳۵ یك ایزوتوپ با خصوصیات مفید و كمیاب است كه در اثر برخورد نوترون به آن، به دو قسمت تقسیم گردیده و در اثر شكافت (تجزیه) آن نوترون‌های بیشتری به همراه مقادیر عظیمی از انرژی تولید می‌گردد. ما می‌توانیم با استفاده از معادله معروف انیشتن (E=mc۲ ) انرژی آزاد شده را كه معادل حاصلضرب جرم در مجذور سرعت نور است، محاسبه كنیم. در اثر ناپدید شدن مقدار كوچكی جرم در این پروسه مقادیر فراوانی انرژی آزاد می‌شود و در این پروسه ما با «از دست دادگی جرم» و «تبدیل به انرژی» روبرو هستیم كه این انرژی می‌تواند با ایجاد بخار بمنظور راه‌اندازی توربین‌ها و تولید الكتریسیته بكار برده شود. اورانیوم۲۳۸ با جذب نوترون تبدیل به اورانیوم ۲۳۹ شده كه با دوبار انتشار پرتوهای بتا به پلوتونیوم۲۳۹ تبدیل می‌شود. پلوتونیم ۲۳۹ با اورانیوم ۲۳۵ از نظر خصوصیت مشترك بوده و در اثر برخورد نوترونها عمل تقسیم ادامه می‌یابد بنابراین پلوتونیم ۲۳۹ بعنوان یك سوخت عمل كرده و پروسه تداوم می‌یابد.
با توجه به موارد فوق، مراحل اجبارا باید كنترل گردد در غیراینصورت واكنش‌های حاصله بصورت بمب عمل می‌كند. مراحل توسط یك «تعدیل كننده» كنترل می‌گردد. بعنوان مثال می‌توان از آب یا گرافیت به منظور ایجاد خلاء در لینكهای بعدی زنجیره استفاده كرد تا بدین ترتیب سكانس واكنش‌ها بتدریج كم و متوقف ‌گردد هرچند در نهایت اورانیوم با ناخالصی‌های رادیواكتیو نظیر باریم و كریپتون حاصل از شكافت اورانیوم ۲۳۵ پیوسته می‌شود و در طول این مراحل عناصری «دارای عدد اتمی بیشتر از اورانیوم» ایجاد گردیده و بتدریج اورانیوم ۲۳۵ رو به زوال می‌رود. اما این مراحل ۱ تا ۲ سال طول كشیده و بالاخره عناصر سوختنی بالاجبار باید خارج و نوع تازه آن وارد گردد.
عناصر سوختنی، مفید، خیلی داغ و رادیواكتیو هستند (و نزدیك شدن هر موجود زنده‌ای منجر به مرگ آن می‌شود) پس سؤال مهم این ‌است كه چه باید كرد؟ بعضی اوقات این باطله‌ها مجددا مورد پروسس قرار گرفته و اورانیوم و پلوتونیم آن استخراج می‌گردد، البته الباقی ناخالصی‌های آن سبب می‌گردد كه مواد بازیافتی همانند سوخت اولیه نگردند.
●چه عملیاتی گامهای تولید انرژی هسته‌ای می‌باشد؟
▪ معدنكاری و فناوری
اورانیوم در پوسته زمین توزیع شده است اما فقط دربعضی از بخشها بصورت غنی‌شده دیده می‌شود كه دراینحالت بعنوان یك ذخیره معدنی مورد استفاده قرار می‌گیرد. استرالیا، قزاقستان، كانادا، آفریقای جنوبی، نامبیا، برزیل، فدراسیون روسیه، ایالت متحده آمریكا و ازبكستان دارای معروفترین ذخایر معدنی هستند. ذخایری با عیار ۱ درصد بعنوان ذخایر بسیار غنی‌شده محسوب گردیده البته ذخایری با عیار ۱/۰ درصد (۱ قسمت در هزار) یا كمتر نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد. درصورتیكه سنگ زمینه اورانیوم ماسه‌سنگ باشد (اورانیوم نرم)، محدوده عیاری ۰۱/۰-۲/۰ درصد قابل قبول بوده و در مواردی‌كه سنگ زمینه اورانیوم گرانیت باشد (اورانیوم سخت) حد پائین عیار مورد قبول ۰۲/۰ درصد می‌باشد. درصورتیكه عمق معدن تا ۲۵۰ متر باشد، نحوهٔ استخراج معادن بصورت روباز است (open-cast) و جهت استخراج معادن عمیق تر نیاز است نحوه استخراج به‌صورت زیرزمینی باشد. ذكر این نكته حائز اهمیت است در كشورهایی كه صدها تن اسیدسولفوریك، اسید نیتریك، آمونیاك و سایر مواد شیمیایی دیگر به اندازه كافی در دسترس باشد می‌توان عمل استخراج را به روش « لیچینگ-شستشو» انجام داد. بدین ترتیب كه محلول‌های شیمیایی مذكور را به داخل لایه‌ها تزریق كرده و پس از ۵ تا ۲۵ سال آن محلول را پمپاژ می‌كنند و بدین ترتیب در حدود ۴/۱ اورانیوم از سنگهای متشكله خارج شده و بقیه مواد ته‌نشین شده غیر رادیواكتیو و فلزات سمی به داخل محیط و آبهای زیرزمینی وارد می‌شود.
پس از استخراج ماده معدنی، جهت جدا كردن اكسید اورانیوم عمل آسیاب انجام می‌شود در مواردی كه ماده معدنی با عیار ۱/۰ درصد باشد، عمل آسیاب باید تقریبا روی ۰۰۰/۱ تن سنگ انجام گیرد تا ۱ تن اكسید اورانیوم زرد روشن بنام «كیك‌زرد» بدست آید. اكسید و باطله (۹۹۹ تن سنگ باقیمانده) بمیزان نامشخصی دارای مواد رادیواكتیو هستند برای مثال اورانیوم ۲۳۸ دارای ۳۰ محصول تخریبی بوده تغییرات حاصله از عمل تخریب سبب ایجاد مجموعه‌ای از فلزات سنگین با نیمه عمرهای متفاوت می‌گردد .
سنگهای رادیواكتیوی كه تحت عمل كانه‌آرایی و آسیاب قرار می‌گیرد منجر به بروز مشكلات زیست‌محیطی می‌گردند. تحت این عمل فضای بیشتری اشغال گردیده و عناصر رادیواكتیو آزاد شده به محض شسته شدن توسط باران و باد به محیط راه می‌یابد پس ضروری است كه باطله‌ها مجددا تحت پروسس قرار گیرند. محیط اسیدی ایجاد شده ناشی از عمل استخراج و كانه‌آرایی باید با آهك خنثی گردیده و سپس با فسفات تركیب و بصورت تركیبی غیرقابل انحلال درآید، كف معدن باید با رس آب‌بندی گردیده قبل از اینكه باطله‌های ساختار یافته به آن برگردد. روباره‌ها (over burden) باید مجددا جایگزین گردیده و منطقه از نو بازسازی شود و با پوشش گیاهی طبیعی پوشانده شود ولی در عمل این عملیات بندرت انجام می‌گردد. زیرا هزینه آن بسیار گران تمام شده و تقریباً به ۴ برابر انرژی لازم جهت استخراج ماده‌معدنی در مرحله اول نیاز است.
▪ آماده‌سازی سوخت
اكسید اورانیوم حاصله باید غنی گردد زیرا كیك زرد فقط در حدود ۷/۰ درصد از اورانیوم ۲۳۵ تشكیل شده است الباقی آن عمدتا اورانیوم ۲۳۴ و اورانیوم ۲۳۸ می‌باشد كه هیچیك از آنها بطور مستقیم در زنجیره واكنش‌ها قرار نمی‌گیرد. به‌منظور افزایش غلظت اورانیوم ۲۳۵ به بالای ۵/۳ درصد، اكسید اورانیوم را با فلورین واكنش داده و بدین‌ترتیب فلوریداورانیوم یا (Hex) تشكیل می‌گردد این ماده دارای خواص بسیار مفید بوده و در دمای ۵/۵۶ درجه‌سانتیگراد به گاز تبدیل می‌شود كه از این گاز می‌توان بعنوان ورودی كارخانجات غنی‌سازی استفاده نمود البته طی این واكنش در حدود ۸۵ درصد اكسیداورانیوم بعنوان باطله در فرم هگزا فلورین اورانیوم تقلیل‌یافته خارج می‌گردد بخشی از آن بطریقه شیمیایی تبدیل به فلز اورانیوم تقلیل ‌یافته گردیده و با استفاده از آن در گلوله‌های ضد زره به محیط بازگردانیده می‌شود. اما در اكثر مواقع هگزا فلورید اورانیوم تقلیل یافته به‌فرم جامد نگاه داشته شده كه باید در كانتینرهای آببندی شده برای انهدام نهایی در یك مخزن زمین‌شناسی قرار گیرد اگرچه صرف بالای هزینه و كمیابی مكانهای مناسب تدفین سبب شده كه در ایالت متحده طی ۵۰ سال گذشته، ۰۰۰/۵۰۰ تن اورانیوم تقلیل یافته در یك مخزن سرد بمنظور توقف پیشرفت واكنش جمع‌آوری گردد كه این طراحی بصورت موقت انجام شده است.
اورانیوم غنی‌شده سپس بصورت گلوله‌های سرامیكی اكسیداورانیوم (UO۲) تبدیل شده و در لوله‌های آلیاژ زیركونیم قرار گرفته و بسته‌بندی گردیده و به فرم عناصر سوختنی رادیواكتیو آماده‌شده و مورد استفاده قرار می‌گیرد.
▪ تولید
همانطوریكه می‌دانیم كاربرد ماده سوختنی در تولید گرما و به تبع آن تولید بخار و الكتریسیته می‌باشد. طی مراحل فوق، باطله در فرم عناصر سوختنی مصرف شده، تولید می‌گردد و بالاخره طی چندین بار پروسس و استفاده مجدد، اجبارا دفن می‌گردند. ولی در ابتدا باید باطله حاصل سرد شود، چون ایزوتوپ‌های مختلف به یكدیگر تجزیه‌پذیر هستند پروسس تبدیلات شیمیایی ممكن است طی ۱۰ الی ۱۰۰ سال (بطور متوسط ۶۰ سال) طول كشد لذا مخزن آن نوع خاصی را می‌طلبد. یكی از روشهای تدفین فشرده‌سازی با استفاده از روباتهای كنترل از راه‌دور است كه باطله‌های مذكور به داخل مخازن بسیار ایمن پوشیده‌شده با سرب، فولاد و الكترولیت مس خالص قرار می‌گیرد و می‌توان طی میلیون‌ها سال در مناطق خاصی از زمین‌شناسی دفن كرد. این روش یكی از بهترین راهها است ولی كاملا ایده‌آل نمی‌باشد. زیرا برای اینكار نیاز به انرژی خیلی زیادی خواهد بود هزینه ساخت كانتینرهای سرب، فولاد و مس جهت قرار دادن عناصر حاصل از سوخت تحلیل رفته (تولید شده توسط راكتور) در حدود همان انرژی مورد نیاز جهت ساخت راكتور می‌باشد.
نوع دوم باطله‌ها ناشی از آزادسازی مقادیر بسیار كمی از ایزوتوپ‌های رادیواكتیو نظیر هیدروژن III (تیتریم)، كربن ۱۴، پلوتونیوم ۲۳۵ و ... است كه وارد هوا و آبها می‌گردد و اخیرا نیز مورد توجه قرار گرفته است.
نوع سوم باطله‌ها، حاصل از حوادث تصادفی بوده كه بسیار اتفاقی و فاجعه آمیز است و به همین دلیل باید روی سیستم ایمنی صنعت هسته‌ای توجه خاص نمود. حوادث ناگهانی می‌تواند ناشی از عوامل مختلفی باشد كه می‌توان به این موارد اشاره نمود: اشتباهات كاركنان، بالا رفتن ناگهانی سطح آب و به‌زیر آب رفتن راكتورهای ساحلی، آموزش ضعیف سیستمها بویژه اگر یك برنامه هسته‌ای در حال پیشرفت باشد و تعجیل دولتهای مشتاق در تولید انرژی و ... البته هرچند هر تكنولوژی ریسكهای مرتبط با خود را دارد ولی انرژی هسته‌ای مستثنی است زیرا پیامدهای ناشی از این اشتباهات می‌تواند منجر به فاجعه‌های نظیر فاجعه چرنوبیل یا حتی وسیع‌تر گردد. این نكته قابل توجه است كه حتی بیمه نیز از پرداخت خسارات ناشی از این حوادث در صنایع هسته‌ای عاجز است بنابراین دولتها باید هزینه‌های ناشی از امكان وقوع حوادث را در نظر بگیرند در انگلیس هزینه احداث كارخانه انرژی هسته‌ای در سال ۱۹۶۵ بالغ بر ۱۵۰ میلیون دلار هزینه داشت البته دولت مذكور طبق تعهدات بین‌المللی ۱۰ تا ۳۰ سال پس از احداث، آن كارخانه را تا مبلغ ۳۰۰ میلیون دلار تحت پوشش قرار دادند. هرچند این مبلغ بنظر می‌رسد كه برای حل موضوع كافی باشد ولی می‌توان مثالی را یادآور گردید كه اگر ایستگاه نیرو Bradwen در Essex منفجر می‌شد ، تحت وزش باد شرقی، كل لندن و حتی بخشی از جنوب انگلستان مجبور به تخلیه می‌گردید لذا حوادث ناشی از صنایع هسته‌ای می‌تواند بالغ بر ۳۰۰ تریلیون دلار باشد كه در مقایسه با مبلغ یاد شده ۶ مرتبه بزرگتر است.
نوع چهارم باطله پلوتونیم است كه تحت عمل جداسازی و خلوص در كارخانه‌های پروسس مجدد می‌تواند در ساخت سلاحهای اتمی بكار برده شود روش مذكور یكی از دو روش تولید سلاحهای اتمی است روش دیگر غنی‌سازی اورانیوم ۲۳۵ تا حدود ۹۰ درصد است البته غنی‌سازی اورانیوم تا حدود ۵/۳ درصد، روشی است كه می‌تواند به عنوان سوخت مورد نیاز راكتورهای هسته‌ای بكار برده می‌شود.
▪ راكتور
حداكثر عمر مفید راكتورها ۲۴ سال است اما بیشتر راكتورها دارای عمری كمتر از مدت مذكور بوده كه طی این مدت به تعمیرات منظم نیاز داشته و نزدیك به پایان عمر به یك تعمیر عمده نیاز دارند ولی به سبب خوردگی و رادیواكتیویته شدید تعمیرات بطور صددرصد غیرممكن می‌گردد در نهایت در پایان عمرشان راكتورها پیاده و قطعات آنها منفصل می‌گردد اما این تجربه بالاخص در مورد راكتورهای عظیم بسیار محدود است.
بعنوان اولین قدم عناصر سوختی باید خارج شده و به داخل مخزنی با سیستم‌های خنك كننده جهت كاهش رادیواكتیویته منتقل گردند. این عملیات رویهم در حدود ۱۰۰۰ مترمكعب باطله با درجه‌بالا تولید می‌كند در پایان این مدت زمان راكتورها بالاجبار فرسوده و پیاده شده و به قطعات كوچك منفصل می‌گردند تا بتوان در كانتینرها جهت انهدام نهایی جمع‌آوری نمود. كل انرژی مورد نیاز برای این عمل دوبرابر هزینه ساخت پیش‌بینی می‌گردد.

مـانـدانا طهـمورثی

منبع : مجله گسترش صنعت