چرخه سوخت هسته ای چیست؟

چرخه سوخت اورانیوم را چرخه سوخت هسته ای نیز می گویند. چرخه سوخت هسته ای از دو بخش انتهای جلویی و انتهای عقبی Front end) و (Back end تشكیل شده است. انتهای جلویی چرخه، مراحلی است كه منجر به آماده سازی اورانیوم به عنوان سوخت رآكتور هسته ای می شود و شامل استخراج از معدن، آسیاب كردن، تبدیل، غنی سازی و تولید سوخت است. هنگامی كه اورانیوم به عنوان سوخت مصرف شد و انرژی از آن به دست آمد، انتهای عقبی چرخه آغاز می شود تا ضایعات هسته ای به انسان و محیط زیست آسیبی نرسانند. این بخش عقبی شامل انبارداری موقتی، بازفرآوری كردن و انبار نهایی است.
• اكتشاف و استخراج
ذخایر طبیعی اورانیوم، سنگ معدن اورانیوم است كه بر اساس مقدار قابل استحصال از معدن محاسبه می شود. با تكنیك ها و روش های زمین شناسی، معدن اورانیوم شناسایی می شود و نمونه هایی از سنگ معدن به آزمایشگاه فرستاده می شود. در آنجا، محلولی از سنگ معدن تهیه می كنند و اورانیوم ته نشین شده را مورد بررسی قرار می دهند تا بفهمند چه مقدار اورانیوم را می توان از آن معدن استخراج كرد و چقدر هزینه می برد. اورانیوم موجود در طبیعت معمولاً از دو ایزوتوپ U۲۳۵ و U۲۳۸ تشكیل می شود كه فراوانی آنها به ترتیب ۷۱/۰ درصد و ۲۸/۹۹ درصد است. هنگامی كه معدن شناسایی شد، به سه روش می توان اورانیوم را استخراج كرد. استخراج از سطح زمین، استخراج از معادن زیرزمینی و تصفیه در معدن. دو روش نخست همانند دیگر روش های استخراج فلزات هستند ولی در روش سوم كه در ایالات متحده استفاده می شود، سنگ معدن در خود معدن تصفیه می شود و اورانیوم به دست می آید. سنگ معدن اورانیوم معمولاً از اكسید اورانیوم (U۳O۸) تشكیل شده است و غلظت آن در سنگ معدن بین ۰۵/۰ تا ۳/۰ درصد تغییر می كند. البته این تنها منبع اورانیوم نیست. اورانیوم در برخی معادن فسفات با منشاء دریایی نیز وجود دارد كه البته فراوانی بسیار كمی دارد، به طوری كه حداكثر به ۲۰۰ ذره در یك میلیون ذره می رسد. از آنجایی كه این معادن فسفات مقادیر انبوهی تولید دارند، می توان اورانیوم را با قیمت معقولی استحصال كرد.
• آسیاب كردن
پس از استخراج سنگ معدن، تكه سنگ ها به آسیاب فرستاده می شود تا خوب خرد شده، خرده سنگ هایی با ابعاد یكسان تولید شود. اورانیوم توسط اسید سولفوریك از دیگر اتم ها جدا می شود، محلول غنی شده از اورانیوم تصفیه و خشك می شود. محصول به دست آمده، كنسانتره جامد اورانیوم است كه كیك زرد نامیده می شود.
• تبدیل
كیك زرد جامد است، ولی مرحله بعد (غنی سازی) از تكنولوژی بخصوصی بهره می برد كه نیازمند حالت گازی است. بنابراین كنسانتره اكسید اورانیوم جامد طی فرآیندی شیمیایی به هگزافلوراید اورانیوم (UF۶) تبدیل می شود. UF۶ در دمای اتاق جامد است، ولی در دمایی نه چندان بالا به گاز تبدیل می شود.
• غنی سازی
برای ادامه یك واكنش زنجیره ای هسته ای در قلب یك رآكتور آب سبك، غلظت طبیعی اورانیوم ۲۳۵ بسیار اندك است. برای آنكه UF۶ به دست آمده در مرحله تبدیل، به عنوان سوخت هسته ای مورد استفاده قرار گیرد، باید ایزوتوپ قابل شكافت آن را غنی كرد. البته سطح غنی سازی بسته به كاربرد سوخت هسته ای متفاوت است. برای یك رآكتور آب سبك، سوختی با ۵ درصد اورانیوم ۲۳۵ مورد نیاز است، درحالی كه در یك بمب اتمی، سوخت هسته ای باید حداقل ۹۰ درصد غنی شده باشد. غنی سازی با استفاده از یك یا چند روش جداسازی ایزوتوپ های سنگین و سبك صورت می گیرد. در حال حاضر، دو روش رایج برای غنی سازی اورانیوم وجود دارد كه عبارتند از انتشار گاز و سانتریفوژ گاز. در روش انتشار گازی (دیفیوژن)، گاز طبیعی UF۶ با فشار بالا از یك سری سدهای انتشاری عبور می كند. این سد ها كه غشاهای نیمه تراوا هستند، اتم های سبك تر را با سرعت بیشتری عبور می دهند. در نتیجه ۲۳۵UF۶ سریع تر از ۲۳۸UF۶ عبور می كند. با تكرار این فرآیند در مراحل مختلف، گازی نهایی به دست می آید كه غلظت U۲۳۵ بیشتری دارد. مهم ترین عیب این روش این است كه جداسازی ایزوتوپ های سبك در هر مرحله نرخ نسبتاً پایینی دارد، لذا برای رسیدن به سطح غنی سازی مطلوب باید این فرآیند را به دفعات زیادی تكرار كرد كه این خود نیازمند امكانات زیاد و مصرف بالای انرژی الكتریكی است و بالتبع هزینه عملیات نیز بسیار افزایش خواهد یافت. در روش سانتریفوژ گاز، گاز UF۶ را به مخزن هایی استوانه ای تزریق می كنند و گاز را با سرعت بسیار زیادی می چرخانند. نیروی گریز از مركز موجب می شود ۲۳۵Uf۶ كه اندكی از ۲۳۸UF۶ سبك تر است، از مولكول سنگین تر جدا شود. این فرآیند در مجموعه ای از مخزن ها صورت می گیرد و در نهایت، اورانیوم با سطحی غنی شده مطلوب به دست می آید. هر چند روش سانتریفوژ گازی نیازمند تجهیزات گرانقیمتی است، هزینه انرژی آن نسبت به روش قبلی كمتر است. امروزه فناوری های غنی سازی جدیدی نیز توسعه یافته است كه همگی بر پایه استفاده از لیزر پیشرفت كرده اند. این روش ها كه روش جداسازی ایزوتوپ با لیزر بخار اتمی (AVLIS) و جداسازی ایزوتوپ با لیزر مولكولی (MLIS) نام دارند، می توانند مواد خام بیشتری را در هر مرحله غنی كنند و سطح غنی سازی آنها نیز بالاتر است.
• ساخت میله های سوخت
تولید میله سوخت، آخرین مرحله انتهای جلویی در چرخه سوخت هسته ای است. اورانیوم غنی شده كه هنوز به شكل UF۶ است، باید به پودر دی اكسید اورانیوم (۲ UO) تبدیل شود تا به عنوان سوخت هسته ای قابل استفاده باشد، پودر ۲ UOسپس فشرده می شود و به شكل قرص درمی آید. قرص ها در معرض حرارت با دمای بالا قرار می گیرند تا به قرص های سرامیكی سخت تبدیل شوند. پس از طی چند فرآیند فیزیكی، قرص هایی سرامیكی با ابعاد یكسان حاصل می شود. حال، متناسب با طراحی رآكتور و نوع سوخت مورد نیاز، این قرص های كوچك را دسته دسته كرده و در لوله ای بخصوص قرار می دهند. این لوله از آلیاژ بخصوصی ساخته شده است كه در برابر خوردگی بسیار مقاوم است و در عین حال از رسانایی حرارتی بسیار بالایی برخوردار است. حال میله سوخت آماده شده است و برای استفاده در رآكتور به نیروگاه فرستاده می شود.
• انتهای عقبی چرخه سوخت هسته ای: مدیریت زباله های هسته ای
در نیروگاه هسته ای هم مثل دیگر فعالیت های بشری، ضایعاتی تولید می شود كه به دلیل حساسیت مضاعف زباله های رادیواكتیو، مدیریت این ضایعات باید تحت قوانین و محدودیت های خاصی صورت بگیرد. در هر هشت مگاوات ساعت انرژی الكتریكی تولید شده در نیروگاه هسته ای، ۳۰ گرم زباله رادیواكتیو به وجود می آید. برای تولید همین مقدار برق با استفاده از زغال سنگ پركیفیت، هشت هزار كیلوگرم دی اكسید كربن تولید می شود كه در دما و فشار جو، ۳ استخر المپیك را پر می كند. می بینید حجم زباله های رادیواكتیو بسیار كمتر است، ولی خطر آنها به مراتب بیشتر است و مراقبت از آنها ضروری تر و دشوارتر. زباله های رادیواكتیو بر اساس مقدار و نوع ماده رادیواكتیو به ۳ گروه تقسیم می شوند:
الف _ سطح پایین: لباس های حفاظتی، لوازم، تجهیزات و فیلترهایی كه حاوی مواد رادیواكتیو با عمر كوتاه هستند. اینها نیازی به پوشش حفاظتی ندارند و معمولاً فشرده شده یا آتش زده می شوند و در چاله های كم عمق دفن شده و انبار می شوند.
ب- سطح متوسط: رزین ها، پسمانده های شیمیایی، پوشش میله سوخت و مواد نیروگاه های برق هسته ای جزء زباله های سطح متوسط طبقه بندی می شوند. اینها عموماً عمر كوتاهی دارند، ولی نیاز به پوشش محافظ دارند. این زباله ها را می توان درون بتن قرار داد و در مخزن زباله ها گذاشت.
ج _ سطح بالا: همان سوخت مصرف شده رآكتورها است و نیاز به پوشش حفاظتی و سردسازی دارند. مراحل مدیریت این ضایعات عبارتند از:
• انبارداری موقتی
سوخت مصرف شده كه از رآكتور خارج می شود، بسیار داغ و رادیواكتیو است و تشعشع و یون های فراوانی را می تاباند. از این رو باید هم آن را سرد كرد و هم از تابیدن پرتوهای رادیواكتیو آن به محیط جلوگیری كرد. در كنار هر رآكتور، استخرهایی برای انبار كردن سوخت مصرف شده وجود دارد. این استخرها، مخزن هایی بتنی مسلح به لایه های فولاد زنگ نزن هستند كه ۸ متر عمق دارند و پر از آب هستند. آب هم میله های سوخت مصرف نشده را خنك می كند و هم به عنوان پوشش حفاظتی در برابر تابش رادیواكتیو عمل می كند. به مرور زمان، شدت گرما و تابش رادیواكتیو كاهش می یابد، به طوری كه پس از چهل سال، به یك هزارم مقدار اولیه (زمانی كه از رآكتور خارج شده بود) می رسد.
• بازفرآوری و انبار نهایی
۳ درصد سوخت مصرف شده در یك رآكتور آب سبك را ضایعات بسیار خطرناك رادیواكتیو تشكیل می دهد، ولی بقیه آن حاوی مقادیر قابل توجهی U-۲۳۵،Pu-۲۳۹ وU-۲۳۸ و دیگر مواد رادیواكتیو است. این مواد را می توان با روش های شیمیایی از یكدیگر جدا كرد و اگر شرایط اقتصادی و قوانین حقوقی اجازه دهد، می توان سوخت مصرف شده را برای تهیه سوخت هسته ای جدید بازیافت كرد. كارخانه هایی در فرانسه و انگلستان وجود دارند كه مرحله بازفرآوری سوخت نیروگاه های كشورهای اروپایی و ژاپن را انجام می دهند. البته این كار در ایالات متحده ممنوع است. رایج ترین شیوه بازفرآوری PUREX نام دارد كه مخفف عبارت جداسازی اورانیوم و پلوتونیوم است. ابتدا میله های سوختی را از یكدیگر جدا می كنند و در اسید نیتریك حل می كنند، سپس با استفاده از مخلوطی از فسفات تری بوتیل و یك حلال هیدروكربن، اورانیوم و پلوتونیوم مصرف نشده را جدا می كنند و به عنوان سوخت جدید به مراحل تهیه سوخت می فرستند. ضایعات هسته ای سطح بالا را پس از جداسازی، حرارت می دهند تا به پودر تبدیل شود. پس از این فرآیند كه آهی كردن خوانده می شود، پودر را با شیشه مخلوط می كنند تا ضایعات را در محفظه ای محبوس كند. این فرآیند شیشه سازی نام دارد. شیشه مایع برای ذخیره سازی درون محفظه هایی از جنس فولاد ضدزنگ قرار می گیرند و این محفظه ها را در منطقه ای پایدار (از نظر جغرافیایی) انبار می كنند. پس از یك هزار سال، شدت تابش های رادیواكتیو ضایعات هسته ای به مقدار طبیعی كاهش پیدا می كند. این نقطه تا به امروز، انتهای چرخه سوخت هسته ای است.
پی نوشت:
۱-UraniumSa.Org
۲-Uranium.Info
ذوالفقار دانشی نسب

منبع : روزنامه شرق