چگونه اورانيوم به انرژي تبديل مي‌شود؟

غني سازي:

اورانيوم طبيعي اصولاً شامل مخلوطي از دو ايزوتوپ (نوع اتمي) از اورانيوم است. تنها 7/0 درصد از اورانيوم طبيعي شكاف پذير و با داراي قابليت شكاف پذيري است كه با شكافته شدن در راكتورهاي هسته‌‌‌‌‌‌اي انرژي توليد مي‌كنند. ايزوتوپ اورانيوم شكاف پذير اورانيوم نوع 225(u-235) است و پس مانده آن اورانيوم 238(u-238) است.

در بيشتر انواع راكتورهاي معمولي هسته‌اي به اورانيوم 235( u-235) كه اورانيوم با غلظت بيش از حد طبيعي است نياز دارند. عمليات غني سازي غلظت اورانيوم را بيشتر مي‌كند عموماً بين 5/3 تا 5 درصد اورانيوم 235 با بيرون آوردن 8 درصد از اورانيوم 238 اين عمل را جداسازي گازي هگزافلوريد اورانيوم در دو جريان انجام مي‌گيرد يكي به اندازه لازم غني سازي مي‌شود و اورانيوم غني سازي ضعيف ناميده مي‌شود و ديگري به اورانيوم 235 منتهي مي‌شود كه به پس مانده معروف است.

در عمليات غني سازي د رمقياس‌هاي بزرگ تجاري وجود دارد، كه هر كدام هرگزافلوريد اورانيوم به عنوان منبع استفاده مي‌كنند: نفوذ گازي و تفكيك گازي و هر دوي آنان از خواص فيزيكي مولكولي استفاده مي‌‌كنند. مخصوصاً با 10 درصد اختلاف جرم براي جداسازي ايزوتوپ ها محصول اين مرحله از چرخه هسته‌اي اورانيوم هگرافلوريد غني شده است كه براي توليد اورانيوم اكسيد غني شده تغيير حال مجدد مي‌ يابد.

توليد و ساخت سوخت

سوخت راكتور غالباً به شكل گلوله‌اي سراميكي است. اين گلوله‌ها از اورانيوم اكسيد كه در دمايي بسيار بالا(بيش از 1400 درجه سانتيگراد) پخته شده است شكل مي‌گيرند. سپس گلوله‌ها در لوله‌‌ هاي فلزي از ميله سوختني پوشانده مي‌شوند كه در مجتمع‌هاي سوختني براي استفاده در راكتورها آماده هستند. ديمانسيون گلوله‌‌ هاي سوختني و اجراي ديگر مجتمع سوختني به دقت كنترل مي‌شوند تا از پايداري و دارا بودن آنان از خصوصيات دسته‌هاي سوختني اطمينان حاصل مي‌شود.

در تاسيسات توليد سوخت توجه زيادي به شكل و اندازه مخزن هاي عملياتي مي‌‌شود تا از اتفاقات خطرناك جلوگيري شود.(يك زنجير محدود واكنش پرتو آزاد مي‌‌كند) با سوخت غني شده ضعيف امكان اتفاق افتادن اين حوادث بعيد به نظر مي‌رسد اما در تاسيسات هسته‌اي بررسي سوخت هاي مخصوص براي تحقيقات راكتورها عملي حياتي است .

توليد نيرو

درون يك راكتور هسته‌‌‌اي اتم هاي اورانيوم 235( u-235) شكافته مي‌‌شوند و در جريان عمليات پردازش انرژي آزاد مي‌كنند اين انرژي اغلب براي حرارت دادن آب و تبدييل كردن آن به بخار استفاده مي‌شود.

بخار توربيني را كه ژنراتور متصل است به حركت مي‌اندازد و باعث توليد الكتريسيته مي‌شود. مقداري از اورانيوم (238(u-238) به شكل سوخت ) در هسته‌ و مركز راكتور به پلوتونيوم تبديل مي‌شود و اين يك سوم انرژي در يك راكتور هسته‌اي معمولي را حاصل مي‌كند شكافتن اورانيوم به عنوان منبع حرارت در راكتورها استفاده مي‌شود همان گونه كه سوزاندن زغال سنگ و يا نفت به عنوان سوخت فسيلي در تاسيسات نيرو استفاده مي‌شود.

 

 

سوخت مصرف شده(خرج شده)

با گذشت زمان غلظت قطعات و عناصر سنگين شكافته شده مانند پلوتوبيوم در مجموعه سوخت افزايش خواهد يافت تا جايي كه ديگر هيچ سودي در استفاده دوباره از سوخت نيست. بنابراين پس از گذشت 12 الي 24 ماه سوخت مصرف شده از راكتور خارج مي‌‌شود. مقدار انرژي كه از مجموعه سوختني توليد شده است با نوع راكتور و سياست و كارداني گرداننده راكتور تغيير مي‌‌كند.

معمولاً بيش از 45 ميليون كيلو وات ساعت الكتريسيته از يك تن اورانيوم طبيعي توليد مي‌‌شود توليد اين مقدار انرژي الكتريكي با استفاده از سوخت‌هاي فسيلي ملزم به سوزاندن بيش از 20 هزار تن زغال سنگ سياه و 30 ميليون متر مكعب گاز است.

انبار كردن سوخت مصرف شده

وقتي يك مجموعه سوختني از راكتور خارج مي‌شود از خود پرتو ساطع مي‌كند كه اساساً بيشتر از شكافتن قطعات و حرارات آن است. سوخت مصرف شده فوراً در استخرهاي انبار كه در اطراف راكتور براي كاهش ميزان پرتوزايي آن است تخليه مي‌‌شوند در استخرها، آب جلوي پرتوزايي را مي‌گيرد و همچنين حرارت را به خود جذب مي‌كند.

سوخت مصرف شده در چنين استخرهايي براي ماه‌ها و يا سال‌ها نگه داشته مي‌‌شوند.

وابسته به سياست كشورهاي مختلف در بعضي از آنها مقداري از سوخت مصرف شده به امكانات و تاسيسات انبار مركزي انتقال مي‌‌‌ يابند. سرانجام مصرف شده يا بايد دوباره پردازش شود و يا براي دفع آماده شود.

پردازش دوباره

سوخت مصرف شده چيزي حدود 95 درصد اورانيوم 238 است ولي داراي حدود يك درصد اورانيوم 235 كه شكافته شده نيز نيست و در حدود يك درصد بلوتونيوم و سه محصولات شكافته شده كه در حد زيادي پرتوزا هشتند و ديگر عناصر تزورانيك (كه عدد اتمي بيشتري نسبت به اورانيوم دارد) كه در راكتور شكل گرفته‌اند در دستگاههاي دوباره سازي سوخت مصرف شده است به سه جزء تشكيل دهنده خود تفكيك مي‌شوند: اورانيوم و پس مانده كه شامل محصولات شكافته شده است دوباره سازي امكان بازسازي مجدد اورانيوم و پلوتونيوم به سوخت تازه را مي‌دهد و بخش عمده‌ اي از پس مانده كاهيده را توليد مي‌‌كند. (مقايسه با به حساب آوردن كل سوخت مصرف شده به عنوان پس مانده)

بازسازي مجدد اورانيوم و پلوتونيوم

اورانيوم حاصل از دوباره سازي كه معمولاً غلظتي كمي بيشتر از اورانيوم 235 دارد و در طبيعت رخ مي‌دهد. مي‌تواند اگر نياز باشد پس از تبديل كردن و غني شدن به عنوان سوخت استفاده شود پلوتونيوم مي‌تواند مستقيماً بهMOX  (سوخت مخلوط اكسيد) تبديل شود كه در آن اورانيوم و پلوتيوم مخلوط شده‌‌اند.

در راكتاورهايي  كه از سوخت MOX استفاده مي‌كنند بلوتونيوم به جاي اورانيوم 235 جانشين سوخت اورانيوم اكسيد و معمولي مي‌‌شود.

دفع سوخت مصرف شده

در حال حاضر هيچ گونه امكاناتي براي دفع سوخت مصرف شده (برخلاف امكانات انبارسازي) وجود ندارد كه براي دوباره سازي استفاده مي‌شود و پس مانده به جا مانده از دوباره سازي مي توانند در محلي انباشته شوند. هر چند نتايج فني و تكنيكي مرتبط با دفع سوخت ثابت كرده‌اند كه هيچ احساسي به تاسيس چنين امكاناتي در برابر حجم كم پس مانده‌ها نيست. انبار كردن با توجه به كاهش در حال رشد پرتوزايي براي مدت طولاني آسان‌تر است. همچنين مقاومت مغناطيسي در سوخت دفع شده وجود دارد. چون منبع توجهي از انرژي در آن است كه مي‌‌‌تواند دوباره فرآوري شود و امكان بازيافت دوباره را به اورانيوم و پلوتونيوم بدهد.

تعدادي از كشورها در حال انجام مطالعاتي در زمينه تصميم گيري بهترين راه براي نزديك شدن به دفع سوخت مصرف شده و پس مانده‌هاي پس از دوباره‌‌سازي هستند. روش متداولي كه امروزه استفاده مي‌‌‌شود قرار دادن سوخت مصرف شده در انبارهاي زير زميني است:

پس مانده‌‌ها

پس مانده‌‌هاي حاصل از چرخه سوختني هسته‌‌‌‌اي در رده‌‌‌‌‌هاي: شديد، متوسط و كم دسته‌بندي مي‌‌‌شوند و اين تقسيم بندي بر اساس تشعشعات راديواكتيوي كه از خود ساطع مي‌‌‌‌‌كنند، است.

اين پس مانده‌‌‌ها منابعي سرچشمه مي‌گيرند كه شامل موارد زير است:

پس مانده‌‌هاي رده پائين(LOW-level) كه در تمام مراحل چرخه سوختني توليد مي‌‌‌‌‌شوند.

پس مانده‌‌‌‌هاي رده متوسط (Intemediat-level) كه در جريان عملكرد راكتور و دوباره سازي توليد مي‌‌‌‌شوند.

پس مانده‌‌هاي رده بالا(High-level)  كه شامل محصولات شكافته شده حاصل از دوباره سازي و در بسياري از كشورها خود سوخت مصرف شده هستند.

فرآيند غني سازي توليدات را به سوي تهي كردن اورانيوم هدايت مي‌‌‌كند. غلظت اورانيوم 235 به طور عمده كمتر از 7/0 درصد است كه در طبيعت پيدا مي‌‌شود. تعداد كمي از اين مواد كه اصولاً اورانيوم 238 هستند زماني استفاده مي‌‌‌شوند كه چگالي بسيار زياد نياز است. مثل استحفاظ پرتوافشاني و گاهي استفاده در توليد سوخت MOX   در حالي كه اورانيوم 238 قابل شكافتن نيست ماده‌‌‌اي پرتوافشاني كم استو بايد در مورد آن احتياط كرد. از اين رو يا آن انبار و با دفع مي‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌كنند.

ميزان مواد موجود در چرخه سوختني هسته‌‌‌اي

موارد زير فرضيات مختلفغي ايجاد مي‌‌‌‌كنند.(پاورقي شماره 2 را ملاحظه فرماييد) اما مورد ملاحظه عملكرد راكتور انرژي هسته‌‌‌‌ايNWE1000 قرار مي‌‌‌گيرند.

20000 تن از يك درصد سنگ معدن اورانيوم استخراج

230 تن اورانيوم اكسيد غليظ شده(همراه 195 تن اورانيوم ) آسياب سازي

288 تنUF6 (همراه 24 تن اورانيوم ) تبديل كردن

35 تنUF6(همراه 24 تن اوارنيوم غني شده)) غني سازي

27 تنUO2 (همراه 24 تن اورانيوم غني شده) ساخت و توليد سوخت

7000 ميليون كيلووات ساعت(KWh) نيروي الكتريسيته عملكرد راكتور

27 تن شامل 240 كيلوگرم بلوتونيوم 23 تن اورانيوم 720 كيلوگرم محصولات شكافتي همچنين ترانزورانيك سوخت مصرف شده.

پاورقي شماره1 غليظ كننده‌‌هاي اورانيوم بعضي اوقات در شرايط قرار مي‌گيرند كه حجم آن(مخلوطي از دو محصول خالص حدوداي 85 درصد فلز اورانيوم است.

پاورقي شماره 2ـ غلظت اورانيوم 80 درصد است. غني سازي در 4 درصد اورانيوم 235 به همراه 3 درصد دنباله آزمايش شده 80 درصدد براي عملكرد راكتور بارگزاري مي‌شوند، در هسته راكتور 72 تن اورانيوم بارگزاري مي‌‌‌شوند، سوخت گيري سالانه است و هر سال يك سوم سوت را عوض مي‌كنند.

منبع: خبرگزاري آفتاب