بخشی از مقاله
استفاده از انرژي هسته‌اي براي توليد برق روشي پيچيده اما كارامد براي تامين انرژي مورد نياز بشر است. به طور كلي براي بهره‌برداري از انرژي هسته‌اي در نيروگاههاي هسته‌اي، از عنصر اورانيوم غني شده به عنوان سوخت در راكتورهاي هسته‌اي استفاده مي‌شود كه ماحصل عملكرد نيروگاه، انرژي الكتريسته است. عنصر اورانيوم كه از معادن استخراج مي‌شود به صورت طبيعي در راكتورهاي نيروگاه‌ها قابل استفاده نيست و به همين منظور بايد آن را به روشهاي مختلف به شرايط ايده عال براي قرار گرفتن درون راكتور آماده كرد. اورانيوم يكي از عناصر شيميايي جدول تناوبي است كه نماد آن Uو عدد اتمي آن ۹۲است. اين عنصر داراي دماي ذوب هزار و ۴۵۰درجه سانتيگراد بوده و به رنگ سفيد مايل به نقره‌اي، سنگين، فلزي و راديواكتيو است و به رغم تصور عام، فراواني آن در طبيعت حتي از عناصري از قبيل جيوه، طلا و نقره نيز بيشتر است.
عنصر اورانيوم در طبيعت داراي ايزوتوپهاي مختلف از جمله دو ايزوتوپ مهم و پايدار اورانيوم ۲۳۵و اورانيوم ۲۳۸است. براي درك مفهوم ايزوتوپهاي مختلف از هر عنصر بايد بدانيم كه اتم تمامي عناصر از سه ذره اصلي پروتون، الكترون و نوترون ساخته مي‌شوند كه در تمامي ايزوتوپهاي مختلف يك عنصر، تعداد پروتونهاي هسته اتمها با هم برابر است و تفاوتي كه سبب بوجود آمدن ايزوتوپهاي مختلف از يك عنصر مي‌شود، اختلاف تعداد نوترونهاي موجود در هسته اتم است. به طور مثال تمامي ايزوتوپهاي عنصر اورانيوم در هسته خود داراي ۹۲ پروتون هستند اما ايزوتوپ اورانيوم ۲۳۸در هسته خود داراي ۱۴۶نوترون ( (۹۲+۱۴۶=۲۳۸و ايزوتوپ اورانيوم ۲۳۵داراي ۱۴۳نوترون( (۹۲+۱۴۳=۲۳۵در هسته خود است.
اورانيوم ۲۳۵مهمترين ماده مورد نياز راكتورهاي هسته‌اي(براي شكافته شدن و توليد انرژي) است اما مشكل كار اينجاست كه اورانيوم استخراج شده از معدن تركيبي از ايزوتوپهاي ۲۳۸و ۲۳۵بوده كه در اين ميان سهم ايزوتوپ ۲۳۵بسيار اندك(حدود ۰/۷درصد) است و به همين علت بايد براي تهيه سوخت راكتورهاي هسته‌اي به روشهاي مختلف درصد اوانيوم ۲۳۵را در مقايسه با اورانيوم ۲۳۸بالا برده و بسته به نوع راكتور هسته‌اي به ۲تا ۵درصد رساند و به اصطلاح اورانيوم را غني‌سازي كرد.
درون راكتورهاي هسته‌اي، هسته اورانيوم ۲۳۵به صورت كنترل شده شكسته شده كه در اين فرايند مقداري جرم به انرژي تبديل مي‌شود. همين انرژي سبب ايجاد حرارت(اغلب از اين حرارت براي تبخير آب استفاده مي‌شود) و در نتيجه چرخيدن توربينها و در نهايت چرخيدن ژنراتورهاي نيروگاه و توليد برق مي‌شود.
در نيروگاههاي غير هسته‌اي، از سوزاندن سوختهاي فسيلي از قبيل نفت و يا زغال سنگ براي گرم كردن آب و توليد بخار استفاده مي‌شود كه يك مقايسه ساده ميان نيروگاههاي هسته‌اي و غير هسته‌اي، صرفه اقتصادي قابل توجه نيروگاههاي هسته‌اي را اثبات مي‌كند.
به طور مثال، براي توليد ۷۰۰۰مگاوات برق حدود ۱۹۰ميليون بشكه نفت خام مصرف مي‌شود كه استفاده از سوخت هسته‌اي براي توليد همين ميزان انرژي ساليانه ميلونها دلار صرفه جويي به دنبال دارد و به علاوه ميزان آلايندگي زيست محيطي آن نيز بسيار كمتر است.
كافي است بدانيم كه مصرف اين ۱۹۰ميليون بشكه نفت خام براي توليد ۷۰۰۰مگاوات برق، ۱۵۷هزار تن گاز گلخانه‌اي دي اكسيد كربن، ۱۵۰تن ذرات معلق در هوا، ۱۳۰تن گوگرد و ۵تن اكسيد نيتروژن در محيط زيست پراكنده مي‌كند كه نيروگاههاي هسته‌اي اين آلودگي‌ها را ندارند. پس از آشنايي با مفاهيم كلي انرژي هسته‌اي و مزاياي آن، ابتدا با مراحل مختلف چرخه سوخت هسته‌اي آشنا مي‌شويم و سپس نحوه استفاده از سوخت هسته‌اي درون راكتور را مرور مي‌كنيم.
چرخه سوخت هسته‌اي عبارت است از: -۱فراوري سنگ معدن اورانيوم -۲ تبديل و غني‌سازي اورانيوم -۳توليد سوخت هسته‌اي -۴بازفرآوري سوخت مصرف شده.
در حال حاضر چند كشور صنعتي جهان هر كدام در يك، چند و يا همه چهار مرحله ياد شده از چرخه سوخت هسته‌اي فعاليت مي‌كنند.
هم اكنون به لحاظ صنعتي، كشورهاي فرانسه، ژاپن، روسيه، آمريكا و انگليس داراي تمامي مراحل چرخه سوخت هسته‌اي در مقياس صنعتي هستند و در مقياس غيرصنعتي، كشورهاي ديگري مثل هند نيز به ليست فوق اضافه مي‌شوند.
كشورهاي كانادا و فرانسه در مجموع داراي بزرگترين كارخانه‌هاي تبديل اورانيوم(مرحله پيش از غني‌سازي ) هستند كه محصولات آنها شامل UO3,UO2,UF6 غني نشده مي‌باشد و پس از آنها به ترتيب كشورهاي آمريكا، روسيه و انگلستان قرار دارند. در زمينه غني‌سازي نيز، دو كشور آمريكا و روسيه داراي بزرگترين شبكه غني‌سازي جهان هستند.
آمريكا هم اكنون بزرگترين توليدكننده سوخت هسته‌اي(مرحله بعد از غني سازي) در جهان است و پس از آمريكا، كانادا توليدكننده اصلي سوخت هسته‌اي در جهان محسوب مي‌شود. پس از آمريكا و كانادا، كشورهاي انگليس، روسيه، ژاپن، فرانسه، آلمان، هند، كره جنوبي و سوئد از توليدكنندگان اصلي سوخت هسته‌اي جهان هستند. آمريكا بيشترين سهم بازفراوري سوخت مصرف شده هسته‌اي در جهان را داراست و پس از آن فرانسه، انگليس، روسيه، هند و ژاپن قرار دارند. درحال حاضر بين كشورهاي جهان سوم، هندوستان پيشرفته‌ترين كشور در زمينه دانش فني چرخه سوخت هسته‌اي است.
چرخه سوخت هسته ای
-۱استخراج اوانيوم از معدن و تهيه كيك زرد(مرحله فراوري سنگ معدن اورانيوم) عنصر اورانيوم در طبيعت به صورت تركيبات شيميايي مختلف از جمله اكسيد اورانيوم، سيليكات اورانيوم و يا فسفات اورانيوم و به صورت مخلوط با تركيباتي از عناصر ديگر يافت مي‌شود.در ميان كشورهاي مختلف جهان، استراليا داراي بزرگترين معادن اورانيوم است و كشورهاي قزاقستان، كانادا، آفريقاي جنوبي، ناميبيا، برزيل و روسيه نيز از معادن بزرگي برخوردارند.
مواد معدني حاوي اورانيوم با استفاده از روشهاي معدن‌كاوي زيرزميني و يا روزميني استخراج شده و سپس طي فرايندهاي مكانيكي و شيميايي موسوم به “آسياب كردن” و “كوبيدن” از ديگر عناصر جدا مي‌شوند.
اورانيوم پس از استخراج تفكيك، كوبيده، خرد و به شكل پودر درآمده و سپس براي توليد ماده موسوم به “كيك زرد” ( (YellowCakeمورد استفاده قرار مي گيرد.
كيك زرد در واقع محصول فراوري سنگ معدن ارونيوم است و به تركيباتي از اورانيوم گفته مي‌شود كه ناخالصي‌هاي معدني آن به ميزان زيادي گرفته شده و حاوي ۷۰تا ۹۰درصد اكسيد اورانيوم از نوع U3O8است.
-۲فراوري كيك زرد و توليد هگزافلوريد اورانيوم و آغاز غني‌سازي (مرحله تبديل و غني‌سازي ) كيك زرد در اين مرحله هنوز داراي ناخالصي‌هايي است كه توسط روشهاي مختلف اين ناخالصي‌ها كاسته شده و پس از طي فرايندهاي شيميايي نسبتا پيچيده، از شكل معدني U3O8به UO3(تري اكسيد اروانيوم) و سپس UO2(دي اكسيد اورانيوم) در مي‌آيد كه اين تركيب آخر نيز به دو روش موسوم به روش تر و روش خشك براي توليد ماده مورد نياز در فرايند غني‌سازي، يعني هگزافلوريد اورانيوم( (UF6به كار گرفته مي‌شود. در صنعت به اين دليل
عنصر اورانيوم را به صورت تركيب هگزافلوريد اورانيوم( (UF6در مي‌آورند كه ماده مذكور بهترين تركيب اورانيوم براي استفاده در روشهاي مهم غني‌سازي اورانيوم محسوب مي‌شود. در روشهاي مرسوم غني‌سازي اورانيوم، بايد از حالت گازي تركيبات اين عنصر استفاده كرد و هگزافلوريد اورانيوم در دماي ۵۶درجه سانتيگراد به راحتي تصعيد شده و از حالت جامد به حالت گاز در مي‌آيد كه اين گاز براي دستيابي به درصد بالاتر ايزوتوپ ۲۳۵اورانيوم، قابل غني‌سازي است.
پس از مراحل استخراج اورانيوم، توليد كيك زرد و در نهايت هگزافلوريد اورانيوم، نوبت به غني‌سازي اين عنصر مي‌رسد.
روشهاي مختلف غني‌سازي
به طور كلي اورانيوم را به چندين روش مختلف مي‌توان غني‌سازي كرد كه اين روشها عبارتند از: “سانتريفوژ گازي”، “پخش گازي”(،(Gaseous Diffusion “جداسازي اكلترومغناطيسي”، “تبادل شيميايي”(،(Chemical Exchange “فتويونيزاسيون و فتوديساسيون ليزري”، “نازل جداسازي”((Separation Nazzle و “جداسازي ايزوتوپ رزونانس سيكلوتروني”. از بين تمامي اين روشها هم‌اكنون تنها دو روش “سانتريفوژگازي” و “پخش گازي” است كه در مقياس تجاري اهميت داشته و كاربردهاي عملي وسيع پيدا كرده‌اند .
در غني‌سازي اورانيوم به روش مرسوم‌تر “سانتريفوژ گازي”، در عمل هگزافلوريد اورانيوم ( (UF6را وارد دستگاه سانتريفوژ با سرعت دوران بسيار بالا مي‌كنند. در سرعت دوراني بسيار زياد، آن دسته از مولكولهاي هگزافلوريد اورانيوم كه اورانيوم موجود در آنها از نوع ايزوتوپ ۲۳۵است از آنجا كه در مقايسه با مولكولهاي هگزافلوريد اورانيوم با ايزوتوپ اورانيوم ۲۳۸جرم كمتري دارند، در نزديك محور سانتريفوژ تراكم بيشتري نسبت به ناحيه خارجي دستگاه پيدا كرده و در مقابل مولكولهاي سنگين‌تر هگزا فلوريد اورانيوم ۲۳۸در ناحيه خارجي تراكم بيشتري نسبت به ناحيه نزديك محور پيدا مي‌كنند .
بدين ترتيب گاز هگزافلوريد اورانيومي كه از نزديك محور دستگاه سانتريفوژ گرفته مي‌شود از نظر درصد اورانيوم ۲۳۵از غني شدگي بيشتري نسبت به نواحي ديگر سانتريفوژ برخوردار است. در اين روش براي رسيدن به درصد مورد نياز اورانيوم ۲۳۵بايد مرحله به مرحله از تعداد بسيار زياد سانتريفوژ به صورت زنجيره‌اي استفاده كرد.
روش “سانتريفوژ گازي” براي غني‌سازي اورانيوم به دو علت در مقايسه با روش “پخش گازي” از مزاياي بيشتري برخوردار است. اول آنكه اين روش كارايي بيشتري داشته و دوم آنكه انرژي لازم در اين روش غني‌سازي حدود يك دهم مقدار انرژي لازم در غني‌سازي با “پخش گازي” براي حصول همان ميزان محصول مي‌باشد.
اين عوامل باعث شده كه غني‌سازي اورانيوم به روش سانتريفوژ هزينه كمتري را شامل شده و اقتصادي‌تر باشد.البته بايد به خاطر داشت كه هزينه تعميرات و نگهداري تجهيزات مورد استفاده در غني‌سازي به روش سانتريفوژ اندك نيست.
-۳توليد سوخت هسته‌اي(تبديل UF6غني شده به UO2غني شده): برخي انواع راكتورهاي مي‌توانند به طور مستقيم از هگزافلوريد اورانيوم غني شده به عنوان سوخت هسته‌اي استفاده كنند اما براي تهيه سوخت هسته‌اي بسياري انواع ديگر راكتورها لازم است كه هگزافلوريد اورانيوم غني شده را به شكل به اصطلاح “ميله‌هاي سوختي” از دي اكسيد اورانيوم غني شده( (UO2و يا در موارد معدود، به اورانيوم غني شده فلزي( (Uتبديل كرد.
تبديل UF6غني شده به UO2غني شده نيز خود به دو روش شيميايي موسوم به خشك و تر انجام مي‌گيرد كه پرداختن بدانها از حوصله اين بحث خارج است.
در پايان اين مرحله سوخت هسته‌اي آماده قرارگرفتن در راكتور و آغاز توليد انرژي است. حال كه سوخت هسته‌اي با درصد مورد نياز اورانيوم ۲۳۵(حدود ۲تا ۵ درصد) به منظور استفاده در راكتور هسته‌اي آماده شد، عملكرد يك راكتور هسته‌اي را نيز به صورت خلاصه بررسي مي‌كنيم.
عملكرد راكتور هسته اي
همانطور كه گفتيم، سوخت هسته‌اي شامل اورانيوم ۲۳۸و اورانيوم ۲۳۵ است كه درصد اورانيوم ۲۳۵با روشهاي غني‌سازي از حدود ۰/۷درصد در وضعيت طبيعي به حدود ۲تا ۵درصد در وضعيت غني شده افزايش يافته‌است. به زبان ساده، درون يك راكتور هسته‌اي اورانيوم ۲۳۵به صورت كنترل شده توسط نوترونها بمباران مي‌شود. برخورد نوترونها به هسته اتم اورانيوم ۲۳۵سبب شكست اين هسته شده كه نتيجه شكست مذكور توليد انرژي و توليد نوترونهاي بيشتر است.
