انرژی هسته‌ای از معدن تا نیروگاه

● نگاهی به روش های استفاده از انرژی هسته ای برای تولید برق
استفاده از انرژی هسته ای برای تولید برق روشی پیچیده، اما کارآمد برای تامین انرژی مورد نیاز بشر است. به طور کلی برای بهره برداری از انرژی هسته ای در نیروگاه های هسته ای، از عنصر اورانیوم غنی شده به عنوان سوخت در راکتورهای هسته ای استفاده می شود که ماحصل عملکرد نیروگاه، انرژی الکتریسته است.
عنصر اورانیوم که از معادن استخراج می شود به صورت طبیعی در راکتورهای نیروگاه ها قابل استفاده نیست و به همین منظور باید آن را به روش های مختلف به شرایط ایده آلی برای قرار گرفتن درون راکتور آماده کرد. اورانیوم یکی از عناصر شیمیایی جدول تناوبی است که نماد آن U و عدد اتمی آن ۹۲ است. این عنصر دارای دمای ذوب هزار و ۴۵۰ درجه سانتیگراد بوده و به رنگ سفید مایل به نقره ای، سنگین، فلزی و رادیواکتیو است و به رغم تصور عام، فراوانی آن در طبیعت حتی از عناصری از قبیل جیوه، طلا و نقره نیز بیشتر است.
عنصر اورانیوم در طبیعت دارای ایزوتوپ های مختلف از جمله دو ایزوتوپ مهم و پایدار اورانیوم ۲۳۵و اورانیوم ۲۳۸است. برای درک مفهوم ایزوتوپ های مختلف از هر عنصر باید بدانیم که اتم تمامی عناصر از سه ذره اصلی پروتون، الکترون و نوترون ساخته می شوند که در تمامی ایزوتوپ های مختلف یک عنصر، تعداد پروتون های هسته اتم ها با هم برابر است و تفاوتی که سبب بوجود آمدن ایزوتوپ های مختلف از یک عنصر می شود، اختلاف تعداد نوترون های موجود در هسته اتم است.
به طور مثال تمامی ایزوتوپ های عنصر اورانیوم در هسته خود دارای ۹۲ پروتون هستند، اما ایزوتوپ اورانیوم ۲۳۸ در هسته خود دارای (۱۴۶نوترون) ۹۲+۱۴۳=۲۳۵و ایزوتوپ اورانیوم ۲۳۵ دارای ۱۴۳ نوترون ۹۲+۱۴۳=۲۳۵در هسته خود است.
اورانیوم ۲۳۵مهمترین ماده مورد نیاز راکتورهای هسته ای(برای شکافته شدن و تولید انرژی) است، اما مشکل کار اینجاست که اورانیوم استخراج شده از معدن ترکیبی از ایزوتوپ های ۲۳۸ و ۲۳۵ بوده که در این میان سهم ایزوتوپ ۲۳۵ بسیار اندک(حدود ۷ درصد) است و به همین علت باید برای تهیه سوخت راکتورهای هسته ای به روش های مختلف درصد اورانیوم ۲۳۵ را در مقایسه با اورانیوم ۲۳۸ بالا برده و بسته به نوع راکتور هسته ای به ۲ تا ۵ درصد رساند و به اصطلاح اورانیوم را غنی سازی کرد.
درون راکتورهای هسته ای، هسته اورانیوم ۲۳۵ به صورت کنترل شده شکسته شده که در این فرایند مقداری جرم به انرژی تبدیل می شود. همین انرژی سبب ایجاد حرارت(اغلب از این حرارت برای تبخیر آب استفاده می شود) و در نتیجه چرخیدن توربین ها و در نهایت چرخیدن ژنراتورهای نیروگاه و تولید برق می شود.
در نیروگاه های غیر هسته ای، از سوزاندن سوخت های فسیلی از قبیل نفت و یا زغال سنگ برای گرم کردن آب و تولید بخار استفاده می شود که یک مقایسه ساده میان نیروگاه های هسته ای و غیر هسته ای، صرفه اقتصادی قابل توجه نیروگاه های هسته ای را اثبات می کند.
به طور مثال، برای تولید ۷۰۰۰ مگاوات برق حدود ۱۹۰ میلیون بشکه نفت خام مصرف می شود که استفاده از سوخت هسته ای برای تولید همین میزان انرژی سالیانه میلیون ها دلار صرفه جویی به دنبال دارد و به علاوه میزان آلایندگی زیست محیطی آن نیز بسیار کمتر است.
کافی است بدانیم که مصرف این ۱۹۰ میلیون بشکه نفت خام برای تولید ۷۰۰۰ مگاوات برق، ۱۵۷ هزار تن گاز گلخانه ای دی اکسید کربن، ۱۵۰ تن ذرات معلق در هوا، ۱۳۰ تن گوگرد و ۵تن اکسید نیتروژن در محیط زیست پراکنده می کند که نیروگاه های هسته ای این آلودگی ها را ندارند.
پس از آشنایی با مفاهیم کلی انرژی هسته ای و مزایای آن، ابتدا با مراحل مختلف چرخه سوخت هسته ای آشنا می شویم و سپس نحوه استفاده از سوخت هسته ای درون راکتور را مرور می کنیم. چرخه سوخت هسته ای عبارت است از:
۱) فرآوری سنگ معدن اورانیوم
۲) تبدیل و غنی سازی اورانیوم
۳) تولید سوخت هسته ای
۴) بازفراوری سوخت مصرف شده.
در حال حاضر چند کشور صنعتی جهان هر کدام در یک، چند و یا همه چهار مرحله یاد شده از چرخه سوخت هسته ای فعالیت می کنند. هم اکنون به لحاظ صنعتی، کشورهای فرانسه، ژاپن، روسیه، آمریکا و انگلیس دارای تمامی مراحل چرخه سوخت هسته ای در مقیاس صنعتی هستند و در مقیاس غیر صنعتی، کشورهای دیگری مثل هند نیز به لیست فوق اضافه می شوند.
▪ چرخه سوخت هسته ای
۱) استخراج اورانیوم از معدن و تهیه کیک زرد(مرحله فراوری سنگ معدن اورانیوم) عنصر اورانیوم در طبیعت به صورت ترکیبات شیمیایی مختلف از جمله اکسید اورانیوم، سیلیکات اورانیوم و یا فسفات اورانیوم و به صورت مخلوط با ترکیباتی از عناصر دیگر یافت می شود. در میان کشورهای مختلف جهان، استرالیا دارای بزرگ ترین معادن اورانیوم است و کشورهای قزاقستان، کانادا، آفریقای جنوبی، نامیبیا، برزیل و روسیه نیز از معادن بزرگی برخوردارند.
مواد معدنی حاوی اورانیوم با استفاده از روش های معدن کاوی زیرزمینی و یا روزمینی استخراج شده و سپس طی فرایندهای مکانیکی و شیمیایی موسوم به آسیاب کردن و کوبیدن از دیگر عناصر جدا می شوند.
اورانیوم پس از استخراج تفکیک، کوبیده، خرد و به شکل پودر درآمده و سپس برای تولید ماده موسوم به کیک زرد (YellowCake) مورد استفاده قرار می گیرد.
کیک زرد در واقع محصول فراوری سنگ معدن اورانیوم است و به ترکیباتی از اورانیوم گفته می شود که ناخالصی های معدنی آن به میزان زیادی گرفته شده و حاوی ۷۰ تا ۹۰ درصد اکسید اورانیوم از نوع U۳O۸است.
۲) فرآوری کیک زرد و تولید هگزافلورید اورانیوم و آغاز غنی سازی (مرحله تبدیل و غنی سازی) کیک زرد در این مرحله هنوز دارای ناخالصی هایی است که توسط روش های مختلف این ناخالصی ها کاسته شده و پس از طی فرایندهای شیمیایی نسبتا پیچیده، از شکل معدنی U۳O۸به UO(تری اکسید اورانیوم) و سپس UO۲(دی اکسید اورانیوم) در می آید که این ترکیب آخر نیز به دو روش موسوم به روش تر و روش خشک برای تولید ماده مورد نیاز در فرایند غنی سازی، یعنی هگزافلورید اورانیوم (UF۶) به کار گرفته می شود.
در صنعت به این دلیل عنصر اورانیوم را به صورت ترکیب هگزافلورید اورانیوم (UF۶) در می آورند که ماده مذکور بهترین ترکیب اورانیوم برای استفاده در روش های مهم غنی سازی اورانیوم محسوب می شود.
در روش های مرسوم غنی سازی اورانیوم، باید از حالت گازی ترکیبات این عنصر استفاده کرد و هگزافلورید اورانیوم در دمای ۵۶درجه سانتیگراد به راحتی تصعید شده و از حالت جامد به حالت گاز در می آید که این گاز برای دستیابی به درصد بالاتر ایزوتوپ ۲۳۵ اورانیوم، قابل غنی سازی است. پس از مراحل استخراج اورانیوم، تولید کیک زرد و در نهایت هگزافلورید اورانیوم، نوبت به غنی سازی این عنصر می رسد.
▪ روش های مختلف غنی سازی
به طور کلی اورانیوم را به چندین روش مختلف می توان غنی سازی کرد که این روش ها عبارتند از؛ سانتریفوژ گازی، پخش گازی،(Gaseous Diffusion) جداسازی اکلترومغناطیسی، تبادل شیمیایی،(Chemical Exchange) فتویونیزاسیون و فتودیساسیون لیزری، نازل جداسازی (Separation Nazzle) و جداسازی ایزوتوپ رزونانس سیکلوترونی. از بین تمامی این روش ها هم اکنون تنها دو روش سانتریفوژ گازی و پخش گازی است که در مقیاس تجاری اهمیت داشته و کاربردهای عملی وسیع پیدا کرده اند.
در غنی سازی اورانیوم به روش مرسوم تر سانتریفوژ گازی، در عمل هگزافلورید اورانیوم (UF۶) را وارد دستگاه سانتریفوژ با سرعت دوران بسیار بالا می کنند. در سرعت دورانی بسیار زیاد، آن دسته از مولکول های هگزافلورید اورانیوم که اورانیوم موجود در آنها از نوع ایزوتوپ ۲۳۵ است از آنجا که در مقایسه با مولکول های هگزافلورید اورانیوم با ایزوتوپ اورانیوم ۲۳۸ جرم کمتری دارند، در نزدیک محور سانتریفوژ تراکم بیشتری نسبت به ناحیه خارجی دستگاه پیدا کرده و در مقابل مولکول های سنگین تر هگزا فلورید اورانیوم ۲۳۸ در ناحیه خارجی تراکم بیشتری نسبت به ناحیه نزدیک محور پیدا می کنند.
بدین ترتیب گاز هگزافلورید اورانیومی که از نزدیک محور دستگاه سانتریفوژ گرفته می شود از نظر درصد اورانیوم ۲۳۵ از غنی شدگی بیشتری نسبت به نواحی دیگر سانتریفوژ برخوردار است. در این روش برای رسیدن به درصد مورد نیاز اورانیوم ۲۳۵ باید مرحله به مرحله از تعداد بسیار زیاد سانتریفوژ به صورت زنجیره ای استفاده کرد.روش سانتریفوژ گازی برای غنی سازی اورانیوم به دو علت در مقایسه با روش پخش گازی از مزایای بیشتری برخوردار است. اول آنکه این روش کارایی بیشتری داشته و دوم آنکه انرژی لازم در این روش غنی سازی حدود یک دهم مقدار انرژی لازم در غنی سازی با پخش گازی برای حصول همان میزان محصول می باشد. این عوامل باعث شده که غنی سازی اورانیوم به روش سانتریفوژ هزینه کمتری را شامل شده و اقتصادی تر باشد. البته باید به خاطر داشت که هزینه تعمیرات و نگهداری تجهیزات مورد استفاده در غنی سازی به روش سانتریفوژ اندک نیست.
-۳تولید سوخت هسته ای(تبدیل UF۶غنی شده به UO۲غنی شده): برخی انواع راکتورهای می توانند به طور مستقیم از هگزافلورید اورانیوم غنی شده به عنوان سوخت هسته ای استفاده کنند، اما برای تهیه سوخت هسته ای بسیاری انواع دیگر راکتورها لازم است که هگزافلورید اورانیوم غنی شده را به شکل به اصطلاح میله های سوختی از دی اکسید اورانیوم غنی شده (UO۲) و یا در موارد معدود، به اورانیوم غنی شده فلزی (U) تبدیل کرد.
تبدیل UF۶غنی شده به UO۲غنی شده نیز خود به دو روش شیمیایی موسوم به خشک و تر انجام می گیرد که پرداختن بدان ها از حوصله این بحث خارج است. در پایان این مرحله سوخت هسته ای آماده قرارگرفتن در راکتور و آغاز تولید انرژی است. حال که سوخت هسته ای با درصد مورد نیاز اورانیوم(۲۳۵حدود ۲ تا ۵ درصد) به منظور استفاده در راکتور هسته ای آماده شد، عملکرد یک راکتور هسته ای را نیز به صورت خلاصه بررسی می کنیم.
▪ عملکرد راکتور هسته ای
همان طور که گفتیم، سوخت هسته ای شامل اورانیوم ۲۳۸ و اورانیوم ۲۳۵ است که درصد اورانیوم ۲۳۵ با روش های غنی سازی از حدود ۷ درصد در وضعیت طبیعی به حدود ۲ تا ۵درصد در وضعیت غنی شده افزایش یافته است. به زبان ساده، درون یک راکتور هسته ای اورانیوم ۲۳۵ به صورت کنترل شده توسط نوترون ها بمباران می شود. برخورد نوترون ها به هسته اتم اورانیوم ۲۳۵ سبب شکست این هسته شده که نتیجه شکست مذکور تولید انرژی و تولید نوترون های بیشتر است.
کنترل این نوترون های پر انرژی حاصل شده ضروری است زیرا می توانند درون راکتور طی یک فرایند زنجیره ای سبب شکست هسته های بیشتر اورانیوم۲۳۵ و بروز حادثه شوند. برای کاهش انرژی نوترون های آزاد شده و جذب آنها از مواد نرم کننده (از قبیل آب سبک، آب سنگین، گرافیت) و میله های مهار کننده (از قبیل کادیوم و یا بور) درون راکتور استفاده می شود.
البته تعدادی از این نوترون ها نیز پس از شکست هسته اورانیوم ۲۳۵ با هسته اورانیوم ۲۳۸ برخورد کرده و سبب پیدایش ایزوتوپ جدید و ناپایداری از اورانیوم به نام اورانیوم ۲۳۹ می شوند که خود این ماده نیز در نهایت به یک عنصر رادیواکتیو دیگر به نام پلوتونیوم ۲۳۹ بدل می شود. پلوتونیوم۲۳۹ همانند اورانیوم ۲۳۵ خود می تواند به عنوان سوخت هسته ای مجددا مورد استفاده قرار گیرد.
انرژی آزاد شده به صورت گرما در پی شکست هسته اورانیوم ۲۳۵ درون راکتور، توسط مواد خنک کننده و به منظور به حرکت درآوردن توربین های تولید برق، به خارج از راکتور منتقل می شود. این مواد خنک کننده یا انتقال دهنده انرژی حرارتی(از قبیل گاز دی اکسیدکربن، آب، آب سنگین، گاز هلیم و یا سدیم مذاب)، پس از انتقال انرژی به بیرون از راکتور و خنک شدن مجددا به داخل راکتور برمی گردند و این فرایند به صورت مداوم برای تولید برق ادامه می یابد.
سوخت مصرف شده در راکتور در پایان کار حاوی حدود ۹۵درصد اورانیوم ۲۳۸ حدود یک درصد اورانیوم ۲۳۵ شکافته نشده، حدود یک درصد پلوتونیوم و حدود سه درصد مواد پرتوزای حاصل از شکافته شدن اورانیوم ۲۳۵ و همچنین عناصر فوق سنگین به وجود آمده درون راکتور است. این سوخت مصرف شده معمولا در تجهیزات دوباره سازی به سه جزء اصلی اورانیوم، پلوتونیوم و پس ماندهای پرتوزا تقسیم می شود.
به لحاظ تاریخی اولین راکتور هسته ای در آمریکا و به منظور استفاده در زیر دریایی ها ساخته شد. ساخت این راکتور پایه اصلی و استخوان بندی تکنولوژی فعلی نیروگاه های هسته ای از نوع PWRرا تشکیل می دهد. پس از آن شرکت جنرال الکتریک موفق به ساخت راکتورهایی از نوع BWRگردید، اما نخستین راکتوری که منحصرا جهت تولید برق مورد استفاده قرار گرفت توسط شوروی سابق و در ژوئن ۱۹۵۴ در آبنینسک نزدیک مسکو احداث گردید که بیشتر جنبه نمایشی داشت.
تولید الکتریسیته از راکتورهای هسته ای در مقیاس صنعتی در سال۱۹۵۶ در انگلستان آغاز شد. تا سال ۱۹۵۶ روند ساخت نیروگاه های هسته ای از رشد محدودی برخوردار بود اما طی دو دهه ۱۹۶۶ تا ۱۹۸۵ جهش زیادی در ساخت نیروگاه های هسته ای به وجود آمد، این جهش طی سال های ۱۹۷۲ تا ۱۹۷۶ که به طور متوسط هر سال ۳۰ نیروگاه شروع به ساخت می کردند، بسیار زیاد و قابل توجه است.
پس از دوره جهش فوق یعنی از سال ۱۹۸۶ تاکنون روند ساخت نیروگاه ها کاهش یافته به طوری که هم اکنون به طور متوسط سالیانه کار ساخت ۴راکتور هسته ای آغاز می شود.
در سال های گذشته گسترش استفاده از انرژی هسته ای برای تولید برق در کشورهای مختلف روندهای گوناگونی داشته است. به عنوان مثال کشور انگلیس تا سال ۱۹۶۵ پیشرو در ساخت نیروگاه های هسته ای بود، اما پس از آن تاریخ ساخت نیروگاه هسته ای در این کشور کاهش یافت. برعکس کشور آمریکا که تا اواخر دهه ۱۹۶۰ تنها ۱۷ نیروگاه هسته ای داشت در طول دهه های۱۹۷۰ و ۱۹۸۰ بیش از ۹۰ نیروگاه هسته ای دیگر ساخت.
هم اکنون کشور فرانسه ۷۵ درصد از برق مورد نیاز خود را توسط نیروگاه های هسته ای تولید می کند که از این بابت در صدر کشورهای جهان قرار دارد. گرچه ساخت نیروگاه های هسته ای و تولید برق هسته ای در جهان از رشد انفجاری اواخر دهه ۱۹۶۰ تا اواسط ۱۹۸۰ برخوردار نیست، اما کشورهای مختلف همچنان درصدد تامین انرژی مورد نیاز خود از طریق انرژی هسته ای هستند. طبق پیش بینی های به عمل آمده روند استفاده از برق هسته ای تا دهه های آینده همچنان روند صعودی خواهد داشت و در این زمینه، منطقه آسیا و اروپای شرقی به ترتیب مناطق اصلی جهان در ساخت نیروگاه هسته ای جدید خواهند بود.

کیوان باقری

منبع : روزنامه کارگزاران