انرژی هسته‌ای از معدن تا نیروگاه

استفاده از انرژی هسته‌ای برای تولید برق روشی پیچیده اما كارامد برای تامین انرژی مورد نیاز بشر است. به طور كلی برای بهره‌برداری از انرژی هسته‌ای در نیروگاه‌های هسته‌ای، از عنصر اورانیوم غنی شده به عنوان سوخت در راكتورهای هسته‌ای استفاده می‌شود كه ماحصل عملكرد نیروگاه، انرژی الكتریسته است. عنصر اورانیوم كه از معادن استخراج می‌شود به صورت طبیعی در راكتورهای نیروگاه‌ها قابل استفاده نیست و به همین منظور باید آن را به روشهای مختلف به شرایط ایده عال برای قرار گرفتن درون راكتور آماده كرد.
اورانیوم یكی از عناصر شیمیایی جدول تناوبی است كه نماد آن ‪ U‬و عدد اتمی آن ‪ ۹۲‬است. این عنصر دارای دمای ذوب هزار و ‪ ۴۵۰‬درجه سانتیگراد بوده و به رنگ سفید مایل به نقره‌ای، سنگین، فلزی و رادیواكتیو 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 ایزوتوپهای مختلف از جمله دو ایزوتوپ مهم و پایدار اورانیوم ‪ ۲۳۵‬و اورانیوم ‪ ۲۳۸‬است. برای درك مفهوم ایزوتوپهای مختلف از هر عنصر باید بدانیم كه اتم تمامی عناصر از سه ذره اصلی پروتون، الكترون و نوترون ساخته می‌شوند كه در تمامی ایزوتوپهای مختلف یك عنصر، تعداد پروتون های هسته اتم ها با هم برابر است و تفاوتی كه سبب بوجود آمدن ایزوتوپ های مختلف از یك عنصر می‌شود، اختلاف تعداد نوترون های موجود در هسته اتم است.
به طور مثال تمامی ایزوتوپهای عنصر اورانیوم در هسته خود دارای ‪۹۲‬ پروتون هستند اما ایزوتوپ اورانیوم ‪ ۲۳۸‬در هسته خود دارای ‪ ۱۴۶‬نوترون (‪ (۹۲+۱۴۶=۲۳۸‬و ایزوتوپ اورانیوم ‪ ۲۳۵‬دارای ‪ ۱۴۳‬نوترون(‪ (۹۲+۱۴۳=۲۳۵‬در هسته خود است.
اورانیوم ‪ ۲۳۵‬مهمترین ماده مورد نیاز راكتورهای هسته‌ای(برای شكافته شدن و تولید انرژی) است اما مشكل كار اینجاست كه اورانیوم استخراج شده از معدن تركیبی از ایزوتوپهای ‪ ۲۳۸‬و ‪ ۲۳۵‬بوده كه در این میان سهم ایزوتوپ ‪ ۲۳۵‬بسیار اندك(حدود ‪ ۰/۷‬درصد) است و به همین علت باید برای تهیه سوخت راكتورهای هسته‌ای به روشهای مختلف درصد اوانیوم ‪ ۲۳۵‬را در مقایسه با اورانیوم ‪ ۲۳۸‬بالا برده و بسته به نوع راكتور هسته‌ای به ‪ ۲‬تا ‪ ۵‬درصد رساند و به اصطلاح اورانیوم را غنی‌سازی كرد.
درون راكتورهای هسته‌ای، هسته اورانیوم ‪ ۲۳۵‬به صورت كنترل شده شكسته شده كه در این فرایند مقداری جرم به انرژی تبدیل می‌شود. همین انرژی سبب ایجاد حرارت(اغلب از این حرارت برای تبخیر آب استفاده می‌شود) و در نتیجه چرخیدن توربینها و در نهایت چرخیدن ژنراتورهای نیروگاه و تولید برق می‌شود.
در نیروگاه‌های غیر هسته‌ای، از سوزاندن سوختهای فسیلی از قبیل نفت و یا زغال سنگ برای گرم كردن آب و تولید بخار استفاده می‌شود كه یك مقایسه ساده میان نیروگاه‌های هسته‌ای و غیر هسته‌ای، صرفه اقتصادی قابل توجه نیروگاه‌های هسته‌ای را اثبات می‌كند.
به طور مثال، برای تولید ‪ ۷۰۰۰‬مگاوات برق حدود ‪ ۱۹۰‬میلیون بشكه نفت خام مصرف می‌شود كه استفاده از سوخت هسته‌ای برای تولید همین میزان انرژی سالیانه میلونها دلار صرفه جویی به دنبال دارد و به علاوه میزان آلایندگی زیست محیطی آن نیز بسیار كمتر است.
كافی است بدانیم كه مصرف این ‪ ۱۹۰‬میلیون بشكه نفت خام برای تولید ‪ ۷۰۰۰‬مگاوات برق، ‪ ۱۵۷‬هزار تن گاز گلخانه‌ای دی اكسید كربن، ‪ ۱۵۰‬تن ذرات معلق در هوا، ‪ ۱۳۰‬تن گوگرد و ‪ ۵‬تن اكسید نیتروژن در محیط زیست پراكنده می‌كند كه نیروگاههای هسته‌ای این آلودگی‌ها را ندارند.
پس از آشنایی با مفاهیم كلی انرژی هسته‌ای و مزایای آن، ابتدا با مراحل مختلف چرخه سوخت هسته‌ای آشنا می‌شویم و سپس نحوه استفاده از سوخت هسته‌ای درون راكتور را مرور می‌كنیم.
چرخه سوخت هسته‌ای عبارت است از: ‪ -۱‬فراوری سنگ معدن اورانیوم ‪-۲‬ تبدیل و غنی‌سازی اورانیوم ‪ -۳‬تولید سوخت هسته‌ای ‪ -۴‬بازفرآوری سوخت مصرف شده.
در حال حاضر چند كشور صنعتی جهان هر كدام در یك، چند و یا همه چهار مرحله یاد شده از چرخه سوخت هسته‌ای فعالیت می‌كنند.
هم اكنون به لحاظ صنعتی، كشورهای فرانسه، ژاپن، روسیه، آمریكا و انگلیس دارای تمامی مراحل چرخه سوخت هسته‌ای در مقیاس صنعتی هستند و در مقیاس غیرصنعتی، كشورهای دیگری مثل هند نیز به لیست فوق اضافه می‌شوند.
كشورهای كانادا و فرانسه در مجموع دارای بزرگترین كارخانه‌های تبدیل اورانیوم(مرحله پیش از غنی‌سازی ) هستند كه محصولات آنها شامل ‪UO۳,UO۲,UF۶‬ غنی نشده می‌باشد و پس از آنها به ترتیب كشورهای آمریكا، روسیه و انگلستان قرار دارند. در زمینه غنی‌سازی نیز، دو كشور آمریكا و روسیه دارای بزرگترین شبكه غنی‌سازی جهان هستند.
آمریكا هم اكنون بزرگترین تولیدكننده سوخت هسته‌ای(مرحله بعد از غنی سازی) در جهان است و پس از آمریكا، كانادا تولیدكننده اصلی سوخت هسته‌ای در جهان محسوب می‌شود. پس از آمریكا و كانادا، كشورهای انگلیس، روسیه، ژاپن، فرانسه، آلمان، هند، كره جنوبی و سوئد از تولیدكنندگان اصلی سوخت هسته‌ای جهان هستند. آمریكا بیشترین سهم بازفراوری سوخت مصرف شده هسته‌ای در جهان را داراست و پس از آن فرانسه، انگلیس، روسیه، هند و ژاپن قرار دارند. درحال حاضر بین كشورهای جهان سوم، هندوستان پیشرفته‌ترین كشور در زمینه دانش فنی چرخه سوخت هسته‌ای است.
چرخه سوخت هسته‌ای:
-۱‬استخراج اوانیوم از معدن و تهیه كیك زرد(مرحله فراوری سنگ معدن اورانیوم)
عنصر اورانیوم در طبیعت به صورت تركیبات شیمیایی مختلف از جمله اكسید اورانیوم، سیلیكات اورانیوم و یا فسفات اورانیوم و به صورت مخلوط با تركیباتی از عناصر دیگر یافت می‌شود.در میان كشورهای مختلف جهان، استرالیا دارای بزرگترین معادن اورانیوم است و كشورهای قزاقستان، كانادا، آفریقای جنوبی، نامیبیا، برزیل و روسیه نیز از معادن بزرگی برخوردارند.
مواد معدنی حاوی اورانیوم با استفاده از روشهای معدن‌كاوی زیرزمینی و یا روزمینی استخراج شده و سپس طی فرایندهای مكانیكی و شیمیایی موسوم به "آسیاب كردن" و "كوبیدن" از دیگر عناصر جدا می‌شوند.
اورانیوم پس از استخراج تفكیك، كوبیده، خرد و به شكل پودر درآمده و سپس برای تولید ماده موسوم به "كیك زرد" (‪ (YellowCake‬مورد استفاده قرار می گیرد. كیك زرد در واقع محصول فراوری سنگ معدن ارونیوم است و به تركیباتی از اورانیوم گفته می‌شود كه ناخالصی‌های معدنی آن به میزان زیادی گرفته شده و حاوی ‪ ۷۰‬تا ‪ ۹۰‬درصد اكسید اورانیوم از نوع ‪ U۳O۸‬است.
‪ -۲‬فراوری كیك زرد و تولید هگزافلورید اورانیوم و آغاز غنی‌سازی (مرحله تبدیل و غنی‌سازی )
كیك زرد در این مرحله هنوز دارای ناخالصی‌هایی است كه توسط روشهای مختلف این ناخالصی‌ها كاسته شده و پس از طی فرایندهای شیمیایی نسبتا پیچیده، از شكل معدنی ‪ U۳O۸‬به ‪UO۳(‬تری اكسید اروانیوم) و سپس ‪ UO۲(‬دی اكسید اورانیوم) در می‌آید كه این تركیب آخر نیز به دو روش موسوم به روش تر و روش خشك برای تولید ماده مورد نیاز در فرایند غنی‌سازی، یعنی هگزافلورید اورانیوم(‪ (UF۶‬به كار گرفته می‌شود.
در صنعت به این دلیل عنصر اورانیوم را به صورت تركیب هگزافلورید اورانیوم(‪ (UF۶‬در می‌آورند كه ماده مذكور بهترین تركیب اورانیوم برای استفاده در روشهای مهم غنی‌سازی اورانیوم محسوب می‌شود. در روشهای مرسوم غنی‌سازی اورانیوم، باید از حالت گازی تركیبات این عنصر استفاده كرد و هگزافلورید اورانیوم در دمای ‪ ۵۶‬درجه سانتیگراد به راحتی تصعید شده و از حالت جامد به حالت گاز در می‌آید كه این گاز برای دستیابی به درصد بالاتر ایزوتوپ ‪ ۲۳۵‬اورانیوم، قابل غنی‌سازی است. پس از مراحل استخراج اورانیوم، تولید كیك زرد و در نهایت هگزافلورید اورانیوم، نوبت به غنی‌سازی این عنصر می‌رسد.●روش‌های مختلف غنی‌سازی
به طور كلی اورانیوم را به چندین روش مختلف می‌توان غنی‌سازی كرد كه این روش ها عبارتند از: "سانتریفوژ گازی"، "پخش گازی"(‪،(Gaseous Diffusion‬ "جداسازی اكلترومغناطیسی"، "تبادل شیمیایی"(‪،(Chemical Exchange‬ "فتویونیزاسیون و فتودیساسیون لیزری"، "نازل جداسازی"(‪(Separation Nazzle‬ و "جداسازی ایزوتوپ رزونانس سیكلوترونی". از بین تمامی این روشها هم‌اكنون تنها دو روش "سانتریفوژگازی" و "پخش گازی" است كه در مقیاس تجاری اهمیت داشته و كاربردهای عملی وسیع پیدا كرده‌اند .
در غنی‌سازی اورانیوم به روش مرسوم‌تر "سانتریفوژ گازی"، در عمل هگزافلورید اورانیوم (‪ (UF۶‬را وارد دستگاه سانتریفوژ با سرعت دوران بسیار بالا می‌كنند. در سرعت دورانی بسیار زیاد، آن دسته از مولكول های هگزافلورید اورانیوم كه اورانیوم موجود در آنها از نوع ایزوتوپ ‪ ۲۳۵‬است از آنجا كه در مقایسه با مولكول های هگزافلورید اورانیوم با ایزوتوپ اورانیوم ‪ ۲۳۸‬جرم كمتری دارند، در نزدیك محور سانتریفوژ تراكم بیشتری نسبت به ناحیه خارجی دستگاه پیدا كرده و در مقابل مولكول های سنگین‌تر هگزا فلورید اورانیوم ‪ ۲۳۸‬در ناحیه خارجی تراكم بیشتری نسبت به ناحیه نزدیك محور پیدا می‌كنند.
بدین ترتیب گاز هگزافلورید اورانیومی كه از نزدیك محور دستگاه سانتریفوژ گرفته می‌شود از نظر درصد اورانیوم ‪ ۲۳۵‬از غنی شدگی بیشتری نسبت به نواحی دیگر سانتریفوژ برخوردار است. در این روش برای رسیدن به درصد مورد نیاز اورانیوم ‪ ۲۳۵‬باید مرحله به مرحله از تعداد بسیار زیاد سانتریفوژ به صورت زنجیره‌ای استفاده كرد.
روش "سانتریفوژ گازی" برای غنی‌سازی اورانیوم به دو علت در مقایسه با روش "پخش گازی" از مزایای بیشتری برخوردار است. اول آنكه این روش كارایی بیشتری داشته و دوم آنكه انرژی لازم در این روش غنی‌سازی حدود یك دهم مقدار انرژی لازم در غنی‌سازی با "پخش گازی" برای حصول همان میزان محصول می‌باشد.
این عوامل باعث شده كه غنی‌سازی اورانیوم به روش سانتریفوژ هزینه كمتری را شامل شده و اقتصادی‌تر باشد.البته باید به خاطر داشت كه هزینه تعمیرات و نگهداری تجهیزات مورد استفاده در غنی‌سازی به روش سانتریفوژ اندك نیست.
‪ -۳‬تولید سوخت هسته‌ای(تبدیل ‪ UF۶‬غنی شده به ‪ UO۲‬غنی شده):
برخی انواع راكتورهای می‌توانند به طور مستقیم از هگزافلورید اورانیوم غنی شده به عنوان سوخت هسته‌ای استفاده كنند اما برای تهیه سوخت هسته‌ای بسیاری انواع دیگر راكتورها لازم است كه هگزافلورید اورانیوم غنی شده را به شكل به اصطلاح "میله‌های سوختی" از دی اكسید اورانیوم غنی شده(‪ (UO۲‬و یا در موارد معدود، به اورانیوم غنی شده فلزی(‪ (U‬تبدیل كرد.
تبدیل ‪ UF۶‬غنی شده به ‪ UO۲‬غنی شده نیز خود به دو روش شیمیایی موسوم به خشك و تر انجام می‌گیرد كه پرداختن بدانها از حوصله این بحث خارج است.
در پایان این مرحله سوخت هسته‌ای آماده قرارگرفتن در راكتور و آغاز تولید انرژی است.
حال كه سوخت هسته‌ای با درصد مورد نیاز اورانیوم ‪۲۳۵(‬حدود ‪ ۲‬تا ‪۵‬ درصد) به منظور استفاده در راكتور هسته‌ای آماده شد، عملكرد یك راكتور هسته‌ای را نیز به صورت خلاصه بررسی می‌كنیم.
●عملكرد راكتور هسته ای
همانطور كه گفتیم، سوخت هسته‌ای شامل اورانیوم ‪ ۲۳۸‬و اورانیوم ‪۲۳۵‬ است كه درصد اورانیوم ‪ ۲۳۵‬با روشهای غنی‌سازی از حدود ‪ ۰/۷‬درصد در وضعیت طبیعی به حدود ‪ ۲‬تا ‪ ۵‬درصد در وضعیت غنی شده افزایش یافته‌است. به زبان ساده، درون یك راكتور هسته‌ای اورانیوم ‪ ۲۳۵‬به صورت كنترل شده توسط نوترونها بمباران می‌شود. برخورد نوترونها به هسته اتم اورانیوم ‪ ۲۳۵‬سبب شكست این هسته شده كه نتیجه شكست مذكور تولید انرژی و تولید نوترونهای بیشتر است.
كنترل این نوترونهای پر انرژی حاصل شده ضروری است زیرا می‌توانند درون راكتور طی یك فرایند زنجیره‌ای سبب شكست هسته‌های بیشتر اورانیوم ‪۲۳۵‬ و بروز حادثه شوند. برای كاهش انرژی نوترونهای آزاد شده و جذب آنها از مواد نرم‌كننده (از قبیل آب سبك، آب سنگین، گرافیت) و میله‌های مهار كننده(از قبیل كادیوم و یا بور) درون راكتور استفاده می‌شود.
البته تعدادی از این نوترونها نیز پس از شكست هسته اورانیوم ‪ ، ۲۳۵‬با هسته اورانیوم ‪ ۲۳۸‬برخورد كرده و سبب پیدایش ایزوتوپ جدید و ناپایداری از اورانیوم به نام اورانیوم ‪ ۲۳۹‬می‌شوند كه خود این ماده نیز در نهایت به یك عنصر رادیواكتیو دیگر به نام پلوتونیوم ‪ ۲۳۹‬بدل می‌شود. پلوتونیوم ‪۲۳۹‬ همانند اورانیوم ‪ ۲۳۵‬خود می‌تواند به عنوان سوخت هسته‌ای مجددا مورد استفاده قرار بگیرد.
انرژی آزاد شده به صورت گرما در پی شكست هسته اورانیوم ‪ ۲۳۵‬درون راكتور، توسط مواد خنك‌كننده و به منظور به حركت در آوردن توربینهای تولید برق، به خارج از راكتور منتقل می‌شود. این مواد خنك‌كننده یا انتقال‌دهنده انرژی حرارتی(از قبیل گاز دی اكسیی كربن، آب، آب‌سنگین، گاز هلیم و یا سدیم مذاب)، پس از انتقال انرژی به بیرون از راكتور و خنك شدن مجددا به داخل راكتور برمی گردند و این فرایند به صورت مداوم برای تولید برق ادامه می‌یابد.
سوخت مصرف شده در راكتور در پایان كار حاوی حدود ‪ ۹۵‬درصد اورانیوم ‪ ،۲۳۸‬حدود یك درصد اورانیوم ‪ ۲۳۵‬شكافته نشده، حدود یك درصد پلوتونیوم و حدود سه درصد مواد پرتوزای حاصل از شكافته شدن اورانیوم ‪ ۲۳۵‬و همچنین عناصر فوق سنگین بوجود آمده درون راكتور است. این سوخت مصرف شده معمولا در تجهیزات دوباره‌سازی به سه جزء اصلی اورانیوم، پلوتونیوم و پس ماندهای پرتوزا تقسیم می‌شود.
به لحاظ تاریخی اولین راكتور هسته‌ای در آمریكا و به منظور استفاده در زیر دریائیها ساخته‌شد. ساخت این راكتور پایه اصلی و استخوان بندی تكنولوژی فعلی نیروگاه های هسته‌ای از نوع ‪ PWR‬را تشكیل می‌دهد. پس از آن شركت جنرال الكتریك موفق به ساخت راكتورهایی از نوع ‪ BWR‬گردید اما اولین راكتوری كه منحصرا جهت تولید برق مورد استفاده قرار گرفت توسط شوروی سابق و در ژوئن ‪ ۱۹۵۴‬در "آبنینسك" نزدیك مسكو احداث گردید كه بیشتر جنبه نمایشی داشت.
تولید الكتریسیته از راكتورهای هسته‌ای در مقیاس صنعتی در سال ‪۱۹۵۶‬ در انگلستان آغاز شد. تا سال ‪ ۱۹۶۵‬روند ساخت نیروگاه های هسته‌ای از رشد محدودی برخوردار بود اما طی دو دهه ‪ ۱۹۶۶‬تا ‪ ۱۹۸۵‬جهش زیادی در ساخت نیروگاه های هسته‌ای بوجود آمد. این جهش طی سال های ‪ ۱۹۷۲‬تا ‪ ۱۹۷۶‬كه بطور متوسط هر سال ‪ ۳۰‬نیروگاه شروع به ساخت می‌كردند، بسیار زیاد و قابل توجه است. پس از دوره جهش فوق یعنی از سال ‪ ۱۹۸۶‬تاكنون روند ساخت نیروگاه ها كاهش یافته بطوریكه هم اكنون بطور متوسط سالیانه كار ساخت ‪ ۴‬راكتور هسته ای آغاز می‌شود.
در سال های گذشته گسترش استفاده از انرژی هسته‌ای برای تولید برق در كشورهای مختلف روندهای گوناگونی داشته‌است. به عنوان مثال كشور انگلیس تا سال ‪ ۱۹۶۵‬پیشرو در ساخت نیروگاه‌های هسته‌ای بود، اما پس از آن تاریخ ساخت نیروگاه هسته‌ای در این كشور كاهش یافت. برعكس كشور آمریكا كه تا اواخر دهه ‪ ۱۹۶۰‬تنها ‪ ۱۷‬نیروگاه هسته‌ای داشت در طول دهه‌های ‪۱۹۷۰‬و ‪ ۱۹۸۰‬بیش از ‪ ۹۰‬نیروگاه هسته‌ای دیگر ساخت. هم اكنون كشور فرانسه ‪ ۷۵‬درصد از برق مورد نیاز خود را توسط نیروگاه‌های هسته‌ای تولید می‌كند كه از این بابت در صدر كشورهای جهان قرار دارد.
گرچه ساخت نیروگاه های هسته‌ای و تولید برق هسته‌ای در جهان از رشد انفجاری اواخر دهه ‪ ۱۹۶۰‬تا اواسط ‪ ۱۹۸۰‬برخوردار نیست اما كشورهای مختلف همچنان درصدد تامین انرژی مورد نیاز خود از طریق انرژی هسته‌ای هستند. طبق پیش بینی‌های به عمل آمده روند استفاده از برق هسته‌ای تا دهه‌های آینده همچنان روند صعودی خواهد داشت و در این زمینه، منطقه آسیا و اروپای شرقی به ترتیب مناطق اصلی جهان در ساخت نیروگاه هسته‌ای جدید خواهند بود.

كیوان باقری

منبع : پایگاه اطلاع رسانی وزارت نیرو