چگونه اورانیوم به انرژی تبدیل می شود

اورانیوم طبیعی اصولا شامل مخلوطی از دو ایزوتوپ نوع اتمی از اورانیوم است تنها ۷ ۰ درصد از اورانیوم طبیعی, شكاف پذیر و یا دارای قابلیت شكاف پذیری است كه با شكافته شدن در راكتورهای هسته ای انرژی تولید می كنند

غنی سازی:

اورانیوم طبیعی اصولا شامل مخلوطی از دو ایزوتوپ (نوع اتمی) از اورانیوم است. تنها ۷/۰ درصد از اورانیوم طبیعی، شكاف پذیر و یا دارای قابلیت شكاف پذیری است كه با شكافته شدن در راكتورهای هسته ای انرژی تولید می كنند. ایزوتوپ اورانیوم شكاف پذیر، اورانیوم نوع ۲۳۵ (u-۲۳۵) است و پس مانده آن اورانیوم ۲۳۸ (u-۲۳۸) است.

در بیشتر انواع راكتورهای معمولی هسته ای به اورانیوم ۲۳۵ (u-۲۳۵ كه اورانیوم با غلظت بیش از حد طبیعی است) نیاز دارند. عملیات غنی سازی، غلظت اورانیوم را بیشتر می كند. عموماً بین ۵/۳ تا ۵ درصد اورانیوم ۲۳۵ با بیرون آوردن ۸ درصد از اورانیوم ۲۳۸. این عمل با جداسازی گازی هگزافلورید اورانیوم در دو جریان انجام می گیرد. یكی به اندازه لازم غنی سازی می شود و اورانیوم غنی شده ضعیف نامیده می شود و دیگری به اورانیوم ۲۳۵ منتهی می شود كه به پس مانده معروف است. در عملیات غنی سازی در مقیاس های بزرگ تجاری وجود دارد، كه هر كدام هگزافلورید اورانیوم را به عنوان منبع استفاده می كنند: نفوذ گازی و تفكیك گازی و هر دوی آنان از خواص فیزیكی مولكولی استفاده می كنند. مخصوصا با ۱۰ درصد اختلاف جرم، برای جداسازی ایزوتوپ ها محصول این مرحله از چرخه سوختی هسته ای، اورانیوم هگزا فلورید غنی شده است كه برای تولید اورانیوم اكسید غنی شده تغییر حال مجدد می یابد.

تولید و ساخت سوخت

سوخت راكتور غالباً به شكل گلوله ای سرامیكی است. این گلوله ها از اورانیوم اكسید كه در دمایی بسیار بالا (بیش از ۱۴۰۰ درجه سانتیگراد) پخته شده است شكل می گیرند. سپس گلوله ها در لوله های فلزی از میله سوختی پوشانده می شوند كه در مجتمع های سوختی برای استفاده در راكتورها آماده هستند. دیمانسیون گلوله های سوختی و اجزای دیگر مجتمع سوختی به دقت كنترل می شوند تا از پایداری و دارا بودن آنان از خصوصیات دسته های سوختی اطمینان حاصل شود.

در تأسیسات تولید سوخت توجه زیادی به شكل و اندازه مخزن های عملیاتی می شود تا از اتفاقات خطرناك جلوگیری شود. (یك زنجیر محدود واكنش پرتو آزاد می كند). با سوخت غنی شده ضعیف امكان اتفاق افتادن این حوادث بعید به نظر می رسد. اما در تأسیسات هسته ای بررسی سوخت های مخصوص برای تحقیقات راكتورها عملی حیاتی است.

تولید نیرو

درون یك راكتور هسته ای اتم های اورانیوم ۲۳۵ (u-۲۳۵) شكافته می شوند و در جریان عملیات پردازش انرژی آزاد می كنند. این انرژی اغلب برای حرارت دادن آب و تبدیل كردن آن به بخار استفاده می شود.

بخار توربینی را كه به ژنراتور متصل است به حركت می اندازد و باعث تولید الكتریسیته می شود. مقداری از اورانیوم ۲۳۸ (u-۲۳۸ به شكل سوخت) در هسته و مركز راكتور به پلوتونیوم تبدیل می شود و این یك سوم انرژی در یك راكتور هسته ای معمولی را حاصل می كند. شكافتن اورانیوم به عنوان منبع حرارت در راكتورها استفاده می شود. همان گونه كه سوزاندن زغال سنگ، گاز و یا نفت به عنوان سوخت فسیلی در تأسیسات نیرو استفاده می شود.

سوخت مصرف شده (خرج شده)

با گذشت زمان، غلظت قطعات و عناصر سنگین شكافته شده مانند پلوتونیوم در مجموعه سوخت افزایش خواهد یافت تا جایی كه دیگر هیچ سودی در استفاده دوباره از سوخت نیست. بنابراین پس از گذشت ۱۲ الی ۲۴ ماه سوخت مصرف شده از راكتور خارج می شود. مقدار انرژی كه از مجموعه سوختی تولید شده است با نوع راكتور و سیاست و كاردانی گرداننده راكتور تغییر می كند. معمولا بیش از ۴۵ میلیون كیلو وات ساعت الكتریسیته از یك تن اورانیوم طبیعی تولید می شود. تولید این مقدار انرژی الكتریكی با استفاده از سوخت های فسیلی ملزم به سوزاندن بیش از ۲۰ هزار تن زغال سنگ سیاه و ۳۰ میلیون مترمكعب گاز است.

انبار كردن سوخت مصرف شده

وقتی یك مجموعه سوختی، از راكتور خارج می شود از خود پرتو ساطع می كند كه اساساً بیشتر از شكافتن قطعات و حرارت آن است. سوخت مصرف شده فوراً در استخرهای انبار كه در اطراف راكتور برای كاهش میزان پرتوزایی آن است تخلیه می شوند. در استخرها، آب جلوی پرتوزایی را می گیرد و همچنین حرارت را به خود جذب می كند.

سوخت مصرف شده در چنین استخرهایی برای ماه ها و یا سال ها نگه داشته می شوند.

وابسته به سیاست كشورهای مختلف در بعضی از آنها مقداری از سوخت مصرف شده به امكانات و تأسیسات انبار مركزی انتقال می یابند. سرانجام، سوخت مصرف شده یا باید دوباره پردازش شود و یا برای دفع اتمی آماده شود.

پردازش دوباره

سوخت مصرف شده چیزی حدود ۹۵ درصد اورانیوم ۲۳۸ است ولی دارای حدود یك درصد اورانیوم ۲۳۵ كه شكافته شده نیز نیست، و در حدود یك درصد پلوتونیوم و سه درصد محصولات شكافته شده كه در حد زیادی پرتوزا هستند و دیگر عناصر ترانزورانیك (كه عدد اتمی بیشتری نسبت به اورانیوم دارد) كه در راكتور شكل گرفته اند در دستگاه های دوباره سازی سوخت مصرف شده به سه جزء تشكیل دهنده خود تفكیك می شوند: اورانیوم، پلوتونیوم و پس مانده كه شامل محصولات شكافته شده است. دوباره سازی امكان بازسازی مجدد اورانیوم و پلوتونیوم به سوخت تازه را می دهد و بخش عمده ای از پس مانده كاهیده را تولید می كند. (مقایسه با به حساب آوردن كل سوخت مصرف شده به عنوان پس مانده)

بازسازی مجدد اورانیوم و پلوتونیوم

اورانیوم حاصل از دوباره سازی كه معمولا غلظتی كمی بیشتر از اورانیوم ۲۳۵ دارد و در طبیعت رخ می دهد، می تواند اگر نیاز باشد پس از تبدیل كردن و غنی شدن به عنوان سوخت استفاده شود. پلوتونیوم می تواند مستقیماً به MOX (سوخت مخلوط اكسید) تبدیل شود كه در آن اورانیوم و پلوتونیوم مخلوط شده اند.

در راكتورهایی كه از سوخت MOX استفاده می كنند، پلوتونیوم به جای اورانیوم ۲۳۵ جانشین سوخت اورانیوم اكسید معمولی می شود.

دفع سوخت مصرف شده

در حال حاضر، هیچ گونه امكاناتی برای دفع سوخت مصرف شده (برخلاف امكانات انبارسازی) وجود ندارد كه برای دوباره سازی استفاده می شود و پس مانده های به جا مانده از دوباره سازی می توانند در محلی انباشته شوند. هرچند نتایج فنی و تكنیكی مرتبط با دفع سوخت ثابت كرده اند كه هیچ احتیاجی به تأسیس چنین امكاناتی در برابر حجم كم پس مانده ها نیست. انبار كردن با توجه به كاهش در حال رشد پرتوزایی برای مدت طولانی آسان تر است. همچنین مقاومت مغناطیسی در سوخت دفع شده وجود دارد، چون منبع قابل توجهی از انرژی در آن است كه می تواند دوباره فرآوری شود و امكان بازیافت دوباره را به اورانیوم و پلوتونیوم بدهد.

تعدادی از كشورها در حال انجام مطالعاتی در زمینه تصمیم گیری بهترین راه برای نزدیك شدن به دفع سوخت مصرف شده و پس مانده های پس از دوباره سازی هستند. روش متداولی كه امروزه استفاده می شود قرار دادن سوخت مصرف شده در انبارهای زیرزمینی است:

پس مانده ها

پس مانده های حاصل از چرخه سوختی هسته ای در رده های: شدید، متوسط و كم دسته بندی می شوند و این تقسیم بندی براساس تشعشعات رادیواكتیوی كه از خود ساطع می كنند، است.

این پس مانده ها از منابعی سرچشمه می گیرند كه شامل موارد زیر است:

پس مانده های رده پایین (Low-level) كه در تمام مراحل چرخه سوختی تولید می شوند.

پس مانده های رده متوسط (Intermediat-level) كه در جریان عملكرد راكتور و دوباره سازی تولید می شوند.

پس مانده های رده بالا (High-Level) كه شامل محصولات شكافته شده حاصل از دوباره سازی و در بسیاری از كشورها خود سوخت مصرف شده هستند.

فرآیند غنی سازی تولیدات را به سوی تهی كردن اورانیوم هدایت می كند. غلظت اورانیوم ۲۳۵ به طور عمده كمتر از ۷/۰ درصد است كه در طبیعت پیدا می شود. تعداد كمی از این مواد كه اصولاً اورانیوم ۲۳۸ هستند زمانی استفاده می شوند كه چگالی بسیار زیاد نیاز است. مثل استحفاظ پرتوافشانی و گاهی استفاده در تولید سوخت Mox. در حالی كه اورانیوم ۲۳۸ قابل شكافتن نیست ماده ای پرتوافشانی كم است و باید درمورد آن احتیاط كرد، از این رو یا آن را انبار و یا دفع می كنند.

میزان مواد موجود در چرخه سوختی هسته ای

موارد زیر فرضیات مختلفی ایجاد می كنند. (پاورقی شماره ۲ را ملاحظه فرمایید) اما مورد ملاحظه عملكرد راكتور انرژی هسته ای NWE ۱۰۰۰ قرار می گیرند.

۲۰۰۰۰ تن از یك درصد سنگ معدن اورانیوم استخراج

۲۳۰ تن از اورانیوم اكسید غلیظ شده (همراه ۱۹۵ تن اورانیوم) آسیاب سازی

۲۸۸ تن UF۶ (همراه ۱۹۵ تن اورانیوم) تبدیل كردن

۳۵ تن UF۶ (همراه ۲۴ تن اورانیوم غنی شده) غنی سازی

۲۷ تن UO۲ (همراه ۲۴ تن اورانیوم غنی شده) ساخت و تولید سوخت

۷۰۰۰ میلیون كیلووات ساعت (kwh) نیروی الكتریسیته عملكرد راكتور

۲۷ تن شامل ۲۴۰ كیلوگرم پلوتونیوم، ۲۳ تن اورانیوم(u-۲۳۵ ۸/۰ درصد)، ۷۲۰ كیلوگرم محصولات شكافتی، همچنین ترانزورانیك سوخت مصرف شده

غلیظ كننده های اورانیوم بعضی اوقات در شرایط u۳o۸ قرار می گیرند كه حجم آن (مخلوطی از دو اورانیوم اكسیدی كه نسبتاً همان چیزی است كه در طبیعت یافت می شود.

محصول u۳o۸ خالص شامل حدوداً ۸۵ درصد فلز اورانیوم است.

غلظت اورانیوم ۸۰ درصد است، غنی سازی در ۴ درصد اورانیوم ۲۳۵ به همراه ۳ درصد دنباله آزمایش شده، ۸۰ درصد برای عملكرد راكتور بارگزاری می شوند، در هسته راكتور ۷۲ تن اورانیوم بارگزاری می شوند. سوخت گیری سالانه است و هر سال یك سوم سوخت را عوض می كنند.

منیع : خبرگزاری آفتاب