پنجشنبه, ۲۰ دی, ۱۴۰۳ / 9 January, 2025
مجله ویستا

گام به گام تا تولید سوخت اتمی


گام به گام تا تولید سوخت اتمی

ایران در ۲۰ فروردین ۱۳۸۵ توانست به حلقه كشورهای دارای فناوری هسته ای بپیوندد از آنجایی كه این امتیاز مهم سبب خودكفایی و پیشرفت ایران در زمینه توسعه صنعت هسته ای و تولید انرژی خواهد شد, كشورهای انحصارگر تلاش می كنند تا مانع استفاده ایران از این فناوری نوین و ارزشمند شوند

ایران در ۲۰ فروردین ۱۳۸۵ توانست به حلقه كشورهای دارای فناوری هسته ای بپیوندد. از آنجایی كه این امتیاز مهم سبب خودكفایی و پیشرفت ایران در زمینه توسعه صنعت هسته ای و تولید انرژی خواهد شد، كشورهای انحصارگر تلاش می كنند تا مانع استفاده ایران از این فناوری نوین و ارزشمند شوند.

● چرخه سوخت هسته ای

چرخه سوخت هسته ای شامل مراحل مختلفی است كه از استخراج اورانیوم تا تولید برق را شامل می شود. چرخه سوخت هسته ای شامل فرایندهای مختلفی است كه منجر به تبدیل سنگ معدن اورانیوم به سوخت مورد استفاده در نیروگاههای هسته ای می شود. مجموعه این مراحل، «چرخه سوخت هسته ای» نام گرفته است؛ زیرا بر خلاف سوختهای فسیلی كه پس از استفاده نابود می شوند، سوختهای هسته ای از بین رفتنی نیستند، بلكه این قابلیت را دارند كه پس از استفاده در راكتور، دوباره غنی سازی شده و مجدداً در نیروگاه هسته ای استفاده شوند. به طوری كه در یكی از مراحل پایانی فرایند تبدیل اورانیوم خام به سوخت، یك چرخه به وجود آمده و عملیات تكرار می شود.

عنصر اورانیوم به علت هسته سنگین خود، تمایل به شكافته شدن و تبدیل به دو هسته مجزا دارد. اگر این فرایند به طور كنترل شده در راكتور صورت بگیرد، می تواند منشأ انرژی فوق العاده بالا و پایان ناپذیر باشد. اورانیوم طبیعی مخلوطی از سه ایزوتوپ است: اورانیوم ۲۳۳، اورانیوم ۲۳۵ و اورانیوم ۲۳۸. از این سه ایزوتوپ فقط اورانیوم ۲۳۵ قابل استفاده در نیروگاه به عنوان سوخت است. چرخه سوخت هسته ای، معمولاً دارای ۷ مرحله است كه باید به ترتیب طی شوند.

● مراحل هفت گانه چرخه سوخت هسته ای

۱) استخراج سنگ معدن اورانیوم، جداسازی و تخلیص:

در این مرحله، تركیب اكسید اورانیوم از سنگ معدن اورانیوم جداسازی می شود. این تركیب زردرنگ، پس از تولید حالتی شبیه به كیك دارد. به همین دلیل «كیك زرد» نامیده می شود. این مراحل معمولاً در معدن انجام می شود. در ایران این مرحله در تأسیسات «یو سی اف» اصفهان انجام می شود.

▪ تأسیسات UCF اصفهان برای فرآوری اورانیوم

۲) تبدیل كیك زرد به اورانیوم غنی شده:

در مرحله غنی سازی پس از انجام مراحل شیمیایی، كیك زرد تبدیل به گاز هگزافلورید اورانیوم (UF۶) می شود. این ماده در دمای ۳۰ درجه سانتیگراد مایع است، ولی در دمای ۴۰ درجه تبدیل به بخار شده و برای غنی سازی آماده می گردد.

همانطور كه گفته شد، اورانیوم در طبیعت دارای سه ایزوتوپ است كه فقط یكی از آنها قابل استفاده در نیروگاه هسته ای است. در واقع غنی سازی عبارت است از بالا بردن غلظت ایزوتوپ اورانیوم ۲۳۵ در اورانیوم طبیعی.برای غنی سازی اورانیوم سه روش وجود دارد: روش دیفیوژن یا پخش گازی، روش سانتریفیوژ، روش میدان مغناطیسی.

دربین روشهای ذكر شده، روش استفاده از سانتریفیوژ، مقرون به صرفه تر و بهتر است. در این روش، هگزافلوراید اورانیوم پس از عبور از حدود ۱۶۰ سانتریفیوژ به غنای حدود ۴ درصد كه برای سوخت نیروگاه هسته ای مورد نیاز است، می رسد. این مرحله در تأسیسات غنی سازی نطنز انجام می شود.

▪ تاسیسات غنی سازی اورانیوم نطنز

۳) تبدیل UF۶ به اكسید اورانیوم: پس از این كه گاز هگزافلوراید اورانیوم به غنای مورد نیاز رسید، در مراحلی تبدیل به دی اكسید اورانیوم (UO۲) می شود. این ماده جامد است و حالت سرامیكی دارد. در این مرحله این ماده به صورت حبه های سوخت درمی آید. از آنجایی كه سوخت نیروگاه حتماً باید به شكل میله درآید تا بتواند برای تولید انرژی در راكتور قرار داده شود، حبه های سوخت بر روی میله هایی تعبیه می شوند كه «میله های سوخت» نامیده می شوند.

۴) انتقال میله های سوخت به نیروگاه: مواد رادیواكتیو موادی خطرناك هستند و باید در تمام مراحل چرخه سوخت مسائل ایمنی مدنظر قرار گیرد. یكی از مراحل بسیار حساسی كه می تواند خطرساز باشد، مرحله نقل و انتقال سوخت به نیروگاه است. به همین منظور میله های سوخت داخل محفظه های عایق بندی شده قرار داده می شود تا از بروز هر گونه حادثه ای مانند انفجار، سوختن و سایر حوادث جلوگیری شود.

۵) مصرف سوخت و تولید انرژی: در این مرحله، میله های سوخت در داخل راكتور تعبیه می شوند تا در اثر واكنش شكافت، انرژی تولید كنند. این انرژی كه به صورت گرمای بسیار زیاد است، به آب منتقل و سبب تبخیر آب می شود. بخار تولید شده، توربینها را به حركت درآورده و به این ترتیب، برق تولید می شود.

بسته به درصد غنای اورانیوم مورد استفاده، از یك تا سه سال می توان از میله های سوخت در راكتور استفاده كرد و تا این مدت نیاز به تعویض میله ها نیست. یك نیروگاه هسته ای به طور متوسط در هر سال حدود ۳۰ تن اورانیوم مصرف می كند. بنابراین پیش از آغاز به كار نیروگاه، باید حداقل ۱۲ تن اورانیوم غنی شده آماده باشد. پس از ۳ سال، سوخت مصرف شده از نیروگاه خارج می شود. برای این عمل، باید راكتور به حالت خاموشی موقت درآید.

۶) انبار كردن سوخت: پس از استفاده از اورانیوم غنی شده در راكتور، سوخت مصرف شده باید تا چند ماه در نیروگاه انبار شود. این عمل سبب می شود برخی از پسماندها كه به شدت رادیواكتیو و فعال هستند، در اثر شكافت هسته ای به طور خود به خود از بین بروند. به این مرحله، مرحله «سرد شدن» می گویند.

۷) انتقال سوخت مصرف شده به تأسیسات بازفرآوری: در این روند سه مؤلفه مهم از هم جدا می شوند: اورانیوم تهی شده، پلوتونیوم ۲۳۹، زباله های هسته ای.

اورانیوم تهی شده در واقع اورانیومی است كه تعداد ایزوتوپهای مورد نیاز برای استفاده در نیروگاه در آن كم شده و به عبارت دقیقتر، غنای آن كم شده است. با غنی سازی مجدد، می توان دوباره آن را برای مصرف در نیروگاه و تولید انرژی آماده كرد.

زباله های هسته ای گاهی برای مصارف پزشكی قابل استفاده است، اما در صورتی كه غیر قابل استفاده باشد، باید به شكل محلول درآمده و با كشتیهای مخصوص در ته اقیانوسها، قسمتهای غیرمسكونی در قطبها یا در كویرهای غیرقابل سكونت دفن شوند.

بشكه هایی كه این مواد در آنها حمل می شود باید كاملاً عایق بندی شده و بدون منفذ باشند تا پرتوهای رادیواكتیو از آنها نشت نكند.ایران در ۲۰ فروردین ۱۳۸۵ توانست با اتكا به دانش بومی و تلاش دانشمندان هسته ای داخلی، به چرخه سوخت هسته ای دست یابد و به یكی ازكشورهای دارنده این فناوری ارزشمند در دنیا تبدیل شود.