چرخه سوخت چیست

چرخه سوخت هسته ای شامل فرآیندهای مختلفی است که منجر به تبدیل سنگ معدن اورانیوم به سوخت مورد استفاده در نیروگاه های هسته ای می شود مجموعه این مراحل, چرخه سوخت هسته ای نام گرفته است

ورود ایران به باشگاه هسته ای و قرارگرفتن در جمع کشورهای دارای چرخه کامل سوخت هسته ای با تمام سختی هایی که در این راه پرپیچ و خم وجود داشت، به اتمام رسید. امروز ایران به مرحله ای از توان تکنولوژیکی رسیده که قادر به طراحی و اجرای تمامی مراحل پروژه های هسته ای خود است. در این مقاله بر آن شدیم، ضمن بیان گوشه ای از توانمندی های هسته ای خود، به صورت مختصر چرخه سوخت هسته ای را نیز بررسی کنیم.

چرخه سوخت هسته ای شامل فرآیندهای مختلفی است که منجر به تبدیل سنگ معدن اورانیوم به سوخت مورد استفاده در نیروگاه های هسته ای می شود. مجموعه این مراحل، چرخه سوخت هسته ای نام گرفته است. مراحل هفت گانه چرخه سوخت هسته ای عبارتند از:

۱) استخراج سنگ معدن اورانیوم، جداسازی و تخلیص

در این مرحله، ترکیب اکسیداورانیوم از سنگ معدن اورانیوم جداسازی می شود. این ترکیب زردرنگ پس از تولید، حالتی شبیه به کیک دارد. به همین دلیل کیک 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.

۲) تبدیل کیک زرد به اورانیوم غنی شده

در مرحله غنی سازی پس از انجام مراحل شیمیایی، کیک زرد تبدیل به گاز هگزافلوراید اورانیوم (UF۶) می شود. این ماده در دمای ۳۰ درجه سانتیگراد مایع است اما در دمای ۴۰ درجه تبدیل به بخار شده و برای غنی سازی آماده می شود. اورانیوم در طبیعت دارای سه ایزوتوپ است که فقط یکی از آنها قابل استفاده در نیروگاه هسته ای است. در واقع غنی سازی عبارت است از بالا بردن غلظت ایزوتوپ ۲۳۵ در اورانیوم طبیعی، برای غنی سازی اورانیوم سه روش وجود دارد: روش دیفیوژن یاپخش گازی، روش سانتریفیوژ، روش میدان مغناطیسی.

در بین روش های ذکر شده، روش استفاده از سانتریفیوژ، مقرون به صرفه تر و بهتر است. در این روش، هگزافلوراید اورانیوم پس ازعبور از حدود ۱۶۰ سانتریفیوژ به غنای حدود چهار درصد که برای سوخت نیروگاه هسته ای موردنیاز است، می رسد این مرحله در تأسیسات غنی سازی نطنز انجام می شود. ایران تا امروز حدود ۷ هزار سانتریفیوژ در نطنز نصب کرده است که طی برنامه پنج ساله این رقم به ۵۰ هزار دستگاه خواهد رسید. از طرفی ایران توانسته است به نسل جدیدی از سانتریفیوژها بعد از سانتریفیوژهای نسل ۲-IR و ۳-IR برسد که این نسل از سانتریفیوژها در دو نوع و با کاربردهای متفاوت هستند. همچنین ایران قادر به تولید ماشین هایی شده که (SWU معیاری از کار لازم برای جداسازی مقداری معین از اورانیوم) آنها به پنج تا شش برابر گونه های فعلی می رسد.

۳) تبدیل UF۶ به اکسید اورانیوم

پس از این که گاز هگزافلوراید اورانیوم به غنای مورد نیاز رسید. درمراحلی تبدیل به دی اکسید اورانیوم (UO۲) می شود. این ماده جامد است و حالت سرامیکی دارد. در این مرحله این ماده به صورت حبه های سوخت در می آید. از آنجایی که سوخت نیروگاه حتماً باید به شکل میله درآید تا بتواند برای تولید انرژی در راکتور قرار داده شود، حبه های سوخت بر روی میله هایی تعبیه می شوند که میله های سوخت نامیده می شوند. کارخانه تولید قرص و میله سوخت یا به عبارتی مجتمع FMP، حساس ترین حلقه چرخه تولید سوخت که با هدف تولید انواع مجتمع های سوخت موردنیاز راکتورهای تحقیقاتی و نیروگاه های تولید برق هسته ای بنا شده است که به دلیل نبود دانش فنی و عدم همکاری کشورهای صاحب این نوع تکنولوژی با ایران، کار طراحی و ساخت این کارخانه در تمامی فازهای طراحی مفهومی، طراحی پایه، طراحی تفصیلی، ساخت، نصب و راه اندازی تجهیزات از سوی گروه های دانش فنی متشکل از نیروهای متخصص سوخت هسته ای داخلی و فارغ التحصیلان جوان دانشگاه های ممتاز کشور انجام گرفته است. ایران توانست ضمن در نظر گرفتن استانداردهای روز دنیا در صنعت هسته ای، تجهیزاتی خلق کند که اولا بومی بوده و ثانیا هر کدام در حد اختراع است. متخصصان داخلی این پروژه برای نخستین بار در کشور تجهیزاتی را نظیر جوش مقاومتی مخصوص میله های سوخت همزمان با تزریق گاز هلیوم، دستگاه بارگذاری قرص درون غلاف های سوخت، خط تولید قطعات پیچیده مجتمع سوخت نظیر شبکه های نگهدارنده میله های سوخت، آندایزینگ پیوسته میله های سوخت، میله های مونتاژ و کنترل کیفی مجتمع سوخت خلق کرده اند.

۴) انتقال میله های سوخت به نیروگاه

مواد رادیواکتیو موادی خطرناک هستند و باید در تمام مراحل چرخه سوخت، مسائل ایمنی مدنظر قرار گیرد. یکی از مراحل بسیار حساسی که می تواند خطرساز باشد، مرحله نقل وانتقال سوخت به نیروگاه است. به همین منظور میله های سوخت داخل محفظه های عایق بندی شده قرار داده می شود تا از بروز هرگونه حادثه ای مانند انفجار، سوختن و سایر حوادث جلوگیری شود.

۵) مصرف سوخت و تولید انرژی

در این مرحله، میله های سوخت در داخل راکتور تعبیه می شوند تا در اثر واکنش شکافت، انرژی تولید کنند. این انرژی که به صورت گرمای بسیار زیاد است، به آب منتقل و سبب تبخیر آب می شود. بخار تولید شده، توربین ها را به حرکت درآورده و به این ترتیب، برق تولید می شود.

۶) انبار کردن سوخت

پس از استفاده از اورانیوم غنی شده در راکتور، سوخت مصرف شده باید تا چند ماه در نیروگاه انبار شود. این عمل سبب می شود برخی از پسماندها که به شدت رادیواکتیو و فعال هستند، در اثر شکافت 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 باز فرآوری

در این روند سه مؤلفه مهم از هم جدا می شوند: اورانیوم تهی شده، پلوتونیوم ۲۳۹ و زباله های هسته ای. اورانیوم تهی شده درواقع اورانیومی است که تعداد ایزوتوپ های مورد نیاز برای استفاده در نیروگاه در آن کم شده و با غنی سازی مجدد، می توان دوباره آن را برای مصرف در نیروگاه و تولید انرژی آماده کرد. زباله های هسته ای گاهی برای مصارف پزشکی قابل استفاده است اما در صورتی که غیرقابل استفاده باشد، باید به شکل محلول درآمده و با کشتی های مخصوص در ته اقیانوس ها، قسمت های غیرمسکونی در قطب ها یا در کویرهای غیرقابل سکونت دفن شوند. عملیات ساخت تأسیسات جدید غنی سازی اورانیوم ایران در منطقه فردو نزدیک شهر قم نیز در سال ۲۰۰۶ آغاز شده است. این سایت فضای کافی برای استقرار حدود ۳ هزار سانتریفیوژ غنی سازی اورانیوم را دارد که می تواند برای تولید اورانیوم غنی شده مورد نیاز برای تهیه سوخت نیروگاه های هسته ای مورد استفاده قرار گیرد. از سوی دیگر با نزدیک شدن راکتور تحقیقاتی تهران، به پایان عمر کاری خود و نیاز روزافزون کشور به انواع رادیو ایزوتوپ های صنعتی و همچنین رادیو داروها، راکتور تحقیقاتی آب سنگین اراک با قدرت ۴۰ مگاوات طراحی و در نزدیکی شهر خنداب در شمال غربی شهرستان اراک ساخته شد. از آنجا که این راکتور در زمان راه اندازی به مقدار زیادی آب سنگین نیاز دارد، مجتمع آب سنگین اراک همزمان با پیگیری ساخت ساختمان و راکتور، آماده شد و به بهره برداری رسید تا بتواند نیاز راکتور را در زمان راه اندازی فراهم کند.

راکتورهای آب سنگین نیازی به اروانیوم غنی شده ندارد و از اکسید اورانیوم طبیعی به عنوان سوخت استفاده می کند این فرآیند، نیاز به اورانیوم غنی شده را مرتفع می کند. طراحی این راکتورها و تولید آب سنگین، فرآیندی پیچیده بود که با همت دانشمندان جوان کشور به تحقق پیوست. این همه درحالی است که در اکتبر ۲۰۰۳ یعنی ۶ سال پیش با تلاش های بی وقفه دولت اصلاحات، فعالیت تأسیسات نطنز را تعلیق کردیم، این تأسیسات ۱۰ سانتریفیوژ فعال داشت. کارگاه قطعه سازی تأسیسات هسته ای هم طبق توافقنامه پاریس در بروکسل، طی سال ۲۰۰۴ تعطیل شد. اگرچه در مدت کوتاهی نطنز از تعطیلی خارج شد اما دوباره در پاییز همان سال (۱۳۸۳) به حالت تعلیق درآمد و به طور کلی، تمامی سیکل هسته ای ایران طبق توافقنامه پاریس در سال ۲۰۰۴ معلق شد.

نویسنده: عادل نوروزیان