چگونه اورانیوم به انرژی تبدیل می شود؟

اورانیوم طبیعی اصولا شامل مخلوطی از دو ایزوتوپ (نوع اتمی) از اورانیوم است. تنها 7/0 درصد از اورانیوم طبیعی، شکاف پذیر و یا دارای قابلیت شکاف پذیری است که با شکافته شدن در راکتورهای هسته ای انرژی تولید می کنند. ایزوتوپ اورانیوم شکاف پذیر، اورانیوم نوع 235 (u-235) است و پس مانده آن اورانیوم 238 (u-238) است.

 

در بیشتر انواع راکتورهای معمولی هسته ای به اورانیوم 235 (u-235 که اورانیوم با غلظت بیش از حد طبیعی است) نیاز دارند. عملیات غنی سازی، غلظت اورانیوم را بیشتر می کند. عموماً بین 5/3 تا 5 درصد اورانیوم 235 با بیرون آوردن 8 درصد از اورانیوم 238. این عمل با جداسازی گازی هگزافلورید اورانیوم در دو جریان انجام می گیرد. یکی به اندازه لازم غنی سازی می شود و اورانیوم غنی شده ضعیف نامیده می شود و دیگری به اورانیوم 235 منتهی می شود که به پس مانده معروف است.

 

در عملیات غنی سازی در مقیاس های بزرگ تجاری وجود دارد، که هر کدام هگزافلورید اورانیوم را به عنوان منبع استفاده می کنند: نفوذ گازی و تفکیک گازی و هر دوی آنان از خواص فیزیکی مولکولی استفاده می کنند. مخصوصا با 10 درصد اختلاف جرم، برای جداسازی ایزوتوپ ها محصول این مرحله از چرخه سوختی هسته ای، اورانیوم هگزا فلورید غنی شده است که برای تولید اورانیوم اکسید غنی شده تغییر حال مجدد می یابد.

 

سوخت راکتور غالباً به شکل گلوله ای سرامیکی است. این گلوله ها از اورانیوم اکسید که در دمایی بسیار بالا (بیش از 1400 درجه سانتیگراد) پخته شده است شکل می گیرند. سپس گلوله ها در لوله های فلزی از میله سوختی پوشانده می شوند که در مجتمع های سوختی برای استفاده در راکتورها آماده هستند. دیمانسیون گلوله های سوختی و اجزای دیگر مجتمع سوختی به دقت کنترل می شوند تا از پایداری و دارا بودن آنان از خصوصیات دسته های سوختی اطمینان حاصل شود.

 

در تأسیسات تولید سوخت توجه زیادی به شکل و اندازه مخزن های عملیاتی می شود تا از اتفاقات خطرناک جلوگیری شود. (یک زنجیر محدود واکنش پرتو آزاد می کند). با سوخت غنی شده ضعیف امکان اتفاق افتادن این حوادث بعید به نظر می رسد. اما در تأسیسات هسته ای بررسی سوخت های مخصوص برای تحقیقات راکتورها عملی حیاتی است.

 

درون یک راکتور هسته ای اتم های اورانیوم 235 (u-235) شکافته می شوند و در جریان عملیات پردازش انرژی آزاد می کنند. این انرژی اغلب برای حرارت دادن آب و تبدیل کردن آن به بخار استفاده می شود.

 

بخار توربینی را که به ژنراتور متصل است به حرکت می اندازد و باعث تولید الکتریسیته می شود. مقداری از اورانیوم 238 (u-238 به شکل سوخت) در هسته و مرکز راکتور به پلوتونیوم تبدیل می شود و این یک سوم انرژی در یک راکتور هسته ای معمولی را حاصل می کند. شکافتن اورانیوم به عنوان منبع حرارت در راکتورها استفاده می شود. همان گونه که سوزاندن زغال سنگ، گاز و یا نفت به عنوان سوخت فسیلی در تأسیسات نیرو استفاده می شود.

 

با گذشت زمان، غلظت قطعات و عناصر سنگین شکافته شده مانند پلوتونیوم در مجموعه سوخت افزایش خواهد یافت تا جایی که دیگر هیچ سودی در استفاده دوباره از سوخت نیست. بنابراین پس از گذشت 12 الی 24 ماه سوخت مصرف شده از راکتور خارج می شود. مقدار انرژی که از مجموعه سوختی تولید شده است با نوع راکتور و سیاست و کاردانی گرداننده راکتور تغییر می کند.

 

معمولا بیش از 45 میلیون کیلو وات ساعت الکتریسیته از یک تن اورانیوم طبیعی تولید می شود. تولید این مقدار انرژی الکتریکی با استفاده از سوخت های فسیلی ملزم به سوزاندن بیش از 20 هزار تن زغال سنگ سیاه و 30 میلیون مترمکعب گاز است.

 

وقتی یک مجموعه سوختی، از راکتور خارج می شود از خود پرتو ساطع می کند که اساساً بیشتر از شکافتن قطعات و حرارت آن است. سوخت مصرف شده فوراً در استخرهای انبار که در اطراف راکتور برای کاهش میزان پرتوزایی آن است تخلیه می شوند. در استخرها، آب جلوی پرتوزایی را می گیرد و همچنین حرارت را به خود جذب می کند.

 

سوخت مصرف شده در چنین استخرهایی برای ماه ها و یا سال ها نگه داشته می شوند. وابسته به سیاست کشورهای مختلف در بعضی از آنها مقداری از سوخت مصرف شده به امکانات و تأسیسات انبار مرکزی انتقال می یابند. سرانجام، سوخت مصرف شده یا باید دوباره پردازش شود و یا برای دفع اتمی آماده شود.

 

سوخت مصرف شده چیزی حدود 95 درصد اورانیوم 238 است ولی دارای حدود یک درصد اورانیوم 235 که شکافته شده نیز نیست، و در حدود یک درصد پلوتونیوم و سه درصد محصولات شکافته شده که در حد زیادی پرتوزا هستند و دیگر عناصر ترانزورانیک (که عدد اتمی بیشتری نسبت به اورانیوم دارد) که در راکتور شکل گرفته اند در دستگاه های دوباره سازی سوخت مصرف شده به سه جزء تشکیل دهنده خود تفکیک می شوند: اورانیوم، پلوتونیوم و پس مانده که شامل محصولات شکافته شده است. دوباره سازی امکان بازسازی مجدد اورانیوم و پلوتونیوم به سوخت تازه را می دهد و بخش عمده ای از پس مانده کاهیده را تولید می کند. (مقایسه با به حساب آوردن کل سوخت مصرف شده به عنوان پس مانده)

 

اورانیوم حاصل از دوباره سازی که معمولا غلظتی کمی بیشتر از اورانیوم 235 دارد و در طبیعت رخ می دهد، می تواند اگر نیاز باشد پس از تبدیل کردن و غنی شدن به عنوان سوخت استفاده شود. پلوتونیوم می تواند مستقیماً به MOX (سوخت مخلوط اکسید) تبدیل شود که در آن اورانیوم و پلوتونیوم مخلوط شده اند.

 

در راکتورهایی که از سوخت MOX استفاده می کنند، پلوتونیوم به جای اورانیوم 235 جانشین سوخت اورانیوم اکسید معمولی می شود.

 

در حال حاضر، هیچ گونه امکاناتی برای دفع سوخت مصرف شده (برخلاف امکانات انبارسازی) وجود ندارد که 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 تکنیکی مرتبط با دفع سوخت ثابت کرده اند که هیچ احتیاجی به تأسیس چنین امکاناتی در برابر حجم کم پس مانده ها نیست.

 

انبار کردن با توجه به کاهش 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 که می تواند دوباره فرآوری شود و امکان بازیافت دوباره را به اورانیوم و پلوتونیوم بدهد.

 

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

پس مانده های حاصل از چرخه سوختی هسته ای در رده های: شدید، متوسط و کم دسته بندی می شوند و این تقسیم بندی براساس تشعشعات رادیواکتیوی که از خود ساطع می کنند، است.

 

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

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

پس مانده های رده متوسط (Intermediat-level) که در جریان عملکرد راکتور و دوباره سازی تولید می شوند.

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

 

فرآیند غنی سازی تولیدات را به سوی تهی کردن اورانیوم هدایت می کند. غلظت اورانیوم 235 به طور عمده کمتر از 7/0 درصد است که در طبیعت پیدا می شود. تعداد کمی از این مواد که اصولاً اورانیوم 238 هستند زمانی استفاده می شوند که چگالی بسیار زیاد نیاز است. مثل استحفاظ پرتوافشانی و گاهی استفاده در تولید سوخت Mox. در حالی که اورانیوم 238 قابل شکافتن نیست ماده ای پرتوافشانی کم است و باید درمورد آن احتیاط کرد، از این رو یا آن را انبار و یا دفع می کنند.

 

موارد زیر فرضیات مختلفی ایجاد می کنند. (پاورقی شماره 2 را ملاحظه فرمایید) اما مورد ملاحظه عملکرد راکتور انرژی هسته ای NWE 1000 قرار می گیرند.

20000 تن از یک درصد سنگ معدن اورانیوم استخراج

230 تن از اورانیوم اکسید غلیظ شده (همراه 195 تن اورانیوم) آسیاب سازی

288 تن UF6 (همراه 195 تن اورانیوم) تبدیل کردن

35 تن UF6 (همراه 24 تن اورانیوم غنی شده) غنی سازی

27 تن UO2 (همراه 24 تن اورانیوم غنی شده) ساخت و تولید سوخت

7000 میلیون کیلووات ساعت (kwh) نیروی الکتریسیته عملکرد راکتور

27 تن شامل 240 کیلوگرم پلوتونیوم، 23 تن اورانیوم(u-235 8/0 درصد)، 720 کیلوگرم محصولات شکافتی، همچنین ترانزورانیک سوخت مصرف شده

 

غلیظ کننده های اورانیوم بعضی اوقات در شرایط u3o8 قرار می گیرند که حجم آن (مخلوطی از دو اورانیوم اکسیدی که نسبتاً همان چیزی است که در طبیعت یافت می شود. محصول u3o8 خالص شامل حدوداً 85 درصد فلز اورانیوم است.

 

غلظت اورانیوم 80 درصد است، غنی سازی در 4 درصد اورانیوم 235 به همراه 3 درصد دنباله آزمایش شده، 80 درصد برای عملکرد راکتور بارگزاری می شوند، در هسته راکتور 72 تن اورانیوم بارگزاری می شوند. سوخت گیری سالانه است و هر سال یک سوم سوخت را عوض می کنند.