چرخه سوخت هسته ای چگونه کار می کند؟

اورانیومی که از زمین استخراج می شود، بلافاصله قابل استفاده در نیروگاه های تولید انرژی نیست. برای آنکه بتوان بیشترین بازده را از اورانیوم بدست آورد، فرآیندهای مختلفی روی سنگ معدن اورانیوم صورت می گیرد تا غلظت ایزوتوپ اورانیوم 235 (Uranium-235) که قابل شکافت است، افزایش یابد.

چرخه سوخت اورانیوم نسبت به سوخت های رایج دیگر از جمله زغال سنگ، نفت و گاز طبیعی به مراتب پیچیده تر است. چرخه سوخت اورانیوم را چرخه سوخت هسته ای نیز می گویند. این چرخه سوخت از دو بخش اولیه و ثانویه تشکیل شده است. بخش اولیه شامل مراحلی است که منجر به آماده سازی اورانیوم به عنوان سوخت راکتورهای هسته ای می شود و شامل استخراج از معدن، آسیاب کردن، تبدیل، غنی سازی و تولید سوخت است. بعد از اینکه اورانیوم برای سوخت مصرف شد و انرژی از آن بدست آمد، بخش ثانویه چرخه آغاز می شود تا ضایعات هسته ای به انسان و محیط زیست آسیبی نرساند. این بخش شامل انبارداری موقتی، بازفرآوری کردن و انبار نهایی است.

در این مقاله شما می توانید با چگونگی کارکرد یک راکتور هسته ای در نیروگاه و واکنش های اتمی آن، آشنا شوید.

اکتشاف و استخراج

ذخایر طبیعی اورانیوم، سنگ معدن اورانیوم است که بر اساس مقدار قابل استحصال از معدن محاسبه می شود. با تکنیک ها و روش های زمین شناسی، معدن اورانیوم شناسایی و نمونه هایی از سنگ معدن به آزمایشگاه فرستاده می شود. در آنجا، محلولی از سنگ معدن تهیه می کنند و اورانیوم ته نشین شده را مورد بررسی قرار می دهند تا بفهمند چه مقدار اورانیوم را می توان از آن معدن استخراج کرد و چقدر هزینه می برد.

اورانیوم موجود در طبیعت معمولاً از دو ایزوتوپ U-235 و U-238 تشکیل می شود که فراوانی آنها به ترتیب 0.71 درصد و 99.28 درصد است. زمانی که معدن شناسایی شد، به سه روش می توان اورانیوم را استخراج کرد:

1. استخراج از سطح زمین
2. استخراج از معادن زیرزمینی
3. تصفیه در معدن

سنگ معدن اورانیوم معمولاً از اکسید اورانیوم (U₃O₈) تشکیل شده است و غلظت آن در سنگ معدن بین 0.5 تا 0.3 درصد تغییر می کند. البته اورانیوم در برخی معادن فسفات با منشاء دریایی نیز وجود دارد که فراوانی بسیار کمی دارد. از آنجایی که این معادن فسفات مقادیر انبوهی تولید دارند، می توان اورانیوم را با قیمت معقولی استحصال کرد.

آسیاب و تبدیل به کیک زرد

پس از استخراج سنگ معدن، تکه سنگ ها به آسیاب فرستاده می شود تا خوب خرد شده و خرده سنگ هایی با ابعاد یکسان تولید شود. اورانیوم توسط اسید سولفوریک از دیگر اتم ها جدا می شود. سپس محلول غنی شده اورانیوم تصفیه و خشک می گردد. محصول بدست آمده که به شکل پودر زرد رنگی است، کیک زرد (Yellowcake) نامیده می شود.

کیک زرد جامد است، ولی مرحله بعد (غنی سازی) از تکنولوژی ویژه ای بهره می برد که نیازمند حالت گازی است. بنابراین اکسید اورانیوم جامد طی فرآیندی شیمیایی به گاز هگزافلوراید اورانیوم (UF₆) تبدیل می شود.

هگزافلوراید اورانیوم پرتوزا است و باید با دقت جابجا شود، لوله ها و پمپ ها در کارخانه های تبدیل کننده به صورت ویژه ای از آلیاژ آلومینیوم و نیکل ساخته می شوند. گاز تولیدی همچنین باید از نفت و روغن های گریس جهت جلوگیری از واکنش های ناخواسته شیمیایی دور نگه داشته شود.

غنی سازی

هدف غنی سازی، افزایش میزان اورانیوم ایزوتوپ 235 است. اورانیوم مورد نیاز در مصارف صلح آمیز نظیر راکتورهای هسته ای نیروگاه ها باید شامل 3 تا 5 درصد اورانیوم 235 باشد، اما اورانیوم مورد نیاز در تسلیحات اتمی باید بیش از 90 درصد اورانیوم 235 خالص داشته باشد.

شیوه متداول غنی سازی اورانیوم، سانتریفوژ کردن گاز (Centrifuge) است. در این روش، هگزافلوراید اورانیوم در یک محفظه استوانه ای با سرعت بالا و در شرایط گریز از مرکز قرار می گیرد. این کار باعث جدا شدن ایزوتوپ های با جرم حجمی بالاتر می شود. در این شیوه، اتم های سنگین ایزوتوپ 238 طی فرآیند گریز از مرکز به سمت پایین محفظه کشیده شده و خارج می شوند، اتم های سبک تر اورانیوم (ایزوتوپ 235) نیز از بخش میانی محفظه جمع آوری و جدا می گردند. اورانیوم 235 تجمیع شده، سپس به محفظه های گریز از مرکز بعدی هدایت می شود. این فرآیند بارها در زنجیره ای از دستگاه های گریز از مرکز که کنار هم چیده شده اند، تکرار می شود تا خالص ترین میزان اورانیوم (بسته به کاربرد آن) بدست آید.

همانطور که گفتیم اورانیومی که به این شیوه غنی شده باشد، اگر ایزوتوپ 235 آن 5 درصد کل اورانیوم باشد، برای مصارف نیروگاهی به کار می رود و اگر خلوص آن به بالای 90 درصد برسد، به صورت مستقیم در ساخت بمب های اورانیومی و یا طی چند مرحله تبدیلی دیگر، در بمب های پلوتونیومی مورد استفاده قرار می گیرد.

ساخت میله های سوخت

تولید میله سوخت، آخرین مرحله بخش اولیه در چرخه سوخت هسته ای است. اورانیوم غنی شده که هنوز به شکل UF₆ است، باید به پودر دی اکسید اورانیوم (UO₂) تبدیل شود تا به منظور سوخت هسته ای قابل استفاده باشد. در این مرحله، پودر UO₂ فشرده می شود تا به شکل قرص در آید. قرص ها سپس در معرض حرارت با دمای بالا قرار می گیرند تا به قرص های سرامیکی سخت تبدیل شوند. پس از طی چند فرآیند فیزیکی، قرص هایی سرامیکی با ابعاد یکسان حاصل می شوند.

متناسب با طراحی راکتور و نوع سوخت مورد نیاز، این قرص های کوچک را دسته دسته کرده و در لوله هایی قرار می دهند. این لوله ها نیز از آلیاژ مخصوصی ساخته می شوند که در برابر خوردگی بسیار مقاوم هستند و در عین حال از رسانایی حرارتی بسیار بالایی نیز برخوردار می باشند. حال میله های سوخت آماده شده اند و برای استفاده در راکتور به نیروگاه فرستاده می شوند.

مدیریت زباله های هسته ای

در نیروگاه هسته ای هم مثل دیگر فعالیت های بشری، ضایعاتی تولید می شود که به دلیل حساسیت مضاعف زباله های رادیواکتیو، مدیریت این ضایعات باید تحت قوانین و محدودیت های خاصی صورت بگیرد. در هر 8 مگاوات ساعت انرژی الکتریکی تولید شده در نیروگاه هسته ای، 30 گرم زباله رادیواکتیو به وجود می آید. برای تولید همین مقدار برق با استفاده از زغال سنگ با کیفیت، 8000 کیلوگرم دی اکسید کربن تولید می شود که در دما و فشار جوّ، سه استخر المپیک را پُر می کند!

می بینید حجم زباله های رادیواکتیو بسیار کمتر، ولی خطر آنها به مراتب بیشتر است و مراقبت از آنها ضروری تر و دشوارتر می باشد. زباله های رادیواکتیو بر اساس مقدار و نوع ماده به سه گروه تقسیم می شوند:

1. زباله های سطح پایین: لباس های حفاظتی، لوازم، تجهیزات و فیلترهایی که حاوی مواد رادیواکتیو با عمر کوتاه هستند. اینها نیازی به پوشش حفاظتی ندارند و معمولاً فشرده شده یا آتش زده می شوند و در چاله های کم عمق دفن و انبار می شوند.
2. زباله های سطح متوسط: رزین ها، پسماندهای شیمیایی، پوشش میله سوخت و مواد نیروگاه های برق هسته ای جزو زباله های سطح متوسط طبقه بندی می شوند. اینها عموماً عمر کوتاهی دارند، ولی نیاز به پوشش محافظ دارند. این زباله ها را می توان درون بتن قرار داد و در مخزن زباله ها گذاشت.
3. زباله های سطح بالا: همان سوخت مصرف شده راکتورها هستند و نیاز به پوشش حفاظتی و سردسازی دارند. مراحل مدیریت این ضایعات عبارتند از: انبارداری موقتی، بازفراوری و انبار نهایی.

انبارداری موقتی

سوخت مصرف شده که از راکتور خارج می شود، بسیار داغ و رادیواکتیوی است و تشعشعات فراوانی را می تاباند. از این رو باید هم آن را سرد کرد و هم از تابیدن پرتوهای رادیواکتیو آن به محیط جلوگیری کرد. در کنار هر راکتور، استخرهایی برای انبار کردن سوخت مصرف شده وجود دارد. این استخرها، مخزن هایی بتنی مسلح به لایه های فولاد ضد زنگ هستند که 8 متر عمق دارند و پُر از آب می باشند.

آب هم میله های سوخت مصرف نشده را خنک می کند و هم پوششی حفاظتی در برابر تابش رادیواکتیو ایجاد می کند. به مرور زمان، شدت گرما و تابش رادیواکتیو کاهش می یابد، بطوریکه پس از چهل سال، به یک هزارم مقدار اولیه (زمانی که از راکتور خارج شده بود) می رسد.

فرآوری مجدد و انبار نهایی

سه درصد سوخت مصرف شده در یک راکتور آب سبک از ضایعات بسیار خطرناک رادیواکتیو تشکیل می شود، ولی بقیه آن حاوی مقادیر قابل توجهی اورانیوم 235، پلوتونیوم 239 و اورانیوم 238 و دیگر مواد رادیواکتیو است. این مواد را می توان با روش های شیمیایی از یکدیگر جدا کرد و اگر شرایط اقتصادی و قوانین حقوقی اجازه دهد، می توان سوخت مصرف شده را برای تهیه سوخت هسته ای جدید بازیافت کرد. کارخانه هایی در فرانسه و انگلستان وجود دارند که مرحله فرآوری مجدد سوخت نیروگاه های کشورهای اروپایی و ژاپن را انجام می دهند. (این کار در ایالات متحده ممنوع است.)

ضایعات هسته ای سطح بالا را نیز پس از جداسازی، حرارت می دهند تا به پودر تبدیل شود. پس از این فرآیند که آهک کردن خوانده می شود، پودر را با شیشه مخلوط می کنند تا ضایعات را در محفظه ای محبوس کند. شیشه مایع برای ذخیره سازی درون محفظه هایی از جنس فولاد ضد زنگ قرار می گیرند. این محفظه ها را در منطقه ای پایدار از نظر جغرافیایی (مانند بیابان های فاقد سکونت یا اعماق اقیانوس ها) انبار می کنند. پس از یک هزار سال، شدت تابش های رادیواکتیو این ضایعات هسته ای به مقدار طبیعی کاهش پیدا می کند.

راکتورهای هسته ای

راکتورها دارای کاربردهای کاملاً دوگانه هستند. در مصارف صلح آمیز با بهره گیری از حرارت تولیدی در شکافت هسته ای کار می کنند. از این حرارت جهت گرم کردن آب، تبدیل آن به بخار و استفاده از بخار برای حرکت توربین ها بهره گرفته می شود.

همچنین اگر قصد ساخت بمب های پلوتونیومی در کار باشد، اورانیوم غنی شده را به راکتورهای هسته ای منتقل می کنند. در نوع خاصی از راکتورهای هسته ای از اورانیوم غنی شده به شکل قرص هایی به اندازه یک سکه و ارتفاع یک اینچ بهره می گیرند. این قرص ها را به کپسول های میله ای شکلی درآورده و درون یک محفظه عایق، تحت فشار قرار می دهند.

در بسیاری از نیروگاه های هسته ای، میله های سوخت را جهت خنک شدن درون آب غوطه ور می کنند. روش های دیگر خنک سازی، استفاده از دی اکسید کربن یا فلز مایع هستند.

یک راکتور برای کارکرد مناسب، باید دارای جرم فوق بحرانی باشد، این بدین معنا است که مقدار کافی و مناسبی از اورانیوم غنی شده جهت شکل گیری یک واکنش زنجیره ای خودبخود پیش رونده مورد نیاز است. برای تنظیم و کنترل فرآیند شکافت، میله های کنترل کننده از جنس موادی نظیر گرافیت با قابلیت جذب نوترون های درون راکتور، وارد محفظه می شوند. این میله ها با جذب نوترون ها باعث کاهش شدت فرآیند شکافت می شوند.

گرمای حاصل از شکافت هسته های اورانیوم باعث داغ شدن لوله های آب و تبدیل آن به بخار می شود. پمپ های مخصوصی این بخارهای داغ را از طریق لوله ها به محفظه توربین بخار هدایت می کنند. چرخش پره های توربین بر اثر فشار بخار آب باعث تولید برق در ژنراتور می شود. برای سرد کردن لوله ها و استفاده دوباره از بخار آب، از محفظه خنک کننده کمک گرفته می شود. در این محفظه، آب سرد رودخانه یا دریا که توسط برج خنک کننده به این مخزن تزریق شده اند، باعث سرد شدن لوله ها و در نتیجه تبدیل شدن بخارهای داغ به آب سرد می شوند. این آب های سرد دوباره به راکتور باز می گردند تا انرژی حرارتی را برای تولید برق به توربین ها منتقل کنند. میله های مهار کننده داخل راکتور هم نوترون های اضافی حاصل از شکافت هسته اورانیوم را جذب می کنند.

در حال حاضر بیش از چهارصد نیروگاه هسته ای در جهان وجود دارد و 17 درصد الکتریسیته جهان را تولید می کنند. راکتورها همچنین در کشتی ها و زیردریایی ها نیز کاربرد دارند.

منابع

مقاله علمی و آموزشی «چرخه سوخت هسته ای چگونه کار می کند؟»، نتیجه ی تحقیق و پژوهش، گردآوری، ترجمه و نگارش هیئت تحریریه علمی پورتال یو سی (شما می توانید) می باشد. در این راستا مقالات وب سایت HowStuffWorks ترجمه شده توسط بهنام زاده به عنوان منابع اصلی مورد استفاده قرار گرفته اند.

بیشتر بدانید…