گام به گام تا تولید سوخت اتمی

تولید انرژی از اتم سابقه‌ای طولانی در جهان دارد و ایران نیز 3 دهه پیش با تاسیس نیروگاه اتمی بوشهر قصد داشت این کار را انجام دهد. با توجه به اینکه هر نیروگاه تولید انرژی هسته‌ای می‌تواند کاربرد دوگانه‌ای داشته و می‌تواند در تولید بمب اتم نیز مورد استفاده قرار گیرد، نسبت به تولید این انرژی حساسیت وجود دارد. تولید بمب اتم یا انرژی هسته‌ای جایگزین انرژی حاصل از سوخت فسیلی یا برق البته برای کشورهای کمتر توسعه یافته صنعتی کار ساده‌ای نیست و بدون کمک شرکت‌های معتبر و قدیمی دارای این تکنولوژی فرایند طولانی را باید طی کند. در گزارش زیر مراحل 7 گانه‌ای که باید طی شود تا یک نیروگاه بتواند سوخت اتمی تولید کند تشریح شده است. روز گذشته رئیس‌جمهور ایران اعلام کرد ایران به مرحله تولید صنعتی اورانیوم غنی شده که آخرین مرحله از مراحل 7 گانه است دست‌یافته و این را خبرخوش برای ایران دانست.

مراحل هفت‌گانه چرخه سوخت هسته‌ای

1ـ استخراج سنگ معدن اورانیوم، جداسازی و تخلیص: در این مرحله، ترکیبU3O8  از سنگ معدن اورانیوم جداسازی می‌شود. این ترکیب زرد رنگ، پس از تولید حالتی شبیه به کیک دارد؛ به همین دلیل «کیک زرد» نامیده می‌شود. این مراحل معمولا در معدن انجام می‌شود؛ در ایران این مرحله در تاسیسات UCF اصفهان انجام می‌شود.

۲ـ تبدیل کیک زرد به اورانیوم غنی شده: در مرحله غنی‌سازی پس از انجام مراحل شیمیایی، کیک زرد تبدیل به گاز هگزافلوراید اورانیوم (UF6) می‌شود. این ماده در دمای 30 درجه سانتی‌گراد مایع است، ولی در دمای 40 درجه تبدیل به بخار شده و برای غنی‌سازی آماده می‌گردد. همانطور که گفته شد اورانیوم در طبیعت دارای سه ایزوتوپ است که فقط یکی از آنها قابل استفاده در نیروگاه هسته‌ای است. در واقع غنی‌سازی عبارتست از بالا بردن غلظت ایزوتوپ اورانیوم 235 در اورانیوم طبیعی. برای غنی‌سازی اورانیوم سه روش وجود دارد: روش دیفیوژن یا پخش گازی، روش سانتریفیوژ، روش میدان مغناطیسی. در بین روش‌های ذکر شده، روش استفاده از سانتریفیوژ، مقرون به صرفه‌تر و بهتر است. در این روش هگزافلوراید اورانیوم پس از عبور از حدود 160 سانتریفیوژ به غنای حدود چهار درصد که برای سوخت نیروگاه هسته‌ای مورد نیاز است، می‌رسد. این مرحله در تاسیسات غنی‌سازی نطنز انجام می‌شود.

۳ـ تبدیل  UF6به اکسید اورانیوم: پس از اینکه گاز هگزافلوراید اورانیوم به غنای مورد نیاز رسید؛ در مراحلی تبدیل به دی‌اکسید اورانیوم (UO2)  می‌شود. این ماده جامد است و حالت سرامیکی دارد. در این مرحله این ماده به صورت حبه‌های سوخت درمی‌آید. از آنجایی که سوخت نیروگاه حتما باید به شکل میله درآید تا بتواند برای تولید انرژی در راکتور قرار داده شود؛ حبه‌های سوخت روی میله‌هایی تعبیه می‌شوند که میله‌های سوخت نامیده می‌شوند.

4ـ انتقال میله‌های سوخت به نیروگاه: مواد رادیواکتیو موادی خطرناک هستند و باید در تمام مراحل چرخه سوخت مسائل ایمنی مدنظر قرار گیرد. یکی از مراحل بسیار حساس که می‌تواند خطرساز باشد؛ مرحله نقل و انتقال سوخت به نیروگاه است. به همین منظور میله‌های سوخت داخل محفظه‌های عایق‌بندی شده قرار داده می‌شود تا از بروز هرگونه حادثه‌ای مانند انفجار، سوختن و سایر حوادث جلوگیری شود.

5ـ مصرف سوخت و تولید انرژی: در این مرحله، میله‌های سوخت در داخل راکتور تعبیه می‌شوند تا در اثر واکنش شکافت، انرژی تولید کنند. این انرژی که به صورت گرمای بسیار زیاد است به آب منتقل و سبب تبخیر آب می‌شود. بخار تولید شده توربین‌ها را به حرکت درآورده و به این ترتیب برق تولید می‌شود. بسته به درصد غنای اورانیوم مورد استفاده، از یک تا سه سال می‌توان از میله‌های سوخت در راکتور استفاده کرد و تا این مدت نیاز به تعویض میله‌ها نیست. یک نیروگاه هسته‌ای به طور متوسط در هر سال حدود 30 تن اورانیوم مصرف می‌کند. بنابراین پیش از آغاز به کار نیروگاه، باید حداقل 12 تن اورانیوم غنی‌شده آماده باشد. پس از سه سال، سوخت مصرف شده از نیروگاه خارج می‌شود؛ برای این عمل، باید راکتور به حالت خاموشی موقت درآید.

6ـ انبار کردن سوخت: پس از استفاده از اورانیوم غنی شده در راکتور، سوخت مصرف شده تا چند ماه در نیروگاه انبار شود. این عمل سبب می‌شود برخی از پسماندها که به شدت رادیواکتیو و فعال هستند؛ در اثر شکافت هسته‌ای به طور خود به خود از بین بروند؛ به این مرحله، مرحله سرد شدن می‌گویند.

7ـ انتقال سوخت مصرف شده به تاسیسات بازفرآوری: در این روند سه مولفه مهم از هم جدا می‌شوند: اورانیوم تهی شده، پلوتونیوم 239، زباله‌های هسته‌ای.

اورانیوم تهی شده: اورانیوم تهی شده در واقع اورانیومی است که تعداد ایزوتوپ‌های مورد نیاز برای استفاده در نیروگاه در آن کم شده و به عبارت دقیقتر غنای آن کم شده است. با غنی‌سازی مجدد، می‌توان دوباره آن را برای مصرف در نیروگاه و تولید انرژی آماده کرد. زباله‌های هسته‌ای، گاهی برای مصارف پزشکی قابل استفاده است، اما در صورتی که غیرقابل استفاده باشد؛ باید به شکل محلول درآمده و با کشتی‌های مخصوص در ته اقیانوس‌ها، قسمت‌های غیر مسکونی در قطب‌ها یا در کویر‌های غیرقابل سکونت دفن شوند. بشکه‌هایی که این مواد در آن حمل می‌شود باید کاملا عایق‌بندی شده و بدون منفذ باشند تا پرتوهای رادیواکتیو از آنها نشت نکند.