چگونه اورانيوم به انرژي تبديل مي شود؟

غني سازي

در بيشتر انواع راكتورهاي معمولي هسته اي به اورانيوم 235 (u-235 كه اورانيوم با غلظت بيش از حد طبيعي است) نياز دارند. عمليات غني سازي، غلظت اورانيوم را بيشتر مي كند. عموماً بين 5/3 تا 5 درصد اورانيوم 235 با بيرون آوردن 8 درصد از اورانيوم 238. اين عمل با جداسازي گازي هگزافلوريد اورانيوم در دو جريان انجام مي گيرد. يكي به اندازه لازم غني سازي مي شود و اورانيوم غني شده ضعيف ناميده مي شود و ديگري به اورانيوم 235 منتهي مي شود كه به پس مانده معروف است.

در عمليات غني سازي در مقياس هاي بزرگ تجاري وجود دارد، كه هر كدام هگزافلوريد اورانيوم را به عنوان منبع استفاده مي كنند: نفوذ گازي و تفكيك گازي و هر دوي آنان از خواص فيزيكي مولكولي استفاده مي كنند. مخصوصا با 10 درصد اختلاف جرم، براي جداسازي ايزوتوپ ها محصول اين مرحله از چرخه سوختي هسته اي، اورانيوم هگزا فلوريد غني شده است كه براي توليد اورانيوم اكسيد غني شده تغيير حال مجدد مي يابد.

توليد و ساخت سوخت

در تأسيسات توليد سوخت توجه زيادي به شكل و اندازه مخزن هاي عملياتي مي شود تا از اتفاقات خطرناك جلوگيري شود. (يك زنجير محدود واكنش پرتو آزاد مي كند). با سوخت غني شده ضعيف امكان اتفاق افتادن اين حوادث بعيد به نظر مي رسد. اما در تأسيسات هسته اي بررسي سوخت هاي مخصوص براي تحقيقات راكتورها عملي حياتي است.

توليد نيرو

بخار توربيني را كه به ژنراتور متصل است به حركت مي اندازد و باعث توليد الكتريسيته مي شود. مقداري از اورانيوم 238 (u-238 به شكل سوخت) در هسته و مركز راكتور به پلوتونيوم تبديل مي شود و اين يك سوم انرژي در يك راكتور هسته اي معمولي را حاصل مي كند. شكافتن اورانيوم به عنوان منبع حرارت در راكتورها استفاده مي شود. همان گونه كه سوزاندن زغال سنگ، گاز و يا نفت به عنوان سوخت فسيلي در تأسيسات نيرو استفاده مي شود.

سوخت مصرف شده (خرج شده)

معمولا بيش از 45 ميليون كيلو وات ساعت الكتريسيته از يك تن اورانيوم طبيعي توليد مي شود. توليد اين مقدار انرژي الكتريكي با استفاده از سوخت هاي فسيلي ملزم به سوزاندن بيش از 20 هزار تن زغال سنگ سياه و 30 ميليون مترمكعب گاز است.

انبار كردن سوخت مصرف شده

سوخت مصرف شده در چنين استخرهايي براي ماه ها و يا سال ها نگه داشته مي شوند.

اورانيوم فلزي راديواكتيو و پرتوزاست كه در سراسر پوسته سخت زمين موجود است. اين فلز حدوداً 500 بار از طلا فراوان‌تر و به اندازه قوطي حلبي معمولي و عادي است. اورانيوم اكنون به اندازه‌اي در صخره‌ها و خاك و زمين وجود دارد كه در آب رودخانه‌ها، درياها و اقيانوس‌ها موجود است. براي مثال اين فلز با غلظتي در حدود 4 قسمت در هر ميليون (ppm4) در گرانيت وجود دارد كه 60 درصد از كره زمين را شامل مي‌شود، در كودها با غلظتي بالغ بر ppm400 و در ته‌مانده زغال‌سنگ با غلظتي بيش از ppm100 موجود است. اكثر راديو اكتيويته مربوط به اورانيوم در طبيعت در حقيقت ناشي از معدن‌هاي ديگري است كه با عمليات راديواكتيو به وجود آمده‌اند و در هنگام استخراج از معدن و آسياب كردن به جا مانده‌اند.

 
وابسته به سياست كشورهاي مختلف در بعضي از آنها مقداري از سوخت مصرف شده به امكانات و تأسيسات انبار مركزي انتقال مي يابند. سرانجام، سوخت مصرف شده يا بايد دوباره پردازش شود و يا براي دفع اتمي آماده شود.

پردازش دوباره

(مقايسه با به حساب آوردن كل سوخت مصرف شده به عنوان پس مانده)

بازسازي مجدد اورانيوم و پلوتونيوم

در راكتورهايي كه از سوخت MOX استفاده مي كنند، پلوتونيوم به جاي اورانيوم 235 جانشين سوخت اورانيوم اكسيد معمولي مي شود.

دفع سوخت مصرف شده

تعدادي از كشورها در حال انجام مطالعاتي در زمينه تصميم گيري بهترين راه براي نزديك شدن به دفع سوخت مصرف شده و پس مانده هاي پس از دوباره سازي هستند. روش متداولي كه امروزه استفاده مي شود قرار دادن سوخت مصرف شده در انبارهاي زيرزميني است:

پس مانده ها

اين پس مانده ها از منابعي سرچشمه مي گيرند كه شامل موارد زير است:

پس مانده هاي رده پايين (Low-level) كه در تمام مراحل چرخه سوختي توليد مي شوند. پس مانده هاي رده متوسط (Intermediat-level) كه در جريان عملكرد راكتور و دوباره سازي توليد مي شوند.

پس مانده هاي رده بالا (High-Level) كه شامل محصولات شكافته شده حاصل از دوباره سازي و در بسياري از كشورها خود سوخت مصرف شده هستند.

فرآيند غني سازي توليدات را به سوي تهي كردن اورانيوم هدايت مي كند. غلظت اورانيوم 235 به طور عمده كمتر از 7/0 درصد است كه در طبيعت پيدا مي شود. تعداد كمي از اين مواد كه اصولاً اورانيوم 238 هستند زماني استفاده مي شوند كه چگالي بسيار زياد نياز است. مثل استحفاظ پرتوافشاني و گاهي استفاده در توليد سوخت Mox. در حالي كه اورانيوم 238 قابل شكافتن نيست ماده اي پرتوافشاني كم است و بايد درمورد آن احتياط كرد، از اين رو يا آن را انبار و يا دفع مي كنند.

ميزان مواد موجود در چرخه سوختي هسته اي

20000 تن از يك درصد سنگ معدن اورانيوم استخراج

230 تن از اورانيوم اكسيد غليظ شده (همراه 195 تن اورانيوم) آسياب سازي

288 تن UF6 (همراه 195 تن اورانيوم) تبديل كردن

35 تن UF6 (همراه 24 تن اورانيوم غني شده) غني سازي

27 تن UO2 (همراه 24 تن اورانيوم غني شده) ساخت و توليد سوخت

7000 ميليون كيلووات ساعت (kwh) نيروي الكتريسيته عملكرد راكتور

27 تن شامل 240 كيلوگرم پلوتونيوم، 23 تن اورانيوم(u-235 8/0 درصد)، 720 كيلوگرم محصولات شكافتي، همچنين ترانزورانيك سوخت مصرف شده

پاورقي شماره

1- غليظ كننده هاي اورانيوم بعضي اوقات در شرايط u3o8 قرار مي گيرند كه حجم آن (مخلوطي از دو اورانيوم اكسيدي كه نسبتاً همان چيزي است كه در طبيعت يافت مي شود.

محصول u3o8 خالص شامل حدوداً 85 درصد فلز اورانيوم است.

پاورقي شماره 2- غلظت اورانيوم 80 درصد است، غني سازي در 4 درصد اورانيوم 235 به همراه 3 درصد دنباله آزمايش شده، 80 درصد براي عملكرد راكتور بارگزاري مي شوند، در هسته راكتور 72 تن اورانيوم بارگزاري مي شوند. سوخت گيري سالانه است و هر سال يك سوم سوخت را عوض مي كنند.

 عدم تكثير هسته‌اي

 
 عدم تكثير هسته‌اي، در واقع محدود كردن سلاح هسته‌اي به آن كشورهايي است كه هم اينك چنين سلاحي را در كف دارند. تلاش‌ها به منظور پيشي گرفتن از تكثير بمب اتمي بي‌درنگ بعد از جنگ جهاني دوم آغاز شد و در 1946 ايالات متحده از زبان «برنارد باروخ» پيشنهادي به منظور محدود كردن اشاعه تكنولوژي هسته‌اي و انهدام ذخاير سلاح‌هاي هسته‌اي خويش مطرح كرد. پيشنهاد باروخ در 1948 ناكام ماند. پيشنهاد رئيس جمهور آيزنهاور در 1953 به نام «اتم‌ براي صلح» راه را براي شكل‌گيري «آژانس بين‌المللي انرژي اتمي» ـ در 1956 ـ هموار كرد. مجمع عمومي سازمان ملل در 1961 به اتفاق آراء قطعنامه‌اي را به تصويب رساند كه كشورها را فرامي‌خواند. يك موافقتنامه بين‌المللي به منظور اجتناب از انتقال اين سلاح‌ها و يا دستيابي به آنها منعقد كنند. اقدام مجمع عمومي از اين واقعيت برمي‌خاست كه همگان درك مي‌كردند كه اگر كشورهاي بسياري بر سلاح‌هاي هسته‌اي چنگ اندازند، تهديدي كه متوجه امنيت جهاني است سخت افزايش خواهد يافت. اين قطعنامه مجمع عمومي شالوده معاهده عدم تكثير هسته‌اي شد كه در 1968 به امضاء رسيد. (نگاه كنيد به قانون انرژي اتمي 1946، پيشنهاد اتم براي صلح، طرح باروخ، آژانس بين‌المللي انرژي اتمي، معاهده عدم تكثير هسته‌اي، مناطق عاري از سلاح هسته‌اي، تكثير هسته‌اي).

عدم تكثير سلاح‌هاي هسته‌اي انگاره‌اي است كه در عمل هر كشور با آن همراه است اما تا ميانه دهه 1960، فقط توافقي بسيار ناچيز در اين عرصه به دست آمده بود. تا آن زمان، دو ابرقدرت در حالي كه قادر نبودند در باب اتخاذ تدابيري به منظور محدود كردن مسابقه تسليحاتي به توافق برسند، مشتركاً نگران آن بودند كه سلاح‌هاي هسته‌اي ممكن است فراتر از 6 كشوري كه در توانايي‌شان در عرصه توليد سلاح هسته‌اي جاي هيچ ترديدي نيست، گسترش يابد. در آن دوران، توانايي پيگيري، آشكار و يا نهان، يك مسير بومي ـ و يا هر مسير ديگري كه به كلي عاري از تضمين‌هاي ايمني باشد ـ به منظور دستيابي به سلاح‌هاي هسته‌اي در دسترس شمار فزاينده‌اي از كشورها قرار داشت. بسياري از اين كشورها، با اشاعه تكنولوژي ساخت نيروگاه‌هاي هسته‌اي، قادر بودند اورانيوم غني‌ شده را كه براي ساختن يك بمب اتمي لازم است توليد و يا فراچنگ آورند و به كشورهايي تبديل شوند كه در آستانه تهيه سلاح‌هاي هسته‌اي قرار گرفته‌اند. همان‌گونه كه هند در 1974 به طرزي قانع‌كننده نشان داد، اين كشورها در عمل براي توليد يك سلاح هسته‌اي فقط بايد گامي بسيار كوچك بردارند.

راكتورهاي هسته‌اي

در بسياري از نيروگاه‌هاي هسته‌اي اين ميله‌ها جهت خنك شدن درون آب غوطه‌ور هستند. روش‌هاي ديگر خنك‌كننده نيز نظير استفاده از دي‌اكسيد كربن يا فلز مايع هستند. براي كاركرد مناسب يك راكتور ـ مثلاً توليد حرارت با كمك واكنش شكافت ـ هسته اورانيومي بايد داراي جرم فوق بحراني باشد، اين بدين معناست كه مقدار كافي و مناسبي از اورانيوم غني شده جهت شكل‌گيري يك واكنش زنجيري خود به خود پيش رونده مورد نياز است. براي تنظيم و كنترل فرآيند شكافت ميله‌هاي كنترل‌كننده از جنس موادي نظير گرافيت با قابليت جذب نوترون‌هاي درون راكتور وارد محفظه مي‌شوند. اين ميله‌ها با جذب نوترون‌ها باعث كاهش شدت فرآيند شكافت مي‌شوند.

در حال حاضر بيش از چهارصد نيروگاه هسته‌اي در جهان وجود دارند و 17 درصد الكتريسته جهان را توليد مي‌كنند. راكتورها همچنين در كشتي‌ها و زيردريايي‌ها كاربرد دارند.