انرژي هسته‌اي از معدن تا نيروگاه

استفاده از انرژي هسته‌اي براي توليد برق روشي پيچيده اما كارامد براي تامين انرژي مورد نياز بشر است. به طور كلي براي بهره‌برداري از انرژي هسته‌اي در نيروگاه‌هاي هسته‌اي، از عنصر اورانيوم غني شده به عنوان سوخت در راكتورهاي هسته‌اي استفاده مي‌شود كه ماحصل عملكرد نيروگاه، انرژي الكتريسته است. عنصر اورانيوم كه از معادن استخراج مي‌شود به صورت طبيعي در راكتورهاي نيروگاه‌ها قابل استفاده نيست و به همين منظور بايد آن را به روشهاي مختلف به شرايط ايده عال براي قرار گرفتن درون راكتور آماده كرد. اورانيوم يكي از عناصر شيميايي جدول تناوبي است كه نماد آن ‪ U‬و عدد اتمي آن ‪ ۹۲‬است. اين عنصر داراي دماي ذوب هزار و ‪ ۴۵۰‬درجه سانتيگراد بوده و به رنگ سفيد مايل به نقره‌اي، سنگين، فلزي و راديواكتيو است و به رغم تصور عام، فراواني آن در طبيعت حتي از عناصري از قبيل جيوه، طلا و نقره نيز بيشتر است.

عنصر اورانيوم در طبيعت داراي ايزوتوپهاي مختلف از جمله دو ايزوتوپ مهم و پايدار اورانيوم ‪ ۲۳۵‬و اورانيوم ‪ ۲۳۸‬است. براي درك مفهوم ايزوتوپهاي مختلف از هر عنصر بايد بدانيم كه اتم تمامي عناصر از سه ذره اصلي پروتون، الكترون و نوترون ساخته مي‌شوند كه در تمامي ايزوتوپهاي مختلف يك عنصر، تعداد پروتونهاي هسته اتمها با هم برابر است و تفاوتي كه سبب بوجود آمدن ايزوتوپهاي مختلف از يك عنصر مي‌شود، اختلاف تعداد نوترونهاي موجود در هسته اتم است. به طور مثال تمامي ايزوتوپهاي عنصر اورانيوم در هسته خود داراي ‪۹۲‬ پروتون هستند اما ايزوتوپ اورانيوم ‪ ۲۳۸‬در هسته خود داراي ‪ ۱۴۶‬نوترون (‪ (۹۲+۱۴۶=۲۳۸‬و ايزوتوپ اورانيوم ‪ ۲۳۵‬داراي ‪ ۱۴۳‬نوترون(‪ (۹۲+۱۴۳=۲۳۵‬در هسته خود است.

اورانيوم ‪ ۲۳۵‬مهمترين ماده مورد نياز راكتورهاي هسته‌اي(براي شكافته شدن و توليد انرژي) است اما مشكل كار اينجاست كه اورانيوم استخراج شده از معدن تركيبي از ايزوتوپهاي ‪ ۲۳۸‬و ‪ ۲۳۵‬بوده كه در اين ميان سهم ايزوتوپ ‪ ۲۳۵‬بسيار اندك(حدود ‪ ۰/۷‬درصد) است و به همين علت بايد براي تهيه سوخت راكتورهاي هسته‌اي به روشهاي مختلف درصد اوانيوم ‪ ۲۳۵‬را در مقايسه با اورانيوم ‪ ۲۳۸‬بالا برده و بسته به نوع راكتور هسته‌اي به ‪ ۲‬تا ‪ ۵‬درصد رساند و به اصطلاح اورانيوم را غني‌سازي كرد.

درون راكتورهاي هسته‌اي، هسته اورانيوم ‪ ۲۳۵‬به صورت كنترل شده شكسته شده كه در اين فرايند مقداري جرم به انرژي تبديل مي‌شود. همين انرژي سبب ايجاد حرارت(اغلب از اين حرارت براي تبخير آب استفاده مي‌شود) و در نتيجه چرخيدن توربينها و در نهايت چرخيدن ژنراتورهاي نيروگاه و توليد برق مي‌شود.

در نيروگاه‌هاي غير هسته‌اي، از سوزاندن سوختهاي فسيلي از قبيل نفت و يا زغال سنگ براي گرم كردن آب و توليد بخار استفاده مي‌شود كه يك مقايسه ساده ميان نيروگاه‌هاي هسته‌اي و غير هسته‌اي، صرفه اقتصادي قابل توجه نيروگاه‌هاي هسته‌اي را اثبات مي‌كند.

به طور مثال، براي توليد ‪ ۷۰۰۰‬مگاوات برق حدود ‪ ۱۹۰‬ميليون بشكه نفت خام مصرف مي‌شود كه استفاده از سوخت هسته‌اي براي توليد همين ميزان انرژي ساليانه ميلونها دلار صرفه جويي به دنبال دارد و به علاوه ميزان آلايندگي زيست محيطي آن نيز بسيار كمتر است.

كافي است بدانيم كه مصرف اين ‪ ۱۹۰‬ميليون بشكه نفت خام براي توليد ‪ ۷۰۰۰‬مگاوات برق، ‪ ۱۵۷‬هزار تن گاز گلخانه‌اي دي اكسيد كربن، ‪ ۱۵۰‬تن ذرات معلق در هوا، ‪ ۱۳۰‬تن گوگرد و ‪ ۵‬تن اكسيد نيتروژن در محيط زيست پراكنده مي‌كند كه نيروگاههاي هسته‌اي اين آلودگي‌ها را ندارند. پس از آشنايي با مفاهيم كلي انرژي هسته‌اي و مزاياي آن، ابتدا با مراحل مختلف چرخه سوخت هسته‌اي آشنا مي‌شويم و سپس نحوه استفاده از سوخت هسته‌اي درون راكتور را مرور مي‌كنيم.

چرخه سوخت هسته‌اي عبارت است از: ‪ -۱‬فراوري سنگ معدن اورانيوم ‪-۲‬ تبديل و غني‌سازي اورانيوم ‪ -۳‬توليد سوخت هسته‌اي ‪ -۴‬بازفرآوري سوخت مصرف شده.

در حال حاضر چند كشور صنعتي جهان هر كدام در يك، چند و يا همه چهار مرحله ياد شده از چرخه سوخت هسته‌اي فعاليت مي‌كنند.

هم اكنون به لحاظ صنعتي، كشورهاي فرانسه، ژاپن، روسيه، آمريكا و انگليس داراي تمامي مراحل چرخه سوخت هسته‌اي در مقياس صنعتي هستند و در مقياس غيرصنعتي، كشورهاي ديگري مثل هند نيز به ليست فوق اضافه مي‌شوند.

كشورهاي كانادا و فرانسه در مجموع داراي بزرگترين كارخانه‌هاي تبديل اورانيوم(مرحله پيش از غني‌سازي ) هستند كه محصولات آنها شامل ‪UO3,UO2,UF6‬ غني نشده مي‌باشد و پس از آنها به ترتيب كشورهاي آمريكا، روسيه و انگلستان قرار دارند. در زمينه غني‌سازي نيز، دو كشور آمريكا و روسيه داراي بزرگترين شبكه غني‌سازي جهان هستند.

آمريكا هم اكنون بزرگترين توليدكننده سوخت هسته‌اي(مرحله بعد از غني سازي) در جهان است و پس از آمريكا، كانادا توليدكننده اصلي سوخت هسته‌اي در جهان محسوب مي‌شود. پس از آمريكا و كانادا، كشورهاي انگليس، روسيه، ژاپن، فرانسه، آلمان، هند، كره جنوبي و سوئد از توليدكنندگان اصلي سوخت هسته‌اي جهان هستند. آمريكا بيشترين سهم بازفراوري سوخت مصرف شده هسته‌اي در جهان را داراست و پس از آن فرانسه، انگليس، روسيه، هند و ژاپن قرار دارند. درحال حاضر بين كشورهاي جهان سوم، هندوستان پيشرفته‌ترين كشور در زمينه دانش فني چرخه سوخت هسته‌اي است.

چرخه سوخت هسته‌اي: …………….

‪-۱‬استخراج اوانيوم از معدن و تهيه كيك زرد(مرحله فراوري سنگ معدن اورانيوم) عنصر اورانيوم در طبيعت به صورت تركيبات شيميايي مختلف از جمله اكسيد اورانيوم، سيليكات اورانيوم و يا فسفات اورانيوم و به صورت مخلوط با تركيباتي از عناصر ديگر يافت مي‌شود.در ميان كشورهاي مختلف جهان، استراليا داراي بزرگترين معادن اورانيوم است و كشورهاي قزاقستان، كانادا، آفريقاي جنوبي، ناميبيا، برزيل و روسيه نيز از معادن بزرگي برخوردارند.

مواد معدني حاوي اورانيوم با استفاده از روشهاي معدن‌كاوي زيرزميني و يا روزميني استخراج شده و سپس طي فرايندهاي مكانيكي و شيميايي موسوم به “آسياب كردن” و “كوبيدن” از ديگر عناصر جدا مي‌شوند.

اورانيوم پس از استخراج تفكيك، كوبيده، خرد و به شكل پودر درآمده و سپس براي توليد ماده موسوم به “كيك زرد” (‪ (YellowCake‬مورد استفاده قرار مي گيرد.

كيك زرد در واقع محصول فراوري سنگ معدن ارونيوم است و به تركيباتي از اورانيوم گفته مي‌شود كه ناخالصي‌هاي معدني آن به ميزان زيادي گرفته شده و حاوي ‪ ۷۰‬تا ‪ ۹۰‬درصد اكسيد اورانيوم از نوع ‪ U3O8‬است.

‪ -۲‬فراوري كيك زرد و توليد هگزافلوريد اورانيوم و آغاز غني‌سازي (مرحله تبديل و غني‌سازي ) كيك زرد در اين مرحله هنوز داراي ناخالصي‌هايي است كه توسط روشهاي مختلف اين ناخالصي‌ها كاسته شده و پس از طي فرايندهاي شيميايي نسبتا پيچيده، از شكل معدني ‪ U3O8‬به ‪UO3(‬تري اكسيد اروانيوم) و سپس ‪ UO2(‬دي اكسيد اورانيوم) در مي‌آيد كه اين تركيب آخر نيز به دو روش موسوم به روش تر و روش خشك براي توليد ماده مورد نياز در فرايند غني‌سازي، يعني هگزافلوريد اورانيوم(‪ (UF6‬به كار گرفته مي‌شود. در صنعت به اين دليل عنصر اورانيوم را به صورت تركيب هگزافلوريد اورانيوم(‪ (UF6‬در مي‌آورند كه ماده مذكور بهترين تركيب اورانيوم براي استفاده در روشهاي مهم غني‌سازي اورانيوم محسوب مي‌شود. در روشهاي مرسوم غني‌سازي اورانيوم، بايد از حالت گازي تركيبات اين عنصر استفاده كرد و هگزافلوريد اورانيوم در دماي ‪ ۵۶‬درجه سانتيگراد به راحتي تصعيد شده و از حالت جامد به حالت گاز در مي‌آيد كه اين گاز براي دستيابي به درصد بالاتر ايزوتوپ ‪ ۲۳۵‬اورانيوم، قابل غني‌سازي است.

پس از مراحل استخراج اورانيوم، توليد كيك زرد و در نهايت هگزافلوريد اورانيوم، نوبت به غني‌سازي اين عنصر مي‌رسد.

روش‌هاي مختلف غني‌سازي ………………….

به طور كلي اورانيوم را به چندين روش مختلف مي‌توان غني‌سازي كرد كه اين روشها عبارتند از: “سانتريفوژ گازي”، “پخش گازي”(‪،(Gaseous Diffusion‬ “جداسازي اكلترومغناطيسي”، “تبادل شيميايي”(‪،(Chemical Exchange‬ “فتويونيزاسيون و فتوديساسيون ليزري”، “نازل جداسازي”(‪(Separation Nazzle‬ و “جداسازي ايزوتوپ رزونانس سيكلوتروني”. از بين تمامي اين روشها هم‌اكنون تنها دو روش “سانتريفوژگازي” و “پخش گازي” است كه در مقياس تجاري اهميت داشته و كاربردهاي عملي وسيع پيدا كرده‌اند .

در غني‌سازي اورانيوم به روش مرسوم‌تر “سانتريفوژ گازي”، در عمل هگزافلوريد اورانيوم (‪ (UF6‬را وارد دستگاه سانتريفوژ با سرعت دوران بسيار بالا مي‌كنند. در سرعت دوراني بسيار زياد، آن دسته از مولكولهاي هگزافلوريد اورانيوم كه اورانيوم موجود در آنها از نوع ايزوتوپ ‪ ۲۳۵‬است از آنجا كه در مقايسه با مولكولهاي هگزافلوريد اورانيوم با ايزوتوپ اورانيوم ‪ ۲۳۸‬جرم كمتري دارند، در نزديك محور سانتريفوژ تراكم بيشتري نسبت به ناحيه خارجي دستگاه پيدا كرده و در مقابل مولكولهاي سنگين‌تر هگزا فلوريد اورانيوم ‪ ۲۳۸‬در ناحيه خارجي تراكم بيشتري نسبت به ناحيه نزديك محور پيدا مي‌كنند .

بدين ترتيب گاز هگزافلوريد اورانيومي كه از نزديك محور دستگاه سانتريفوژ گرفته مي‌شود از نظر درصد اورانيوم ‪ ۲۳۵‬از غني شدگي بيشتري نسبت به نواحي ديگر سانتريفوژ برخوردار است. در اين روش براي رسيدن به درصد مورد نياز اورانيوم ‪ ۲۳۵‬بايد مرحله به مرحله از تعداد بسيار زياد سانتريفوژ به صورت زنجيره‌اي استفاده كرد.

روش “سانتريفوژ گازي” براي غني‌سازي اورانيوم به دو علت در مقايسه با روش “پخش گازي” از مزاياي بيشتري برخوردار است. اول آنكه اين روش كارايي بيشتري داشته و دوم آنكه انرژي لازم در اين روش غني‌سازي حدود يك دهم مقدار انرژي لازم در غني‌سازي با “پخش گازي” براي حصول همان ميزان محصول مي‌باشد.

اين عوامل باعث شده كه غني‌سازي اورانيوم به روش سانتريفوژ هزينه كمتري را شامل شده و اقتصادي‌تر باشد.البته بايد به خاطر داشت كه هزينه تعميرات و نگهداري تجهيزات مورد استفاده در غني‌سازي به روش سانتريفوژ اندك نيست.

‪ -۳‬توليد سوخت هسته‌اي(تبديل ‪ UF6‬غني شده به ‪ UO2‬غني شده): برخي انواع راكتورهاي مي‌توانند به طور مستقيم از هگزافلوريد اورانيوم غني شده به عنوان سوخت هسته‌اي استفاده كنند اما براي تهيه سوخت هسته‌اي بسياري انواع ديگر راكتورها لازم است كه هگزافلوريد اورانيوم غني شده را به شكل به اصطلاح “ميله‌هاي سوختي” از دي اكسيد اورانيوم غني شده(‪ (UO2‬و يا در موارد معدود، به اورانيوم غني شده فلزي(‪ (U‬تبديل كرد.

تبديل ‪ UF6‬غني شده به ‪ UO2‬غني شده نيز خود به دو روش شيميايي موسوم به خشك و تر انجام مي‌گيرد كه پرداختن بدانها از حوصله اين بحث خارج است.

در پايان اين مرحله سوخت هسته‌اي آماده قرارگرفتن در راكتور و آغاز توليد انرژي است. حال كه سوخت هسته‌اي با درصد مورد نياز اورانيوم ‪۲۳۵(‬حدود ‪ ۲‬تا ‪۵‬ درصد) به منظور استفاده در راكتور هسته‌اي آماده شد، عملكرد يك راكتور هسته‌اي را نيز به صورت خلاصه بررسي مي‌كنيم.

عملكرد راكتور هسته اي …………………

همانطور كه گفتيم، سوخت هسته‌اي شامل اورانيوم ‪ ۲۳۸‬و اورانيوم ‪۲۳۵‬ است كه درصد اورانيوم ‪ ۲۳۵‬با روشهاي غني‌سازي از حدود ‪ ۰/۷‬درصد در وضعيت طبيعي به حدود ‪ ۲‬تا ‪ ۵‬درصد در وضعيت غني شده افزايش يافته‌است. به زبان ساده، درون يك راكتور هسته‌اي اورانيوم ‪ ۲۳۵‬به صورت كنترل شده توسط نوترونها بمباران مي‌شود. برخورد نوترونها به هسته اتم اورانيوم ‪ ۲۳۵‬سبب شكست اين هسته شده كه نتيجه شكست مذكور توليد انرژي و توليد نوترونهاي بيشتر است.

كنترل اين نوترونهاي پر انرژي حاصل شده ضروري است زيرا مي‌توانند درون راكتور طي يك فرايند زنجيره‌اي سبب شكست هسته‌هاي بيشتر اورانيوم ‪۲۳۵‬ و بروز حادثه شوند. براي كاهش انرژي نوترونهاي آزاد شده و جذب آنها از مواد نرم‌كننده (از قبيل آب سبك، آب سنگين، گرافيت) و ميله‌هاي مهار كننده(از قبيل كاديوم و يا بور) درون راكتور استفاده مي‌شود.

البته تعدادي از اين نوترونها نيز پس از شكست هسته اورانيوم ‪ ، ۲۳۵‬با هسته اورانيوم ‪ ۲۳۸‬برخورد كرده و سبب پيدايش ايزوتوپ جديد و ناپايداري از اورانيوم به نام اورانيوم ‪ ۲۳۹‬مي‌شوند كه خود اين ماده نيز در نهايت به يك عنصر راديواكتيو ديگر به نام پلوتونيوم ‪ ۲۳۹‬بدل مي‌شود. پلوتونيوم ‪۲۳۹‬ همانند اورانيوم ‪ ۲۳۵‬خود مي‌تواند به عنوان سوخت هسته‌اي مجددا مورد استفاده قرار بگيرد.

انرژي آزاد شده به صورت گرما در پي شكست هسته اورانيوم ‪ ۲۳۵‬درون راكتور، توسط مواد خنك‌كننده و به منظور به حركت در آوردن توربينهاي توليد برق، به خارج از راكتور منتقل مي‌شود. اين مواد خنك‌كننده يا انتقال‌دهنده انرژي حرارتي(از قبيل گاز دي اكسيي كربن، آب، آب‌سنگين، گاز هليم و يا سديم مذاب)، پس از انتقال انرژي به بيرون از راكتور و خنك شدن مجددا به داخل راكتور برمي گردند و اين فرايند به صورت مداوم براي توليد برق ادامه مي‌يابد.

سوخت مصرف شده در راكتور در پايان كار حاوي حدود ‪ ۹۵‬درصد اورانيوم ‪ ،۲۳۸‬حدود يك درصد اورانيوم ‪ ۲۳۵‬شكافته نشده، حدود يك درصد پلوتونيوم و حدود سه درصد مواد پرتوزاي حاصل از شكافته شدن اورانيوم ‪ ۲۳۵‬و همچنين عناصر فوق سنگين بوجود آمده درون راكتور است. اين سوخت مصرف شده معمولا در تجهيزات دوباره‌سازي به سه جزء اصلي اورانيوم، پلوتونيوم و پس ماندهاي پرتوزا تقسيم مي‌شود.

به لحاظ تاريخي اولين راكتور هسته‌اي در آمريكا و به منظور استفاده در زير دريائيها ساخته‌شد. ساخت اين راكتور پايه اصلي و استخوان بندي تكنولوژي فعلي نيروگاههاي هسته‌اي از نوع ‪ PWR‬را تشكيل مي‌دهد. پس از آن شركت جنرال الكتريك موفق به ساخت راكتورهايي از نوع ‪ BWR‬گرديد اما اولين راكتوري كه منحصرا جهت توليد برق مورد استفاده قرار گرفت توسط شوروي سابق و در ژوئن ‪ ۱۹۵۴‬در “آبنينسك” نزديك مسكو احداث گرديد كه بيشتر جنبه نمايشي داشت.

توليد الكتريسيته از راكتورهاي هسته‌اي در مقياس صنعتي در سال ‪۱۹۵۶‬ در انگلستان آغاز شد. تا سال ‪ ۱۹۶۵‬روند ساخت نيروگاههاي هسته‌اي از رشد محدودي برخوردار بود اما طي دو دهه ‪ ۱۹۶۶‬تا ‪ ۱۹۸۵‬جهش زيادي در ساخت نيروگاههاي هسته‌اي بوجود آمد. اين جهش طي سالهاي ‪ ۱۹۷۲‬تا ‪ ۱۹۷۶‬كه بطور متوسط هر سال ‪ ۳۰‬نيروگاه شروع به ساخت مي‌كردند، بسيار زياد و قابل توجه است. پس از دوره جهش فوق يعني از سال ‪ ۱۹۸۶‬تاكنون روند ساخت نيروگاهها كاهش يافته بطوريكه هم اكنون بطور متوسط ساليانه كار ساخت ‪ ۴‬راكتور هسته اي آغاز مي‌شود.

در سالهاي گذشته گسترش استفاده از انرژي هسته‌اي براي توليد برق در كشورهاي مختلف روندهاي گوناگوني داشته‌است. به عنوان مثال كشور انگليس تا سال ‪ ۱۹۶۵‬پيشرو در ساخت نيروگاه‌هاي هسته‌اي بود، اما پس از آن تاريخ ساخت نيروگاه هسته‌اي در اين كشور كاهش يافت. برعكس كشور آمريكا كه تا اواخر دهه ‪ ۱۹۶۰‬تنها ‪ ۱۷‬نيروگاه هسته‌اي داشت در طول دهه‌هاي ‪۱۹۷۰‬و ‪ ۱۹۸۰‬بيش از ‪ ۹۰‬نيروگاه هسته‌اي ديگر ساخت. هم اكنون كشور فرانسه ‪ ۷۵‬درصد از برق مورد نياز خود را توسط نيروگاه‌هاي هسته‌اي توليد مي‌كند كه از اين بابت در صدر كشورهاي جهان قرار دارد.

گرچه ساخت نيروگاههاي هسته‌اي و توليد برق هسته‌اي در جهان از رشد انفجاري اواخر دهه ‪ ۱۹۶۰‬تا اواسط ‪ ۱۹۸۰‬برخوردار نيست اما كشورهاي مختلف همچنان درصدد تامين انرژي مورد نياز خود از طريق انرژي هسته‌اي هستند. طبق پيش بيني‌هاي به عمل آمده روند استفاده از برق هسته‌اي تا دهه‌هاي آينده همچنان روند صعودي خواهد داشت و در اين زمينه، منطقه آسيا و اروپاي شرقي به ترتيب مناطق اصلي جهان در ساخت نيروگاه هسته‌اي جديد خواهند بود.

از: كيوان باقري

خبرگزاري جمهوري اسلامي