انرژي هسته‌اي از معدن تا نيروگاه (اورانيوم)

[.MohammadReza. 19850]

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:

 

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. کانسارهاي اورانيوم مقدمه اورانيوم (u) عنصري است راهبردي و مصارف عمده آن در نيروگاههاي اتمي و سلاحهاي هسته‌اي و به مقدار جزئي، مصارف دارويي و پژوهشي دارد. در فرايند تشکيل کانيهاي مختلف از ماگما، به دليل بزرگ بودن شعاع يوني اورانيوم، اين عنصر در مراحل اوليه تبلور ماگما، نمي‌تواند وارد شبکه هيچ يک از کانيها شود و تا مراحل آخر ماگما باقي مي‌ماند، بنابراين اورانيوم بيشتر در سنگهاي اسيدي متمرکز مي‌شود، ميزان فراواني اوراينوم در کانيهايي مثل زيرکون،مونازيت،زينوتيومحداکثر و دراليوين حداقل ممکن است. اورانينيت و پيچ بلند، مهمترين کانيهاي محيط احيايي هستند. کارنوتيت، مهمترين کاني محيط اکسيدان است.

[.MohammadReza. 19850]

◄ تقسيم بندي کانسارهاي اورانيوم:

کانسارهاي اورانيوم همراه کنگلومراي پرکامبرين کانسارهاي اورلانيوم موجود در کنگلومرا که به نوع پلاسر نيزر معروفند، قديميترين کانسارهاي اوراينيوم کشف شده محسوب مي‌شوند. اين کانسارها در اواخر آرکئن و اوايل پروتوزوئيک در محدوده زماني 2/2 تا 75/2 ميليارد سال تشکيل و عمدتا در سپرهاي پرکامبرين (مناطق آرام تکتونيکي) افريقاي جنوبي کانادا، استراليا، برزيل، هندوستان و امريکا کشف شده‌اند. مهمترين کانسارهاي پلاسر در افريقاي جنوبي و کانادا واقع شده‌اند. اين کانسارها در حاشيه حوضه‌هاي رسوبي کم عمق درون قاره اي و همراه رسوبات دلتايي تشکيل شده اند. به دليل عدم وجود اکسيژن آزاد، اورانينيت به صورت آواري حمل و در محيط رودخانه‌اي و يا حاشيه حوضه‌هاي کم عمق درون قاره‌اي برجاي گذاشته شده‌اند. کنگلومراي حاوي اورانيوم، داراي جور شدگي مناسيب است. اجزاي تشکيل دهنده کنگلومرا، بطور عمده از سنگهاي گرانيتي متعلق به اواخر آرکئن منشا گرفته‌اند. قطعات کوارتز در داخل اين کنگلومرا فراوان يافت مي‌شود و عيار اورانيوم، در جايي که قطعات کوارتز فراوان هستند، بالاست. از ويژگيهاي اين کنگلومرا، بالا بودن مقدار پيريت (10 تا 30 درصد)، وجود زيرکن و مونازيت را مي‌توان نام برد. کانسارهاي اورانيوم نوع دگر شيبي کانسارهاي اورانيوم نوع دکگر شيبي که به نوع دگه‌اي نيز معروفند، در محدوده زماني 1500 تا 1900 ميليون سال قبل تشکيل شده‌اند، اين کانسارها در مناطق دگرشيبي، سنگهاي دگرگوني و سنگهاي رسوبي و آذرين که در مقايسه با ديگر انواع اين کانسار، داراي عيار بالايي است، يافت مي‌شوند. کانيهاي مهم اين ذخاير عبارتند از: پيچ بلند و کافنيت کانسارهاي اورانيوم در ماسه سنگها مهمترين ذخاير اورانيوم دنيا در ماسه سنگهاي رودخانه اي تشکيل شده اند. حدود 45 درصد ذخاير اورانيوم کشف شده کشورهاي غربي و 95 درصد اورانيوم امريکا از نوع ماسه سنگ است. کانسارهاي اورانيوم نوع ماسه سنگ به سه گروه رول فرونت، آبراهه‌اي و مسطح تقسيم مي‌شوند. اين کانسارها، عمدتا از 400 ميليون سال پيش تاکنون تشکيل شده‌اند. کانسارهاي کشف شده در کشورهاي مختلف از دوران گذشته تاکنون، عبارتند از: دوره کربونيفر تاترباس در افريقاي جنوبي و امريکاي جنوبي، پرمين در جنوب و شرق اروپا، دوران دوم در غرب امريکا و شرق اروپا و در دوران سوم در استراليا. سنگ در برگيرنده، از نوع ماسه سنگ، آرکوز يا توف است که در محيط رودخانه يا حوضچه‌هاي کم عمق تشکيل شده‌اند. کانيهاي مهم هر ذخيره عبارتند از: کارنوتيت، اورانينيت، پيچج بلند و کمپلکس‌هاي آلي اورانيوم دار. کانسارهاي اورانيوم همراه با سنگهاي آذرين دروني اورانيوم به دليل بزرگي شعاع يوني و ظرفيت زياد در پگماتيت‌ها، نفلين سيانيت‌ها، آلکالي گرانيت‌ها، کربناتيت‌ها و ساير سنگهاي اسيدي آلکالن و فوق آلکالن متمرکز مي شوند: نظريه اين سنگهاي آذرين آلکالن- پرآلکالن و کربناتيت ها در ريفت هاي داخل قاره اي تشکيل مي شوند. اورانيوم اکثرا همراه پيرو کلر، فسفاتها ومونازيت ديده مي‌شود که در مقايسه با کانسارهاي ديگر، مشکل متالوژيکي دارند، مقدار Th، Nb و عناصر نادر خاکي (REE) اين ذخاير، بالايت. همچنين مقدار جزئي، اورانينيت و اورانوتوريت نيز يافت مي شود. کانسارهاي اورانيوم موجود در سنگهاي آتشفشاني آلاسکيت، تراکيت و ريوليت‌هاي آلکالن و پرآلکالن، که اکثرا در ريفت هاي (شکستگي) داخل قاره تشکيل مي‌شوند، حاوي اورانيوم هستند. مقدار اورانيوم توف هاي اسيدي حدود دو برابر سنگهاي پلوتونيک (دروني) است. کانيهاي مهم اورانيوم عبارتند از: اورانينيت، کافنيت و برانريت، کاني سازي اکثرا حالت رگه‌اي دارد توف هاي غني از اورانيوم در صورتي که تحت تاثير فرايندهاي سطحي قرار گيرند به سرعت اکسيد شده در رسوبات رودخانه‌اي برجاي گذاشته خواهند شد.

[.MohammadReza. 19850]

◄ استخراج و فرآوري اورانيوم :

روشهاي متداول فرآوري اورانيوم از کانه يا ماده خام تا كيك زرد ماده خام معدني را با خردايش و آسيا براي فروشويي آماده مي كنند. برحسب سرشت كاني شناسي ماده معدني فرآيند فروشويي شيميايي را انتخاب ميكنند. كارخانه هاي اسيدي را در معرض H2SO4 رقيق قرار مي دهند ولي كانه هاي قليايي را در معرض يك محلول آبگون كه داراي كربنات و بي كربنات سديم است، قرار مي دهند. كانه هاي فسفاتي نيز در معرض اسيد قرار مي گيرند. جدايش جامد – مايع كانه شسته شده با فرايند هاي استانداردي مانند پالايش يا صاف كردن ، دكانتاسيون متعدد يا مرحله اي و جدايش هيدروسيكلون انجام مي شود؛ به كمك داد و ستد يوني يا استحصال حلال ، اورانيوم از حلال بازيافت مي شود. با تركيب اين دو تكنيك، همان گونه كه در فرآيند الوكس انجام مي شود ، با ته نشيني يا رسوب دادن از محلول اسيدي با آمونياك يا (OH )Mg با ته نشيني از يك محلول قليايي با NaOH ، كيك زرد بدست مي آيد. اورانيوم بصورت يك عنصر همراه از كانه فسفاتي بدست مي آيد كه در آن ميزان اورانيوم بصورت كربنات اورانيل آمونيم (AUC ) ته نشين مي شود. از كيك زرد تا 6 UF در روش هاي فرآوري تر، كيك زرد را در HNO3 حل مي كنند و با استحصال حلال خالص مي كنند. محلول حاصل از اورانيوم در اسيد نيتريك را بعداً مي توان با استفاده از فرآيند ADC يا دي اورانات آمونيوم (ADU ) يا تبخير نيترات زداوارد واكنش كرد تا UO2يا UO3 بدهد. UO2 در دو مرحله به 6 UF تبديل مي شود: اول در نتيجه واكنش با HF ، 4 UF توليد مي شود. سپس در نتيجه واكنش با گاز فلوئور ، به 6 UF تبديل مي شود. در كل ، كيك زرد را مي توان در حالت خشك نيز فرآوري كرد. پس از واكنش اندازه دانه و خالص سازي مقدماتي ، كيك زرد را حرارت مي دهند و پودر مي كنند تا UO2حاصل آيد و سپس آن را به 6 UF تبديل مي كنند. اما 6 UF خشك كه اين گونه حاصل آمده است را بايد با تقطير خالص كرد. از UF6 تا سوخت هسته اي 2 UO اگر بنا باشد كه UF6 به سوخت هسته اي 2 UO براي راكتورهاي آب سبك تبديل شود، بايد يك فرايند غني سازي را به دايل فيزيك هسته اي انجام داد تا اينكه 235U به 2 تا 6% برسد. فرآيند هاي غني سازي معمول مورد استفاده عبارت است از فرآيند پراكنش ، فرآيند سر روزه باريك و مركز گريزي يا سانتريفوژ. 6 UF غني شده را يا با روش تر (براي نمونه ADD ، AUC ) يا روش خشك (براي نمونه مسير خشك مجزا (IDR ) تبديل مستقيم (DC ) ، تبديل خشك الكتريكي كلي (GECO ) فراوري مي كنند تا پودر 2 UO بدست آيد. پس از تبديل شيميايي و پيش از پليتي شدن ، بايد بر پودر فرآوري مقدماتي انجام داد ( بجز حالتي که رسوب گذاري يا ته نشيني بروش ADC انجام شود ) تنها پس از فرآوري مقدماتي ، گامهاي مختلف پليتي شن ( فشردگي نيتر شدن و آسياب کردن) يک محصول نهايي را طيف دلخواهي از خواص به ما خواهد داد. هضم و فروشويي انجام فرآوري مقدماتي به شيوه اي مطلوب پيش از هضم ضروري است. اين فرآيند شامل کاهش اندازه است که براي آن نياز به مراحل متعددي است. در گام اول، توده هايي از ماده معدني که حدود 1 متر قطر دارند ، از سنگ شکن فکي يا ژيراتوري با توان KW 350-250 عبور داده مي شوند. در نتيجه ماده معدني به قطعاتي به قطر حدود 200 ميليمتر تبديل مي شوند. سنگ شکن هاي مخروطي با توان KW 40-30 در مرحله بعدي مورد استفاده قرار مي گيرند.اين ميزان کاهش اندازه دانه براي بيشتر کانه هايي مناسب است که تحت فرايند اسيد سولفوريک قرار مي گيرند. آسيا کردن اين دانه ها و تبديل آنها به ابعاد ريز تر فقط در مورد فرآوري قليايي مورد نياز است. در اينجا آسياهاي مشبک و استوانه اي را بطور سري بکار مي برند تا اندازه دانه هاي کانه را به حدود 5/0 ميليمتر برسانند. ملاحظات اقتصادي کل فرايند آسيا کردن و فرآوري شيميايي با در نظر گرفتن اين سؤال است که ايا زدايش مقدماتي مواد بي ارزش ( يا گانک) سودي در پي دارد يا نه؟ با اينحال ، بجز سنگ جوري دستي از هيچ فرايند صنعتي و مکانيزه اي تا بحال استفاده نشده است. البته مطالعات آزمايشي در مقياس پايلوت را در درياچه اليوت کانادا انجام داده اند. کانه هاي قليايي نياز به فرآوري با محلولهاي قليايي دارند. فروشويي قليايي از فروشويي اسيدي کندتر انجام مي گيرند. اما براي کانه هايي که مواد گانک داراي ترکيبات کلسيم يا ديگر اجزاي اسيد خوار هستند، مؤثرتر است. در فرآوري قليايي، بايد کانه را خرد تر و دانه ريز تر کرد. چون محلول کربنات با اين نوع گانک واکنش شديدي نمي دهد، نسبت به وقتي که از محلول اسيدي استفاده مي شود ، اورانيوم بطور انتخابي تري حل مي شود و مراحل تغليظ بعدي ساده تر انجام مي شود. انحلال اورانيوم بخاطر کمپکس تري کربنات: UO3 + Na2CO3 + 2 NaHCO3 → NO4[uO(CO3)3] + HP نسبت کربنات به هيدروژن – کربنات در فوق را بايد ثابت نگه داشت. اگر اورانيوم چهار ظرفيتي وجود داشته باشد، اکسيژن بعنوان يک عامل اکسيد کننده مورد استفاده قرار گرفته، از فشار و دماي بيشتري استفاده مي شود. اين اکسيداسيون را با سولفات مس و آمونياک کاتاليز مي کنند.

[.MohammadReza. 19850]

◄ راکتورهاي هسته اي:

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.

 

◄ 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.

[.MohammadReza. 19850]

◄ 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.

 

 

منبع