انرژی هسته‌ای از معدن تا نیروگاه

استفاده از انرژی هسته‌ای برای تولید برق روشی پیچیده اما کارامد برای تامین انرژی مورد نیاز بشر است. به طور کلی برای بهره‌برداری از انرژی هسته‌ای در نیروگاه‌های هسته‌ای، از عنصر اورانیوم غنی شده به عنوان سوخت در راکتورهای هسته‌ای استفاده می‌شود که ماحصل عملکرد نیروگاه، انرژی الکتریسته است. عنصر اورانیوم که از معادن استخراج می‌شود به صورت طبیعی در راکتورهای نیروگاه‌ها قابل استفاده نیست و به همین منظور باید آن را به روشهای مختلف به شرایط ایده عال برای قرار گرفتن درون راکتور آماده کرد. اورانیوم یکی از عناصر شیمیایی جدول تناوبی است که نماد آن ‪ U‬و عدد اتمی آن ‪ ۹۲‬است. این عنصر دارای دمای ذوب هزار و ‪ ۴۵۰‬درجه سانتیگراد بوده و به رنگ سفید مایل به نقره‌ای، سنگین، فلزی و رادیواکتیو است و به رغم تصور عام، فراوانی آن در طبیعت حتی از عناصری از قبیل جیوه، طلا و نقره نیز بیشتر است.

عنصر اورانیوم در طبیعت دارای ایزوتوپهای مختلف از جمله دو ایزوتوپ مهم و پایدار اورانیوم ‪ ۲۳۵‬و اورانیوم ‪ ۲۳۸‬است. برای درک مفهوم ایزوتوپهای مختلف از هر عنصر باید بدانیم که اتم تمامی عناصر از سه ذره اصلی پروتون، الکترون و نوترون ساخته می‌شوند که در تمامی ایزوتوپهای مختلف یک عنصر، تعداد پروتونهای هسته اتمها با هم برابر است و تفاوتی که سبب بوجود آمدن ایزوتوپهای مختلف از یک عنصر می‌شود، اختلاف تعداد نوترونهای موجود در هسته اتم است. به طور مثال تمامی ایزوتوپهای عنصر اورانیوم در هسته خود دارای ‪۹۲‬ پروتون هستند اما ایزوتوپ اورانیوم ‪ ۲۳۸‬در هسته خود دارای ‪ ۱۴۶‬نوترون (‪ (۹۲+۱۴۶=۲۳۸‬و ایزوتوپ اورانیوم ‪ ۲۳۵‬دارای ‪ ۱۴۳‬نوترون(‪ (۹۲+۱۴۳=۲۳۵‬در هسته خود است.

اورانیوم ‪ ۲۳۵‬مهمترین ماده مورد نیاز راکتورهای هسته‌ای(برای شکافته شدن و تولید انرژی) است اما مشکل کار اینجاست که اورانیوم استخراج شده از معدن ترکیبی از ایزوتوپهای ‪ ۲۳۸‬و ‪ ۲۳۵‬بوده که در این میان سهم ایزوتوپ ‪ ۲۳۵‬بسیار اندک(حدود ‪ ۰/۷‬درصد) است و به همین علت باید برای تهیه سوخت راکتورهای هسته‌ای به روشهای مختلف درصد اوانیوم ‪ ۲۳۵‬را در مقایسه با اورانیوم ‪ ۲۳۸‬بالا برده و بسته به نوع راکتور هسته‌ای به ‪ ۲‬تا ‪ ۵‬درصد رساند و به اصطلاح اورانیوم را غنی‌سازی کرد.

درون راکتورهای هسته‌ای، هسته اورانیوم ‪ ۲۳۵‬به صورت کنترل شده شکسته شده که در این فرایند مقداری جرم به انرژی تبدیل می‌شود. همین انرژی سبب ایجاد حرارت(اغلب از این حرارت برای تبخیر آب استفاده می‌شود) و در نتیجه چرخیدن توربینها و در نهایت چرخیدن ژنراتورهای نیروگاه و تولید برق می‌شود.

در نیروگاه‌های غیر هسته‌ای، از سوزاندن سوختهای فسیلی از قبیل نفت و یا زغال سنگ برای گرم کردن آب و تولید بخار استفاده می‌شود که یک مقایسه ساده میان نیروگاه‌های هسته‌ای و غیر هسته‌ای، صرفه اقتصادی قابل توجه نیروگاه‌های هسته‌ای را اثبات می‌کند.

به طور مثال، برای تولید ‪ ۷۰۰۰‬مگاوات برق حدود ‪ ۱۹۰‬میلیون بشکه نفت خام مصرف می‌شود که استفاده از سوخت هسته‌ای برای تولید همین میزان انرژی سالیانه میلونها دلار صرفه جویی به دنبال دارد و به علاوه میزان آلایندگی زیست محیطی آن نیز بسیار کمتر است.

کافی است بدانیم که مصرف این ‪ ۱۹۰‬میلیون بشکه نفت خام برای تولید ‪ ۷۰۰۰‬مگاوات برق، ‪ ۱۵۷‬هزار تن گاز گلخانه‌ای دی اکسید کربن، ‪ ۱۵۰‬تن ذرات معلق در هوا، ‪ ۱۳۰‬تن گوگرد و ‪ ۵‬تن اکسید نیتروژن در محیط زیست پراکنده می‌کند که نیروگاههای هسته‌ای این آلودگی‌ها را ندارند. پس از آشنایی با مفاهیم کلی انرژی هسته‌ای و مزایای آن، ابتدا با مراحل مختلف چرخه سوخت هسته‌ای آشنا می‌شویم و سپس نحوه استفاده از سوخت هسته‌ای درون راکتور را مرور می‌کنیم.

چرخه سوخت هسته‌ای عبارت است از: ‪ -۱‬فراوری سنگ معدن اورانیوم ‪-۲‬ تبدیل و غنی‌سازی اورانیوم ‪ -۳‬تولید سوخت هسته‌ای ‪ -۴‬بازفرآوری سوخت مصرف شده.

در حال حاضر چند کشور صنعتی جهان هر کدام در یک، چند و یا همه چهار مرحله یاد شده از چرخه سوخت هسته‌ای فعالیت می‌کنند.

هم اکنون به لحاظ صنعتی، کشورهای فرانسه، ژاپن، روسیه، آمریکا و انگلیس دارای تمامی مراحل چرخه سوخت هسته‌ای در مقیاس صنعتی هستند و در مقیاس غیرصنعتی، کشورهای دیگری مثل هند نیز به لیست فوق اضافه می‌شوند.

کشورهای کانادا و فرانسه در مجموع دارای بزرگترین کارخانه‌های تبدیل اورانیوم(مرحله پیش از غنی‌سازی ) هستند که محصولات آنها شامل ‪UO3,UO2,UF6‬ غنی نشده می‌باشد و پس از آنها به ترتیب کشورهای آمریکا، روسیه و انگلستان قرار دارند. در زمینه غنی‌سازی نیز، دو کشور آمریکا و روسیه دارای بزرگترین شبکه غنی‌سازی جهان هستند.

آمریکا هم اکنون بزرگترین تولیدکننده سوخت هسته‌ای(مرحله بعد از غنی سازی) در جهان است و پس از آمریکا، کانادا تولیدکننده اصلی سوخت هسته‌ای در جهان محسوب می‌شود. پس از آمریکا و کانادا، کشورهای انگلیس، روسیه، ژاپن، فرانسه، آلمان، هند، کره جنوبی و سوئد از تولیدکنندگان اصلی سوخت هسته‌ای جهان هستند. آمریکا بیشترین سهم بازفراوری سوخت مصرف شده هسته‌ای در جهان را داراست و پس از آن فرانسه، انگلیس، روسیه، هند و ژاپن قرار دارند. درحال حاضر بین کشورهای جهان سوم، هندوستان پیشرفته‌ترین کشور در زمینه دانش فنی چرخه سوخت هسته‌ای است.

چرخه سوخت هسته‌ای: …………….

‪-۱‬استخراج اوانیوم از معدن و تهیه کیک زرد(مرحله فراوری سنگ معدن اورانیوم) عنصر اورانیوم در طبیعت به صورت ترکیبات شیمیایی مختلف از جمله اکسید اورانیوم، سیلیکات اورانیوم و یا فسفات اورانیوم و به صورت مخلوط با ترکیباتی از عناصر دیگر یافت می‌شود.در میان کشورهای مختلف جهان، استرالیا دارای بزرگترین معادن اورانیوم است و کشورهای قزاقستان، کانادا، آفریقای جنوبی، نامیبیا، برزیل و روسیه نیز از معادن بزرگی برخوردارند.

مواد معدنی حاوی اورانیوم با استفاده از روشهای معدن‌کاوی زیرزمینی و یا روزمینی استخراج شده و سپس طی فرایندهای مکانیکی و شیمیایی موسوم به “آسیاب کردن” و “کوبیدن” از دیگر عناصر جدا می‌شوند.

اورانیوم پس از استخراج تفکیک، کوبیده، خرد و به شکل پودر درآمده و سپس برای تولید ماده موسوم به “کیک زرد” (‪ (YellowCake‬مورد استفاده قرار می گیرد.

کیک زرد در واقع محصول فراوری سنگ معدن ارونیوم است و به ترکیباتی از اورانیوم گفته می‌شود که ناخالصی‌های معدنی آن به میزان زیادی گرفته شده و حاوی ‪ ۷۰‬تا ‪ ۹۰‬درصد اکسید اورانیوم از نوع ‪ U3O8‬است.

‪ -۲‬فراوری کیک زرد و تولید هگزافلورید اورانیوم و آغاز غنی‌سازی (مرحله تبدیل و غنی‌سازی ) کیک زرد در این مرحله هنوز دارای ناخالصی‌هایی است که توسط روشهای مختلف این ناخالصی‌ها کاسته شده و پس از طی فرایندهای شیمیایی نسبتا پیچیده، از شکل معدنی ‪ U3O8‬به ‪UO3(‬تری اکسید اروانیوم) و سپس ‪ UO2(‬دی اکسید اورانیوم) در می‌آید که این ترکیب آخر نیز به دو روش موسوم به روش تر و روش خشک برای تولید ماده مورد نیاز در فرایند غنی‌سازی، یعنی هگزافلورید اورانیوم(‪ (UF6‬به کار گرفته می‌شود. در صنعت به این دلیل عنصر اورانیوم را به صورت ترکیب هگزافلورید اورانیوم(‪ (UF6‬در می‌آورند که ماده مذکور بهترین ترکیب اورانیوم برای استفاده در روشهای مهم غنی‌سازی اورانیوم محسوب می‌شود. در روشهای مرسوم غنی‌سازی اورانیوم، باید از حالت گازی ترکیبات این عنصر استفاده کرد و هگزافلورید اورانیوم در دمای ‪ ۵۶‬درجه سانتیگراد به راحتی تصعید شده و از حالت جامد به حالت گاز در می‌آید که این گاز برای دستیابی به درصد بالاتر ایزوتوپ ‪ ۲۳۵‬اورانیوم، قابل غنی‌سازی است.

پس از مراحل استخراج اورانیوم، تولید کیک زرد و در نهایت هگزافلورید اورانیوم، نوبت به غنی‌سازی این عنصر می‌رسد.

روش‌های مختلف غنی‌سازی ………………….

به طور کلی اورانیوم را به چندین روش مختلف می‌توان غنی‌سازی کرد که این روشها عبارتند از: “سانتریفوژ گازی”، “پخش گازی”(‪،(Gaseous Diffusion‬ “جداسازی اکلترومغناطیسی”، “تبادل شیمیایی”(‪،(Chemical Exchange‬ “فتویونیزاسیون و فتودیساسیون لیزری”، “نازل جداسازی”(‪(Separation Nazzle‬ و “جداسازی ایزوتوپ رزونانس سیکلوترونی”. از بین تمامی این روشها هم‌اکنون تنها دو روش “سانتریفوژگازی” و “پخش گازی” است که در مقیاس تجاری اهمیت داشته و کاربردهای عملی وسیع پیدا کرده‌اند .

در غنی‌سازی اورانیوم به روش مرسوم‌تر “سانتریفوژ گازی”، در عمل هگزافلورید اورانیوم (‪ (UF6‬را وارد دستگاه سانتریفوژ با سرعت دوران بسیار بالا می‌کنند. در سرعت دورانی بسیار زیاد، آن دسته از مولکولهای هگزافلورید اورانیوم که اورانیوم موجود در آنها از نوع ایزوتوپ ‪ ۲۳۵‬است از آنجا که در مقایسه با مولکولهای هگزافلورید اورانیوم با ایزوتوپ اورانیوم ‪ ۲۳۸‬جرم کمتری دارند، در نزدیک محور سانتریفوژ تراکم بیشتری نسبت به ناحیه خارجی دستگاه پیدا کرده و در مقابل مولکولهای سنگین‌تر هگزا فلورید اورانیوم ‪ ۲۳۸‬در ناحیه خارجی تراکم بیشتری نسبت به ناحیه نزدیک محور پیدا می‌کنند .

بدین ترتیب گاز هگزافلورید اورانیومی که از نزدیک محور دستگاه سانتریفوژ گرفته می‌شود از نظر درصد اورانیوم ‪ ۲۳۵‬از غنی شدگی بیشتری نسبت به نواحی دیگر سانتریفوژ برخوردار است. در این روش برای رسیدن به درصد مورد نیاز اورانیوم ‪ ۲۳۵‬باید مرحله به مرحله از تعداد بسیار زیاد سانتریفوژ به صورت زنجیره‌ای استفاده کرد.

روش “سانتریفوژ گازی” برای غنی‌سازی اورانیوم به دو علت در مقایسه با روش “پخش گازی” از مزایای بیشتری برخوردار است. اول آنکه این روش کارایی بیشتری داشته و دوم آنکه انرژی لازم در این روش غنی‌سازی حدود یک دهم مقدار انرژی لازم در غنی‌سازی با “پخش گازی” برای حصول همان میزان محصول می‌باشد.

این عوامل باعث شده که غنی‌سازی اورانیوم به روش سانتریفوژ هزینه کمتری را شامل شده و اقتصادی‌تر باشد.البته باید به خاطر داشت که هزینه تعمیرات و نگهداری تجهیزات مورد استفاده در غنی‌سازی به روش سانتریفوژ اندک نیست.

‪ -۳‬تولید سوخت هسته‌ای(تبدیل ‪ UF6‬غنی شده به ‪ UO2‬غنی شده): برخی انواع راکتورهای می‌توانند به طور مستقیم از هگزافلورید اورانیوم غنی شده به عنوان سوخت هسته‌ای استفاده کنند اما برای تهیه سوخت هسته‌ای بسیاری انواع دیگر راکتورها لازم است که هگزافلورید اورانیوم غنی شده را به شکل به اصطلاح “میله‌های سوختی” از دی اکسید اورانیوم غنی شده(‪ (UO2‬و یا در موارد معدود، به اورانیوم غنی شده فلزی(‪ (U‬تبدیل کرد.

تبدیل ‪ UF6‬غنی شده به ‪ UO2‬غنی شده نیز خود به دو روش شیمیایی موسوم به خشک و تر انجام می‌گیرد که پرداختن بدانها از حوصله این بحث خارج است.

در پایان این مرحله سوخت هسته‌ای آماده قرارگرفتن در راکتور و آغاز تولید انرژی است. حال که سوخت هسته‌ای با درصد مورد نیاز اورانیوم ‪۲۳۵(‬حدود ‪ ۲‬تا ‪۵‬ درصد) به منظور استفاده در راکتور هسته‌ای آماده شد، عملکرد یک راکتور هسته‌ای را نیز به صورت خلاصه بررسی می‌کنیم.

عملکرد راکتور هسته ای …………………

همانطور که گفتیم، سوخت هسته‌ای شامل اورانیوم ‪ ۲۳۸‬و اورانیوم ‪۲۳۵‬ است که درصد اورانیوم ‪ ۲۳۵‬با روشهای غنی‌سازی از حدود ‪ ۰/۷‬درصد در وضعیت طبیعی به حدود ‪ ۲‬تا ‪ ۵‬درصد در وضعیت غنی شده افزایش یافته‌است. به زبان ساده، درون یک راکتور هسته‌ای اورانیوم ‪ ۲۳۵‬به صورت کنترل شده توسط نوترونها بمباران می‌شود. برخورد نوترونها به هسته اتم اورانیوم ‪ ۲۳۵‬سبب شکست این هسته شده که نتیجه شکست مذکور تولید انرژی و تولید نوترونهای بیشتر است.

کنترل این نوترونهای پر انرژی حاصل شده ضروری است زیرا می‌توانند درون راکتور طی یک فرایند زنجیره‌ای سبب شکست هسته‌های بیشتر اورانیوم ‪۲۳۵‬ و بروز حادثه شوند. برای کاهش انرژی نوترونهای آزاد شده و جذب آنها از مواد نرم‌کننده (از قبیل آب سبک، آب سنگین، گرافیت) و میله‌های مهار کننده(از قبیل کادیوم و یا بور) درون راکتور استفاده می‌شود.

البته تعدادی از این نوترونها نیز پس از شکست هسته اورانیوم ‪ ، ۲۳۵‬با هسته اورانیوم ‪ ۲۳۸‬برخورد کرده و سبب پیدایش ایزوتوپ جدید و ناپایداری از اورانیوم به نام اورانیوم ‪ ۲۳۹‬می‌شوند که خود این ماده نیز در نهایت به یک عنصر رادیواکتیو دیگر به نام پلوتونیوم ‪ ۲۳۹‬بدل می‌شود. پلوتونیوم ‪۲۳۹‬ همانند اورانیوم ‪ ۲۳۵‬خود می‌تواند به عنوان سوخت هسته‌ای مجددا مورد استفاده قرار بگیرد.

انرژی آزاد شده به صورت گرما در پی شکست هسته اورانیوم ‪ ۲۳۵‬درون راکتور، توسط مواد خنک‌کننده و به منظور به حرکت در آوردن توربینهای تولید برق، به خارج از راکتور منتقل می‌شود. این مواد خنک‌کننده یا انتقال‌دهنده انرژی حرارتی(از قبیل گاز دی اکسیی کربن، آب، آب‌سنگین، گاز هلیم و یا سدیم مذاب)، پس از انتقال انرژی به بیرون از راکتور و خنک شدن مجددا به داخل راکتور برمی گردند و این فرایند به صورت مداوم برای تولید برق ادامه می‌یابد.

سوخت مصرف شده در راکتور در پایان کار حاوی حدود ‪ ۹۵‬درصد اورانیوم ‪ ،۲۳۸‬حدود یک درصد اورانیوم ‪ ۲۳۵‬شکافته نشده، حدود یک درصد پلوتونیوم و حدود سه درصد مواد پرتوزای حاصل از شکافته شدن اورانیوم ‪ ۲۳۵‬و همچنین عناصر فوق سنگین بوجود آمده درون راکتور است. این سوخت مصرف شده معمولا در تجهیزات دوباره‌سازی به سه جزء اصلی اورانیوم، پلوتونیوم و پس ماندهای پرتوزا تقسیم می‌شود.

به لحاظ تاریخی اولین راکتور هسته‌ای در آمریکا و به منظور استفاده در زیر دریائیها ساخته‌شد. ساخت این راکتور پایه اصلی و استخوان بندی تکنولوژی فعلی نیروگاههای هسته‌ای از نوع ‪ PWR‬را تشکیل می‌دهد. پس از آن شرکت جنرال الکتریک موفق به ساخت راکتورهایی از نوع ‪ BWR‬گردید اما اولین راکتوری که منحصرا جهت تولید برق مورد استفاده قرار گرفت توسط شوروی سابق و در ژوئن ‪ ۱۹۵۴‬در “آبنینسک” نزدیک مسکو احداث گردید که بیشتر جنبه نمایشی داشت.

تولید الکتریسیته از راکتورهای هسته‌ای در مقیاس صنعتی در سال ‪۱۹۵۶‬ در انگلستان آغاز شد. تا سال ‪ ۱۹۶۵‬روند ساخت نیروگاههای هسته‌ای از رشد محدودی برخوردار بود اما طی دو دهه ‪ ۱۹۶۶‬تا ‪ ۱۹۸۵‬جهش زیادی در ساخت نیروگاههای هسته‌ای بوجود آمد. این جهش طی سالهای ‪ ۱۹۷۲‬تا ‪ ۱۹۷۶‬که بطور متوسط هر سال ‪ ۳۰‬نیروگاه شروع به ساخت می‌کردند، بسیار زیاد و قابل توجه است. پس از دوره جهش فوق یعنی از سال ‪ ۱۹۸۶‬تاکنون روند ساخت نیروگاهها کاهش یافته بطوریکه هم اکنون بطور متوسط سالیانه کار ساخت ‪ ۴‬راکتور هسته ای آغاز می‌شود.

در سالهای گذشته گسترش استفاده از انرژی هسته‌ای برای تولید برق در کشورهای مختلف روندهای گوناگونی داشته‌است. به عنوان مثال کشور انگلیس تا سال ‪ ۱۹۶۵‬پیشرو در ساخت نیروگاه‌های هسته‌ای بود، اما پس از آن تاریخ ساخت نیروگاه هسته‌ای در این کشور کاهش یافت. برعکس کشور آمریکا که تا اواخر دهه ‪ ۱۹۶۰‬تنها ‪ ۱۷‬نیروگاه هسته‌ای داشت در طول دهه‌های ‪۱۹۷۰‬و ‪ ۱۹۸۰‬بیش از ‪ ۹۰‬نیروگاه هسته‌ای دیگر ساخت. هم اکنون کشور فرانسه ‪ ۷۵‬درصد از برق مورد نیاز خود را توسط نیروگاه‌های هسته‌ای تولید می‌کند که از این بابت در صدر کشورهای جهان قرار دارد.

گرچه ساخت نیروگاههای هسته‌ای و تولید برق هسته‌ای در جهان از رشد انفجاری اواخر دهه ‪ ۱۹۶۰‬تا اواسط ‪ ۱۹۸۰‬برخوردار نیست اما کشورهای مختلف همچنان درصدد تامین انرژی مورد نیاز خود از طریق انرژی هسته‌ای هستند. طبق پیش بینی‌های به عمل آمده روند استفاده از برق هسته‌ای تا دهه‌های آینده همچنان روند صعودی خواهد داشت و در این زمینه، منطقه آسیا و اروپای شرقی به ترتیب مناطق اصلی جهان در ساخت نیروگاه هسته‌ای جدید خواهند بود.

http://mehdighadamgahi.blogfa.com