گردش مواد سوختی هسته ای یعنی چه ؟
نیروگاههای اتمی برای ادامه فعالیت خود باید از مواد سوختی استفاده کنند. این مواد پس از سوختن نیاز به تخلیه و انتقال دارند . هسته های شکافت پذیری که هنوز در عناصر سوختی مصرف شده موجود است ، باید بازیافت شود و زباله های غیر مفید و خطرناک باید از بین برود. تمام این مراحل را در مجموع تحت عنوان « گردش مواد سوختی » شرح می دهند.
این چرخه با استخراج اورانیم و توریم از معادن سطحی یا زیر سطحی آغاز می شود. آماده سازی سنگ معدن و اجرای روشهای تبدیل و غنی سازی پیش از فراهم آمدن عناصر سوختی ، لازم است . پس از اجرای این مراحل عناصر سوختی فراهم شده به راکتورها حمل می شوند. تخلیه مواد زاید اتمی دقیقاً به اندازه تدارک مواد سوختی اتمی برای نیروگاه اتمی اهمیت دارد. عمل تخلیه با برداشت عناصر سوختی مصرف شده آغاز می شود. این مواد پس از برداشت از راکتور نخست در یک استخر کاهش پرتوزایی (که آب را خنک می کند) انبار می شوند آنگاه به یک انبار میانی انتقال می یابند و سپس به تاسیسات دوباره غنی سازی منتقل می شوند در آنجا مواد دوباره قابل استفاده و زباله های اتمی از یکدیگر جدا می شوند. از مواد سوختی بازیافتی عناصر سوختی جدید فراهم می شود. زباله های رادیو اکتیو در کارگاهی به نام تاسیسات ایمن سازی و محدود سازی بسته بندی و پس از آن به انبارهای نهایی زیر زمینی منتقل می شود .
اورانیم چگونه به دست می آید ؟
اورانیم فلزی سنگین است که از سنگ معدن اورانیم به دست می آید . معروفترین سنگ معدن اورانیم ظاهراً نوعی اورانیت است که از 95 درصد اکسید اورانیم تشکیل شده است و گاهی به صورت صخره های چند تنی یافت می شود( این نوع اورانیت معمولاً دارای رنگ قهوه أی تا سیاه است) . متاسفانه اغلب سنگ معدنهای دیگر مقدار بسیار کمتری اورانیم در خود دارند. استخراج هنگامی مقرون به صرفه است که حداقل یک کیلوگرم اورانیم از هر تن سنگ معدن به دست آید. سنگ معدن استخراج شده از معادن زیر زمینی یا سطحی ، باید نخست آماده شود . این سنگ ها خرد ، آسیاب و با آب قلیایی شستشو می شوند پس از طی دیگر مراحل آماده سازی اورانیم متراکم یا کنسانتره اورانیم که بیش از 70% اورانیم در خود دارد و کیک زرد نامیده می شود به دست می آید . این محصول برای آماده سازی بیشتر به محل دیگری حمل می شود.
اورانیم غنی شده چگونه تولید می شود ؟
اورانیم خالص طبیعی برای استفاده در نیروگاههای اتمی مناسب نیست ، زیرا فقط 7/0 درصد آن از نوع شکاف پذیر 238U- و 3/99 درصد آن از نوع سنگین تر و شکاف ناپذیر 238 U- است .
سوخت اتمی بیشتر نیروگاههای اتمی باید حدود 3 درصد 235 U- داشته باشد . بنابراین اورانیم باید تا این غلظت غنی شود. چون دو ایزوتوپ اورانیم از نظر شیمیایی از یکدیگر قابل تشخیص نیستند برای غنی سازی از تفاوت وزنی آنها استفاده می شود. نخست اورانیم با کمک فلوئور به گار هگزا فلوئورید اورانیم (UF6) به عبارت دیگر به ترکیبی از اورانیم و فلوئور تبدیل می شود . در این مرحله برای جداسازی دو ایزوتوپ اورانیم از یکدیگر روشهای متفاوتی وجود دارد.
در روش لوله های جدا کننده گاز UF6 در لوله های کوچکی که انحنایی نیم دایره دارند با شتاب وارد می شود. نیروی گریز از مرکز ایجاد شده گاز دارای 238 U- را با شدت بیشتر به خارج می راند به نحوی که این گاز می تواند از گاز سبکتر 235 U- جدا شود . بدیهی است که با این روش جداسازی کامل دو ایزوتوپ ممکن نیست . ولی اگر تعداد بیشتری از این واحدهای جدا کننده را به صورت زنجیره ای به یکدیگر مربوط کنند ، بالاخره گازی به دست می آید که در آن اتمهای 235 U- به حد کافی وجود دارد. در روش گاز افشانی گاز UF6 با فشار از غشایی عبور داده می شود. در این عمل گاز سبکتر 235 U- سریعتر از گاز سنگین تر 238 U- از منفذهای دیافراگم عبور می کند. این روش نیز تا حدودی موجب جداسازی ایزوتوپها از یکدیگر می شود.
در این روش سانتریفوژ بسیار سریع وارد می شود . نیروی گریز از مرکز اورانیم سنگین تر را به سمت دیواره های دستگاه می راند به نحوی که تمرکز 235 U- در مرکز دستگاه افزایش می یابد. به این ترتیب جداسازی 235 U- و 238 U- انجام می شود. در این روش نیز برای غنی سازی مناسب واحدهای سانتریفوژ متعدد و مرتبط با هم لازم است در حال حاضر روشهای دیگری که بتوان در آنها غنی سازی لازم را در یک مرحله انجام داد در دست پژوهش و توسعه است.
عناصر سوختی چگونه ساخته می شود ؟
همان گونه که مشاهده کردیم میله های سوختی در نیروگاههای هسته أی از قرصها یا گلوله های استوانه أی دی اکسید اورانیم فشرده (Uo2) تشکیل می شود . دی اکسید اورانیم نخست از گاز هگزا فلوئورید اورانیم (UF6) غنی شده به دست می اید و سپس به صورت قرصهایی به ضخامت تقریباً 5/1 سانتیمتر و قطر 1 سانتی متر فشرده می شود. البته این اندازه ها می توانند در نیروگاهها و کشورهای مختلف متفاوت باشند و مقادیر ذکر شده تنها اندازه میانگین را نشان می دهد قرصهای فشرده خام تا 1700 درجه ی سانتیگراد حرارت داده می شوند و به این ترتیب استحکام و تراکم لازم را به دست می آورند . آن گاه با دقت یک ده هزارم میلی متر در اندازه هایی برابر تراش داده می شوند و در داخل لوله پوشش قرار می گیرند . البته لوله ها به طور کامل با گلوله های سوختی پر نمی شوند. برای انتقال بهتر گرما گاز هلیم به داخل لوله ها رانده می شود. لوله ها به این دلیل بطور کامل با قرصهای سوختی پر نمی شوند که هنگام فروپاشی هسته ها گازهایی ایجاد می شود که فضای معینی را اشغال می کند . این فضا را فضای گاز حاصل از شکافت می نامند.
این لوله های پر شده و عایق بندی شده از نظر نشت گاز، میله های سوختی را می سازند. این میله های سوختی همراه با میله های تنظیم به صورت عناصر سوختی در می آیند. ساخت عناصر سوختی بسته به مورد متفاوت است . مثلاً در راکتورهای آب جوش اغلب میله های سوختی به صورت 7×7 و به شکل یک عنصر سوختی بسته بندی شده اند. در راکتورهای آب تحت فشار میله های 15 × 15 یا 20 × 20 عناصر سوختی را تشکیل می دهند وضعیت میله های تنظیم نیز می تواند در راکتورهای مختلف بسیار متفاوت باشد.
میله های سوختی مصرف شده چگونه حمل و نقل می شوند ؟
همان گونه که مشاهده شد در راکتورها ضمن عمل شکافت هسته اتمهای نیمه سنگین تولید می شود که به شدت رادیو اکتیوند و پرتوهای خطرناکی منتشر می کنند . عنصر سوختی مصرف شده دارای مقدار زیادی از این مواد خطرناک برای زیست است. از سوی دیگر باقیمانده های 235 U- و پلوتونیم نیز در آن یافت می شود. اگر آن دسته از مواد ترکیبی و کمکی را که برای ساخت عناصر سوختی به کار می روند نادیده بگیریم میله های سوختی تقریباً دارای 3 درصد تولیدات قابل شکافت و به شدت رادیو اکتیو 95 درصد 238 U- ، یک درصد 235 U- و حدود یک درصد پلوتونیم است . برای جلوگیری از ورود این مواد به محیط زیست رعایت شدیدترین مقررات ایمنی لازم است. نقل و انتقال مواد مذکور در برخی از نیروگاههای اروپا به شکل زیر انجام می شود. عناصر سوختی مصرف شده پس از تخلیه از راکتور ، نخست برای مدتی در یک استخر کاهش پرتوزایی که پر از آب است و در داخل ساختمان راکتور قرار دارد انبار می شوند. در اینجا میزان رادیواکتیو یته یا پرتوزایی آنها به تدریج کاهش می یابد و خاصیت گرمازایی آنها کم می شود آنگاه عناصر سوختی به مکان دیگری حمل می شوند . برای این کار تانکرهای مخصوصی که دیواره های خارجی آنها تقریباً 50 سانتی متر ضخامت دارد ساخته شده است مواد خطرناک به وسیله این تانکرها و با ایمنی کامل از محیط خارج می شوند حتی در صورت تصادف و وارد آمدن ضربات شدید به تانکرها امکان نشت وجود ندارد.
روی این تانکرها آزمایشهای مختلفی انجام می شود مثلاً آنها را از ارتفاع 9 متری روی زمینی سخت رها می کنند و یا به مدت 30 دقیقه در آتش حرارت می دهند تانکرها باید در این آزمایشها سالم بمانند . همچنین سقوط از ارتفاع 2/1 متری بر روی جسمی نوک نیز و برخورد قطعات یک هواپیمای جت جنگنده در حال سقوط نباید آسیبی به آنها برساند. این تانکرها ممکن است تا 120 تن وزن داشته باشند و می توان حداکثر 9 عنصر سوختی را به طور موقت در آنها انبار کرد و یا به وسیله آنها این مواد را به تاسیسات دوباره غنی سازی انتقال داد . در حال حاضر سالانه حدود 250 تن مواد سوختی هسته أی مصرف شده از نیروگاههای هسته أی کشوری مثل آلمان تخلیه می شوند. این امر گرفتاری بسیاری بزرگی برای تمام شرکتهای مسئول تخلیه زباله های اتمی است.
با عنایت سوختی مصرف شده چه می کنند ؟
در یک نیروگاه هسته أی سالانه حدود یک سوم عناصر سوختی با عناصر سوختی تازه تعویض می شود.
از راکتور یک نیروگاه بزرگ با ظرفیت 1300 مگاوات ، سالانه 30 تن اورانیم خارج می شود . بنابراین تا سال 2000 میلادی در یک کشور صنعتی مثل آلمان حدود 11000 تن اورانیم انباشته خواهد شد . این مواد از سویی به دلیل دارا بودن تولیدات قابل شکافت و خطرناک آلوده کننده اند و از سوی دیگر هسته های شکافت پذیر و قابل استفاده هم در آنها یافت می شود. بنابراین تخلیه و آماده سازی مجدد عناصر سوختی مصرف شده چه از نظر بهداشت محیط زیست و چه از نظر صرفه اقتصادی اهمیت ویژه أی دارد .این کار به ترتیب زیر انجام می شود.
عناصر سوختی پس از نخستین توقف یک ساله خود در استخرهای کاهش پرتوزایی به انبار موقت منتقل می شوند. به عنوان مثال یک چنین انباری در شهر گورلبن در ایالت نیدرزاکسن آلمان وجود دارد . عناصر سوختی در این مرحله در تانکرهای حمل و نقل باقی می مانند . البته عناصر سوختی قبلاً در این تانکرها در نهایت دقت با رعایت ایمنی کامل انبار شده اند و پرتوهای خطرناک نمی تواند از آنها انتشار یابد . سپس میله های سوختی دوباره بازیافت می شوند. در این عمل مواد سوختی قابل استفاده دوباره غنی می شوند و در تولید عناصر سوختی جدید به کار می روند مواد زاید قابل شکافت و خطرناک جدا شده برای همیشه در مکانهایی موسوم به انبار نهایی کنار گذاشته می شوند.