نویدنو:00/12/1385                                                                     صفحه قابل چاپ است

سوخت هسته ای

مقاله زير حاوی توضيح خلاصه وار مفاهيمی از قبيل سوخت هسته ايی ، اکتشاف و غنی سازی اورانيوم ، کيک زرد ، پخش)ديفيوژن) ، سانتریفوژ ، راکتورهای هسته ايی و انواع آن ، زباله های هسته ايی ، باشگاه هسته ايی و اعضای آن است ، آن را برای استفاده علاقمندان در اينجا می آوريم:

 

مثل هر ماده مصرفى، اورانيومى كه از زمين استخراج مى شود را نمى توان به طور مستقيم براى توليد انرژى مصرف كرد بلكه بايد فرآيند هاى شيميايى و فيزيكى زيادى روى اورانيوم انجام شود تا قابل مصرف در نيروگاه براى توليد انرژى شود. به اين عمليات چرخه سوخت هسته اى مى گويند. چرخه سوخت هسته اى شامل تمام مراحل اكتشاف، استخراج، غنى سازى،  مصرف در رآكتور و بالاخره نابودى زباله هاى هسته اى است.


اكتشاف

ذخاير طبيعى اورانيوم به صورت سنگ معدن از زمين استخراج مى شود. با استفاده از روش هاى زمين شناسى، مناطق مناسب براى استخراج اورانيوم شناسايى و انتخاب مى شود. مثلاً از خاك مناطق مختلف كه تشعشعات راديواكتيو دارند، نمونه هايى را به آزمايشگاه مى برند و با استفاده از روش هاى شيميايى ميزان اورانيوم قابل استخراج را بررسى مى كنند. با توجه به هزينه هاى استخراج، اگر غلظت اورانيوم به اندازه اى بود كه استخراج آن به صرفه باشد آن نقطه به عنوان معدن اورانيوم شناخته مى شود. مهمترين منابع اورانيوم ايران در ساغند يزد است.

 
كيك زرد
پس از خارج كردن سنگ معدن اورانيوم از معدن سنگ ها را  آسياب مى كنند تا به تكه هاى كوچك با ابعاد تقريباً يكسان تبديل شود. اورانيوم در اين حالت به صورت اكسيد است و فرمول شيميايى آن U3O8 است. اين تكه هاى سنگ معدن اورانيوم را در محلولى از اسيد سولفوريك قرار مى دهند. اسيد، اورانيوم را حل كرده و آن را از زوائدى كه در سنگ معدن وجود دارد جدا مى كند محلولى كه به اين روش به دست مى آيد، تصفيه و خشك مى شود و به صورت پودرى در مى آيد كه به آن كيك زرد گفته مى شود.

 

غنى سازى

اورانيوم موجود در طبيعت از دو نوع ايزوتوپ  ساخته شده (به اتم هاى يك عنصر كه وزن متفاوت دارند ايزوتوپ مى گويند. ايزوتوپ ها خواص شيميايى كاملاً يكسان اما خواص فيزيكى متفاوتى دارند. براى مثال اورانيوم داراى دو ايزوتوپ ۲۳۵ و ۲۳۸ است.) در طبيعت و در روى كره زمين به طور متوسط از ۱۰۰ درصد مقدار اورانيوم، ۷۱/۰ درصد آن اورانيوم ۲۳۵ و ۲۸/۹۹ درصد آن اورانيوم ۲۳۸ است. اما اورانيوم ۲۳۸ را نمى توان به عنوان سوخت در رآكتور به كار برد زيرا عنصرى پايدار است. اما ايزوتوپ اورانيوم ۲۳۵ كه ناپايدار است، شكافته مى شود و انرژى توليد مى كند. به همين دليل بايد ميزان غلظت اورانيوم ۲۳۵ را در نمونه بالا برد. به اين عمليات غنى سازى مى گويند. تاسيساتى كه عمليات غنى سازى سوخت اورانيوم را انجام مى دهند تاسيسات تغليظ اورانيوم يا UCF نام دارد كه در ايران اين تاسيسات در اصفهان مستقرند. براى غنى كردن اورانيوم بايد آن را به حالت گازى درآورد. طى چند فرآيند شيميايى، كيك زرد را به گاز هگزا فلورايد اورانيوم UF6 تبديل مى كنند. دو روش براى غنى سازى اورانيوم وجود دارد:شكافت و سانتريفيوژ.

 

پخش
در روش پخش (ديفيوژن) گاز
UF6 را با فشار از ميان تعدادى غشا عبور مى دهند. در اين بين اورانيوم ۲۳۵ چون سبك تر از اورانيوم ۲۳۸ است سريع تر از غشا عبور مى كند به اين ترتيب اورانيوم طى مراحل مختلف عبور از غشا غنى مى شود. مهمترين عيب اين روش اين است كه بسيار طول مى كشد و برق زيادى هم مصرف مى كند.

 

سانتريفوژ
روش بهتر و با صرفه تر سانتريفوژ است. اين روش البته سخت تر و پيچيده تر است. محققان كشورمان توانسته اند به فناورى اين روش غنى سازى دست يابند. اصول كلى سانتريفوژ بسيار ساده است. گاز
UF6 را درون مخازن استوانه اى بزرگى قرار مى دهند و با سرعت بالا مى چرخانند. در اين بين اورانيوم ۲۳۵ باز هم به دليل سبكى از اورانيوم ۲۳۸ جدا مى شود. از آنجايى كه جرم اين دو تركيب بسيار به هم نزديك است و اختلاف آنها كم است اين عمليات بايد مرتباً و به تعداد زياد تكرار شود تا سطح مطلوب غنى سازى به دست بيايد. در سوخت مناسب براى نيروگاه هاى هسته اى غلظت اورانيوم ۲۳۵ حدود كمتر از پنج درصد است يعنى اورانيوم تا پنج درصد بايد غنى شود. اما براى ساخت بمب هسته اى بايد اورانيوم تا ۹۰ درصد غنى شود. فرآيند سانتريفوژ نيازمند تجهيزات بسيار گرانقيمت است. اما هزينه انرژى آن از روش قبلى بسيار كمتر است. البته امروزه به صورت محدود روش هاى ديگرى هم براى غنى سازى وجود دارد كه مهمترين آن غنى سازى با ليزر است. اما اين روش ها به طور محدود و آزمايشگاهى هستند و در مقياس صنعتى به كار نمى رود. تجهيزات غنى سازى اورانيوم ايران، سانتريفوژهاى مستقر در سايت هسته اى نطنز است.

 

 توليد سوخت هسته اى
پس از رسيدن اورانيوم به غلظت مورد نظر (كه به صورت گاز
UF6 است) آن را به حالت جامد در مى آورند. با استفاده از فرآيندهاى شيميايى UF6 را به دى اكسيد اورانيوم (UO2) تبديل مى كنند. Uo2 پودرى جامد است كه آن را فشرده مى كنند و به صورت قرص در مى آورند. اين قرص ها را در دماى بالا حرارت مى دهند تا به حا لت سراميكى دربيايد. اين قرص ها را دسته كرده و درون يك لوله قرار مى دهند. اين لوله از آلياژى مخصوص ساخته شده كه در مقابل خوردگى بسيار مقاوم است و رسانايى حرارتى بالايى هم دارد. به اين ترتيب سوخت مناسب براى نيروگاه هاى هسته اى آماده شده است.

 

 شكافت هسته اى و واكنش زنجيره اى
در رآكتورهاى هسته اى با استفاده از فرآيند شكافت هسته، انرژى توليد مى شود. در فرآيند شكافت، يك هسته سنگين و ناپايدار مثل اورانيوم
۲۳۵ در اثر تحريك (مثلاً برخورد يك نوترون پرانرژى) به عناصر سبك تر شكافته مى شود و در اين فرآيند مقدارى هم انرژى گرمايى توليد مى شود. يكى از محصولات شكافت نوترون است. يعنى در اثر شكافت اورانيوم نوترون توليد مى شود كه اين نوترون به نوبه خود مى تواند با برخورد به يك اورانيوم ۲۳۵ ديگر، آن را بشكافد و به اين ترتيب واكنش هسته اى و توليد انرژى ادامه مى يابد. به اين فرآيند، واكنش زنجيره اى مى گويند، زيرا مراحل اين واكنش همانند حلقه هاى زنجير به دنبال يكديگر تكرار مى شوند.

 

رآكتورهاى هسته اى
در مركز رآكتورهاى هسته اى ميله هاى سوخت و كنترل يك در ميان چيده شده اند. در درون ميله هاى سوخت، فرآيند شكافت رخ مى دهد و انرژى آزاد مى شود. اين انرژى، آب كه اطراف ميله ها را فرا گرفته گرم مى كند. آب گرم شده خود از درون مخازن آب ديگرى مى گذرد و آنها را گرم كرده و بخار مى كند. بخار آب توليد شده توربين ها را مى گرداند و با چرخش توربين ها كه به ژنراتور متصل اند، برق توليد مى شود. به اين ترتيب، انرژى توليد شده در اثر شكافت اورانيوم به برق تبديل مى شود. برق توليد شده از شكافت يك تن اورانيوم برابر برق توليد شده از سوزاندن ۲۰ هزار تن ذغال سنگ يا ۳۰ ميليون متر مكعب گاز طبيعى است!از آنجايى كه تعداد پروتون توليد شده در هر مرحله زنجير بيش از يكى است، اگر شكافت و واكنش زنجيرى خود به خود ادامه پيدا كند، واكنش زنجيره اى به سرعت گسترش يافته و به سرعت فراگير مى شود. در چنين حالتى در مدت كمى انرژى زيادى توليد مى شود. اين همان اتفاقى است كه در بمب هاى هسته اى مى افتد. براى كنترل اين فرآيند در نيروگاه ها، در ميان ميله هاى سوخت، ميله هاى كنترل را قرار مى دهند. اين ميله ها مواد جذب كننده نوترون هستند كه سرعت واكنش را كنترل كرده و مانع از انفجار ناگهانى آن مى شوند.

 

 انواع رآكتورها
رآكتورهاى هسته اى از لحاظ سرعت عمل به دو دسته تقسيم مى شوند:۱- رآكتورهاى گرمايى: كه سرعت عملشان كم است و فرآيند شكافت در آنها به آرامى صورت مى گيرد. اين رآكتورها كاملاً جنبه صلح آميز دارند. رآكتور اتمى بوشهر از اين گونه است.۲- رآكتورهاى سريع: كه هدف اصلى آنها توليد سوخت لازم براى سلاح هاى هسته اى است. محصول اين رآكتورها پلوتونيوم و اورانيوم ۲۳۵ است

 

زباله هاى هسته اى
مثل هر فعاليت ديگر بشرى، توليد برق هسته اى هم ضايعاتى دارد. اما براى مثال، براى توليد ۸ مگاوات ساعت انرژى الكتريكى، تنها ۳۰ گرم زباله، راديواكتيو توليد مى شود. اين در حالى است كه براى توليد همين مقدار برق از بهترين نوع زغال سنگ، هشت هزار كيلوگرم دى اكسيد كربن توليد مى شود. در عين حال خطر زباله هاى هسته اى بسيار بيشتر و نگهدارى آنها نيازمند روش هاى پيچيده ترى است. زباله هايى مثل لباس هاى تكنسين ها، لوازم و تجهيزات و ساير موادى كه راديو اكتيويته كمى دارند، پس از فشرده سازى و آتش زدن دفن مى شوند. اما مهمترين قسمت دفن زباله هاى هسته اى، نابودى سوخت مصرف شده است. براى اين كار سوخت هسته اى را كه بسيار گرم و راديواكتيو است، چندين سال درون استخرهاى عميق آب قرار مى دهند. پس از سرد شدن، آن را خارج مى كنند. حدود ۳ درصد اين سوخت مصرف شده، مواد قابل بازيافت مثل پلوتونيوم و اورانيوم ۲۳۵ است كه مصارف پزشكى و نظامى دارد. بقيه آن را به پودر تبديل كرده درون مخازن محكم و غيرقابل خوردگى قرار داده و در نقاط معلومى كه دور از دسترس افراد است، دفن مى كنند.

 

 باشگاه هسته اى
باشگاه هسته اى اصطلاحى است كه براى كشورهاى داراى توانايى ساخت و توليد سلاح هسته اى به كار مى رود. در جدول نام كشورهاى عضو باشگاه هسته اى و تعداد بمب هسته اى آنها ذكر شده است. البته گفتنى است علاوه بر ايكشور، كشورهايى همچون آرژانتين، استراليا، برزيل، مصر، آلمان، عراق، ژاپن و... در سال هاى قبل طرح هايى را به منظور ساخت سلاح هاى هسته اى به اجرا گذاشته بودند و به موفقيت هايى هم دست يافتند، اما هم  اكنون داراى سلاح هسته اى نيستند و طرحى براى ادامه فعاليت هاى هسته  اى خود ندارند. همه اين كشورها معاهده منع گسترش سلاح هاى هسته اى را امضا كردند. با اين همه به نظر مى رسد كشورهاى پيشرفته صنعتى همچون كانادا، آلمان، ژاپن، ايتاليا و... توانسته اند به فناورى ساخت و توليد سلاح هسته  اى دست يابند و به رغم آنكه در حال حاضر داراى هيچ گونه سلاحى نيستند، اما در صورتى كه لازم باشد و تصميم به توليد سلاح بگيرند، مى توانند در مدت زمان كوتاهى (از چند هفته و چند ماه تا يك سال) چند سلاح هسته اى قابل استفاده توليد كنند. اما همان گونه كه ذكر شد، ايران كشورى است كه توانسته است به فناورى غنى سازى در حد ۵/۳ درصد دست يابد كه صرفاً براى استفاده در سوخت هاى هسته اى مناسب است و براى توليد سلاح بايد اورانيوم را تا ميزان ۹۰ درصد غنى سازى كرد، به اين ترتيب ايران كشورى است كه داراى فناورى صلح آميز هسته اى است. به گفته كارشناسان مسائل هسته اى با راه اندازى ۱۶۴ دستگاه سانتريفوژ فقط مى توان مقدار اورانيوم لازم براى سوخت هسته اى را توليد كرد، اما براى غنى سازى در حد توليد سلاح هسته اى به هزاران دستگاه سانتريفوژ و چندين سال زمان نياز است. در عين حال براى ساخت سلاح هسته اى، علاوه بر غنى سازى تا ۹۰ درصد به فناورى هاى ويژه ساخت بمب و داشتن توان نظامى و تجهيزات مناسب براى استفاده از بمب (همانند موشك هاى قاره پيما يا زيردريايى هاى عظيم) نيز نياز است كه به نظر مى رسد هم اكنون در دسترس ايران نباشد

کانون اندیشه

 

 

 

 

 

بازگشت به صفحه نخست                                   

Free Web Counters & Statistics