تبدیل اورانیوم به سوخت هستهای چه مراحلی دارد و چگونه انجام میشود؟
مراحل تبدیل اورانیوم به سوخت هستهای
اورانیوم (اورانیم) سوخت اصلی راکتورهای هستهای است. اما اورانیوم چگونه به سوخت هستهای تبدیل میشود؟ برای تولید سوخت هستهای اورانیوم باید استخراج و پالایش و غنی‌سازی شود تا بتواند به سوخت راکتور تبدیل شود. مراحل تبدیل اورانیوم به سوخت هستهای را می‌توان در سه مرحله خلاصه کرد:
- کاوش و استخراج اورانیوم
- غنی‌سازی اورانیوم
- تولید سوخت هستهای
مطلب مرتبط: کاربردهای فناوری هستهای چیست؟
کاوش و استخراج اورانیوم
نخستین مرحله در فرآیند تبدیل اورانیوم به سوخت هستهای کاوش و استخراج اورانیوم است. اورانیوم عنصری شیمیایی است که در اکثر سنگ‌ها و حتی آب دریاها مقادیر کمی از آن یافت میشود. در حال حاضر کشورهای متعددی معدن اورانیوم دارند.
از دیرباز اورانیوم در معادن عادی (روباز یا زیرزمینی) یافت می‌شد. پس از استخراج اورانیوم سنگ معدن حاوی اورانیوم توسط دستگاه سنگ‌شکن، خرد میشود و به آن آب اضافه میشود تا مایعی حاوی ذرات سنگی مرغوب و دیگر مواد به دست آید. این مایع سپس با اسید سلفوریک یا محلولی قلیایی شسته میشود تا اورانیوم را حل کند و سنگ‌های به‌جای مانده و دیگر مواد معدنی حل‌نشدنی را جدا کند.
در حال حاضر نیمی از معادن اورانیوم دنیا با روشی موسوم به ISL (مخفف in-situ leaching) به دست می‌آید که در آن، استخراج اورانیوم بدون هرگونه آسیب جدی به زمین استخراج میشود. در شیوه ISL آب با اکسیژن (یا با اسید یا باز یا محلول اکسیدکننده دیگری) به زمین تزریق میشود و درون سنگ معدنی اورانیوم به گردش درمی‌آید و اورانیوم آن استخراج میشود. محلول اورانیوم سپس به سطح زمین پمپاز میشود.
محلول اورانیوم استخراج شده از معادن سپس جدا، فیلتر و خشک میشود تا اکسید اورانیوم متراکم که اصطلاحا به آن کیک زرد نیز می‌گویند به دست آید.
تصویر ۱. تولید کیک زرد، یکی از اولین مراحل تولید سوخت هستهای
مطلب مرتبط: چرخه سوخت هستهای چیست و دارای چه مراحلی است؟
غنی‌سازی اورانیوم
سوخت اکثر راکتورهای برق هستهای ایزوتوپ اورانیوم ۲۳۵ است؛ اما فقط ۰.۷ درصد اورانیوم طبیعی استخراجی از معادن دنیا از این نوع است. لذا با استفاده از فرآیندی موسوم به غنی‌سازی این میزان باید افزایش یابد. غنی‌سازی فرآیندی است که اورانیوم ۲۳۵ را از ۰.۷ درصد به ۳ تا ۵ درصد افزایش می‌دهد که سطح اکثر راکتورها است. گفتنی است که به انواع اتم‌های یک عنصر که تعداد پروتون‌های یکسان اما تعداد نوترون‌های متفاوتی دارند، ایزوتوپ‌های آن عنصر می‌گوییم.
تعداد کمی از راکتورها با سوخت اورانیوم طبیعی کار می‌کنند که غنی‌سازی نشده است.
در فرآیند غنی‌سازی، اورانیوم باید به شکل گاز درآید. برای این منظور از فرآیندی موسوم به تبدیل بهره می‌برند که طی آن اکسید اورانیوم به ترکیب متفاوتی با نام هگزافلوراید اورانیوم تبدیل میشود. هگزافلوراید اورانیوم گازی است که دمای نسبتا کمی دارد.
هگزافلوراید اورانیوم به سانتریفیوژها که نوعی دستگاه گریز از مرکز هستند خورانده می‌شوند. سانتریفیوژها لوله‌های عمودی‌ای هستند که به سرعت می‌چرخند و اورانیوم ۲۳۵ را از ایزوتوپ اورانیوم ۲۳۸ که سنگین‌تر است جدا می‌کنند. سانتریفیوژها اورانیوم را به دو بخش تقسیم می‌کنند: یکی اورانیوم ۲۳۵ غنی‌شده و دیگری اورانیوم سبک‌تر ۲۳۵ که به آن اورانیوم ضعیف‌شده یا DU (مخفف Depleted Uranium) نیز می‌گویند.
تصویر ۲. آرایه‌ای از سانتریفیوژها در کارخانه غنی‌سازی اورانیوم
مطلب مرتبط: انرژی هستهای چیست و چگونه تولید میشود: کاربردها و ویژگی‌ها
تولید سوخت هستهای: پودر و قرص دی‌اکسید اورانیوم
برای تولید سوخت هستهای، اورانیوم غنی شده به کارخانه تولید سوخت هستهای منتقل و در آن‌جا به پودر دی‌اکسید اورانیوم تبدیل میشود. پودر دی‌اکسید اورانیوم سپس تحت فشار به‌شکل قرص‌های کوچک سوخت درمی‌آید و پس از گرما دیدن به ماده سرامیکی سختی تبدیل میشود.
تصویر ۳. سوخت هستهای که به شکل قرص و پودر درآمده است.
مطلب مرتبط: انرژی الکتریکی چیست؟
قرص‌های سوخت در لوله‌های باریکی موسوم به میله‌های سوخت جای می‌گیرند و در کنار هم دسته‌های سوختی تشکیل می‌دهند. تعداد میله‌های سوختی به کار رفته برای ایجاد هر دسته سوختی می‌تواند از حدود ۹۰ تا بیش از ۲۰۰ عدد باشد که به نوع راکتور بستگی دارد. سوخت هستهای پس از انتقال به هسته راکتور، سال‌ها سوخت نیروگاه را تامین می‌کند.
برای تامین سوخت یک راکتور ۱۰۰ مگاواتی آب‌فشاری هر سال باید ۲۷ تن اورانیوم معادل تقریبا ۱۸ میلیون قرص سوختی در بیش از ۵۰,۰۰۰ میله سوختی جای بگیرد. حال آن‌که یک نیروگاه برق با سوخت زغال‌سنگ برای تولید همین میزان برق در سال به بیش از ۲.۵ میلیون تن زغال نیاز دارد.
تصویر ۴. یک دسته سوختی که معمولا چندین متر ارتفاع دارد می‌تواند سوخت چند سال یک راکتور را تامین کند و با انتشار کربن کم در محیط زیست برق بسیاری تولید کند.
مقاله مرتبط: هم‌جوشی هستهای در خورشید و ستارگان چیست و چگونه انجام میشود؟
خلاصه مراحل تبدیل اورانیوم به سوخت هستهای
در مرحله نخست، اورانیوم کاوش و استخراج و پس از طی فرآیندهایی به کیک زرد تبدیل میشود. مرحله دوم تبدیل اورانیم به سوخت هستهای، غنی‌سازی است. در مرحله غنی‌سازی، اورانیم به‌شکل گاز درمی‌آید. و نهایتا در مرحله پایانی، سوخت هستهای اورانیم به پودر و قرص تبدیل میشود تا با جای گرفتن در میله‌های سوختی، سوخت هستهای نیروگاه را تامین کند.
مطلب مرتبط: توربین بادی چیست و چگونه کار می‌کند و چه اجزایی دارد
دسته: فناوری
کلیدواژه: تبدیل اورانیوم به سوخت هستهای
