سوخت اکسید مختلط (MOX) چیست و چرا و چگونه تولید می‌‌شود؟

سوخت اکسید مختلط (MOX) چیست: سوخت اکسید مختلط یا MOX (مخفف Mixed Oxide Fuel) نوعی سوخت هسته‌ای متشکل از اکسیدهای فلزی است که در راکتورهای شکافت هسته‌‌ای به‌کار می‌رود و متداول‌ترین گونه آن، مخلوطی از اکسید اورانیوم (UO₂) و اکسید پلوتونیوم (PuO₂) است. اما سوخت مختلط چرا و چگونه تولید می‌شود؟ امروزه سوخت اکثر راکتورهای دنیا اکسید اورانیوم است. ایزوتوپ‌های اورانیوم-۲۳۵ با جذب نوترون از هم می‌شکافند و انرژی تولید می‌کنند. اما در اثر پدیده شکافت هسته‌‌ای مواد دیگری نیز در راکتور شکل می‌گیرند که یکی از آنها پلوتونیوم است. بعضی از ایزوتوپ‌‌های پلوتونیوم شکافت‌‌پذیر هستند فلذا اگر با اکسید اورانیوم تلفیق شوند، نوع دیگری از سوخت هسته‌‌‌ای حاصل می‌‌‌شود که همان سوخت اکسید مختلط است. بدین‌‌‌ترتیب، می‌‌توان پسماند هسته‌‌‌ای راکتورهای عادی را به سوخت اکسید مختلط تبدیل کرد و آن‌را دوباره به چرخه سوخت هسته‌ای، بازگرداند. در ادامه مطلب، با جزئیات بیشتری توضیح می‌‌دهیم که سوخت اکسید مختلط (MOX) چیست و چرا و چگونه تولید می‌‌شود.

(توضیح عکس سربرگ: سوخت هسته‌‌‌ای اکسید مختلط متشکل از اکسید اورانیوم و اکسید پلوتونیوم به‌‌شکل قرص درآمده‌‌‌ و برای آماده جای‌‌گیری در میله‌‌‌های سوخت، آماده است.)

سوخت اکسید مختلط (MOX) چیست؟

سوخت متعارف بسیاری از راکتورهای فعلی دنیا دی‌اکسید اورانیوم (UO₂) است که برای تولید آن، ابتدا اورانیوم طبیعی را غنی‌سازی‌ می‌کنند تا درصد ایزوتوپ‌‌‌های شکافتنی‌ آن (یعنی اورانیوم-۲۳۵) افزایش یابد. اما سوخت اکسید مختلط ممکن است حاوی اکسیدهای فلزی دیگری باشد. متداول‌ترین شکل سوخت اکسید مختلط، مخلوطی از اکسید اورانیوم و اکسید پلوتونیوم است. پس به بیان ساده:

سوخت مختلط = اکسید اورانیوم + اکسید پلوتونیوم

MOX = UO₂+PuO₂

رایج‌‌‌‌‌ترین ایزوتوپ‌‌های پلوتونیوم در این‌ نوع سوخت، پلوتونیوم-۲۳۹ و پلوتونیوم-۲۴۱ هستند.

عبارت سوخت اکسید مختلط (mixed oxide fuel) از نظر مفهومی می‌تواند دامنه گسترده‌تری داشته باشد و سوخت‌های اکسیدی دیگری مثل توریم-پلوتونیوم (ThMOX) را نیز دربرگیرد؛ لذا در ادبیات تخصصی برای متمایز کردن آنها معمولا از عناوینی مثل سوخت اکسید مختلط اورانیوم-پلوتونیوم (U-Pu MOX) و سوخت اکسید مختلط توریم-پلوتونیوم (Th-Pu MOX یا ThMOX) استفاده می‌شود. در این مقاله، منظور از «سوخت اکسید مختلط»، همان معنای رایج آن یعنی سوخت حاوی اکسید اورانیوم و اکسید پلوتونیوم است.

چرا درون راکتور عادی اندکی پلوتونیوم نیز تشکیل می‌‌شود؟

دی‌اکسید اورانیوم شامل دو نوع ایزوتوپ، اورانیوم-۲۳۵ و اورانیوم-۲۳۸ (به‌ترتیب U-۲۳۵ و U-۲۳۸) است. اورانیوم-۲۳۵ اصطلاحا شکافتنی است یعنی با جذب نوترون از هم می‌‌شکافد و انرژی آزاد می‌کند. اما اورانیوم-۲۳۸ چنین قابلیتی ندارد اما در عوض می‌‌تواند با جذب نوترون به ایزوتوپ پلوتونیوم تبدیل شود.

علت تولید سوخت اکسید مختلط (MOX) چیست؟

دو علت را می‌توان برشمرد:

• الف. استفاده دوباره از پلوتونیوم موجود در سوخت مصرف‌شده‌ی عادی
• ب. استفاده از پلوتونیوم مورد استفاده در ساخت سلاح‌های هسته‌‌ای

الف. استفاده دوباره از پلوتونیوم موجود در سوخت مصرف‌شده عادی

قبلا سوخت هسته‌ای عادی (اکسید اورانیوم) را پس از مصرف، از راکتور خارج می‌کردند و چون نمی‌‌توانستند آن‌را بازیافت کنند، به‌عنوان زباله هسته‌ای در جای ایمن انبار می‌کردند. اما بعدها دانشمندان توانستند با شیوه‌های خاص، بخش زیادی از سوخت مصرف‌شده را مجددا بازیابی کنند و آن‌را به چرخه سوخت هسته‌ای بازگردانند.

در یک راکتور معمولی که با سوخت اکسید اورانیوم کار می‌کند، ایزوتوپ اورانیوم-۲۳۵ تحت تاثیر واکنش شکافت هسته‌‌ای انرژی تولید می‌کند و اصطلاحاً تمام می‌‌شود. اما برای ایزوتوپ‌های اورانیوم-۲۳۸ اتفاق دیگری می‌افتد؛ بخشی از ایزوتوپ‌های اورانیوم-۲۳۸ که مستقیماً قابلیت شکافت ندارند، با جذب نوترون به ایزوتوپ‌های پلوتونیوم تبدیل می‌شوند. بخشی از این پلوتونیوم، در راکتور شکافت می‌سوزد و انرژی تولید می‌کند، اما بخشی دیگر در سوخت مصرف‌شده باقی می‌ماند که گرچه از نظر وزنی درصد بسیار کمی (در حد ۱ درصد) است اما همین مقدار نیز می‌تواند بازیافت و مجددا استفاده شود.

بنابراین، اگر سوخت اورانیومیِ مصرف شده را بازفرآوری کنیم، می‌توانیم پلوتونیوم آن را جدا کنیم و به چرخه سوخت بازگردانیم؛ یعنی:

اورانیوم > راکتور > تشکیل مقداری پلوتونیوم > بازفرآوری پسماند > جداسازی پلوتونیوم > ساخت سوخت اکسید مختلط > بازگشت به راکتور

پس یکی از مهم‌ترین علل تولید سوخت اکسید مختلط (MOX) بازیافت بخشی از مواد قابل استفاده موجود در سوخت مصرف شده است.

ب. استفاده از پلوتونیوم مورد استفاده در ساخت سلاح‌های هسته‌‌ای

یکی از علل تولید سوخت اکسید متخلط، از بین بردن ذخایر مازاد پلوتونیوم نظامی است. پس از پایان جنگ سرد، آمریکا و شوروی سابق حجم زیادی پلوتونیوم داشتند که حاصل برنامه‌های تسلیحات هسته‌ای آنها بود. یکی از راه‌های کاهش ذخایر این ماده، مخلوط کردن آن با اورانیوم جهت تولید سوخت اکسید مختلط بود. یعنی با این کار، پلوتونیوم تسلیحاتی وارد چرخه تولید برق می‌شد تا دیگر کاربرد نظامی نداشته باشد.

پس سوخت اکسید مختلط هم می‌تواند نوعی فناوری چرخه سوخت و هم ابزاری برای مدیریت و کاهش ذخایر پلوتونیوم مازاد باشد.

مطالعه بیشتر: ایزوتوپ پرتوزا (رادیواکتیو) چیست؟

سوخت اکسید مختلط (MOX) چگونه تولید می‌‌شود؟

گفتیم که سوخت اکثر راکتورهای فعلی دنیا، دی‌اکسید اورانیوم است. وقتی اورانیوم در اثر شکافت هسته‌‌ای در داخل راکتور اصطلاحا می‌‌سوزد و انرژی تولید می‌‌کند، تحت تاثیر واکنش‌‌های هسته‌‌ای، مواد دیگری نیز در راکتور تشکیل می‌‌‌شوند که یکی از آنها پلوتونیوم است. معمولا حدود ۱ درصدِ پسماند هسته‌‌ای راکتورهای برق، پلوتونیوم است. بعضی از ایزوتوپ‌های پلوتونیوم قابلیت شکافت هسته‌ای دارند؛ پس اگر سوخت مصرف شده بازفرآوری شود، می‌توان پلوتونیوم آن را جدا و آن را وارد چرخه سوخت کرد.

نحوه بازیافت سوخت هسته‌ای عادی جهت تولید سوخت اکسید مختلط

یکی از ملاحظات مهم در صنعت هسته‌ای، استفاده‌ی چندباره از سوخت هسته‌ای است؛ یعنی به‌جای آنکه تنها یک‌بار از سوخت هسته‌ای آماده‌ استفاده کنیم و سپس آن‌را کنار بگذاریم، بهتر است سوخت مصرف‌شده را بازیابی کیم و مجدداً آن را به‌‌کار بگیریم. بدین‌ترتیب، چرخه‌ سوخت هسته‌ای را می‌بندیم یعنی سوخت مصرف شده را مجددا بازمی‌یابیم و به چرخه بازمی‌گردانیم. امروزه برای چنین کاری پلوتونیوم را از سوخت مصرف‌شده جدا و آن‌را بازیابی و سپس با اورانیوم ضعیف‌ (depleted uranium) مخلوط می‌کنند. حاصل کار، سوخت اکسید مختلط (MOX) است. در حال حاضر، درصد بسیار کمی از پلوتونیوم بدین شیوه بازیابی می‌شود.

البته برای بستن چرخه سوخت هسته‌ای، راه دیگری هم هست: تمام اورانیوم و پلوتونیوم را بدون جداسازی، بازیابی و سپس به آن‌ها بیش از حد معمول اورانیوم تازه‌ی غنی‌شده اضافه کنیم. به چنین سوختی، سوخت مختلط بازتولیدشده یا REMIX (سرنام Regenerated Mixture) می‌گویند که هنوز در دست بررسی و آزمایش است و شیوه‌ی رایجی محسوب نمی‌شود. در هر دو حال، محصولات به‌جای مانده از شکافت هسته‌ای و اکتینیدهای جزئی، ضایعات سطح بالا محسوب می‌شوند فلذا هنگام فرآوری سوخت، باید از آن جدا ‌شوند. متداول‌ترین نوع فعلی سوخت اکسید مختلط، ترکیبی از دی‌اکسید اورانیوم و دی‌اکسید پلوتونیوم یعنی UO₂+PuO₂ است.

برای بازیافت پسماند سوخت اورانیومیِ عادی، نخست باید پلوتونیوم موجود در آن (که کمتر از ۱ درصد است) و باقی‌مانده‌ی اورانیوم (حدود ۹۶ درصدِ سوخت مصرفی) را از محصولات شکافتی و زباله‌های حاصل از شکافت هسته‌ای (که کلاً حدود ۳ درصد است) جدا کنیم. سپس باید پلوتونیوم را از اورانیوم موجود جدا ‌کنیم. فرآیند مذکور تماماً در کارخانه بازفرآوری انجام می‌شود. آنگاه پلوتونیومِ اکسیدشده با اورانیوم ضعیف‌شده‌ی به‌جای مانده در کارخانه غنی‌سازی ترکیب و نتیجتاً سوخت اکسید مختلط حاصل می‌شود. سوخت اکسید مختلط بسته به نوع آن ممکن است ۴ تا ۱۱ درصد پلوتونیوم داشته باشد.

چرا سوخت اکسید مختلط (MOX) معمولا حاوی اورانیوم «ضعیف شده» است؟

برای ساخت سوخت اکسید مختلط معمولا از اورانیوم ضعیف‌‌شده استفاده می‌‌شود. بخش عمده اورانیوم ضعیف‌‌شده، حاوی ایزوتوپ‌های اورانیوم-۲۳۸ است و مقدار اورانیوم-۲۳۵ آن کمتر از حد طبیعی است. چرا؟ چون پلوتونیوم موجود در سوخت اکسید مختلط، بخش اصلی ماده شکافتنی را تشکیل می‌دهد و اورانیوم ضعیف‌شده نقش ماتریس و حامل اکسیدی را ایفا می‌کند.

آیا سوخت اکسید مختلط از سوخت اکسید اورانیوم قوی‌تر است؟

اگر منظور از قوی‌تر، قابلیت تولید انرژی بیشتر باشد، پاسخ چندان ساده نیست. برای نمونه، انجمن جهانی انرژی هسته‌‌ای می‌گوید، سوخت اکسید مختلطی که حدود ۷ درصدش اکسید پلوتونیوم مناسب راکتور باشد، از نظر قابلیت سوختی تقریبا مشابه سوخت اورانیوم غنی‌‌شده معمولی است. مقدار دقیق پلوتونیوم به ترکیب ایزوتوپی آن و طراحی سوخت بستگی دارد.

نحوه دفع و نگهداری پسماند سوخت اکسید مختلط

پسماند سوخت اکسید مختلط از نظر نحوه نگهداری، با پسماند سایر سوخت‌های هسته‌ای تفاوتی ندارد. عناصر پسماند سوخت اکسید مختلط با رعایت قوانین خاص مستقیما به محفظه‌های ویژ‌ه‌ منتقل و سپس به مرکز ذخیره‌سازی زباله‌های پرتوزا منتقل می‌شود.

جمع‌‌بندی: سوخت اکسید مختلط (MOX) چیست و چگونه تولید می‌شود؟

دانستیم که سوخت اکسید مختلط (MOX) چیست و چرا و چگونه تولید می‌شود. خلاصه‌ آنچه گذشت، به‌‌شکل پرسش‌ و پاسخ‌‌ در جدول زیر ارائه شده است: