چرخه سوخت هستهای چیست و دارای چه مراحلی است؟
چرخه سوخت هستهای چیست
چرخه سوخت هستهای چیست: همه مراحل لازم برای تولید و به‌کارگیری سوخت هستهای، از استخراج اورانیوم گرفته تا مدیریت پس‌ماندهای آن را چرخه سوخت هستهای می‌گویند. گفتنی است که چرخه سوخت هستهای مراحل و فرآیندهای متعددی دارد. در فناوری هستهای، برای تولید سوخت هستهای، اورانیوم لازم است. اورانیوم پس از استخراج از معادن، تصفیه می‌شود تا ناخالصی‌های آن جدا شود و درجه خلوص آن افزایش یابد. اورانیوم را سپس طی مراحل خاصی به سوخت هستهای تبدیل می‌کنند. سوخت هستهای باید به راکتور برق هستهای خورانده شود تا بتواند برق تولید کند. پس از آن‌که سوخت هستهای راکتور مصرف شد، پس‌ماند یا زباله آن به‌جا می‌ماند. زباله هستهای را می‌توان بازیابی کرد تا مجددا از آن استفاده شود. گزینه دوم نیز مدیریت و نگهداری پس‌ماندها در محل ایمن و مناسب است تا پرتوهای رادیواکتیو آن به انسان‌ها و سایر موجودات و محیط آسیب نزند.
در ادامه، با جزییات بیشتری بیان می‌شود که چرخه سوخت هستهای چیست. همچنین به تفاوت چرخه باز و چرخه بسته سوخت هستهای اشاره و اضافه خواهدشد که مراحل و فرآیندهای مختلف در چرخه سوخت هستهای چیست.
جمهوری اسلامی ایران از معدود کشورهای جهان و تنها کشور در منطقه غرب آسیا است که فناوری چرخه کامل سوخت هستهای را در اختیار دارد.
مطلب مرتبط: اتم چیست: اجزا و ساختار اتم
تفاوت چرخه باز و بسته سوخت هستهای
- در چرخه بسته سوخت هستهای، پس‌ماند یا زباله هستهای بازیابی می‌شود و دوباره به‌کار می‌رود، لذا شیوه باصرفه‌ای است. ضمنا سوختی که پیش‌تر یک‌بار به کار رفته است، زباله‌های رادیواکتیو کمتری تولید می‌کند و لذا مدیریت زباله‌های حاصل از آن نیز ایمن‌تر است.
- در چرخه باز، پس‌ماند یا زباله سوخت هستهای بازیابی نمی‌شود، بلکه در محلی ایمن انبار می‌شود. مزیت این شیوه، ایمنی آن است زیرا در این مرحله، مواد رادیواکتیو حالت جامد دارند و لذا تولید سوخت اکسید شده ترکیبی یا MOX (مخفف Mixed Oxide) از آن در کارخانه رادیوشیمیایی خطری ندارد. در چرخه باز، مرحله پایانی را مدیریت پس‌ماندهای هستهای می‌نامند و نه نابودی پس‌ماندهای هستهای، زیرا بشر برای نابودی واقعی پس‌ماندهای هستهای هنوز هیچ راهی نیافته است و لذا در حال حاضر فقط می‌تواند پس‌ماندهای هستهای را به‌شکل ایمن نگهداری کند، طوری که پرتوهای رادیواکتیو آن به انسان و محیط آسیب نزند.
مطلب مرتبط: تبدیل اورانیوم به سوخت هستهای چه مراحلی دارد و چگونه انجام می‌شود؟
مراحل چرخه سوخت هستهای
چرخه سوخت هستهای مجموعه‌ای از مراحل تکرارپذیر است که برای تبدیل اورانیوم به سوخت هستهای و سپس مدیریت پس‌ماندهای آن انجام می‌شود. اولین مرحله در چرخه سوخت هستهای، استخراج اورانیوم و آخرین مرحله آن، مدیریت پس‌ماندها یا زباله‌های هستهای است.
چرخه سوخت هستهای برای تولید برق هستهای شامل چنین مراحلی است:
- استخراج اورانیوم
- جدا کردن اورانیوم از ناخالصی‌ها
- تولید کیک زرد (اکسید اورانیوم)
- تبدیل کیک زرد به گاز هگزافلوراید اورانیوم
- غنی‌سازی اورانیوم
- تولید سوخت هستهای (پودر دی‌اکسید اورانیوم و سپس قرص اورانیوم)
- انتقال قرص اورانیوم به راکتور برق هستهای
- تولید برق از سوخت هستهای
- تعمیر و نگهداری کارخانه تولید برق هستهای
- بیرون آوردن پس‌ماندها پس از مصرف سوخت هستهای
- نگهداری پس‌ماند هستهای در استخرهای ویژه و سپس بازفرآوری آن (در چرخه بسته)
- نگهداری پس‌ماند هستهای در استخرهای ویژه و سپس نگهداری آن در محل ایمن و دور از محیط (در چرخه باز)
مطلب مرتبط: انرژی هستهای چیست و چگونه تولید می‌شود: کاربردها و ویژگی‌ها
تصویر ۱. این تصویر، چرخه سوخت هستهای و تفاوت چرخه باز و چرخه بسته سوخت هستهای را نشان می‌دهد (برای دیدن تصویر در اندازه اصلی، روی عکس کلیک کنید.)
مطلب مرتبط: توربین بادی چیست و چگونه کار می‌کند و چه اجزایی دارد
توضیح فرآیندها و مراحل
استخراج سنگ معدنی اورانیوم و جدا کردن ناخالصی‌های آن، نخستین گام در چرخه سوخت هستهای است. سنگ معدنی اورانیوم حاوی مواد معدنی دیگری نیز هست که باید از اورانیوم جدا شود. برای این منظور، سنگ معدنی اورانیوم را پس از استخراج طی مراحلی، خرد می‌کنند و سپس می‌شویند تا اورانیوم خالص حاصل شود.
در مرحله بعد، اورانیوم نسبتا خالص پالایش می‌شود تا ناخالصی‌های جزئی آن نیز رفع شود و درجه خلوص اورانیوم افزایش یابد.
پس از آن‌که پالایش، شست‌وشو و خشک شدن اورانیوم، ماده‌ای موسوم به اکسید اورانیوم متراکم حاصل می‌شود که اصطلاحا به آن کیک زرد می‌گویند.
کیک زرد سپس به کارخانه‌های تبدیل و غنی‌سازی اورانیوم ارسال می‌شود. تبدیل (conversion) مرحله‌ای است که طی آن، کیک زرد به گاز هگزافلوراید اورانیوم تبدیل می‌شود. به مرحله جداسازی اورانیوم ۲۳۵ و ایزوتوپ‌های اورانیوم ۲۳۸ نیز غنی‌سازی (enrichment) می‌گویند. در مرحله غنی‌سازی، اورانیوم ۲۳۵ و ایزوتوپ‌های اورانیوم ۲۳۸ با کمک دستگاه‌های موسوم به سانریفیوژ از هم جدا می‌شوند. گفتنی است که به انواع اتم‌های یک عنصر که تعداد پروتون‌های یکسان اما تعداد نوترون‌های متفاوتی دارند، ایزوتوپ‌های آن عنصر می‌گوییم.
هگزافلوراید اورانیوم غنی‌سازی سپس به تاسیسات می‌رود تا از آن پودر دی‌اکسید اورانیوم تولید شود. پودر دی‌اکسید اورانیوم نیز نهایتا به قرص‌های کوچکی تبدیل می‌شود که همان سوخت نهایی است. این قرص‌ها در مجموعه لوله‌های ویژه‌ای با نام میله‌های سوختی جای می‌گیرند. جنس میله‌های سوختی در اصل، آلیاژ زیرکونیوم است. میله‌های سوختی حاوی قرص اورانیوم را درون راکتور جای می‌دهند. میله‌های سوخت بسته به کیفیت قلب راکتور، سال‌ها آن‌جا کار می‌کنند.
پس از آن‌که سوخت راکتور پایان یافت، پس‌ماند سوخت را از راکتور بیرون می‌آورند و آن را در استخرهای ویژه‌ای جای می‌دهند تا خنک شود. پس‌ماند هستهای را سپس می‌توان بازفرآوری و یا آن را با رعایت دستورالعمل‌های خاص به‌شکل ایمن نگهداری کرد.
مطلب مرتبط: هم‌جوشی هستهای در خورشید و ستارگان چیست و چگونه انجام می‌شود؟
نکات پایانی
مراحل چرخه سوخت هستهای با فناوری فعلی را به‌طور خلاصه می‌توان چنین برشمرد:
- استخراج اورانیوم
- جداسازی اورانیوم از ناخالصی‌ها
- غنی‌سازی اورانیوم
- تولید سوخت هستهای
- به‌کارگیری سوخت هستهای
- مدیریت پس‌ماند یا زباله هستهای (بازیابی و یا نابودسازی آن)
لازم به ذکر است که انرژی هستهای تنها یکی از وجود کاربردیِ فناوری هستهای است. خود انرژی هستهای علاوه بر تولید برق در چند حوزه دیگر از جمله در صنعت نیز کاربرد دارد. کاربردهای فناوری هستهای نیز متعدد و بعضاً راهبردی است.
مطلب مرتبط: موتور الکتریکی چیست و چگونه کار می‌کند
در راکتورهای فعلی برای تولید انرژی از شکافت هستهای استفاده می‌شود. 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. با این فناوری می‌توان انرژی عظیمی تولید کرد. اما در خورشید و سایر ستاره‌ها شکل دیگری از انرژی هستهای تولید می‌شود که به آن گداخت یا هم‌جوشی هستهای می‌گویند. انرژی حاصل از هم‌جوشی هستهای بسیار بیشتر از شکافت هستهای است اما پیاده‌سازی شرایطی شبیه شرایط خورشید در زمین، کاری بسیار سخت، خطرناک و پرهزینه است. در حال حاضر، راکتورهای هم‌جوشی هستهای در مرحله پژوهش و آزمایش هستند.
