چگونه اورانیوم به انرژی تبدیل می شود؟

هوپا/ اورانيوم طبيعي اصولا شامل مخلوطي از دو ايزوتوپ (نوع اتمي) از اورانيوم است. تنها 7/0 درصد از اورانيوم طبيعي، شکاف پذير و يا داراي قابليت شکاف پذيري است که با شکافته شدن در راکتورهاي هسته اي انرژي توليد مي کنند. ايزوتوپ اورانيوم شکاف پذير، اورانيوم نوع 235 (u-235) است و پس مانده آن اورانيوم 238 (u-238) است. در بيشتر انواع راکتورهاي معمولي هسته اي به اورانيوم 235 (u-235 که اورانيوم با غلظت بيش از حد طبيعي است) نياز دارند. عمليات غني سازي، غلظت اورانيوم را بيشتر مي کند. عموماً بين 5/3 تا 5 درصد اورانيوم 235 با بيرون آوردن 8 درصد از اورانيوم 238. اين عمل با جداسازي گازي هگزافلوريد اورانيوم در دو جريان انجام مي گيرد. يکي به اندازه لازم غني سازي مي شود و اورانيوم غني شده ضعيف ناميده مي شود و ديگري به اورانيوم 235 منتهي مي شود که به پس مانده معروف است. در عمليات غني سازي در مقياس هاي بزرگ تجاري وجود دارد، که هر کدام هگزافلوريد اورانيوم را به عنوان منبع استفاده مي کنند: نفوذ گازي و تفکيک گازي و هر دوي آنان از خواص فيزيکي مولکولي استفاده مي کنند. مخصوصا با 10 درصد اختلاف جرم، براي جداسازي ايزوتوپ ها محصول اين مرحله از چرخه سوختي هسته اي، اورانيوم هگزا فلوريد غني شده است که براي توليد اورانيوم اکسيد غني شده تغيير حال مجدد مي يابد. توليد و ساخت سوخت سوخت راکتور غالباً به شکل گلوله اي سراميکي است. اين گلوله ها از اورانيوم اکسيد که در دمايي بسيار بالا (بيش از 1400 درجه سانتيگراد) پخته شده است شکل مي گيرند. سپس گلوله ها در لوله هاي فلزي از ميله سوختي پوشانده مي شوند که در مجتمع هاي سوختي براي استفاده در راکتورها آماده هستند. ديمانسيون گلوله هاي سوختي و اجزاي ديگر مجتمع سوختي به دقت کنترل مي شوند تا از پايداري و دارا بودن آنان از خصوصيات دسته هاي سوختي اطمينان حاصل شود. در تأسيسات توليد سوخت توجه زيادي به شکل و اندازه مخزن هاي عملياتي مي شود تا از اتفاقات خطرناک جلوگيري شود. (يک زنجير محدود واکنش پرتو آزاد مي کند). با سوخت غني شده ضعيف امکان اتفاق افتادن اين حوادث بعيد به نظر مي رسد. اما در تأسيسات هسته اي بررسي سوخت هاي مخصوص براي تحقيقات راکتورها عملي حياتي است. توليد نيرو درون يک راکتور هسته اي اتم هاي اورانيوم 235 (u-235) شکافته مي شوند و در جريان عمليات پردازش انرژي آزاد مي کنند. اين انرژي اغلب براي حرارت دادن آب و تبديل کردن آن به بخار استفاده مي شود. بخار توربيني را که به ژنراتور متصل است به حرکت مي اندازد و باعث توليد الکتريسيته مي شود. مقداري از اورانيوم 238 (u-238 به شکل سوخت) در هسته و مرکز راکتور به پلوتونيوم تبديل مي شود و اين يک سوم انرژي در يک راکتور هسته اي معمولي را حاصل مي کند. شکافتن اورانيوم به عنوان منبع حرارت در راکتورها استفاده مي شود. همان گونه که سوزاندن زغال سنگ، گاز و يا نفت به عنوان سوخت فسيلي در تأسيسات نيرو استفاده مي شود. سوخت مصرف شده (خرج شده) با گذشت زمان، غلظت قطعات و عناصر سنگين شکافته شده مانند پلوتونيوم در مجموعه سوخت افزايش خواهد يافت تا جايي که ديگر هيچ سودي در استفاده دوباره از سوخت نيست. بنابراين پس از گذشت 12 الي 24 ماه سوخت مصرف شده از راکتور خارج مي شود. مقدار انرژي که از مجموعه سوختي توليد شده است با نوع راکتور و سياست و کارداني گرداننده راکتور تغيير مي کند. معمولا بيش از 45 ميليون کيلو وات ساعت الکتريسيته از يک تن اورانيوم طبيعي توليد مي شود. توليد اين مقدار انرژي الکتريکي با استفاده از سوخت هاي فسيلي ملزم به سوزاندن بيش از 20 هزار تن زغال سنگ سياه و 30 ميليون مترمکعب گاز است. انبار کردن سوخت مصرف شده وقتي يک مجموعه سوختي، از راکتور خارج مي شود از خود پرتو ساطع مي کند که اساساً بيشتر از شکافتن قطعات و حرارت آن است. سوخت مصرف شده فوراً در استخرهاي انبار که در اطراف راکتور براي کاهش ميزان پرتوزايي آن است تخليه مي شوند. در استخرها، آب جلوي پرتوزايي را مي گيرد و همچنين حرارت را به خود جذب مي کند. پردازش دوباره سوخت مصرف شده چيزي حدود 95 درصد اورانيوم 238 است ولي داراي حدود يک درصد اورانيوم 235 که شکافته شده نيز نيست، و در حدود يک درصد پلوتونيوم و سه درصد محصولات شکافته شده که در حد زيادي پرتوزا هستند و ديگر عناصر ترانزورانيک (که عدد اتمي بيشتري نسبت به اورانيوم دارد) که در راکتور شکل گرفته اند در دستگاه هاي دوباره سازي سوخت مصرف شده به سه جزء تشکيل دهنده خود تفکيک مي شوند: اورانيوم، پلوتونيوم و پس مانده که شامل محصولات شکافته شده است. دوباره سازي امکان بازسازي مجدد اورانيوم و پلوتونيوم به سوخت تازه را مي دهد و بخش عمده اي از پس مانده کاهيده را توليد مي کند. (مقايسه با به حساب آوردن کل سوخت مصرف شده به عنوان پس مانده) بازسازي مجدد اورانيوم و پلوتونيوم اورانيوم حاصل از دوباره سازي که معمولا غلظتي کمي بيشتر از اورانيوم 235 دارد و در طبيعت رخ مي دهد، مي تواند اگر نياز باشد پس از تبديل کردن و غني شدن به عنوان سوخت استفاده شود. پلوتونيوم مي تواند مستقيماً به MOX (سوخت مخلوط اکسيد) تبديل شود که در آن اورانيوم و پلوتونيوم مخلوط شده اند. در راکتورهايي که از سوخت MOX استفاده مي کنند، پلوتونيوم به جاي اورانيوم 235 جانشين سوخت اورانيوم اکسيد معمولي مي شود. تعدادي از کشورها در حال انجام مطالعاتي در زمينه تصميم گيري بهترين راه براي نزديک شدن به دفع سوخت مصرف شده و پس مانده هاي پس از دوباره سازي هستند. روش متداولي که امروزه استفاده مي شود قرار دادن سوخت مصرف شده در انبارهاي زيرزميني است: پس مانده ها پس مانده هاي حاصل از چرخه سوختي هسته اي در رده هاي: شديد، متوسط و کم دسته بندي مي شوند و اين تقسيم بندي براساس تشعشعات راديواکتيوي که از خود ساطع مي کنند، است. اين پس مانده ها از منابعي سرچشمه مي گيرند که شامل موارد زير است: پس مانده هاي رده پايين (Low-level) که در تمام مراحل چرخه سوختي توليد مي شوند. پس مانده هاي رده متوسط (Intermediat-level) که در جريان عملکرد راکتور و دوباره سازي توليد مي شوند. پس مانده هاي رده بالا (High-Level) که شامل محصولات شکافته شده حاصل از دوباره سازي و در بسياري از کشورها خود سوخت مصرف شده هستند. فرآيند غني سازي توليدات را به سوي تهي کردن اورانيوم هدايت مي کند. غلظت اورانيوم 235 به طور عمده کمتر از 7/0 درصد است که در طبيعت پيدا مي شود. تعداد کمي از اين مواد که اصولاً اورانيوم 238 هستند زماني استفاده مي شوند که چگالي بسيار زياد نياز است. مثل استحفاظ پرتوافشاني و گاهي استفاده در توليد سوخت Mox. در حالي که اورانيوم 238 قابل شکافتن نيست ماده اي پرتوافشاني کم است و بايد درمورد آن احتياط کرد، از اين رو يا آن را انبار و يا دفع مي کنند.