انرژی هسته ای از معدن تا نیروگاه
استفاده از انرژی هسته‌ای برای تولید برق روشی پیچیده اما کارامد برای تامین انرژی مورد نیاز بشر است. به طور کلی برای بهره‌برداری از انرژی هسته‌ای در نیروگاههای هسته‌ای، از عنصر اورانیوم غنی شده به عنوان سوخت در راکتورهای هسته‌ای استفاده می‌شود که ماحصل عملکرد نیروگاه، انرژی الکتریسته است. عنصر اورانیوم که از معادن استخراج می‌شود به صورت طبیعی در راکتورهای نیروگاه‌ها قابل استفاده نیست و به همین منظور باید آن را به روشهای مختلف به شرایط ایده عال برای قرار گرفتن درون راکتور آماده کرد. اورانیوم یکی از عناصر شیمیایی جدول تناوبی است که نماد آن Uو عدد اتمی آن ۹۲است. این عنصر دارای دمای ذوب هزار و ۴۵۰درجه سانتیگراد بوده و به رنگ سفید مایل به نقره‌ای، سنگین، فلزی و رادیواکتیو است و به رغم تصور عام، فراوانی آن در طبیعت حتی از عناصری از قبیل جیوه، طلا و نقره نیز بیشتر است.
عنصر اورانیوم در طبیعت دارای ایزوتوپهای مختلف از جمله دو ایزوتوپ مهم و پایدار اورانیوم ۲۳۵و اورانیوم ۲۳۸است. برای درک مفهوم ایزوتوپهای مختلف از هر عنصر باید بدانیم که اتم تمامی عناصر از سه ذره اصلی پروتون، الکترون و نوترون ساخته می‌شوند که در تمامی ایزوتوپهای مختلف یک عنصر، تعداد پروتونهای هسته اتمها با هم برابر است و‌تفاوتی که سبب بوجود آمدن ایزوتوپهای مختلف از یک عنصر می‌شود ، اختلاف تعداد نوترونهای موجود در هسته اتم است. به طورمثال تمامی ایزوتوپهای عنصر اورانیوم در هسته خود دارای ۹۲ پروتون هستند اما ایزوتوپ اورانیوم ۲۳۸در هسته خود دارای ۱۴۶نوترون ( (۹۲+۱۴۶=۲۳۸و ایزوتوپ اورانیوم ۲۳۵دارای ۱۴۳نوترون( (۹۲+۱۴۳=۲۳۵در هسته خود است.
اورانیوم ۲۳۵مهمترین ماده مورد نیاز راکتورهای هسته‌ای(برای شکافته شدن و تولید انرژی) است اما مشکل کار اینجاست که اورانیوم استخراج شده از معدن ترکیبی از ایزوتوپهای ۲۳۸و ۲۳۵بوده که در این میان سهم ایزوتوپ ۲۳۵بسیار اندک(حدود ۰/۷درصد) است و به همین علت باید برای تهیه سوخت راکتورهای هسته‌ای به روشهای مختلف درصد اوانیوم ۲۳۵را در مقایسه با اورانیوم ۲۳۸بالا برده و بسته به نوع راکتور هسته‌ای به ۲تا ۵درصد رساند و به اصطلاح اورانیوم را غنی‌سازی کرد.
درون راکتورهای هسته‌ای، هسته اورانیوم ۲۳۵به صورت کنترل شده شکسته شده که در این فرایند مقداری جرم به انرژی تبدیل می‌شود. همین انرژی سبب ایجاد حرارت(اغلب از این حرارت برای تبخیر آب استفاده می‌شود) و در نتیجه چرخیدن توربینها و در نهایت چرخیدن ژنراتورهای نیروگاه و تولید برق می‌شود.
در نیروگاههای غیر هسته‌ای، از سوزاندن سوختهای فسیلی از قبیل نفت و یا زغال سنگ برای گرم کردن آب و تولید بخار استفاده می‌شود که یک مقایسه ساده میان نیروگاههای هسته‌ای و غیر هسته‌ای، صرفه اقتصادی قابل توجه نیروگاههای هسته‌ای را اثبات می‌کند.
به طور مثال، برای تولید ۷۰۰۰مگاوات برق حدود ۱۹۰میلیون بشکه نفت خام مصرف می‌شود که استفاده از سوخت هسته‌ای برای تولید همین میزان انرژی سالیانه میلونها دلار صرفه جویی به دنبال دارد و به علاوه میزان آلایندگی زیست محیطی آن نیز بسیار کمتر است.
کافی است بدانیم که مصرف این ۱۹۰میلیون بشکه نفت خام برای تولید ۷۰۰۰مگاوات برق، ۱۵۷هزار تن گاز گلخانه‌ای دی اکسید کربن، ۱۵۰تن ذرات معلق در هوا، ۱۳۰تن گوگرد و ۵تن اکسید نیتروژن در محیط زیست پراکنده می‌کند که نیروگاههای هسته‌ای این آلودگی‌ها را ندارند. پس از آشنایی با مفاهیم کلی انرژی هسته‌ای و مزایای آن، ابتدا با مراحل مختلف چرخه سوخت هسته‌ای آشنا می‌شویم و سپس نحوه استفاده از سوخت هسته‌ای درون راکتور را مرور می‌کنیم.
چرخه سوخت هسته‌ای عبارت است از:
۱ - فراوری سنگ معدن اورانیوم
2- تبدیل و غنی‌سازی اورانیوم
3- تولید سوخت هسته‌ای
4- بازفرآوری سوخت مصرف شده.
در حال حاضر چند کشور صنعتی جهان هر کدام در یک، چند و یا همه چهار مرحله یاد شده از چرخه سوخت هسته‌ای فعالیت می‌کنند.
هم اکنون به لحاظ صنعتی، کشورهای فرانسه، ژاپن، روسیه، آمریکا و انگلیس دارای تمامی مراحل چرخه سوخت هسته‌ای در مقیاس صنعتی هستند و در مقیاس غیرصنعتی، کشورهای دیگری مثل هند نیز به لیست فوق اضافه می‌شوند.
کشورهای کانادا و فرانسه در مجموع دارای بزرگترین کارخانه‌های تبدیل اورانیوم(مرحله پیش از غنی‌سازی ) هستند که محصولات آنها شاملUO3,UO2,UF6 غنی نشده می‌باشد و پس از آنها به ترتیب کشورهای آمریکا، روسیه و انگلستان قرار دارند. در زمینه غنی‌سازی نیز، دو کشور آمریکا و روسیه دارای بزرگترین شبکه غنی‌سازی جهان هستند.
آمریکا هم اکنون بزرگترین تولیدکننده سوخت هسته‌ای(مرحله بعد از غنی سازی) در جهان است و پس از آمریکا، کانادا تولیدکننده اصلی سوخت هسته‌ای در جهان محسوب می‌شود. پس از آمریکا و کانادا، کشورهای انگلیس، روسیه، ژاپن، فرانسه، آلمان، هند، کره جنوبی و سوئد از تولیدکنندگان اصلی سوخت هسته‌ای جهان هستند. آمریکا بیشترین سهم بازفراوری سوخت مصرف شده هسته‌ای در جهان را داراست و پس از آن فرانسه، انگلیس، روسیه، هند و ژاپن قرار دارند. درحال حاضر بین کشورهای جهان سوم، هندوستان پیشرفته‌ترین کشور در زمینه دانش فنی چرخه سوخت هسته‌ای است.
چرخه سوخت هسته‌ای:
1- استخراج اوانیوم از معدن و تهیه کیک زرد(مرحله فراوری سنگ معدن اورانیوم) عنصر اورانیوم در طبیعت به صورت ترکیبات شیمیایی مختلف از جمله اکسید اورانیوم، سیلیکات اورانیوم و یا فسفات اورانیوم و به صورت مخلوط با ترکیباتی از عناصر دیگر یافت می‌شود.در میان کشورهای مختلف جهان، استرالیا دارای بزرگترین معادن اورانیوم است و کشورهای قزاقستان، کانادا، آفریقای جنوبی، نامیبیا، برزیل و روسیه نیز از معادن بزرگی برخوردارند.
مواد معدنی حاوی اورانیوم با استفاده از روشهای معدن‌کاوی زیرزمینی و یا روزمینی استخراج شده و سپس طی فرایندهای مکانیکی و شیمیایی موسوم به “آسیاب کردن” و “کوبیدن” از دیگر عناصر جدا می‌شوند.
اورانیوم پس از استخراج تفکیک، کوبیده، خرد و به شکل پودر درآمده و سپس برای تولید ماده موسوم به “کیک زرد” Yellowcakeمورد استفاده قرار می گیرد.
کیک زرد در واقع محصول فراوری سنگ معدن ارونیوم است و به ترکیباتی از اورانیوم گفته می‌شود که ناخالصی‌های معدنی آن به میزان زیادی گرفته شده و حاوی ۷۰تا ۹۰درصد اکسید اورانیوم از نوع U3O8است.
2- فراوری کیک زرد و تولید هگزافلورید اورانیوم و آغاز غنی‌سازی (مرحله تبدیل و غنی‌سازی ) کیک زرد در این مرحله هنوز دارای ناخالصی‌هایی است که توسط روشهای مختلف این ناخالصی‌ها کاسته شده و پس از طی فرایندهای شیمیایی نسبتا پیچیده، از شکل معدنی U3O8به UO3تری اکسید اروانیوم و سپس UO2دی اکسید اورانیوم در می‌آید که این ترکیب آخر نیز به دو روش موسوم به روش تر و روش خشک برای تولید ماده مورد نیاز در فرایند غنی‌سازی، یعنی هگزافلورید اورانیوم UF6 به کار گرفته می‌شود. در صنعت به این دلیل عنصر اورانیوم را به صورت ترکیب هگزافلورید اورانیومUF6در می‌آورند که ماده مذکور بهترین ترکیب اورانیوم برای استفاده در روشهای مهم غنی سازی اورانیوم محسوب می‌شود. در روشهای مرسوم غنی‌سازی اورانیوم، باید از حالت گازی ترکیبات این عنصر استفاده کرد و هگزافلورید اورانیوم در دمای ۵۶درجه سانتیگراد به راحتی تصعید شده و از حالت جامد به حالت گاز در می‌آید که این گاز برای دستیابی به درصد بالاتر ایزوتوپ ۲۳۵اورانیوم، قابل غنی‌سازی است.