چگونه اورانیوم به انرژی تبدیل می شود؟

چگونه اورانیوم به انرژی تبدیل می شود؟

غنی سازی:

اورانیوم طبیعی اصولاً شامل مخلوطی از دو ایزوتوپ (نوع اتمی) از اورانیوم است. تنها 7/0 درصد از اورانیوم طبیعی شکاف پذیر و با دارای قابلیت شکاف پذیری است که با شکافته شدن در راکتورهای هسته‌‌‌‌‌‌ای انرژی تولید می‌کنند. ایزوتوپ اورانیوم شکاف پذیر اورانیوم نوع 225 (u-235) است و پس مانده آن اورانیوم 238 (u-238) است.
در بیشتر انواع راکتورهای معمولی هسته‌ای به اورانیوم 235 ( u-235) که اورانیوم با غلظت بیش از حد طبیعی است نیاز دارند. عملیات غنی سازی غلظت اورانیوم را بیشتر می‌کند عموماً بین 5/3 تا 5 درصد اورانیوم 235 با بیرون آوردن 8 درصد از اورانیوم 238 این عمل را جداسازی گازی هگزافلورید اورانیوم در دو جریان انجام می‌گیرد یکی به اندازه لازم غنی سازی می‌شود و اورانیوم غنی سازی ضعیف نامیده می‌شود و دیگری به اورانیوم 235 منتهی می‌شود که به پس مانده معروف است.
در عملیات غنی سازی د رمقیاس‌های بزرگ تجاری وجود دارد، که هر کدام هرگزافلورید اورانیوم به عنوان منبع استفاده می‌کنند: نفوذ گازی و تفکیک گازی و هر دوی آنان از خواص فیزیکی مولکولی استفاده می‌‌کنند. مخصوصاً با 10 درصد اختلاف جرم برای جداسازی ایزوتوپ ها محصول این مرحله از چرخه هسته‌ای اورانیوم هگرافلورید غنی شده است که برای تولید اورانیوم اکسید غنی شده تغییر حال مجدد می‌ یابد.

تولید و ساخت سوخت

سوخت راکتور غالباً به شکل گلوله‌ای سرامیکی است. این گلوله‌ها از اورانیوم اکسید که در دمایی بسیار بالا(بیش از 1400 درجه سانتیگراد) پخته شده است شکل می‌گیرند. سپس گلوله‌ها در لوله‌‌ های فلزی از میله سوختنی پوشانده می‌شوند که در مجتمع‌های سوختنی برای استفاده در راکتورها آماده هستند. دیمانسیون گلوله‌‌ های سوختنی و اجرای دیگر مجتمع سوختنی به دقت کنترل می‌شوند تا از پایداری و دارا بودن آنان از خصوصیات دسته‌های سوختنی اطمینان حاصل می‌شود.
در تاسیسات تولید سوخت توجه زیادی به شکل و اندازه مخزن های عملیاتی می‌‌شود تا از اتفاقات خطرناک جلوگیری شود.(یک زنجیر محدود واکنش پرتو آزاد می‌‌کند) با سوخت غنی شده ضعیف امکان اتفاق افتادن این حوادث بعید به نظر می‌رسد اما در تاسیسات هسته‌ای بررسی سوخت های مخصوص برای تحقیقات راکتورها عملی حیاتی است .

تولید نیرو

درون یک راکتور هسته‌‌‌ای اتم های اورانیوم 235 ( u-235) شکافته می‌‌شوند و در جریان عملیات پردازش انرژی آزاد می‌کنند این انرژی اغلب برای حرارت دادن آب و تبدییل کردن آن به بخار استفاده می‌شود.
بخار توربینی را که ژنراتور متصل است به حرکت می‌اندازد و باعث تولید الکتریسیته می‌شود. مقداری از اورانیوم (238 (u-238) به شکل سوخت ) در هسته‌ و مرکز راکتور به پلوتونیوم تبدیل می‌شود و این یک سوم انرژی در یک راکتور هسته‌ای معمولی را حاصل می‌کند شکافتن اورانیوم به عنوان منبع حرارت در راکتورها استفاده می‌شود همان گونه که سوزاندن زغال سنگ و یا نفت به عنوان سوخت فسیلی در تاسیسات نیرو استفاده می‌شود.

سوخت مصرف شده(خرج شده)

با گذشت زمان غلظت قطعات و عناصر سنگین شکافته شده مانند پلوتوبیوم در مجموعه سوخت افزایش خواهد یافت تا جایی که دیگر هیچ سودی در استفاده دوباره از سوخت نیست. بنابراین پس از گذشت 12 الی 24 ماه سوخت مصرف شده از راکتور خارج می‌‌شود. مقدار انرژی که از مجموعه سوختنی تولید شده است با نوع راکتور و سیاست و کاردانی گرداننده راکتور تغییر می‌‌کند.
معمولاً بیش از 45 میلیون کیلو وات ساعت الکتریسیته از یک تن اورانیوم طبیعی تولید می‌‌شود تولید این مقدار انرژی الکتریکی با استفاده از سوخت‌های فسیلی ملزم به سوزاندن بیش از 20 هزار تن زغال سنگ سیاه و 30 میلیون متر مکعب گاز است.

انبار کردن سوخت مصرف شده

وقتی یک مجموعه سوختنی از راکتور خارج می‌شود از خود پرتو ساطع می‌کند که اساساً بیشتر از شکافتن قطعات و حرارات آن است. سوخت مصرف شده فوراً در استخرهای انبار که در اطراف راکتور برای کاهش میزان پرتوزایی آن است تخلیه می‌‌شوند در استخرها، آب جلوی پرتوزایی را می‌گیرد و همچنین حرارت را به خود جذب می‌کند.
سوخت مصرف شده در چنین استخرهایی برای ماه‌ها و یا سال‌ها نگه داشته می‌‌شوند.
وابسته به سیاست کشورهای مختلف در بعضی از آنها مقداری از سوخت مصرف شده به امکانات و تاسیسات انبار مرکزی انتقال می‌‌‌ یابند. سرانجام مصرف شده یا باید دوباره پردازش شود و یا برای دفع آماده شود.

پردازش دوباره

سوخت مصرف شده چیزی حدود 95 درصد اورانیوم 238 است ولی دارای حدود یک درصد اورانیوم 235 که شکافته شده نیز نیست و در حدود یک درصد بلوتونیوم و سه محصولات شکافته شده که در حد زیادی پرتوزا هشتند و دیگر عناصر تزورانیک (که عدد اتمی بیشتری نسبت به اورانیوم دارد) که در راکتور شکل گرفته‌اند در دستگاههای دوباره سازی سوخت مصرف شده است به سه جزء تشکیل دهنده خود تفکیک می‌شوند: اورانیوم و پس مانده که شامل محصولات شکافته شده است دوباره سازی امکان بازسازی مجدد اورانیوم و پلوتونیوم به سوخت تازه را می‌دهد و بخش عمده‌ ای از پس مانده کاهیده را تولید می‌‌کند. (مقایسه با به حساب آوردن کل سوخت مصرف شده به عنوان پس مانده)

بازسازی مجدد اورانیوم و پلوتونیوم

اورانیوم حاصل از دوباره سازی که معمولاً غلظتی کمی بیشتر از اورانیوم 235 دارد و در طبیعت رخ می‌دهد. می‌تواند اگر نیاز باشد پس از تبدیل کردن و غنی شدن به عنوان سوخت استفاده شود پلوتونیوم می‌تواند مستقیماً به MOX (سوخت مخلوط اکسید) تبدیل شود که در آن اورانیوم و پلوتیوم مخلوط شده‌‌اند.
در راکتاورهایی که از سوخت MOX استفاده می‌کنند بلوتونیوم به جای اورانیوم 235 جانشین سوخت اورانیوم اکسید و معمولی می‌‌شود.

دفع سوخت مصرف شده

در حال حاضر هیچ گونه امکاناتی برای دفع سوخت مصرف شده (برخلاف امکانات انبارسازی) وجود ندارد که برای دوباره سازی استفاده می‌شود و پس مانده به جا مانده از دوباره سازی می توانند در محلی انباشته شوند. هر چند نتایج فنی و تکنیکی مرتبط با دفع سوخت ثابت کرده‌اند که هیچ احساسی به تاسیس چنین امکاناتی در برابر حجم کم پس مانده‌ها نیست. انبار کردن با توجه به کاهش در حال رشد پرتوزایی برای مدت طولانی آسان‌تر است. همچنین مقاومت مغناطیسی در سوخت دفع شده وجود دارد. چون منبع توجهی از انرژی در آن است که می‌‌‌تواند دوباره فرآوری شود و امکان بازیافت دوباره را به اورانیوم و پلوتونیوم بدهد.
تعدادی از کشورها در حال انجام مطالعاتی در زمینه تصمیم گیری بهترین راه برای نزدیک شدن به دفع سوخت مصرف شده و پس مانده‌های پس از دوباره‌‌سازی هستند. روش متداولی که امروزه استفاده می‌‌‌شود قرار دادن سوخت مصرف شده در انبارهای زیر زمینی است:

پس مانده‌‌ها

پس مانده‌‌های حاصل از چرخه سوختنی هسته‌‌‌‌ای در رده‌‌‌‌‌های: شدید، متوسط و کم دسته‌بندی می‌‌‌شوند و این تقسیم بندی بر اساس تشعشعات رادیواکتیوی که از خود ساطع می‌‌‌‌‌کنند، است.
این پس مانده‌‌‌ها منابعی سرچشمه می‌گیرند که شامل موارد زیر است:
پس مانده‌‌های رده پائین (LOW-level) که در تمام مراحل چرخه سوختنی تولید می‌‌‌‌‌شوند.
پس مانده‌‌‌‌های رده متوسط (Intemediat-level) که در جریان عملکرد راکتور و دوباره سازی تولید می‌‌‌‌شوند.
پس مانده‌‌های رده بالا (High-level) که شامل محصولات شکافته شده حاصل از دوباره سازی و در بسیاری از کشورها خود سوخت مصرف شده هستند.
فرآیند غنی سازی تولیدات را به سوی تهی کردن اورانیوم هدایت می‌‌‌کند. غلظت اورانیوم 235 به طور عمده کمتر از 7/0 درصد است که در طبیعت پیدا می‌‌شود. تعداد کمی از این مواد که اصولاً اورانیوم 238 هستند زمانی استفاده می‌‌‌شوند که چگالی بسیار زیاد نیاز است. مثل استحفاظ پرتوافشانی و گاهی استفاده در تولید سوخت MOX در حالی که اورانیوم 238 قابل شکافتن نیست ماده‌‌‌ای پرتوافشانی کم استو باید در مورد آن احتیاط کرد. از این رو یا آن انبار و با دفع می‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌کنند.

میزان مواد موجود در چرخه سوختنی هسته‌‌‌ای

موارد زیر فرضیات مختلفی ایجاد می‌‌‌‌کنند.(پاورقی شماره 2 را ملاحظه فرمایید) اما مورد ملاحظه عملکرد راکتور انرژی هسته‌‌‌‌ای NWE1000 قرار می‌‌‌گیرند.
20000 تن از یک درصد سنگ معدن اورانیوم استخراج
230 تن اورانیوم اکسید غلیظ شده(همراه 195 تن اورانیوم ) آسیاب سازی
288 تن UF6 (همراه 24 تن اورانیوم ) تبدیل کردن
35 تن UF6 (همراه 24 تن اوارنیوم غنی شده)) غنی سازی
27 تن UO2 (همراه 24 تن اورانیوم غنی شده) ساخت و تولید سوخت
7000 میلیون کیلووات ساعت (KWh) نیروی الکتریسیته عملکرد راکتور
27 تن شامل 240 کیلوگرم بلوتونیوم 23 تن اورانیوم 720 کیلوگرم محصولات شکافتی همچنین ترانزورانیک سوخت مصرف شده.

پی نوشت :

1. غلیظ کننده‌‌های اورانیوم بعضی اوقات در شرایط قرار می‌گیرند که حجم آن(مخلوطی از دو محصول خالص حدودای 85 درصد فلز اورانیوم است.
2. غلظت اورانیوم 80 درصد است. غنی سازی در 4 درصد اورانیوم 235 به همراه 3 درصد دنباله آزمایش شده 80 درصدد برای عملکرد راکتور بارگزاری می‌شوند، در هسته راکتور 72 تن اورانیوم بارگزاری می‌‌‌شوند، سوخت گیری سالانه است و هر سال یک سوم سوت را عوض می‌کنند.