سوخت هسته ای

همه چیز درباره سوخت هسته ای 

در این روزها موضوعات بحثهای داغ هسته ای بیشتر روی محور تهیه سوخت هسته ای می گردد در نتیجه بر آن شدیم تا درباره سوخت هسته ای مطالبی را برای آشنایی بیشتر مخاطبان بیاوریم.

مراحل ساخت سوخت

مراحل ساخت سوخت پس از تبدیل مجدد و انجام فرآیند تهیه اکسید اورانیم به صورت پودر مورد نظر با مشخصات و ویژگی های لازم برای واکنش شکافت با راندمان موثر و ایجاد حرارت عبارتند از:

فشرده سازی پودر اکسید اورانیم

سخت کردن قرص با فرآیندهای حرارتی و متالوژی

سایش

بازدید ظواهر و ابعاد

جوشکاری سر میله

تزریق هلیم

بازدید

بازدید ابعاد

آزمون نشت هلیم

آزمون یا اشعه ایکس

اسکن و آزمون دقیق

جوشکاری انتهایی میله

بازدید جوشکاری

 

 مدیریت سوخت

در واقع در این بخش از سیکل سوخت هسته ای نتایج کلیه فعالیت ها، در اینجا به عنوان اصلی ترین بخش از سیکل سوخت هسته ای باید منجر به نتیجه گردد، در جایی که منظور اصلی از تمامی فعالیت های پیشین و پسین در آن تمرکز داشته و به نحوی محقق می شود، که همان تولید انرژی است. مسلماً در این نقطه عطف، به یک مدیریت علمی و مهندسی منضبط نیاز است که بهره برداری بهینه را، در تلاش های متمرکز شده، به عمل آورد. لذا سعی می شود در زیر توضیح متناسبی درباره آن داده شود.

اصول فیزیکی راکتورها این است که در ضمن ساطع شدن تشعشع حاصل از فرآیند شکافت نوکلوییدهای اورانیم-235، انرژی و محصولات شکافت تولید می شوند. انرژی حاصل از نوع انرژی حرارتی می باشد. این حرارت توسط خنک کننده از اطراف مجتمع های سوخت به مدار تولید بخار که به توربین ارتباط دارد انتقال می یابد.

قلب راکتور، بسته ها یا مجموعه های سوخت را که دارای درجات متفاوتی از اورانیم غنی شده هستند در خود جای می دهد. بطور معمول آرایش و قرار گرفتن سوخت ها بدین ترتیب است که در مرکز قلب راکتور، سوخت های غنی تر و در محل های دورتر از قلب راکتور، سوخت هایی با غنای کمتر قرار می گیرند. زمان های تشعشع، میزان سوخت و سوخت گیری مجدد نوعی ارتباط نزدیک و نسبتاً پیچیده با یکدیگر دارند. و تنظیم آن ها بنحوی است که بهینه ترین بازدهی را از خود بروز دهند. مجموع زمان تشعشع و استفاده سوخت ها در راکتور حدود 3 سال است، با تلاش برای اینکه ضریب بهره گیری هر چه بیشتر افزایش یابد. تحت چنین رژیمی یک سوم سوخت هر سال تعویض شده و دو سوم دیگر آرایش مجدد می گیرند.

به عنوان مثال یک راکتور 1300 مگاواتی آب سبک دارای قلبی با قطر و ارتفاع حدود 4 متر می باشد که 240 مجموعه سوخت، هر یک شامل 200 میله سوخت و هر میله سوخت قرص هایی با قطر حدود یک سانتی متر را درون (میله های زیر کالوی) خود جای می دهند. بطور متوسط اورانیم طبیعی مورد نیاز حدود 140 تن برای یک راکتور 1000 مگاواتی در سال می باشد. البته این نیاز بر اساس درجه میزان سوخت و برخی از امکانات، نوع راکتور و استراتژی سوخت مصرف شده، تغییر می کند.

 

سوخت مصرف شده

در مدتی که سوخت های هسته ای در راکتور قرار گرفته اند، در اثر واکنش های زنجیره شکافت تولید حرارت می نمایند. در عین حال پرتوگیری بسیار زیادی نیز بر آن تحمیل شده و پس از مدتی به اصطلاح سوخته شده و رادیو اکتیویته آن کاهش می یابد. به عبارتی اورانیم آن مصرف شده و محصولات شکافت در آن تجمع پیدا می کنند. این مواد از این پس برای اتم های اورانیم- 235 به دلیل جاذب نوترون های حاصل از شکافت، مواد مسموم کننده محسوب شده و سبب کاهش ضریب ازدیاد نوترون و رادیو اکتیوینه می شوند. لذا در این موقع مجموعه های سوخت که کمترین اکتیویته را دارند، به عنوان سوخت های مصرف شده از راکتور خارج می شوند. این سوخت های مصرف شده تقریباً غیر محتمل است که بتوانند بحرانی شوند یا واکنش زنجیره ای نگهدارنده ای را به وجود آورند. به همین دلیل از این پس حمل و نقل آنها به دلیل نزدیک هم قرار دادن آن ها به مراتب آسان تر انجام می پذیرد.

زمانی که سوخت های مصرف شده از راکتور خارج می شوند به دلیل تشعشعات یا پرتوهای ناشی از پاره های شکافت و حرارت زیاد، قرار دادن آن در نزدیکی راکتور درون استخر آب برای مدتی اجتناب ناپذیر است. در یک مدت معقولی، از سطح این تشعشعات و حرارت به میزان قابل توجهی کاسته می شود. محل های نگهداری یا داخل راکتوراست که اصطلاحاً به AR و یا بیرون از راکتور است که به AFR موسوم است. این امکانات چه در داخل و یا خارج از راکتور باشند. شامل یک استخر بزرگ آب است. آب هم به عنوان یک محافظ در مقابل پرتوها و هم به عنوان جذب کننده حرارت ساطع شده از سوخت عمل می کند.

معمولاً برای نگهداری های طولانی تر از امکانات بیرون از راکتور استفاده می شود که ممکن است، همان استخر بزرگ آب باشد یا احتمالا در انبارهای خشک نگهداری شوند. مثلاً این نیازها از هر نوعی که باشند ( تر یا خشک) علاوه بر خنک کردن و ایمنی ناشی از پرتوها باید امکان بررسی هایی نظیر تغییراتی که ممکن است در انبار پیش آید و در نظر گرفتن آن نسبت به مرفولوژی سطح زمین، بازدید روزمره و انتقال و استفاده مجدد آن ها امکان پذیر باشد.

نهایتاً پس از گذشت زمان کافی در این انبارهای واسطه ای این سوخت ها برای بازفرآوری یا دفن دایمی به مراکز مربوطه انتقال می یابند.

باز فرآوری سوخت هسته ای

 

از آنجایی که سوخت های مصرف شده در راکتورهای اتمی حائز بیشترین مقدار و بیشترین رادیو اکتیوینه حاصل از فعالیت های هسته ای هستند، بدیهی است بیشترین نگرانی بشر هم در این تکنولوژی، ناشی از این مواد باشد.

 لذا عملیات بازفرآوری سوخت و پسمانداری به دلیل اهمیت فوق العاده آن بنا بر سیاست های کشوری و منافع ملی ممکن است به روش های مختلف با آن ها رفتار شود.

- چنانچه  این پسمان ها یا سوخت های مصرف شده پس از یک مدت نگهداری نسبتاً طولانی در استخرها و یا ساختمان های (انبارها) مخصوص برای همیشه دفن شوند به آن سیکل سوخت باز گفته می شود.

- چنانچه این سوخت های مصرف شده پس از مدتی مورد باز فرآوری جهت استفاده مجدد از اورانیم باقیمانده و پلوتونیم تولید شده، قرار گیرند. به آن سیکل سوخت بسته می گویند.

- در عین حال ممکن است در مواردی مثل راکتورهای زاینده سریع که سوخت آن ها از اورانیم نهی شده و پلوتونیم استفاده می شود. چنانچه سوخت مصرف شده و پوشش آن جدا شده و مورد بازفرآوری قرار گیرد. باز هم به آن، تکنیک دیگری از سیکل سوخت بسته اطلاق می گردد. شکل های 5- 35 به ترتیب از بالا و از راست به چپ روش های اول، دوم و سوم را نشان می دهند.

سوخت های مصرف شده شامل 95 درصد از اورانیم -238، مقادیری از اورانیم- 235 شکافته نشده، پلوتونیم و محصولات حاصل از شکافت می باشند که خیلی هم رادیو اکتیو هستند. در طی فرآیند باز فرآوری، این سوخت ها به سه دسته تقسیم می شوند: اورانیم، پلوتونیم و پسماند حاوی محصولات شکافت. در جریان عملیات باز فرآوری، حجم پسماند ها به میزان قابل توجهی کاهش داده می شوند.

اورانیم حاصل از باز فرآوری که معمولاً دارای اورانیم- 235 بیشتری از مقدار طبیعی آن است، در صورت لزوم می تواند پس از عملیات تبدیل و غنی سازی مجدد، مورد استفاده قرار گیرد. پلوتونیم حاصل می تواند در سوخت مخلوط که در آن اکسیدهای اورانیم و پلوتونیم مخلوط شده اند مورد استفاده قرار گیرد. در راکتورهای MOX پلوتونیم جانشین اورانیم- 235 به عنوان ماده شکافت پذیر می شود، که تولید حرارت برای دستگاه مولد بخار و تولید نوترون برای حفظ زنجیره واکنش شکافت می نماید.

 

 باز فرآوری پورکس                                                          

تمام واحدهای صنعتی و تجاری بازفرآوری، فرآیند پورکس را مورد استفاده قرار داده اند که طی پیش از سی سال، درستی و انطباق آن با خواسته های ملی و بین المللی به اثبات رسیده است.

در این روش ابتدا سوخت مصرف شده جهت انحلال در اسید نیتریک داغ و غلیظ قطعه قطعه می شود. در اولین مرحله اورانیم و پلوتونیم در محلول اسید نیتریک از محصولات شکافت در یک جریان حرکت متقابل با استخراج حلالی تری پوتیل فسفات حل شده در کروسین یادودکان جدا می شوند. در یک ستون ضربه ای اورانیم و پلوتونیم وارد فاز آلی شده در حالیکه محصولات شکافت و سایر عناصر در فاز آلی باقی می مانند. در ستون ضربه ای دیگری (دومی) اورانیم از پلوتونیم از طریق احیاء اورانیم توسط اورانیم چهار ظرفیتی افزوده شده به فاز آبی جدا می شود. سپس پلوتونیم به فاز آبی منتقل می شود، در حالیکه مخلوط U  U  در فاز آلی باقی می مانند. در اینجا اورانیم از فاز آلی توسط محلول اسید نیتریک رقیق به این محیط انتقال می یابد. نیترات پلوتونیم با عمل تبخیر کردن، تغلیظ شده و سپس طی یک فرآیند بعدی به صورت اگزالات رسوب داده می شود و بلاخره در نتیجه عمل کلسیناسیون به پودر PuO تبدیل می شود. به همین طریق نیترات اورانیم از طریق تبخیر و کلسینه شدن به پودر UO تبدیل می شود. محصول جدید با احیا توسط هیدروژن به اکسید اورانیم UO تبدیل می شود. سایر مواد حاصل از این فرآیند به صورت پسمان های هسته ای پس از مدتی نگهداری در انبارهای مخصوص دفن می شوند. اکسیدهای اورانیم و پلوتونیم باز یافت شده ممکن است به صورت سوخت MOX مورد استفاده قرار گیرند. برای اختلاط صحیح، این اکسیدها طی یک عمل آسیاب شدن یک محلول جامد U-PuO را تشکیل خواهند داد. از این محصول قرص های سوخت که سیتز می شوند، ساخته شده و در میله های سوخت قرار خواهند گرفت.

محلول های حاوی رادیو اکتیویته زیاد پس از چند دور استخراج (حدود 5 متر مکعب/ تن از سوخت مصرف شده) با عمل تبخیر و تغلیظ به حدود 500- 250 لیتر رسانده می شوند. این محلول، غلیظ مجدداً برای مدتی حدود چند سال در تانک های حفاظت شده و در حرارت معمولی نگهداری می شود. این محلول پس از کلسینه شدن حدود 35 کیلوگرم جامد از آن حاصل می گردد که با سیلیکات بر تبدیل به حالت شیشه ای می شود. این شیشه حدود 11 درصد از اکسیدهای رادیو اکتیو را در خود دارد. این محصول می تواند به ظرف های فولاد زنگ نزن منتقل شده و پس از جوش دادن درب این ظروف، آن ها را در سیلوهایی واقع در ده ها متر در اعماق زمین نگهداری کرد.

 

 

 

 

هوای پاک با خودروهای هسته ای

 

از این پس و به لطف فناوری‌های نوین در عرصه دانش انرژی هسته‌ای ، می‌توان ابعاد جدیدی از کاربردهای بالقوه این انرژی قدرتمند را انتظار کشید که طی آن از تاسیسات و تجهیزات عریض و طویل متعارف و هیبت بزرگ رآکتورهای هسته‌ای برای به‌کار‌گیری‌ سوخت اتمی دیگر خبری نیست و کار به جایی می‌رسد که استفاده از انرژی هسته‌ای را می‌توان در هیاتی متفاوت به سوی کاربردهای دم دستی و قابل حمل سوق داد.

تحقیقات دانشمندان از فرم تازه کشف شده‌ای از اورانیوم حکایت دارد که می‌تواند نیروگاه‌های برق هسته‌ای را تا حد جای گرفتن در خودروی شما و نهایتا توانبخشی به آن کوچک‌سازی کند. به این ترتیب با معرفی نوع جدیدی از ملکول اورانیوم می‌توان دستیابی به اهداف بسیار ارزنده‌ای همچون داروها و سوخت هسته‌ای ارزان‌تر، خردتر و البته ایمن‌تر را نوید داد. در همین رابطه دانشمندان آزمایشگاه لوس آلاموس توانسته‌اند ملکول جدیدی از فرم شناخته شده نیترید اورانیوم را ارائه کنند که از سال‌ها قبل هدف مطالعه و جستجوی محققان بوده است، اما ماجرا به کشف این فرم جدید اورانیوم خلاصه نمی‌شود و این ملکول جدید علاوه بر مطرح کردن گزینه سوخت هسته‌ای ارزان‌تر و ایمن‌تر، می‌تواند از سوخت‌های فسیلی انرژی بیشتری استخراج کند و در نتیجه خودروها را به لحاظ کارآمدی سوخت در جایگاه ایده‌آل‌تری قرار دهد و البته جدا از کاربرد سوختی و توانبخشی به وسایل نقلیه می‌تواند به ارائه داروهای کارآمد ارزان‌تر نیز بینجامد.

این کشف جدید در حالی نوید دستاوردهای قابل ملاحظه‌ای از انرژی هسته‌ای پاک در آینده را می‌دهد که به گفته سرپرست گروه تحقیقاتی که شرح کشفیات آنها طی مقاله‌ای در شماره تازه ژورنال تخصصی شیمی طبیعت آمده است، نیتریدهای آکتینیدی (خانواده‌ای از ترکیبات رادیواکتیوی) نامزد اصلی سوخت‌های هسته‌ای آینده محسوب می‌شوند، ضمن این که چنین ترکیباتی قادرند پیوندهای کربن ـ هیدروژن را که بسیار محکم هستند نیز بشکنند. در واقع ترکیب نام‌آشنای حوزه انرژی هسته‌ای یعنی نیترید اورانیوم باعث شکافتن و جدا کردن اتم‌های هیدروژن از یک اتم کربن می‌شود که در نوع خود ماموریت سهل و ساده‌ای نیست.

نکته جالب قضیه این است که فرآیند مشابهی با چنین کارکردی هر روزه در موتور خودروها اتفاق می‌افتد، ولی متاسفانه حجم قابل ملاحظه‌ای از انرژی موجود در آن همه پیوندهای کربن ـ هیدروژن به صورت گرما تلف می‌شود.

به بیان دیگر، چنانچه این دو اتم بتوانند شکافته و از هم جدا شوند بدون آن که تمامی انرژی‌شان از دست رود، در آن صورت بنزین می‌تواند به نحو بسیار کارآمدتری نه‌تنها برای سوخت یک خودرو، بلکه برای بهبود بخشیدن به انواع کاملی از فرآورده‌های نفتی از پلاستیک‌ها گرفته تا داروها نیز مورد استفاده واقع شود.

در این میان البته مشکلی پیش روی دانشمندان قرار دارد و از بد حادثه این ملکول جدید زمانی که اتم‌های هیدروژن را از یک اتم کربن می‌شکافد، از میان می‌رود. در واقع برای این که نیترید اورانیوم به لحاظ تجاری واجد قابلیت ماندگاری و بقا شود، مجبور است اتم‌های هیدروژن را یکی پس از دیگری هدف هجوم خود قرار دهد و به این ترتیب خودش در حین فرآیند نابود نمی‌شود.

با این وصف، دانشمندان ناگزیر از تبدیل‌ نیترید اورانیوم به یک سازمان‌دهنده یا همان کاتالیزور خواهند بود و این همان مقصودی است که به اعتقاد محققان باید عملی و میسر شود، اما در حال حاضر عملی نیست.

اما ظاهرا یافتن راه‌حلی برای این مشکل بزرگ را باید در جایی غیر از آزمایشگاه‌ها و حوزه عناصر و ترکیبات شیمیایی جستجو کرد. قضیه از این قرار است که هرچند دانشمندان ممکن است یک پیوندشکن مولکولی ارزان، مطمئن و قابل استفاده مجدد را در مشت خود نداشته باشند، ولی انگار طبیعت از قبل این کار را کرده است. سیتوکرومP450 که عملا در هر ارگانیسمی روی زمین یافت می‌شود همان برگ طلایی مورد نظر دانشمندان است. این ماده آنزیمی است که ردپای آن را در شمار انبوهی از ترادیسی یا دگرگونی‌های شیمیایی از ایجاد کردن انرژی در میتوکندری‌ها گرفته تا متابولیسم داروها می‌توان سراغ گرفت.

دانشمندان معتقدند نتایج تحقیقاتشان از این واقعیت حکایت دارد که نیترید اورانیوم همانند سیتوکرومP450 می‌تواند پیوندهای کربن ـ هیدروژن را بشکند. در واقع دانشمندان با مطالعه دقیق شیوه‌ای که نیترید اورانیوم پیوندهای کربن ـ هیدروژن را می‌شکند، می‌توانند درخصوص روشی که سیتو‌کروم P450 همین مأموریت را در طبیعت به انجام می‌رساند به اطلاعات بیشتر و باارزش‌تری دست پیدا کنند، چراکه این فرآیند به رغم اهمیت زیست‌شناختی و همچنین اهمیت اقتصادی بالقوه‌ای که دارد، تاکنون آن طور که باید و شاید مورد شناخت و مطالعه درست قرار نگرفته است.

ابعاد مختلف این کشف جدید و اهمیت خود موضوع، فرم جدید مولکولی اورانیوم توجه محققان زیادی را به خود جلب کرده است و هر یک جنبه خاصی از آن را مورد بحث و اظهارنظر قرار داده‌اند. در این میان هر چند به اعتقاد برخی دانشمندان، جالب‌توجه‌ترین جنبه این مولکول جدید را می‌توان شیمی آن دانست، ولی آنچه بیش از همه کانون توجه سایر محققان قرار گرفته و بر آن اتفاق نظر دارند این واقعیت کتمان‌ناپذیر است که مولکول جدید اورانیوم حرف‌های زیادی برای گفتن دارد، اما عامل محرک و انگیزه واقعی برای ایجاد این مولکول جدید را همان کاربرد پیشنهاد شده‌اش به عنوان یک سوخت هسته‌ای نوین می‌توان قلمداد کرد.

محققان معتقدند نیترید اورانیوم می‌تواند به جایی ختم شود که تصورش هم خالی از هیجان نیست. این مقصد مهم و ارزشمند نیروگاه‌های برق هسته‌ای کوچک، ارزان‌تر و حتی قابل حمل خواهد بود. در این میان مراکز بزرگی همچون ناسا و

HPG و دیگر سازمان‌ها و مراکز تحقیقاتی که سهم قابل ملاحظه‌ای در پژوهش‌ها و دستاوردهای نسل آینده برق و قدرت را به خود اختصاص داده‌اند، همگی ‌ دنبال به‌کار‌گرفتن نیترید اورانیوم به عنوان یک سوخت هسته‌ای نسل آینده در رآکتورهایشان هستند

 

البته به رغم ارتباط اورانیوم با موضوع تشعشعات مرگبار، این مولکول جدید حاوی اورانیوم تهی شده است که در نوع خود و از نقطه نظر رادیولوژیکی نسبتا بی‌ضرر نشان می‌دهد. ضمن این که فرصت‌های زیادی را در حوزه کاربردهای صنعتی و کاتالیزورها مطرح می‌‌کند. از طرفی محققان با امیدواری معتقدند فرصت‌های قابل ملاحظه‌ای که این ماده رادیو اکتیو جدید پیش می‌کشد، به حوزه کاربردهای صنعتی و شیمی مواد ختم نمی‌شود. در واقع داشتن قابلیتی که قادر به تخریب سریع، قابل اطمینان و کارآمد پیوندهای کربن ـ هیدروژن باشد می‌تواند باعث ارزان‌تر تمام شدن فرآیند تولید داروها و سایر مواد و ترکیبات شیمیایی مهم صنعتی شود و اهمیت آن زمانی بیشتر جلوه می‌کند که می‌بینیم بسیاری از این ترکیبات نفت محور هستند. به اعتقاد کارشناسان، نمی‌توان از کنار این واقعیت براحتی گذشت که فرآیند تصفیه و پالایش هر روزه نفت برای تولید جدول بلند بالایی از مواد و فرآورده‌ها، مستلزم صرف درجه حرارت‌های بالا، فشار بالا و مراحل چندگانه و در کل مترادف صرف مقادیر قابل توجه انرژی است.

با این اوصاف دانشمندان معتقدند اگر این مولکول جدید بتواند همین فرآیند پیوسته فرآوری و پالایش نفت را در درجه حرارت معمولی، فشار معمولی و طی یک مرحله واحد به انجام برساند، به معنای آن است که این ملکول کوچک، زمان و سرمایه را برای ما پس‌انداز و صرفه‌جویی کرده است.

از وب جهان یکه نگار