سیكل سوخت هسته ای

چرخه سوخت هسته ای یا زنجیره سوخت هسته ای،مراحل پیوسته و مختلفی از تولید سوخت هسته ای است.این زنجیره از دو مرحله تشكیل شده كه در پی مرحله اول آن،بر اثر فرآیند های انجام گرفته در راكتور،سوخت تولید می شود؛ مرحله دوم نیز مدیریت امنیت فرایند تولید و بازیافت سوخت را در بر می گیرد. اگر سوخت مصرف شده دوباره بازیافت نشود زنجیره سوخت ناتمام می ماند. از این رو بازیافت مرحله مهمی به شمار می رود.

مراحل زیر زنجیره سوخت هسته ای ر ا تشکیل می دهند:

1-اكتشاف و استخراج و تغلیظ اورانیم:

اورانیم موجود در سنگ معدن حدود یك درصد است كه توسط روشهای مكانیكی و شیمیایی به اكسید اورانیم كه كیك زرد نام دارد تبدیل می شود. اورانیم235 قابل شكافت و مناسب برای سوخت هسته ای در اكسید اورانیم وجود دارد كه با ظرفیت صفر یا آزاد هرگز در طبیعت وجود ندارد. اورانیم یك فلز رادیواكتیو است كه استفاده از آن درراكتورهای هسته ای برای تولید الكتریسیته اقتصادی برآورد شده است. در ایران مركزی انواع دگرگونی با پرتوزایی قابل توجه یافت می شود. برای استخراج اورانیم از روشهای روباز زیرزمینی بازیابی درجا وروش بازیابی تپه ای استفاده می شود.

عملیات تغلیظ بلافاصله پس از استخراج وآماده سازی مواد معدنی به فرایندهای كانه آرایی جداسازی اورانیم از مواد معدنی و تخلیص آن اطلاق می گردد. محصول تغلیض شده اورانیم را كیك زرد می نامند كه حدودا 60% اورانیم دارد. مهم ترین فرایند تغلیظ لیچینگ (محلول سازی) نام دارد.

2-تبدیل اورانیم:

اورانیم تغلیظ شده به صورت كیك زرد مستقیما غیر قابل استفاده به عنوان سوخت در راكتور هسته ای می باشد.بنابراین فرآیندهای بیشتری باید روی محصول فوق صورت بگیرد كه  به آن تبدیل اورانیم گفته می شود.

در مجتمع تبدیل، اورانیم به دی اكسید اورانیم یا اورانیم هگزا فلوراید تبدیل می شود. اولی به عنوان سوخت راكتور كه اورانیم غنی شده نیاز ندارد و می تواند مستقیما بدون غنی سازی مورد استفاده قرار گیرد استفاده شده و تركیب دوم قابلیت غنی شدن را دارد كه پس از چند فرایند دیگر می تواند به عنوان سوخت در اكثر راكتورهای اتمی به كار گرفته شود. بنابراین لازم است كه اورانیم به صورت گازی شكل درآید تا امكان انجام عملیات غنی سازی با سهولت بیشتری فراهم گردد.لذا تبدیل اورانیم پیش نیاز این فرایند می باشد.

3-غنی سازی اورانیم:

منظور از غنی شدن یا غنی سازی افزایش ایزوتوپ طبیعی اورانیم-235 از 7/0 درصد به 4-5/3 درصد است. در نتیجه غنی كردن درصد اورانیم قابل شكافت كه برای راكتورهای آب سبك لازم است افزایش می یابد. روشهای مهم غنی سازی عبارتنداز:1)دیفیوژن گازی 2)سانتریفیوژ 3)لیزری 4)شیمیایی

دو روش اول بر مبنای جدا سازی ایزوتوپی كار میكنند درمقیاس بزرگ مورد استفاده قرار می گیرند.

4-فرآوری اورانیم:

ساخت سوخت كه در بعضی مواقع به فرآوری اورانیم اطلاق می گردد، از مرحله تبدیل مجدد و یا به عبارتی از مرحله تولید اكسید اورانیم آغاز می گردد. سوخت راكتورها عموماً به صورت حبه های سرامیكی می باشد این حبه ها از اكسید اورانیم فشرده كه از حرارتهای بالا سینتر شده اند ساخته می شود. این حبه ها در لوله های فلزی با روشهای خاص قرار گرفته و جمع آنها به صورت مجتمع سوخت جهت قرار دادن در قلب راكتور در محلهای مربوطه حمل می شوند.

5-نیروگاه‌اتمی(مدیریت سوخت):

مجتمع های سوخت داخل محفظه تحت فشار راكتور قرار داده می شوند كه هسته مركزی راكتور را تشكیل می دهد. حرارت ایجاد شده در نتیجه شكافت هسته ای آب را به بخار تبدیل می كند. بخار حاصله توربین را به حركت در می آورد و توربین مولد را چرخانده و نیروی برق تولید می شود. در این بخش از سیكل سوخت هسته ای نتایج كلیه فعالیت ها به عنوان اصلی ترین بخش از سیكل سوخت هسته ای باید منجر به نتیجه گردد كه همان تولید انرژی است.

6-سوخت مصرف شده:

در مدتی كه سوخت های هسته ای در راكتور قرار گرفته اند، در اثر واكنشهای زنجیره ای شكافت تولید حرارت می نماید. در عین حال پرتو گیری بسیار زیادی نیز بر آن تحمیل شده و پس از مدتی به اصطلاح سوخته شده و رادیواكتیویته آن كاهش میابد. به عبارتی اورانیم آن مصرف شده و محصولات شكافت در آن تجمع پیدا می كنند. این مواد از این پس برای اتم های اورانیم- 235به دلیل جاذب نوترون های حاصل ازشكافت،مواد مسموم كننده محسوب شده و سبب كاهش ضریب ازدیاد نوترون و رادیواكتیویته می شوند. لذا در این موقع كه مجموعه های سوخت كمترین رادیو اكتیویته را دارند به عنوان سوخت های مصرف شده از راكتور خارج می شوند.

7-بازفرآوری سوخت:

از آنجایی كه سوختهای مصرف شده در راكتورهای اتمی دارای بیشترین مقدار رادیواكتیویته حاصل از فعالیتهای هسته ای هستند عملیات بازفرآوری اهمیت فوق العاده ای دارد وبه روشهای مختلفی با آن رفتار می شود:

1)چنانچه این سوختهای مصرف شده پس از مدتی مورد بازفرآوری جهت استفاده مجدد از اورانیم باقیمانده و پلوتونیم تولیدشده، قرار گیرند سیكل سوخت بسته نام می گیرند.

2) چنانچه این پسماندها و سوختهای مصرف شده برای همیشه دفن شوند به آن سیكل سوخت باز گفته می شود.

در جریان عملیات بازفرآوری حجم پسمان ها به میزان قابل توجهی كاهش داده می شود.

8-پسمانداری سیكل سوخت:

پسمانداری ناشی از فعالیتهای مربوط به سیكل سوخت هسته ای و تولید الكتریسیته می باشد.منظور از پسمانداری كاهش حجم مواد رادیو اكتیو بر جا مانده و ایمنی محیط زیست می باشد، ممكن است طی اتخاذ استراتژیهای متفاوت در جهت همین منظور و بهره برداری بهینه به طور متفاوت با آن رفتار شود که این پسماندها به سه دسته با رادیواکتیو کم متوسط و زیاد تقسیم می شوند. این پسماندها بسته به تاثیر مخرب خود روی محیط زیست به روشهای گوناگونی دفع می شوند.

بخش دانش وفناوری سایت تبیان