سه‌شنبه ۲۶ شهريور ۱۳۹۸ - September 17 2019
اورانیوم، معدن تا راکتور را چگونه طی می کند؟
کد خبر: ۱۱۱۹۵
تاریخ انتشار: ۰۹ آبان ۱۳۹۴ - ۰۹:۳۳
بیشتر رآکتورهای قدرت نیازمند سوخت «اورانیوم غنی‌شده» هستند. در اورانیوم غنی‌شده سطح ایزوتوپ اورانیوم 235 از میزان طبیعی که 0.7 % (هفت دهمِ درصد) است به حدود 3.5% تا 5% افزایش می‌یابد. در فرآیند غنی‌سازی اورانیوم، اورانیوم باید به صورت حالت گازی در آید بنابراین پس از خروج از معدن، اورانیوم اکسید (کیک زرد) در تاسیسات تبدیل (conversion plant) به هگزافلورید اورانیوم (UF6) تبدیل می‌شود.
امین درستی: اورانیوم یکی از عناصری است که به طور طبیعی در پوسته زمین وجود دارد. رگه‌هایی از اورانیوم را تقریبا در هر قسمتی از پوسته زمین می‌توان یافت، با این حال در محل‌هایی که اورانیوم در آن‌ها متراکم شده است و میزان اورانیوم  قابل توجه است امکان ایجاد معدن اورانیوم و بهره‌برداری از آن عملا وجود دارد. برای آن‌که سنگ معدن اورانیوم به سوخت هسته‌ای تبدیل شود، در مرحله نخست باید اورانیوم از درون سنگ‌های معدن اورانیوم خارج شود و سپس با غنی‌سازی به ایزوتوپ اورانیوم 235 تبدیل شود و بعد به صورت قرص‌هایی (pellet) در آید که درون مجتمع سوخت (fuel assembly) جایگذاری می‌شوند.

معدن

به گزارش گروه اتم برای صلح امید هسته‌ای، هم اکنون در حدود 20 کشور جهان معادن اورانیوم فعال وجود دارند اما بیش از نیمی از تولید اورانیوم جهان به 10 معدن اورانیومی که در 6 کشور جهان قرار دارند تعلق دارد. این کشورها عبارتند از: کانادا، استرالیا، نیجر، قزاقستان، روسیه و نامیبیا.

در معادن امروزی، معمولا سنگ معدن اورانیوم ابتدا وارد دستگاه‌های خُردکننده شده و کاملا خُرد می‌شود. این سنگ‌های خُرد شده سپس در آب خوابانده می‌شود و یک مخلوط آبی که ذرات ریز سنگ معدن اورانیوم در آن شناور هستند تولید می‌شود. این مخلوط آبی سپس با سولفوریک اسید مخلوط می‌شود تا اورانیوم اکسید درون سولفوریک اسید حل شود و بدین ترتیب سایر مواد معدنی و سنگ‌ها حل نشده باقی می‌مانند و به عنوان پسمانده جدا می‌شوند.

البته امروز تقریبا نیمی از معادن اورانیوم از روش دیگری که شستن در محل (in situ leaching)  نامیده می‌شود استفاده می‌کنند. در این روش برداشت اورانیوم بدون ایجاد حفاری‌های بزرگ و عمیق در زمین انجام می‌شود. در این روش مقدار زیادی اکسیژن را به درون آب‌های سطحی تزریق می کنند و آب را درون سنگ معدن اورانیوم به صورت یک چرخه وارد می‌کنند (بدین معنی که آب دائما در حال حرکت است و در یک چرخه بسته از میان سنگ‌ها عبور کرده و اورانیوم آن‌ها را می‌شوید و با خود حمل می‌کند و به منبع برگردانده می‌شود)، در این روش آب دائما در میان سنگ‌ها حرکت می کند و اورانیوم را از آن‌ها خارج می‌کند. بدین ترتیب اورانیوم درون آب حل می‌شود و سپس این محلول به سطح زمین پمپ می‌شود.

در هر دو روشی که به آن اشاره شد در پایان مایعی که ذرات اورانیوم در آن حل شده است به دست می‌آید. این مایع را نخست از فیلترهایی عبور می‌دهند و پس از آن با روش مبادله یون (ion exchange)، اورانیومِ آن را‌ ته‌نشین شده کرده و از محلول جدا می‌کنند. سپس این اورانیوم ته نشین شده را با عبور از فیلتر تصفیه کرده و در نهایت آن را خشک می‌کنند و بدین ترتیب پودر اورانیوم اکسید (U3O8) خشک به دست آید. این پودر درون بشکه‌های بزرگی ریخته می‌شود. این پودر به رنگ زرد روشن است و از این رو «کیک زرد» (yellowcake) نامیده می‌شود، همچنین اگر این پودر را در دماهای بالا خشک‌سازی کنند به رنگ خاکی در می‌آید. اورانیوم اکسید (U3O8) تنها به میزان اندکی خاصیت رادیواکتیو دارد.

 از سنگ تا سوخت

غنی‌سازی

بیشتر رآکتورهای قدرت نیازمند سوخت «اورانیوم غنی‌شده» هستند. در اورانیوم غنی‌شده سطح ایزوتوپ اورانیوم 235 از میزان طبیعی که 0.7 % (هفت دهمِ درصد) است به حدود 3.5% تا 5% افزایش می‌یابد. در فرآیند غنی‌سازی اورانیوم، اورانیوم باید به صورت حالت گازی در آید بنابراین پس از خروج از معدن، اورانیوم اکسید (کیک زرد) در تاسیسات تبدیل (conversion plant) به هگزافلورید اورانیوم (UF6) تبدیل می‌شود.

در تاسیسات غنی‌سازی، اورانیوم 235 مفید متمرکز و جدا می‌شود و حدود 85 درصد از اورانیوم باقی می‌ماند. در این مرحله گاز هگزافلورید اورانیوم به صورت دو بخش مجزا از هم جدا می‌شود. بخش اول بخشی است که به میزان مورد نظر از خلوص اورانیوم 235 رسیده است و برای انجام فرآیندهای بعدی چرخه سوخت آماده شده است؛ بخش دوم بخشی است که اورانیوم 235 آن گرفته شده و دیگر اورانیوم 235 ندارد و بازمانده (tails) نامیده می‌شود. بیشترِ این بخش از اورانیوم 238 تشکیل شده که کاربرد چندانی ندارد.

تاسیسات غنی‌سازی امروزه از فرآیندهای سانتریفیوژی استفاده می‌کنند که در آن‌ها هزاران استوانه به صورت عمودی قرار گرفته و با سرعت بسیار زیادی حول محور خود می‌چرخند. افزون بر این در زمینه استفاده از لیزر برای غنی‌شازی نیز تحقیقات گسترده‌ای در حال انجام است و به نظر می‌رسد که این روش نیز در آینده تکنولوژی سودمندی را برای غنی‌سازی پدید آورد.
البته جالب است بدانیم که تعداد اندکی از رآکتورها، به ویژه رآکتورهای کاناداییِ CANDU نیاز به اورانیوم غنی‌شده ندارند.


تولید سوخت

هگزافلوریداورانیوم غنی شده در مرحله بعد به تاسیسات ساختِ سوخت منتقل شده و در آن‌جا به پودر دی‌اکسید اورانیوم (UO2)  تبدیل می‌شود. این پودر در مرحله بعدی فشرده شده و به صورت قرص‌های سوخت در می‌آید و سپس حرارت داده شده و به صورت یک ماده سرامیکی سخت در می‌آید. این قرص‌ها در مرحله بعدی درون لوله‌های استوانه‌ای باریکی قرار داده می‌شوند و بدین ترتیب میله سوخت (fuel rod) به دست می‌آید. در مرحله بعدی نیز تعداد زیادی از این میله‌های سوخت در کنار هم قرار داده می‌شوند و مجتمع سوخت (fuel assembly) را تشکیل می‌دهند که چندین متر طول دارد.

از سنگ تا سوخت

تعداد میله‌های سوخت لازم برای تشکیل یک مجتمع سوخت به نوع رآکتور بستگی دارد. به عنوان مثال یک رآکتور آب تحت فشار یا PWR (pressurised water reactor)  ممکن است در حدود 121 تا 193 مجتمع سوخت داشته باشد که هر کدام از آن‌ها نیز از حدود 179 تا 264 میله سوخت تشکیل شده‌اند. همچنین یک رآکتور آب جوشان یا BWR (boiling water reactor) نیز بین 350 تا 800 مجتمع سوخت دارد که در هر کدام از این مجتمع‌ها نیز حدود 91 تا 96 میله سوخت وجود دارد.
در یک رآکتور هسته‌ای 1000 مگاواتی سالانه تنها به 27 تن سوخت تازه نیاز است. حال اگر بخواهیم همین میزان الکتریسیته را با استفاده از یک نیروگاه زغال‌سنگی تولید کنیم به بیش از 2.5 میلیون تن زغال‌سنگ احتیاج داریم.

منبع: پایگاه اینترنتی سازمان هسته‌ای جهانی (World Nuclear Association)
نام:
ایمیل:
* نظر: