چرخه سوخت هسته‌ای به زبان ساده/ براساس بیانیه لوزان کدام بخش‌ها تعلیق می‌شوند؟+فیلم

به گزارش ایمنا، در میان هیاهو های رسانه ای و سیاسی حول محور مذاکرات هسته ای شاید جالب باشد نگاهی کوتاه بر چرخه ی سوخت هسته ای و ابعاد فنی آن بیندازیم. تا معنای برخی اصطلاحات فنی که این روز ها در رسانه ها بیان می شود روشن شود.

نگاه کلی
ماده ی اصلی انرژی هسته ای اوارنیوم است، که به صورت سنگ اورانیوم در طبیعت موجود است. این ماده پس از استخراج میبایست از دیگر ناخالصی ها جدا شود ،حاصل جدایی این ناخالصی محصول به نام کیک زرد است. کیک زرد در مرحله ی بعدی به نوعی گاز تبدیل شده که این گاز در مرحله ی بعد به سانتریفیوژ ها تزریق می شود این مرحله را مرحله ی غنی سازی می نامند خروجی غنی سازی پودر UO2 است که به قرص های اورانیوم تبدیل می شود این قرص ها در میله های سوخت قرار می گیرد میله های نیز در محفظه ای که مجتمع سوخت نام دارد قرار می گیرد و سپس مجتمع های سوخت به قلب راکتور تزریق می شود.
سوخت استفاده شده در راکتور قابل باز فراوری است و در آن مقادیری اورانیوم و همچنین پلوتونیوم موجود است که می توان از آن استفاده کرد. در پایان پسماند های هسته ای نیز در زیر زمین و در شرایط خاصی نگهداری می شوند.

نگاه جزئی
استخراج سنگ اورانیم:
اورانیوم طبیعی (که به‌شکل اکسید اورانیوم است) شامل ۹۹٫۳‎ درصد از ایزوتوپ ۲۳۸ و ‎‎0/7 درصد ‎۲۳۵ است. ایزوتوپ ۲۳۵ اورانیوم قابل شکافت و مناسب برای بمب‌ها و نیروگاه‌های هسته‌ای است.
۲۳۸ U باقی‌مانده را اورانیوم ضعیف‌شده می‌نامند و نوعی زباله اتمی است. به‌خاطر سختی زیاد و آتش‌گیری و ویژگی‌های دیگر از آن در ساختن گلوله‌های ضد زره استفاده می‌کنند. اورانیوم ضعیف‌شده نیز هم‌چنان پرتوزا است.
اولین قدم در چرخه سوخت هسته ای شناسایی و اکتشاف اورانیوم برای تهیه سوخت رآکتورهای هسته ای است. بر اساس اخبار منتشره در ایران در حال حاضر دو معدن ساغند یزد و بندرعباس معادن استخراج سنگ اوارنیوم هستند.
جداسازی :
کانسنگ اورانیوم را پس از استخراج از معدن آسیاب می‌کنند و بعد از شستشو با اسید سولفوریک، آن را خشک و صاف می‌کنند تا محصولی به نام کیک زرد به دست آید.
نام «کیک زرد» به خاطر رنگ زرد آن در مراحل اولیه کار است. کیک زرد ماده‌ای پرتوزا است.
۸۰ درصد غلظت کیک زرد را اکسید اورانیوم تشکیل می دهد.
این مرحله در تاسیسات اردکان یزد صورت می گیرد. این مرکز از جمله مراکزی است که هیچ گونه بحثی در مورد آن در مذاکرات هسته ای مطرح نشده است.

فرآوری اورانیوم:
کیک زرد جامد است، ولی در مرحله بعد (غنی سازی) از تکنولوژی ویژه ای استفاده می شود که نیازمند حالت گازی است. بنابراین، کنسانتره اکسید اورانیوم جامد طی فرآیندی شیمیایی به هگزافلوراید اورانیوم یا UF۶تبدیل می شود.
برای این کار، دانشمندان ابتدا کیک زرد را طی فرایندی شیمیائی به ماده جامدی به نام هگزافلوئورید اورانیوم تبدیل میکنند که بعد از حرارت داده شدن در دمای حدود ۶۴ درجه سانتیگراد به گاز تبدیل می شود. باید این گاز را دور از معرض روغن و مواد چرب کننده دیگر نگهداری کرد.
این مرحله در تاسیسات UCF اصفهان صورت می گیرد. این مرکز اگرچه یکی از محل های فعالیت شهید مصطفی احمدی روشن بوده است اما از جمله مراکزی است که همچون تاسیسات اردکان یزد، هیچ گونه بحثی در مورد آن در مذاکرات هسته ای مطرح نشده است.
غنی سازی:
هدف از غنی سازی تولید اورانیومی است که دارای درصد بالایی از ایزوتوپ ۲۳۵ را دارا باشد.
اورانیوم مورد استفاده در راکتورهای اتمی باید به حدی غنی شود که حاوی ۲ تا ۳ درصد اورانیوم ۲۳۵ باشد، در حالی که اورانیومی که در ساخت بمب اتمی بکار میرود حداقل باید حاوی ۹۰ درصد اورانیوم ۲۳۵ باشد.
یکی از روشهای معمول غنی سازی استفاده از دستگاه های سانتریفوژ گاز است.
سانتریفوژ از اتاقکی سیلندری شکل تشکیل شده که با سرعت بسیار زیاد حول محور خود می چرخد. هنگامی که گاز هگزا فلوئورید اورانیوم به داخل این سیلندر دمیده شود نیروی گریز از مرکز ناشی از چرخش آن باعث می شود که مولکولهای سبکتری که حاوی اورانیوم ۲۳۵ است در مرکز سیلندر متمرکز شوند و مولکول های سنگینتری که حاوی اورانیوم ۲۳۸ هستند در پایین سیلندر انباشته شوند.
اورانیوم ۲۳۵ غنی شده ای که از این طریق بدست می آید سپس به داخل سانتریفوژ دیگری دمیده می شود تا درجه خلوص آن باز هم بالاتر رود. این عمل بارها و بارها توسط سانتریفوژهای متعددی که بطور سری به یکدیگر متصل می شوند تکرار می شود تا جایی که اورانیوم ۲۳۵ با درصد خلوص مورد نیاز بدست آید.
این مرحله در تاسیسات هسته ای نطنز و فردو صورت می گیرد.
تاسیسات غنی سازی نظنز در عمق ۲۰ متری زمین قرار دارد این تاسیسات گنجایش ۵۴۰۰۰ سانتریفیوژ را داراست همکنون ۱۹۰۰۰ سانتریفیوژ نسل ۱ است قدرت غنی سازی هر سانتریفیوژ نسل ۱ معادل ۱ سو است.
تاسیسات غنی سازی فردو دومین تأسیسات غنی‌سازی ایران است که در منطقه‌ای نزدیک قم و در تونل‌های زیرزمینی در دِلِ کوه و در عمق ۹۰ متری صخره های سنگی ساخته شده است تا از هرگونه حمله نظامی متعارف در امان باشد.
فردو مجموعاً گنجایش ۳۰۰۰ ماشین سانتریفیوژ را دارد.
اطلاعات موجود نشان می‌دهد که تمامی ماشین‌های سانتریفیوژ نصب شده در فردو از نوع P-۱ است ولی نسبت به ماشین‌های موجود در نطنز بهبود یافته‌تر بوده و کارایی آنها بیشتر شده است.
ایران در فردو غنی‌سازی را تا سطح ۲۰ درصد انجام می‌ داد.
طبق بیانیه لوزان قرار است غنی سازی در فوردو متوقف شده و این مرکز برای چندین سال تبدیل به مرکز تحقیقات هسته ای و فیزیک پیشرفته شده و البته ۱۰۰۰ سانتریفیوژ آماده به کار در این مرکز باقی خواهد ماند.
همچنین طبق این بیانیه توانایی غنی سازی اورانیوم توسط کشور ما از ۲۰ درصد به زیر ۴ درصد کاهش می یابد، تعداد سانتریفیوژهای ایران از ۱۹۰۰۰ کنونی به ۶۱۰۴ عدد از نوع نسل اول در مرکز نطنز خواهد رسید و ذخایر اورانیوم غنی‌شده کشور ما از مقدار ۱۰۰۰۰ کیلوگرم کنونی، به ۳۰۰ کیلوگرم کاهش می یابد.
ساخت میله های سوخت:
اورانیوم غنی شده که هنوز به شکلUF۶است، باید به پودر دی اکسید اورانیوم (UO۲) تبدیل شود و سپس فشرده می شود و به شکل قرص درمی آید. قرص ها در معرض حرارت با دمای بالا قرار می گیرند تا به قرص های سرامیکی سخت تبدیل شوند. پس از طی چند فرآیند فیزیکی، قرص هایی سرامیکی با ابعاد یکسان حاصل می شود. حال، متناسب با طراحی رآکتور و نوع سوخت مورد نیاز، این قرص های کوچک را دسته دسته کرده و در لوله ای به خصوص قرار می دهند. این لوله از آلیاژ به خصوصی ساخته شده است که در برابر خوردگی بسیار مقاوم است و در عین حال، از رسانایی حرارتی بسیار بالایی برخوردار است. حال میله سوخت آماده شده است و برای استفاده در رآکتور به نیروگاه فرستاده می شود.
ارتفاع قرص سوخت ۱۵ میلیمتر، قطر آن ۳/۱۱ میلیمتر و وزن آن ۸/۱۵ گرم است.
این قرص درون میله‌های سوخت قرار می‌گیرد که طول آنها ۴ متر است که در درون هر کدام از میله‌ها به طول ۳ متر و ۶۰ سانت قرص قرار می‌گیرد. برای هر میله نیز ۲۲۷ قرص نیاز است.
این مرحله در کارخانه ی FMP اصفهان انجام می شود.
مدیریت سوخت هسته ای در قلب راکتور:
در مرکز رآکتورهاى هسته اى، میله هاى سوخت چیده شده اند.در درون میله هاى سوخت، فرآیند شکافت رخ مى دهد و انرژى آزاد مى شود. این انرژى، آبی که اطراف میله ها را فرا گرفته گرم مى کند. آب گرم شده خود از درون مخازن آب دیگرى می گذرد و آنها را گرم کرده و بخار مى کند. بخار آب تولید شده توربینهارا مى گرداند و با چرخش توربینها که به ژنراتور متصل اند، برق تولید مى شود. به این ترتیب، انرژى تولید شده در اثر شکافت اورانیوم به برق تبدیل مى شود
این مرحله در نیروگاه اتمی بوشهر انجام می پذیرد. نیروگاه اتمی بوشهر یک نیروگاه از نوع آب سبک (آب معمولی) است.
آب سنگین چیست؟
آب سنگین آبی است که نسبت ایزوتوپ دوتریوم در آن از حد آب معمولی بیشتر است. در آب سنگین (با فرمول D۲O) بر خلاف آب معمولی (با فرمول H۲O) به جای هیدروژن ایزوتوپ هیدروژن دوتریم (بافرمول اتمی ۲H)با اکسیژن ترکیب شده‌است. از کاربردهای این آب می‌توان به استفاده از آن در رآکتورهای هسته‌ای با سوخت اورانیوم، به عنوان مهارگر (Moderator) به جای گرافیت و نیز عامل انتقال گرمی رآکتور نام برد.
روش تهیه آب سنگین:
در طبیعت از هر ۳۲۰۰ مولکول آب یکی آب نیمه سنگین HDO است. آب نیمه سنگین را می‌توان با استفاده از روش‌هایی مانند تقطیر یا الکترولیز یا دیگر فرایندهای شیمیایی از آب معمولی تهیه کرد. هنگامی که مقدار HDO در آب زیاد شد، میزان آب سنگین نیز بیشتر می‌شود زیرا مولکول‌های آب هیدروژن‌های خود را با یکدیگر عوض می‌کنند و احتمال دارد که از دو مولکول HDO یک مولکول H۲O آب معمولی و یک مولکول D۲O آب سنگین به وجود آید. برای تولید آب سنگین خالص با استفاده از روش‌های تقطیر یا الکترولیز به دستگاه‌های پیچیده تقطیر و الکترولیز و همچنین مقدار زیادی انرژی نیاز است، به همین دلیل بیشتر از روش‌های شیمیایی برای تهیه آب سنگین استفاده می‌کنند.
تفاوت راکتور آب سنگین با آب سبک:
راكتورهای هسته‌ای دو نوعند: راكتور آب سنگین و راكتور آب سبك. در راكتور آب سنگین می توان از اورانیوم طبیعی بعنوان سوخت استفاده كرد و همان میزان ۰.۷ درصد اورانیوم ۲۳۵ (یعنی اورانیوم غنی نشده) كافی است، ولی در راكتور آب سبك برای ادامه‌ی واكنشهای زنجیره‌ای جهت تولید انرژی، میزان ۰.۷ درصد اورانیوم ۲۳۵ كافی نیست. و می بایست اورانیوم غنی سازی شود.
به عبارت ساده تر در چرخه سوخت هسته ای با راکتورهای آب سنگین مرحله ی غنی سازی حذف می شود.
مجتمع تولید آب سنگین اراک:
پروژۀ تولید آبسنگین اراک به عنوان یکی از شاخصه های دانش هسته‌ای، در پزشکی و به خصوص کنترل سرطان و کنترل بیماری ایدز نقش تعیین کننده ای دارد و به عنوان خنک کننده وکند کننده رآکتورهای آب سنگین نیز به کار می رود.
از هر ۶۵۰۰ لیتر آب معمولی، تنها یکلیتر آب سنگین به دست می آید. آب سنگین در پژوهش های علمی در حوزه های مختلفاز جمله زیست شناسی، پزشکی، فیزیک و… کاربردهای فراوانی دارد. برخی از کاربردهای آن عبارتنداز: طیف سنجی تشدید مغناطیسی هسته، کند کننده نوترون، آشکارسازی نوترینو، آزمون های سوخت و ساز در بدن، تولید تریتیم.
بر اساس بیانیه لوزان این رآکتور با انجام بازطراحی خواهد شد. در این تغییرات که با همکاری بین المللی خواهد بود قلب رآکتور اراک تغییر می یابد.
رآکتور تحقیقاتی آب سنگین اراک:
با افزایش طول عمر رآکتور تحقیقاتی تهران و مستعمل شدن تجهیزات و سیستم های مختلف آن، همانند سایر رآکتورهای مشابه در جهان، می بایست به فکر جایگزینی برای آن بود. از طرف دیگر، نیازمندی های روزافزون ایران به رادیو داروهای مختلف جهت مصارف تشخیص و درمان پزشکی و رادیوایزوتوپ های گوناگون برای کاربردهای صنعتی و تحقیقاتی و محدودیت های مختلفی که ایران حتی در ارتباط با تهیه و تأمین این قبیل رادیوایزوتوپ ها از منابع خارج از کشور روبرو بوده است، سازمان انرژی اتمی را مصمم به احداث یک رآکتور تحقیقاتی جدید به منظور جایگزینی رآکتور تهران نمود. رآکتور تحقیقاتی جدید از نوع آب سنگین و با قدرت ۴۰ مگاوات بوده و موسوم به IR۴۰ می باشد.

ويدئو گرافيکي نیز از معرفي اين فناوري اماده شده است، براي ديدن اين ويدئو اينجا کليک نماييد.

/گزارش از: احسان همدانیان/