بازگشت
چه عملياتي گامهاي توليد انرژي هسته‌اي مي‌باشد؟
تنظيم و ترجمه ماندانا طهمورئي تنظيم و ترجمه ماندانا طهمورئي

مقدمه

با استفاده از تكنولوژي موجود، فقط مقدار اندكي اورانيم به‌طور كامل غني‌شده و سبب ايجاد انرژي عظيمي مي‌گردد كه مي‌تواند كل تقاضاي ميزان مصرف برق جهان را طي شش سال فراهم كند. سوخت فسيلي و فلورين بكار رفته در مراحل غني‌شدگي سبب ايجاد و آزاد شدن گازهاي گلخانه‌اي شده و در نتيجه انرژي هسته اي علي‌رغم تصور، بعنوان تكنولوژي «سازگار با محيط زيست» محسوب نمي‌گردد ولي برخي بعلت عدم توليد دي‌اكسيد كربن، اين تكنولوژي را سازگار با محيط ميدانند.

تعداد راكتورهاي هسته‌اي در جهان محدود بوده و موقعيت آن در روي شبكه ملّي ثبت گرديده است.

انرژي هسته‌اي در دسترس ما در حال حاضر از تجزيه هسته‌اي اورانيم حاصل مي‌گردد. اورانيوم 235 يك ايزوتوپ با خصوصيات مفيد و كمياب است كه در اثر برخورد  نوترون به آن، به دو قسمت تقسيم گرديده و در اثر شكافت (تجزيه) آن نوترون‌هاي بيشتري به همراه مقادير عظيمي از انرژي توليد مي‌گردد.  ما ميتوانيم با استفاده از معادله معروف انيشتن (E=mc2  ) انرژي آزاد شده را كه معادل حاصلضرب جرم در مجذور سرعت نور است، محاسبه كنيم. در اثر ناپديد شدن مقدار كوچكي جرم در اين پروسه مقادير فراواني انرژي آزاد مي‌شود و در اين پروسه ما با «از دست دادگي جرم» و «تبديل به انرژي» روبرو هستيم كه اين انرژي ميتواند با ايجاد بخار بمنظور راه‌اندازي توربين‌ها و توليد الكتريسيته بكار برده شود. اورانيوم238 با جذب نوترون تبديل به اورانيوم 239 شده كه با دوبار انتشار پرتوهاي بتا به پلوتونيوم239 تبديل ميشود. پلوتونيم 239 با اورانيوم 235 از نظر خصوصيت مشترك بوده و در اثر برخورد نوترونها عمل تقسيم ادامه مي‌يابد بنابراين پلوتونيم 239 بعنوان يك سوخت عمل كرده و پروسه تداوم مي‌يابد.

با توجه به موارد فوق، مراحل اجباراً بايد كنترل گردد در غيراينصورت واكنش‌هاي حاصله بصورت بمب عمل مي‌كند. مراحل توسط يك «تعديل كننده» كنترل مي‌گردد. بعنوان مثال مي‌توان از آب يا گرافيت به منظور ايجاد خلاء در لينكهاي بعدي زنجيره استفاده كرد تا بدين ترتيب سكانس واكنش‌ها بتدريج كم و متوقف ‌گردد هرچند در نهايت اورانيوم با ناخالصي‌هاي راديواكتيو نظير باريم و كريپتون حاصل از شكافت اورانيوم 235 پيوسته ميشود و در طول اين مراحل عناصري «داراي عدد اتمي بيشتر از اورانيوم» ايجاد گرديده و بتدريج اورانيوم 235 رو به زوال مي‌رود. اما اين مراحل 1 تا 2 سال طول كشيده و بالاخره عناصر سوختني بالاجبار بايد خارج و نوع تازة آن وارد گردد.

عناصر سوختني، مفيد، خيلي داغ و راديواكتيو هستند (و نزديك شدن هر موجود زنده‌اي منجر به مرگ آن ميشود) پس سؤال مهم اين ‌است كه چه بايد كرد؟ بعضي اوقات اين باطله‌ها مجدداً مورد پروسس قرار گرفته و اورانيوم و پلوتونيم آن استخراج مي‌گردد، البته الباقي ناخالصي‌هاي آن سبب مي‌گردد كه  مواد بازيافتي همانند سوخت اوليه نگردند.

چه عملياتي گامهاي توليد انرژي هسته‌اي مي‌باشد؟

معدنكاري و فنآوري

 اورانيوم در پوسته زمين توزيع شده است اما فقط دربعضي از بخشها بصورت غني‌شده ديده مي‌شود كه دراينحالت بعنوان يك ذخيره معدني مورد استفاده قرار مي‌گيرد. استراليا، قزاقستان، كانادا، آفريقاي جنوبي، نامبيا، برزيل، فدراسيون روسيه، ايالت متحده آمريكا و ازبكستان داراي معروفترين ذخاير معدني هستند. ذخايري با عيار 1% بعنوان ذخاير بسيار غني‌شده محسوب گرديده البته ذخايري با عيار 1/0% (1 قسمت در هزار) يا كمتر نيز مورد استفاده قرار مي‌گيرد. درصورتيكه سنگ زمينه اورانيوم ماسه‌سنگ باشد (اورانيوم نرم)، محدودة عياري 01/0-2/0% قابل قبول بوده و در مواردي‌كه سنگ زمينة اورانيوم گرانيت باشد (اورانيوم سخت) حد پائين عيار مورد قبول 02/0% مي‌باشد. درصورتيكه عمق معدن تا 250 متر باشد، نحوة استخراج معادن بصورت روباز است (open-cast) و جهت استخراج معادن عميق تر نياز است نحوه استخراج به‌صورت زيرزميني باشد. ذكر اين نكته حائز اهميت است در كشورهايي كه صدها تن اسيدسولفوريك، اسيد نيتريك، آمونياك و ساير مواد شيميايي ديگر به اندازه كافي در دسترس باشد مي‌توان عمل استخراج را به روش « ليچينگ-شستشو» انجام داد. بدين ترتيب كه محلول‌هاي شيميايي مذكور را به داخل لايه‌ها تزريق كرده و پس از 5 تا 25 سال آن محلول را پمپاژ مي‌كنند و بدين ترتيب در حدود 4/1 اورانيوم از سنگهاي متشكله خارج شده و بقيه مواد ته‌نشين شده غير راديواكتيو و فلزات سمي به داخل محيط و آبهاي زيزميني وارد ميشود.

پس از استخراج ماده معدني، جهت جدا كردن اكسيد اورانيوم عمل آسياب انجام ميشود در مواردي كه ماده معدني با عيار 1/0% باشد، عمل آسياب بايد تقريباً روي 000‚1 تن سنگ انجام گيرد تا 1 تن اكسيد اورانيوم زرد روشن بنام «كيك‌زرد» بدست آيد. اكسيد و باطله (999 تن سنگ باقيمانده) بميزان نامشخصي داراي مواد راديواكتيو هستند براي مثال اورانيوم 238 داراي 30 محصول تخريبي بوده تغييرات حاصله از عمل تخريب سبب ايجاد مجموعه‌اي از فلزات سنگين با نيمه عمرهاي متفاوت مي‌گردد كه در جدول شماره (1) مشاهده مي‌گردد.

جدول شماره (1):

سكانس تخريب اورانيوم 238

سكانس تخريب  با اورانيوم 238 شروع مي‌گردد نيمي از آن در طي 5/4 سال تخريب مي‌گردد در اثر تخريب طي 24 روز توريم 234، طي 1 دقيقه پروتاكتينيوم 234، طي 000‚245 سال اورانيوم 234، طي 000‚76 سال توريم 230، طي 600‚1 سال راديم 226، طي 8/3 رادون 222، طي 3 دقيقه پولونيم 218، طي 27 دقيقه سرب 214، طي 20 دقيقه بيسموت 214، طي 180 ميكروثانيه پلونيوم 214، طي 22 سال سرب 210، طي 5 روز بيسموت 210، طي 138 روز پلونيوم 210 و در انتهاي مسير سرب 206 غيرراديواكتيو ايجاد مي‌گردد.  

        

 

 

 

 

 

 

 

 

سنگهاي راديواكتيوي كه تحت عمل كانه‌آرايي و آسياب قرار مي‌گيرد منجر به بروز مشكلات زيست‌محيطي مي‌گردند. تحت اين عمل فضاي بيشتري اشغال گرديده و عناصر راديواكتيو آزاد شده به محض شسته شدن توسط باران و باد به محيط را مي‌يابد پس ضروري است كه باطله‌ها مجدداً تحت پروسس قرار گيرند. محيط اسيدي ايجاد شده ناشي از عمل استخراج و كانه‌آرايي بايد با آهك خنثي گرديده و سپس با فسفات تركيب و بصورت تركيبي غيرقابل انحلال درآيد، كف معدن بايد با رس آب‌بندي گرديده قبل از اينكه باطله‌هاي ساختار يافته به آن برگردد. روباره‌ها (over burden) بايد مجدداً جايگزين گرديده و منطقه از نو بازسازي شود و با پوشش گياهي طبيعي پوشانده شود ولي در عمل اين عمليات بندرت انجام مي‌گردد. زيرا هزينه آن بسيار گران تمام شده و تقريباً به 4 برابر انرژي لازم جهت استخراج ماده‌معدني در مرحله اول نياز است.

آماده‌سازي سوخت   

اكسيد اورانيوم حاصله بايد غني گردد زيرا كيك زرد فقط در حدود 7/0% از اورانيوم 235 تشكيل شده است الباقي آن عمدتاً اورانيوم 234 و اورانيوم 238 مي‌باشد كه هيچيك از آنها بطور مستقيم در زنجيره واكنش‌ها قرار نمي‌گيرد. به‌منظور افزايش غلظت اورانيوم 235 به بالاي 5/3% ، اكسيد اورانيوم را با فلورين واكنش داده و بدين‌ترتيب فلوريداورانيوم يا (Hex) تشكيل ميگردد اين ماده داراي خواص بسيار مفيد بوده و در دماي 5/56 درجه‌سانتيگراد به گاز تبديل ميشود كه از اين گاز مي‌توان بعنوان ورودي كارخانجات غني‌سازي استفاده نمود البته طي اين واكنش در حدود 85% اكسيداورانيوم بعنوان باطله در فرم هگزا فلورين اورانيوم تقليل‌يافته خارج ميگردد بخشي از آن بطريقه شيميايي تبديل به فلز اورانيوم تقيل‌يافته گرديده و با استفاده از آن در گلوله‌هاي ضد زره به محيط بازگردانيده ميشود. اما در اكثر مواقع هگزا فلوريد اورانيوم تقليل يافته به‌فرم جامد نگاه داشته شده كه بايد در كانتينرهاي آببندي شده براي انهدام نهايي در يك مخزن زمين‌شناسي قرار گيرد اگرچه صرف بالاي هزينه و كميابي مكانهاي مناسب تدفين سبب شده كه در ايالت متحده طي 50 سال گذشته، 000‚500 تن اورانيوم تقليل يافته در يك مخزن سرد بمنظور توقف پيشرفت واكنش جمع‌آوري گردد كه اين طراحي بصورت موقت انجام شده است.

اورانيوم غني‌شده سپس بصورت گلوله‌هاي سراميكي اكسيداورانيوم (UO2) تبديل شده و در لوله‌هاي آلياژ زيركونيم قرار گرفته و بسته‌بندي گرديده و به فرم عناصر سوختني راديواكتيو آماده‌شده و مورد استفاده قرار مي‌گيرد.

توليد

همانطوريكه مي‌دانيم كاربرد ماده سوختني در توليد گرما و به تبع آن توليد بخار و الكتريسيته مي‌باشد. طي مراحل فوق، باطله در فرم عناصر سوختني مصرف شده، توليد مي‌گردد و بالاخره طي چندين بار پروسس و استفاده مجدد، اجباراً دفن ميگردند. ولي در ابتدا بايد باطله حاصل سرد شود، چون ايزوتوپ‌هاي مختلف به يكديگر تجزيه‌پذير هستند پروسس تبديلات شيميايي ممكن است طي 10 الي 100 سال (بطور متوسط 60 سال) طول كشد لذا مخزن آن نوع خاصي را مي‌طلبد. يكي از روشهاي تدفين فشرده‌سازي با استفاده از روباتهاي كنترل از راه‌دور است كه باطله‌هاي مذكور به داخل مخازن بسيار ايمن پوشيده‌شده با سرب، فولاد و الكتروليت مس خالص قرار مي‌گيرد و ميتوان طي ميليون‌ها سال در مناطق خاصي از  زمين‌شناسي دفن كرد. اين روش يكي از بهترين راهها است ولي كاملاً ايده‌آل نمي باشد. زيرا براي اينكار نياز به انرژي خيلي زيادي خواهد بود هزينه ساخت كانتينرهاي سرب، فولاد و مس جهت قرار دادن عناصر حاصل از سوخت تحليل رفته (توليد شده توسط راكتور) در حدود همان انرژي مورد نياز جهت ساخت راكتور مي‌باشد.

نوع دوم باطله‌ها ناشي از آزادسازي مقادير بسيار كمي از ايزوتوپ‌هاي راديواكتيو نظير هيدروژن III (تيتريم)، كربن 14، پلوتونيوم 235 و ... است كه وارد هوا و آبها مي‌گردد و اخيراً نيز مورد توجه قرار گرفته است.

نوع سوم باطله‌ها، حاصل از حوادث تصادفي بوده كه بسيار اتفاقي و فاجعه آميز است و به همين دليل بايد روي سيستم ايمني صنعت هسته‌اي توجه خاص نمود. حوادث ناگهاني مي‌تواند ناشي از عوامل مختلفي باشد كه مي‌توان به اين موارد اشاره نمود: اشتباهات كاركنان، بالا رفتن ناگهاني سطح آب و به‌زير آب رفتن راكتورهاي ساحلي، آموزش ضعيف سيستمها بويژه اگر يك برنامه هسته‌اي در حال پيشرفت باشد و تعجيل دولتهاي مشتاق در توليد انرژي و ... البته هرچند هر تكنولوژي ريسكهاي مرتبط با خود را دارد ولي انرژي هسته‌اي مستثني است زيرا پيامدهاي ناشي از اين اشتباهات مي‌تواند منجر به فاجعه‌هاي نظير فاجعه چرنوبيل يا حتي وسيع‌تر گردد. اين نكته قابل توجه است كه حتي بيمه نيز از پرداخت خسارات ناشي از اين حوادث در صنايع هسته‌اي عاجز است بنابراين دولتها بايد هزينه‌هاي ناشي از امكان وقوع حوادث را در نظر بگيرند در انگليس هزينه احداث كارخانه انرژي هسته‌اي در سال 1965 بالغ بر 150 ميليون دلار هزينه داشت البته دولت مذكور طبق تعهدات بين‌المللي 10 تا 30 سال پس از احداث، آن كارخانه را تا مبلغ 300 ميليون دلار تحت پوشش قرار دادند. هرچند اين مبلغ بنظر مي‌رسد كه براي حل موضوع كافي باشد ولي مي‌توان مثالي را يادآور گرديد كه اگر ايستگاه نيرو Bradwen در Essex منفجر مي‌شد ، تحت وزش باد شرقي، كل لندن و حتي بخشي از جنوب انگلستان مجبور به تخليه مي‌گرديد لذا حوادث ناشي از صنايع هسته‌اي مي‌تواند بالغ بر 300 تريليون دلار باشد كه در مقايسه با مبلغ ياد شده 6 مرتبه بزرگتر است.

نوع چهارم باطله پلوتونيم است كه تحت عمل جداسازي و خلوص در كارخانه‌هاي پروسس مجدد مي‌تواند در ساخت سلاحهاي اتمي بكار برده شود روش مذكور يكي از دو روش توليد سلاحهاي اتمي است روش ديگر غني‌سازي اورانيوم 235 تا حدود 90% است البته غني‌سازي اورانيوم تا حدود 5/3% ، روشي است كه مي‌تواند بعنوان سوخت مورد نياز راكتورهاي هسته اي بكار برده ميشود.

راكتور

حداكثر عمر مفيد راكتورها 24 سال است اما بيشتر راكتورها داراي عمري كمتر از مدت مذكور بوده كه طي اين مدت به تعميرات منظم نياز داشته و نزديك به پايان عمر به يك تعمير عمده نياز دارند ولي به سبب خوردگي و راديواكتيويته شديد تعميرات بطور صددرصد غيرممكن مي‌گردد در نهايت در پايان عمرشان راكتورها پياده و قطعات آنها منفصل مي‌گردد اما اين تجربه بالاخص در مورد  راكتورهاي عظيم بسيار محدود است.

بعنوان اولين قدم عناصر سوختي بايد خارج شده و به داخل مخزني با سيستم‌هاي خنك كننده جهت كاهش راديواكتيويته منتقل گردند.  اين عمليات رويهم در حدود 1000 مترمكعب باطله با درجه‌بالا توليد مي‌كند در پايان اين مدت زمان راكتورها بالاجبار فرسوده و پياده شده و به قطعات كوچك منفصل مي‌گردند تا بتوان در كانتينرها جهت انهدام نهايي جمع‌آوري نمود كل انرژي مورد نياز براي اين عمل دوبرابر هزينه ساخت پيش‌بيني مي‌گردد.

گازهاي گلخانه‌اي و كيفيت ماده معدني

در حال حاضر

در هر مرحله از پروسس شكافت هسته‌اي (تجزيه اتمي) به انرژي نياز است كه اين انرژي از سوختهاي فسيلي گرفته مي‌شود بنابراين بطور غير مستقيم اين پروسس نيز توليدكننده گازهاي گلخانه‌اي است ولي قابل ذكر است كه توليد الكتريسيته با استفاده از نيروگاههاي هسته‌اي درحدود 3/1 دي‌اكسيدكربن توليد شده با استفاده از منابع گاز و ... مي‌باشد. 

چون محاسبات هزينه انرژي هسته اي برپايه اين فرض است كه استانداردهاي بالاي مديريت پسماند مطرح گردد بنابراين بايد هزينه كليه موارد من‌جمله تثبيت و بازسازي معادن استخراج گرديده، دفن باطله‌ها و انفصال قطعات راكتورها بعد از اتمام عمر مفيد مدنظر قرار گيرد ولي اگر اين تعهدات به سادگي ناديده انگاشته شود ميزان سوختهاي فسيلي مورد نياز نيروگاههاي هسته‌اي حدود 16% نيروگاههاي گازي است.

پارامتر ديگر محاسبه ميزان انتشار كربن نيروگاههاي هسته‌اي است قابل ذكر است راكتورهايي با عمر كوتاهتر ميزان توليد نشر دي‌اكسيد كربن در واحد الكتريسيته كمتري دارند همانطوريكه قبلا گفته شد عمر مفيد راكتورها بطور متوسط 24 سال مي‌باشد ولي موقعيكه مساله هزينه‌هاي مربوط به ساخت و پياده كردن آن به‌ميان مي‌آيد راكتورهاي هسته‌اي بطور متوسط بيشتر از عمر مفيدشان فعال هستند كه نتيجتاً باعث توليد دي‌اكسيدكربن بيشتري در واحد توليد الكتريسيته نسبت به ايستگاههاي گازسوز است كه با تخمين آن مي‌توان تا حدودي پي به درك سهم واقعي انرژي هسته اي در توليد و نشر گازهاي گخانه‌اي برد. البته در اين روش محاسبه از آزاد شدن گازهاي گلخانه‌اي كه در چرخه سوخت توليد مي‌شود صرفنظر بعمل مي‌آيد كه اين كار بالاخص در مرحله غني‌شدگي كه با توليد عظيم ساير گازهاي گلخانه‌اي همراه خواهد بود، محاسبات را با خطا مواجه مي‌سازد.

 


بعنوان مثال به مقياسي از اين مشكل اشاره مي‌كنيم، همانطوريكه قبلا نيز بيان گرديد براي تبديل 1 تن اورانيوم به فرم غني‌شده به 5/0 (نصف) تن فلورين نياز است كه البته در پايان مرحله فقط بخش اورانيوم غني‌شده بطور واقعي در راكتور استفاده ميشود باقيمانده آن كه شامل مقادير متنابهي فلورين و اورانيوم در فرم ضعيف‌شده است، بعنوان باطله توليد مي‌شود.

ذكر اين نكته حائز اهميت است كه يادآور شويم اولاً جهت رسيدن سوخت غني‌شده كافي به يك راكتور استاندارد 1 گيگاوات، بمنظور عمل طي يك سال كامل حدود 160 تن اورانيوم طبيعي بايد پروسس شود و ثانياً كل پتانسيل گرمايي تركيبات هالوژني چندين مرتبه بزرگتر از همان مقدار دي‌اكسيدكربن است براي مثال فرئون 114 نزديك به 10000 مرتبه بزرگتر از همان مقدار دي‌اكسيدكربن گرما توليد مي‌كند علاوه بر آن هالوژنهاي ديگر نظير كلرورين و تركيبات متعلقه آن گازهاي گلخانه‌اي قوي هستند كه همراه با حلالها بطور گسترده‌اي در مراحل مختلف چرخه هسته‌اي بالاخص پروسس استفاده مي‌گردد. البته هيچ آمار و ارقام دقيقي از ميزان اين گازهاي گلخانه‌اي فوق‌العاده قوي كه دائماً توسط صنايع هسته‌اي وارد محيط مي‌شوند وجود ندارد ولي استاندارد مديريت تركيبات هالوژني در صنعت هسته‌اي مبحث مهمي است كه بر آن تأكيد مي‌گردد.   

عامل مذكور يعني بعبارتي منبع توليد گازهاي تغيير آب و هوايي امتيازات اين صنعت (يعني كاهش توليد و انتشار دي‌اكسيدكربن) را كاسته است ضروري است اين مهم يعني فرئون‌ها و ديگر گازهاي هالوژني آزاد شده از چرخه سوخت هسته‌اي، را بعنوان يك اولويت تحت بررسي بيشتري قرار داد. 

آينده

امتياز استفاده از انرژي هسته‌اي (در توليد و انتشار كربن كمتر) فقط به‌شرط داشتن اورانيوم غني‌شده است. استفاده از ماده معدني كم‌عيار (ماده معدني با عيار كمتر از 01/0% (براي سنگهاي نرم نظير ماسه‌سنگ) و 02/0% (براي سنگهاي سخت نظير گرانيت)) ، موجب اتلاف انرژي بيشتري در مراحل پروسس و فرآوري ميشود و در نتيجه كل ميزان سوختهاي فسيلي كه براي شكافت هسته‌اي مورد استفاده قرار مي‌گيرد بيشتر از ميزان سوخت فسيلي است كه بطور مستقيم در نيروگاههاي برق بكار مي‌رود بعبارت ديگر وقتيكه نيروگاه با استفاده از ماده معدني با عيار پائين تغذيه مي‌گردد نيروگاه هسته‌اي به سمت بالانس منفي پيش مي‌رود كه نتيجه آن ورود انرژي بيشتر و خروج انرژي كمتر است و بدين ترتيب دي‌اكسيدكربن بيشتري، (از آنچه سوختهاي فسيلي ايجاد مي‌كنند) توليد مي‌گردد.

بي‌ترديد هنوز ذخاير اورانيوم پرعيار در جهان درحال اكتشاف است و ارزيابي توسط متخصصين اين رشته بمنظور بررسي جهت ايجاد تعادل در مراحل مختلف چرخه هسته‌اي انجام مي‌گردد.

ذخاير اورانيوم غني در جهان فقط مي‌تواند كفاف 2/1 2 درصد از كل تقاضاي انرژي در جهان را فراهم كند كه با برآورد باطله و الزام مديريت آن، عمر ذخاير حدود 45 سال مي‌باشد. اگر فرض كنيم همه ايستگاههاي نيروگاه هسته‌اي بدون تأخير و همه در يك لحظه ساخته و شروع بكار كنند مي‌تواند كل تقاضاي الكتريسيته مورد نياز در جهان را طي 6 سال با تخمين 2± سال تأمين نمايد و جاي اغراق است كه بگوئيم اين نيروگاهها همچنين مي‌توانند همه انرژي مورد نياز را براي سيستم‌هاي حمل و نقل (با سوخت هيدروژني) به مدت 3 سال با تخمين 2± سال قبل از آنكه نحوه بالانس واكنش‌ها به سمت منفي متمايل گردد تأمين كنند. 

 

 

همانطوريكه در تصاوير فوق مشاهده مي‌گردد، ارزيابي اقتصادي نشان دهنده آن است كه با درنظرگرفتن ميزان مصرف انرژي، مديريت باطله و ذرات تصفيه شده در نهايت، كل ذخيره ماده معدني غني به نصف ميزان انرژي هسته‌اي مورد نياز تقليل مي‌يابد (در سال 2000) ولي ذكر اين نكته حائز اهميت است كه در پايان اين دوره زماني توده‌هاي بزرگي از باطله‌هاي فرآوري نشده باقي مي‌ماند كه درحالت بحراني حتي ممكن است انرژي مورد نياز بمنظور سرد كردن مخازن باطله‌ها جهت جلوگيري از آزاد شدن راديواكتيويته از مخازن موقتي موجود نباشد.

اما حالت بدتر از آن اين است كه با انباشته‌اي از باطله‌ها طي 60 سال در مخازن سردكننده، مواجه هستيم بعبارتي با حدود 4/1 ميليون تن سوخت مصرفي كه بصورت چگال در مخازن بسته‌بندي شده و توسط محفظه‌هاي برمي از واكنش‌هاي زنجيره‌اي آن جلوگيري ميگردد، روبرو هستيم.

همانگونه كه پيش‌بيني مي‌گردد، بمنظور زدودن اين مواد مهلك و كشنده نياز به مقادير عظيمي انرژي است اما اين ميزان چقدر است؟

اين ميزان دقيقاً شناخته شده نيست ولي ميتوان حدود آن را 3/1 كل ميزان توليد انرژي هسته‌اي (در گذشته و آينده) تخمين زد كه بايد از اورانيوم قابل استفاده باقيمانده تامين گردد.

اين بدان معني است كه اگر صنايع ملزم به كانه‌آرايي و فرآوري باطله‌هايشان گردند فقط حدود 3/1 توده مصرفي اورانيوم (در نيمه عمر اول) بعنوان سوخت مصرفي نيمه دوم عمر مورد نياز خواهد بود. بعبارتي ديگر با فرآوري و كانه آرايي باطله‌هاي راكتورها مصرف اورانيوم در نيمه دوم عمر به 70% ميزان مصرفي در نيمه اول تقليل خواهد يافت. البته هزينه‌هاي فرآوري باطله‌هاي هسته‌اي را نبايد ناديده انگاشت زيرا هزينه‌اي كه بابت فرآوري مجدد بمنظور توليد الكتريسيته نياز خواهد بود، به مراتب بيش از ارزش آن است كه منجر به اعمال ورشكستگي دولتها خواهد گرديد به همين دليل اين عمليات فقط در سطح برنامه‌هاي آموزشي در كالج‌ها بوده و اساس كار بر انهدام باطله‌ها خواهد بود لذا بايد بدنبال منابع جايگزين بود كه در ادامه به شرح آن خواهيم پرداخت:

منابع پيشنهادي سوخت

واقعيت اين است كه اگر كل جهان از اورانيوم بعنوان سوخت انحصاري خود استفاده كنند منابع اورانيوم به زودي تمام خواهد گرديد پس بايد بدنبال يك سوخت جايگزين گشت. همانطوريكه گفته شد بيشتر گرانيت‌ها بعنوان منابع اورانيوم كم عيار مي‌باشند كه از اين منبع مي‌توان بعنوان يك منبع سوختي (5 برابر همان توده ذغال) استفاده كرد. يكي ديگر از سوختهاي پيشنهادي فرآورده‌هاي توريم است پلوتونيم نيز يكي ديگر منابع پيشنهادي است كه در راكتورهاي منفصله به وفور يافت مي‌گردد. يكي ديگر از كانديداي منبع سوخت هسته‌اي آب دريا است. بطور كلي در اين مقاله  به پيشنهادات ذيل اشاره مي‌گردد:

·       گرانيت

·       استفاده از راكتورهاي زاينده

          پلوتونيوم

          توريوم

          آب دريا

گرانيت

همانطوريكه قبلاً بيان گرديد گرانيت با محتوي اورانيوم كمتر از 200 قسمت در يك ميليون (02/0% ) نمي‌تواند بعنوان يك منبع انرژي هسته‌اي مورد استفاده قرار گيرد چون انرژي مورد نياز جهت فرآوري آن و جداكردن اكسيداورانيوم براي غني‌شدگي، از انرژي حاصل بيشتر است اما Lovelock با تأكيد بر اين موضوع ارزش تجديدنظر مجدد را روي توده‌هاي گرانيتي درخواست نمود محاسبات انجام شده براساس استخراج اورانيوم از گرانيت است و نيز ميزان گرانيت مورد نياز جهت تامين راكتور هسته‌اي 1 گيگاوات با خوراك 160 تن اورانيوم طبيعي براي توليد الكتريسيته طي يكسال مورد نياز است؟

گرانيت معمولي تقريباً از 4 گرم اورانيوم در واحد تن تشكيل شده‌است. بعبارتي عيار آن 4 قسمت در ميليون است تأمين اورانيوم مورد نياز طي يكسال با استفاده از اين نوع گرانيت نياز به 40 ميليون تن گرانيت دارد بنابراين گرانيت lovelock مي‌تواند جهت تامين انرژي مورد نياز يك راكتور هسته‌اي بكار برده شود اما موانعي وجود دارد كه به شرح ذيل مي‌باشد:

نوع مينور گرانيت بعد از فرآوري يك توده باطله گرانيتي به حجم 100 متر ارتفاع، 100 متر پهنا و 3 كيلومتر طول (اگر بطور مناسبي انباشته گردد) بوجود خواهد آورد كه يكي از معضلات مي‌باشد.

درثاني يكي از عمده‌ترين موانع آن مراحل استخراج بوده كه به انرژي در حدود 530 پتاژول (هر پتاژول=000‚000‚1 ميليون ژول) نياز خواهد بود كه در مقايسه با ميزان الكتريسيته توليد شده توسط راكتور با استفاده از آن، (26 پتاژول) 20 برابر بيشتر از انرژي توليدي مصرف خواهد شد.

راكتورهاي زايندة سريع

الف- پلوتونيوم

يكي ديگر از پيشنهادات lovelock  اين بود كه ما بايد پلوتونيوم را بعنوان سوختي براي نيروگاههاي هسته‌اي آينده بكار بريم يكي از پيشنهادات مطرح شده براي اينكار اين است كه ما بتوانيم به سادگي پلوتونيوم را از سوخت مصرفي راكتورهاي آب سبك بازيافت كنيم البته اين عمل نمي‌تواند در مقياس خيلي بزرگ بكار برده شود.

پلوتونيوم در طبيعت وجود ندارد و بعنوان يك محصول فرعي كاربرد اورانيوم در راكتورها مي‌باشد ذكر اين نكته حائز اهميت است كه پلوتونيوم حاصله مي‌تواند سوخت راكتور هاي ديگري را نيز تأمين كند.

با در نظر گرفتن صحت مفروضات ذيل:

موضوع اول: سوخت مصرفي 60 راكتور براي تبديل به پلوتونيوم مد نظر است

موضوع دوم: همه سوخت مصرفي توليد شده توسط نيروگاههاي هسته‌اي در جهان مي‌تواند بطور موفقيت‌آميزي پروسس شود. (عليرغم شكست و ناموفق‌بودن تكنولوژي فرآوري مجدد)

سوخت مورد نياز براي 600 راكتور ديگر تأمين خواهد شد.

اما از آنجائيكه ما در اينجا سعي داريم واقع‌گرا باشيم بايد به اين نكته اشاره كنيم ساخت 80 راكتور با عمر 24 سال در جهان در نظر گرفته شده است كه با تمام شدن اورانيوم سوخت جايگزيني نخواهد بود لذا بايد بدنبال استراتژي جديدي بود. نتيجتاً ساخت راكتورهاي پلوتونيوم بعنوان راكتور زاينده نه فقط جهت توليد الكتريسيته بلكه براي زايش پلوتونيوم جهت مصارف آينده در اذهان بوجود آمد.

راكتورهاي زاينده داراي يك تكنولوژي جذاب است. فقط 7/0% اورانيوم در ماده معدني از ايزوتوپ مفيد تشكيل شده است كه شكاف‌پذير بوده و اورانيوم 235 ايجاد مي‌كند بيشتر اورانيوم ها بصورت ايزوتوپ 238 بوده كه در شرايط عادي مجبور به دفن آن هستيم و مشكلات زيست‌محيطي نتيجة باطله‌هاي ناشي از آن مي‌باشد.

البته اورانيوم 238 مي‌تواند داراي خاصيت مفيدي نيز باشد وقتيكه اورانيوم 238 توسط نوترونها، از سوخت‌هايي نظير اورانيوم 235 يا پلوتونيوم 239 بمباران مي‌شود مي تواند يك نوترون جذب و يك الكترون دفع نمايد و و بدين ترتيب به پلوتونيوم 239 تبديل مي‌شود اين شروع مرحله توليد پلوتونيوم 239 است كه مي‌تواند بعنوان يك سوخت جهت توليد پلوتونيوم 239 بيشتر و بطور كم و بيش نامحدود مورد استفاده قرار گيرد. هدف اصلي استفاده از انرژي هسته‌اي نيز دستيابي به سوخت ارزان و هميشگي است

اما تكنولوژي پيچيده‌اي حاكم بر اين عمليات است كه سه مرحله شامل مي‌گردد:

v   زايش

v   پروسس مجدد

v   توليد سوخت 

همه اين عمليات بايد بصورت همزمان و به آرامي انجام گيرد

1- مرحله breeding (زايش و پرورش): در اين مرحله اورانيوم 238 به سادگي به پلوتونيوم 239 تبديل نشده بلكه همزمان با آن به پلوتونيوم 241، آمرسيوم(americium)، كوريوم(curium)، روديوم(rhodium)، تكنتيوم(technetium)، پالاديوم(palladium) و ... تبديل ميشود تشكيل اين تركيبات منجربه ايجاد رسوب و خوردگي وسايل مي‌گردد روشهايي بمنظور رفع اين مشكل تدبير شده اما در مقياس تجاري هرگز مورد استفاده قرار نگرفته است.

2- مرحله reprocessing (فرآوري مجدد): خروجي محصول راديواكتيويته از مرحله قبل، بايد از پلوتونيوم 239 استخراج شده غربال گردد مخلوط داراي راديواكتيويته بالايي است و تمايل به كاهش خاصيت انحلال دارد به‌همين دليل در اين مرحله ما شاهد رسوب در تجهيزات هستيم همچنين در اين مرحله خطر تجمع پلوتونيوم و تبديل آن به توده‌اي خطرناك و  نتيجتاً تبديل به بمب هسته‌اي (قابل انفجار) وجود دارد، اين تركيب گرما را جذب كرده و گازهاي راديواكتيو آزاد مي‌كند و بدين ترتيب تركيبات اورانيوم و پلوتونيوم ديگر بعنوان باطله محسوب نمي‌گردد. 

3- مرحله fabricate (بازيابي و جمع‌آوري):  سومين مرحله جمع‌آوري پلوتونيوم بازيابي شده بعنوان سوخت است. تركيب حاصله داراي تششعات زياد آلفا و گاما بوده و بنابراين كل مراحل تزريق سوخت بداخل ميله‌ها كه از آنجا به سمت راكتورها پيش مي‌رود بصورت كنترل از راه دور انجام مي‌شود.

 البته ذكر اين نكته حائز اهميت است كه كلّ چرخه زايندگي سريع سه مرحله را شامل مي‌شود هرچند تاكنون هيچ‌ كدام از راكتورها كل اين مراحل را طي نكرده‌اند. سه راكتور زاينده سريع در كل جهان وجود دارد كه عبارتند از: Beloyarsk-3 در روسيه، Monju در ژاپن و phenix در فرانسه. Monju و phenix مدت طولاني است كه هيچ‌گونه عملياتي ندارند ولي Beloyarsk-3 در مرحله عملياتي بوده اما به مرحله زايندگي نرسيده است.

اما بهتر است همه جانبه روي موضوع قضاوت كنيم فرض كنيد كه با 30 سال تحقيق و توسعه پيرامون صنعت نيروگاهي هسته‌اي جهان، توانستيم كاربردي را براي تمام پلوتونيوم موجود و تبديل آن به سوخت و جايگزيني آن به داخل راكتورهاي زاينده سريع پيدا كنيم. بنابراين راكتورهاي معمولي شروع به زايندگي در سال 2035 خواهند كرد. اما مراحل به سرعتيكه فرض مي‌شود، نيست (واژه سريع مختص به اين راكتورها، اشاره به سرعت واكنش‌هاي درون اتمي داشته و مربوط به سرعت پروسس مراحل نيست) چهل سال بعد هريك از راكتورهاي زاينده امكان توليد پلوتونيوم كافي جهت جايگزيني سوخت مورد نياز خودشان و راه‌اندازي راكتوري ديگر را خواهند داشت.

و بدين ترتيب تا سال 2075 ما 160 راكتور زاينده داشته و بدين ترتيب ما كمبود اورانيوم 235 مورد نياز راكتورها را نخواهيم داشت.

 

 


ب- توريوم

اين مينرال را مي‌توان بعنوان يكي از گزينه‌هاي تأمين سوخت راكتورهاي زاينده استفاده كرد. توريوم بعنوان يك فلز شناخته‌شده در بيشتر سنگها و خاكها يافت مي‌شود،  البته برخي توده‌هاي معدني پرعيار بيش از 10% اكسيدتوريوم دارند.

فراوانترين ايزوتوپ آن، توريوم 232 است كه نيمه‌عمري سه‌برابر زمين دارد. توريوم را مي‌توان بعنوان منبع مستقيم انرژي و نقطه شروع تأمين سوخت هسته‌اي تلقي نمود و مراحل استفاده از آن به شرح ذيل است:

*   تابش به توريوم 232 با استفاده از سوختي نظير پلوتونيوم 239 انجام خواهد شد. بدين‌ترتيب كه توريوم232 يك نوترون جذب كرده و به توريوم233 تبديل مي‌شود.

*      توريوم233 با نيمه‌عمر 2/22 دقيقه به پروتاكتينيوم 233، تبديل مي‌شود.

*      پروتاكتينيوم233 با نيمه‌عمر 27 روز به اورانيوم 233 تبديل مي‌شود.

*   اورانيوم 233 به‌سرعت تجزيه شده و مي‌تواند نه‌تنها بعنوان سوخت هسته‌اي بلكه بعنوان منبعي بمنظور تابش به توريوم 232 جهت ادامه كلّ چرخه باشد.

اما اغلب اين مراحل بخوبي آنچه فرض مي‌شود انجام نمي‌گردد سكانس مرحله چهارم توريوم زاينده، بدترين مرحله است اورانيوم 233 كه در پايان مراحل بدست مي‌آيد با اورانيوم 232 و توريوم 228 كه داراي خاصيت راديواكتيويته بالايي است، آغشته شده كه هر دوي آنها ساتع‌كننده نوترون و كاهش‌دهنده اثرات اورانيوم 233 (بعنوان سوخت) است. از معايب ديگر آن امكان استفاده در سلاحهاي اتمي است. طول نيمه‌عمر پروتاكتينيوم 233 (27 روز)  نيز منجر به بروز مشكلاتي در راكتورها و تاخيراتي در مراحل اساسي اين روند، (قريب بيش از يكسال) مي‌گردد.

درحال حاضر برخي راكتورها نظير kakarapar1&2 در هند در عملياتشان از توريوم استفاده مي‌كنند.

اگرچه كل چرخه زاينده توريوم در مقياسي به اندازه كافي بزرگ و مطمئن از نظر تجاري ساخته شده اما اين چرخه جهت شروع به منابع نوتروني نياز خواهد داشت كه پلوتونيوم مي‌تواند اين نياز را فراهم سازد همانطوريكه گفته شد، راكتورهاي توريوم بايد سوخت اوليه خودشان را از اورانيوم 233 تأمين كنند و مشكل اينجا است كه در ابتداي عمل هيچ اورانيوم 233 وجود ندارد و تنها روش توليد آن جهت شروع، پلوتونيوم239 است.  اما ذكر اين نكته حائيز اهميت است كه مخلوط پلوتونيوم239 و اورانيوم 233 بطور باورنكردني و غيرقابل پيش‌بيني خطرناك مي‌باشد كه بايد بطور مجزا نگه‌داشته شود.

گفتني است كه در پايان 40 سال، به اندازه كافي اورانيوم233 هم براي تأمين سوخت راكتور اصلي و هم براي سوخت‌رساني به راكتور ديگر موجود خواهد بود.

نتيجتاً در سال 2075 ميلادي ما مي‌توانيم به ازاي هر راكتور توريوم سوخت‌رساني به يك راكتور ديگر نيز داشته باشيم.

ج- آب دريا

آب دريا داراي اورانيوم با غلظت تقريبي 30 قسمت در بيليون بوده و مي‌تواند گزينه‌اي بمنظور استفاده در نيروگاههاي هسته‌اي باشد روشهايي جهت استخراج اورانيوم از آب دريا و تغليظ آن به اكسيداورانيوم وجود دارد كه يكي از اين روشها به شرح ذيل مي‌باشد:

استفاده از ماده مناسبي نظير اكسيدتيتانيوم و يا برخي پليمرها در آب دريا در دماي مناسب (به اندازه كافي گرم داراي حداقل دماي 20 درجه سانتيگراد) و در مقياس وسيعي از بستر دريا در طول چندين كيلومتر، و داشتن مكان مناسبي بمنظور شستن آب دريا.

مراحل پروسس:

*      مرحله اول: زدودن آب دريا از هرگونه مواد ارگانيكي و ارگانيسم‌ها مي‌باشد.

*   مرحله دوم: بعنوان «desorption» يا «جدا كردن جذب شده‌هاي سطحي» است در اين مرحله اورانيوم جذب شده از بستر آب دريا جدا مي‌گردد.

*   مرحله سوم: روي محلول حاصله بايد عمليات خلوص صورت گيرد تا از هرگونه تركيبات ديگري كه غلظت آن بيش از يونهاي اورانيوم است، زدوده شود.

*      مرحله چهارم: محلول حاصله بايد تغليظ گردد.

*      مرحله پنجم: حلالي بمنظور استخراج اورانيوم بكار برده شود.

*   مرحله ششم: تغليظ اورانيوم و خالص‌سازي آن به اكسيداورانيوم يا همان كيك زرد، آماده جهت غني‌سازي آن با استفاده از روشهاي معمولي است.

اما عمليات فوق بسيار حجيم بوده و نياز به انرژي فراوان دارد. گفتني است 2كيلومترمربع آب دريا دربرگيرنده اورانيوم كافي بمنظور تأمين 1 تن خوراك يك راكتور مي‌باشد.

يك راكتور GW1 به حدود 160 تن اورانيوم طبيعي در سال نياز دارد بنابراين هر راكتوري به 324 كيلومترمكعب آب دريا جهت پروسس نياز داشته و بمنظور تأمين 100 راكتور در يكسال كامل به 000‚32 كيلومترمكعب آب دريا جهت پروسس نياز است.

حال اين سؤال مطرح مي‌شود كه چه ميزان انرژي جهت فرآوري نياز است؟

يك تن اورانيوم در يك راكتور آب سبك، بطور سرانگشتي حدود TJ162 انرژي توليد مي‌كند (يك تراژول*=000‚1 بيليون ژول) كه حدود 90-60 تراژول انرژي آن صرف بازيافت پسماندهاي چرخه سوخت (غني‌شدگي)، مراحل توليد سوخت، انهدام باطله و منفك و منفصل كردن قطعات راكتور بعد از طي عمر مفيد شده و TJ90-70 صرف توليد الكتريسيته مي‌گردد. انرژي مورد نياز بمنظور استخراج اورانيوم از آب دريا، جهت تأمين چرخه سوخت در حدود TJ250-195 مي‌باشد بعبارتي ديگر انرژي مورد نياز بمنظور تأمين نيروگاه هسته‌اي با استفاده از اورانيوم استخراجي از آب دريا حدود سه برابر انرژي توليدشده است.

بحث انرژي هسته‌اي در جوامع

زمان تصميم‌گيري براي بسياري از ملت‌ها است كه به علت مواجهه با تقليل ذخاير نفت و گاز و فرسودگي ژنراتورهاي برق و ... بدنبال منابع تأمين جديد باشند. بدون شك ساخت راكتور نقش بسيار مهمي در توسعه و تجديد منابع و كاهش ميزان تقاضا براي انرژي خواهد بود. مسلماً تقليل ذخاير اورانيوم بعلت وجود ساير گزينه‌هايي نظير زاينده‌ها و يا آب دريا مدنظر نخواهد بود. پس مشكل در چيست؟

يكي از مهمترين مشكلات اين است كه تصميم‌گيري توسط دولتها بطور مستقل امكانپذير نيست.

ذكر اين نكته حائز اهميت است كه ما در آينده با يك گپ انرژي – يك وقفه انرژي- روبرو هستيم كه علل آن بشرح ذيل مي‌باشد:

اول اينكه ما نزديك به نقطه عطف (tipping point) قرار داريم در اين شرايط تنظيم سيستمهاي آب و هوايي خودبه‌خود تنظيم شونده از بين رفته و نحوه خروج و تعادل انرژي گرمايي از كنترل خارج خواهد شد اما بسرعت به سمت يك تعادل جديد كه سبب از بين رفتن (مرگ) سيستم‌هاي اقليمي گياهان و تمدنها خواهد شد مواجهه خواهيم بود.

دوم اينكه ما نزديك به نقطه oil point (نقطه اوج نفت) هستيم در اين وضعيت ذخاير نفت و گاز تقليل يافته و شاهد يك ركود يا انحطاط اقتصادي مي‌باشيم. در اينحالت ما بدنبال كسب انرژي جهت پركردن اين خلا هستيم حتي اگر اين انرژي داراي معايبي نيز باشد.


دوم اينكه ما نزديك به نقطه oil point (نقطه اوج نفت) هستيم در اين وضعيت ذخاير نفت و گاز تقليل يافته و شاهد يك ركود يا انحطاط اقتصادي مي‌باشيم. در اينحالت ما بدنبال كسب انرژي جهت پركردن اين خلا هستيم حتي اگر اين انرژي داراي معايبي نيز باشد.

انرژي هسته‌اي يكي از گزينه‌هاي انتخاب شونده است انرژي مذكور منبع سطح پائين تششع راديواكتيو است و اولويت استفاده از انرژي هسته‌اي در حال حاضر بمنظور توليد برق با تأكيد برحفاظت از محيط‌زيست و زدايش آلودگي‌هامي‌باشد ولي همانند ساير منابع انرژي با معايبي روبرو است، در هر مرحله پروسس توليد انرژي هسته‌اي (معدنكاري، ليچينگ، غني‌شدگي و تفكيك قطعات) باطله‌هاي مهلكي به جا گذاشته ميشود كه فوق‌العاده گران است و گاهاً براي توليد سلاحهاي اتمي بكار مي‌رود.

جدول (1) تعداد راكتورهاي هسته‌اي در جهان و ميزان نياز به اورانيوم را نشان مي‌دهد. (اطلاعات مربوط به  ژانويه 2006 ميلادي)

بنابراين نياز به جايگزيني سوخت، بعلّت تقليل سوختهاي فسيلي و نيز پركردن گپ‌هاي انرژي، احساس جدي در جوامع است و دانشمندان به اين موضوع تأكيد دارد كه « استفاده از انرژي هسته‌اي با تمام معايب آن مورد نياز و حق كليه جوامع مي‌باشد»

 


October 1st, 2006


  برداشت و بازنویسی درونمایه این تارنما در جاهای دیگر آزاد است. خواهشمندم، خاستگاه را یادآوری نمایید.
 
بازگشت
علمي و معلوماتي