استخراج اورانيم ـ تخلية زباله ها و دوباره غني سازي

گردش مواد سوختي
استخراج اورانيم ـ تخلية زباله ها و دوباره غني سازي
گردش مواد سوختي هسته اي يعني چه ؟
نيروگاههاي اتمي براي ادامه فعاليت خود بايد از مواد سوختي استفاده كنند. اين مواد پس از سوختن ‌نياز به تخليه و انتقال دارند . هسته هاي شكافت پذيري كه هنوز در عناصر سوختي مصرف شده موجود است ، بايد بازيافت شود و زباله هاي غير مفيد و خطرناك بايد از بين برود. تمام اين مراحل را در مجموع تحت عنوان « گردش مواد سوختي » شرح مي دهند.

اين چرخه با استخراج اورانيم و توريم از معادن سطحي يا زير سطحي آغاز مي شود. آماده سازي سنگ معدن و اجراي روشهاي تبديل و غني سازي پيش از فراهم آمدن عناصر سوختي ، لازم است . پس از اجراي اين مراحل عناصر سوختي فراهم شده به راكتورها حمل مي شوند. تخليه مواد زايد اتمي دقيقاً به اندازة تدارك مواد سوختي اتمي براي نيروگاه اتمي اهميت دارد. عمل تخليه با برداشت عناصر سوختي مصرف شده آغاز مي شود.

اين مواد پس از برداشت از راكتور نخست در يك استخر كاهش پرتوزايي (كه آب را خنك مي كند) انبار مي شوند آنگاه به يك انبار مياني انتقال مي يابند و سپس به تاسيسات دوباره غني سازي منتقل مي شوند در آنجا مواد دوباره قابل استفاده و زباله هاي اتمي از يكديگر جدا مي شوند. از مواد سوختي بازيافتي عناصر سوختي جديد فراهم مي شود. زباله هاي راديو اكتيو در كارگاهي به نام تاسيسات ايمن سازي و محدود سازي بسته بندي و پس از آن به انبارهاي نهايي زير زميني منتقل مي شود .

اورانيم چگونه به دست مي آيد ؟
اورانيم فلزي سنگين است كه از سنگ معدن اورانيم به دست مي آيد . معروفترين سنگ معدن اورانيم ظاهراً نوعي اورانيت است كه از ۹۵ درصد اكسيد اورانيم تشكيل شده است و گاهي به صورت صخره هاي چند تني يافت مي شود( اين نوع اورانيت معمولاً داراي رنگ قهوه أي تا سياه است) . متاسفانه اغلب سنگ معدنهاي ديگر مقدار بسيار كمتري اورانيم در خود دارند.

استخراج هنگامي مقرون به صرفه است كه حداقل يك كيلوگرم اورانيم از هر تن سنگ معدن به دست آيد. سنگ معدن استخراج شده از معادن زير زميني يا سطحي ، بايد نخست آماده شود . اين سنگ ها خرد ، آسياب و با آب قليايي شستشو مي شوند پس از طي ديگر مراحل آماده سازي اورانيم متراكم يا كنسانتره اورانيم كه بيش از ۷۰% اورانيم در خود دارد و كيك زرد ناميده مي شود به دست مي آيد . اين محصول براي آماده سازي بيشتر به محل ديگري حمل مي شود.

اورانيم غني شده چگونه توليد مي شود ؟
اورانيم خالص طبيعي براي استفاده در نيروگاههاي اتمي مناسب نيست ، زيرا فقط ۷/۰ درصد آن از نوع شكاف پذير ۲۳۸U- و ۳/۹۹ درصد آن از نوع سنگين تر و شكاف ناپذير ۲۳۸ U- است .

سوخت اتمي بيشتر نيروگاههاي اتمي بايد حدود ۳ درصد ۲۳۵ U- داشته باشد . بنابراين اورانيم بايد تا اين غلظت غني شود. چون دو ايزوتوپ اورانيم از نظر شيميايي از يكديگر قابل تشخيص نيستند براي غني سازي از تفاوت وزني آنها استفاده مي شود. نخست اورانيم با كمك فلوئور به گار هگزا فلوئوريد اورانيم (UF6) به عبارت ديگر به تركيبي از اورانيم و فلوئور تبديل مي شود . در اين مرحله براي جداسازي دو ايزوتوپ اورانيم از يكديگر روشهاي متفاوتي وجود دارد.

در روش لوله هاي جدا كننده گاز UF6 در لوله هاي كوچكي كه انحنايي نيم دايره دارند با شتاب وارد مي شود. نيروي گريز از مركز ايجاد شده گاز داراي ۲۳۸ U- را با شدت بيشتر به خارج مي راند به نحوي كه اين گاز مي تواند از گاز سبكتر ۲۳۵ U- جدا شود .

بديهي است كه با اين روش جداسازي كامل دو ايزوتوپ ممكن نيست . ولي اگر تعداد بيشتري از اين واحدهاي جدا كننده را به صورت زنجيره اي به يكديگر مربوط كنند ، بالاخره گازي به دست مي آيد كه در آن اتمهاي ۲۳۵ U- به حد كافي وجود دارد. در روش گاز افشاني گاز UF6 با فشار از غشايي عبور داده مي شود. در اين عمل گاز سبكتر ۲۳۵ U- سريعتر از گاز سنگين تر ۲۳۸ U- از منفذهاي ديافراگم عبور مي كند. اين روش نيز تا حدودي موجب جداسازي ايزوتوپها از يكديگر مي شود.

در اين روش سانتريفوژ بسيار سريع وارد مي شود . نيروي گريز از مركز اورانيم سنگين تر را به سمت ديواره هاي دستگاه مي راند به نحوي كه تمركز ۲۳۵ U- در مركز دستگاه افزايش مي يابد. به اين ترتيب جداسازي ۲۳۵ U- و ۲۳۸ U- انجام مي شود. در اين روش نيز براي غني سازي مناسب واحدهاي سانتريفوژ متعدد و مرتبط با هم لازم است در حال حاضر روشهاي ديگري كه بتوان در آنها غني سازي لازم را در يك مرحله انجام داد در دست پژوهش و توسعه است.

عناصر سوختي چگونه ساخته مي شود ؟
همان گونه كه مشاهده كرديم ميله هاي سوختي در نيروگاههاي هسته أي از قرصها يا گلوله هاي استوانه أي دي اكسيد اورانيم فشرده (Uo2) تشكيل مي شود . دي اكسيد اورانيم نخست از گاز هگزا فلوئوريد اورانيم (UF6) غني شده به دست مي ايد و سپس به صورت قرصهايي به ضخامت تقريباً ۵/۱ سانتيمتر و قطر ۱ سانتي متر فشرده مي شود.

البته اين اندازه ها مي توانند در نيروگاهها و كشورهاي مختلف متفاوت باشند و مقادير ذكر شده تنها اندازه ميانگين را نشان مي دهد قرصهاي فشردة خام تا ۱۷۰۰ درجه ي سانتيگراد حرارت داده مي شوند و به اين ترتيب استحكام و تراكم لازم را به دست مي آورند . آن گاه با دقت يك ده هزارم ميلي متر در اندازه هايي برابر تراش داده مي شوند

و در داخل لولة پوشش قرار مي گيرند . البته لوله ها به طور كامل با گلوله هاي سوختي پر نمي شوند. براي انتقال بهتر گرما گاز هليم به داخل لوله ها رانده مي شود. لوله ها به اين دليل بطور كامل با قرصهاي سوختي پر نمي شوند كه هنگام فروپاشي هسته ها گازهايي ايجاد مي شود كه فضاي معيني را اشغال مي كند . اين فضا را فضاي گاز حاصل از شكافت مي نامند.

اين لوله هاي پر شده و عايق بندي شده از نظر نشت گاز، ميله هاي سوختي را مي سازند. اين ميله هاي سوختي همراه با ميله هاي تنظيم به صورت عناصر سوختي در مي آيند. ساخت عناصر سوختي بسته به مورد متفاوت است . مثلاً در راكتورهاي آب جوش اغلب ميله هاي سوختي به صورت ۷×۷ و به شكل يك عنصر سوختي بسته بندي شده اند. در راكتورهاي آب تحت فشار ميله هاي ۱۵ × ۱۵ يا ۲۰ × ۲۰ عناصر سوختي را تشكيل مي دهند وضعيت ميله هاي تنظيم نيز مي تواند در راكتورهاي مختلف بسيار متفاوت باشد.

ميله هاي سوختي مصرف شده چگونه حمل و نقل مي شوند ؟
همان گونه كه مشاهده شد در راكتورها ضمن عمل شكافت هسته اتمهاي نيمه سنگين توليد مي شود كه به شدت راديو اكتيوند و پرتوهاي خطرناكي منتشر مي كنند . عنصر سوختي مصرف شده داراي مقدار زيادي از اين مواد خطرناك براي زيست است.

از سوي ديگر باقيمانده هاي ۲۳۵ U- و پلوتونيم نيز در آن يافت مي شود. اگر آن دسته از مواد تركيبي و كمكي را كه براي ساخت عناصر سوختي به كار مي روند ناديده بگيريم ميله هاي سوختي تقريباً داراي ۳ درصد توليدات قابل شكافت و به شدت راديو اكتيو ۹۵ درصد ۲۳۸ U- ، يك درصد ۲۳۵ U- و حدود يك درصد پلوتونيم است .

براي جلوگيري از ورود اين مواد به محيط زيست رعايت شديدترين مقررات ايمني لازم است. نقل و انتقال مواد مذكور در برخي از نيروگاههاي اروپا به شكل زير انجام مي شود. عناصر سوختي مصرف شده پس از تخليه از راكتور ، نخست براي مدتي در يك استخر كاهش پرتوزايي كه پر از آب است و در داخل ساختمان راكتور قرار دارد انبار مي شوند. در اينجا ميزان راديواكتيو يته يا پرتوزايي آنها به تدريج كاهش مي يابد و خاصيت گرمازايي آنها كم مي شود آنگاه عناصر سوختي به مكان ديگري حمل مي شوند .

براي اين كار تانكرهاي مخصوصي كه ديواره هاي خارجي آنها تقريباً ۵۰ سانتي متر ضخامت دارد ساخته شده است مواد خطرناك به وسيله اين تانكرها و با ايمني كامل از محيط خارج مي شوند حتي در صورت تصادف و وارد آمدن ضربات شديد به تانكرها امكان نشت وجود ندارد.

روي اين تانكرها آزمايشهاي مختلفي انجام مي شود مثلاً آنها را از ارتفاع ۹ متري روي زميني سخت رها مي كنند و يا به مدت ۳۰ دقيقه در آتش حرارت مي دهند تانكرها بايد در اين آزمايشها سالم بمانند . همچنين سقوط از ارتفاع ۲/۱ متري بر روي جسمي نوك نيز و برخورد قطعات يك هواپيماي جت جنگندة در حال سقوط نبايد آسيبي به آنها برساند.

اين تانكرها ممكن است تا ۱۲۰ تن وزن داشته باشند و مي توان حداكثر ۹ عنصر سوختي را به طور موقت در آنها انبار كرد و يا به وسيلة آنها اين مواد را به تاسيسات دوباره غني سازي انتقال داد . در حال حاضر سالانه حدود ۲۵۰ تن مواد سوختي هسته أي مصرف شده از نيروگاههاي هسته أي كشوري مثل آلمان تخليه مي شوند. اين امر گرفتاري بسياري بزرگي براي تمام شركتهاي مسئول تخليه زباله هاي اتمي است.

با عنايت سوختي مصرف شده چه مي كنند ؟
در يك نيروگاه هسته أي سالانه حدود يك سوم عناصر سوختي با عناصر سوختي تازه تعويض مي شود.

از راكتور يك نيروگاه بزرگ با ظرفيت ۱۳۰۰ مگاوات ، سالانه ۳۰ تن اورانيم خارج مي شود . بنابراين تا سال ۲۰۰۰ ميلادي در يك كشور صنعتي مثل آلمان حدود ۱۱۰۰۰ تن اورانيم انباشته خواهد شد . اين مواد از سويي به دليل دارا بودن توليدات قابل شكافت و خطرناك آلوده كننده اند و از سوي ديگر هسته هاي شكافت پذير و قابل استفاده هم در آنها يافت مي شود. بنابراين تخليه و آماده سازي مجدد عناصر سوختي مصرف شده چه از نظر بهداشت محيط زيست و چه از نظر صرفة اقتصادي اهميت ويژه أي دارد .اين كار به ترتيب زير انجام مي شود.

عناصر سوختي پس از نخستين توقف يك سالة خود در استخرهاي كاهش پرتوزايي به انبار موقت منتقل مي شوند. به عنوان مثال يك چنين انباري در شهر گورلبن در ايالت نيدرزاكسن آلمان وجود دارد . عناصر سوختي در اين مرحله در تانكرهاي حمل و نقل باقي مي مانند . البته عناصر سوختي قبلاً در اين تانكرها در نهايت دقت با رعايت ايمني كامل انبار شده اند و پرتوهاي خطرناك نمي تواند از آنها انتشار يابد . سپس ميله هاي سوختي دوباره بازيافت مي شوند.

در اين عمل مواد سوختي قابل استفاده دوباره غني مي شوند و در توليد عناصر سوختي جديد به كار مي روند مواد زايد قابل شكافت و خطرناك جدا شده براي هميشه در مكانهايي موسوم به انبار نهايي كنار گذاشته مي شوند.

بديهي است كه مي توان عناصر سوختي مصرف شده را بدون دوباره غني سازي نيز در انبارهاي نهايي نگهداري كرد.

تاسيسات دوباره غني سازي چيست ؟
تاسيسات دوباره غني سازي يا دوباره آماده سازي كارگاههايي اند كه در آنها بر روي عناصر سوختي مصرف شده عمليات جداسازي انجام مي شود.

در اين تاسيسات به ويژه بايد زباله هاي اتمي جدا شوند و مواد سوختي اورانيم و پلوتونيم دوباره به دست آيند ميله هاي سوختي در واقع علاوه بر هسته هاي شكافته نشده ۲۳۵ U- ، پلوتونيم ۲۳۹ نيز دارند كه از ۲۳۸ U- به دست مي آيد و به عنوان مواد سوختي هسته أي قابل استفاده اند عناصر سوختي مصرف شده پس از توقف در استخر كاهش پرتوزايي و انبار موقت در تانكرهاي حمل و نقل به تاسيسات دوباره غني سازي انتقال مي يابند.

آنها در اين هنگام هم به شدت راديواكتيوند و بايد به وسيلة ديوارهاي بتوني ضخيم يا پنجره هاي شيشه أي سربي از پرسنل كارگاهها دور نگه داشته شوند و كار روي آنها كاملاً اتوماتيك انجام شود. ميله هاي سوختي نخست به قطعه هاي كوچك بريده مي شود.

اين قطعات در اسيد نيتريك به (فرمول Hno3 ـ م) حل مي گردد. اورانيم ، پلوتونيم و توليدات شكافتي در اين عمل تقريباً به طور كامل حل مي شوند و پوسته هاي تكه تكه شدة ميله هاي سوختي باقي مي مانند كه در قالبهاي بتوني با ايمني كامل انبار مي شوند .

سپس طي يك سلسله فعل و انفعالات شيميايي اورانيم ، پلوتونيم و توليدات شكافتي به سه بخش تقسيم شده از هم جدا مي شوند . اورانيم و پلوتونيم پس از تكميل روند جداسازي و خالص سازي براي ايجاد عناصر سوختي جديد به كارخانه منتقل مي شوند . زباله هاي اتمي براي انبار نهايي آماده و بسته بندي مي شوند.

سرنوشت زباله هاي اتمي چيست ؟
تاسيسات اتمي شامل موسسه هاي پژوهشي نيروگاههاي هسته أي و تاسيسات دوباره غني سازي است . ميزان خطر زباله هاي ايجاد شده در هر يك از اين تاسيسات متفاوت است .

آن دسته از زباله هاي اتمي كه درجه پرتوزايي آنها ضعيف است و به صورت جامد يا مايعند نخست از طريق تبخير ، فشردن يا سوزاندن به حداقل حجم ممكن مي رسند. آن گاه در بشكه هايي گذاشته مي شوند و با بشكه به صورت قالبهاي بتوني در مي آيند.

زباله هاي اتمي نيمه فعالي مثل پوششهاي فلزي قطعه قطعه شده ميله هاي سوختي را نيز همراه بشكه هايشان به صورت قالبهاي بتني در مي آورند. در مورد زاله هاي اتمي بسيار فعال بايد نهايت دقت و احتياط را به عمل آورد.

اين زباله ها به ويژه شامل توليدات شكافتي محلول در اسيد نيتريكند. ۹۹ درصد از پرتوزايي تمام زباله هاي اتمي به اين دسته اختصاص دارد. براي اين مواد خطرناك روش شيشه أي كردن ابداع شده است . محلول هاي راديو اكتيو بسيار فعال نخست تغليظ مي شود و طي واكنشهاي شيميايي به مواد ديگري تبديل مي گردد.

آن گاه اين زباله ها در حرارت ۱۱۵۰ درجة سانتي گراد همراه با پودر شيشه ذوب مي شوند و به اين ترتيب به صورت جزء جدا نشدني شيشه در مي آيند. شيشه مذاب در محفظه هايي فولادي با درجة مقاومت بالا ريخته مي شود اين محفظه ها ديواره هاي ضخيمي دارند.

در تاسيسات دوباره غني سازي از هر تن اورانيم ، حدود ۱۳۰ ليتر زبالة راديو اكتيو بسيار فعال به صورت يك بلوك شيشه أي ، ۵ بشكه ( هر بشكه ۴۰۰ ليتر ظرفيت دارد) زبالة نيمه فعال و ۱۵ بشكه زبالة اتمي ضعيف حاصل مي شود . اين مواد بايد براي هميشه با ايمني كامل انبار شوند زيرا حتي براي نسلهاي آينده نيز خطر بزرگي محسوب مي شوند.

آيا مي توان زباله هاي اتمي را با اطمينان و ايمني كامل انبار كرد ؟
مطمئن ترين روش براي انبار كردن نهايي زباله هاي اتمي به مدت هزاران سال دفن اين مواد بسيار خطرناك در گنبدهاي نمكي زيرزميني است . بشكه هاي داراي زباله هاي راديو اكتيو ضعيف به اتاقك هايي از سنگ نمك انتقال مي يابند و در آنجا رديف به رديف دفن و با نمك پوشانده مي شوند.

هر اتاق پس از پر شدن مهر و موم مي شود. در مورد مواد زايد نيمه فعال كه در بشكه قرار دارند بايد بيشتر احتياط شود . براي اين مواد اتاق مخصوص در گنبد نمكي زير زمين در نظر گرفته مي شود. ورود به اين اتاقك غير ممكن است و با دوربين هاي مدار بستة تلويزيوني از آن مراقبت مي شود . زباله هاي اتمي همراه با محفظه هاي بتني خود كه پرتو را از خود عبور نمي دهند در اين اتاقها دفن مي شوند.

انبار كردن نهايي زباله هاي اتمي بسيار فعال در گنبد نمكي بايد به ترتيب زير انجام شود. زباله هاي اتمي كه به صورت شيشه در آمده و داخل پوششهاي فولادي با درجه مقاومت بالا قرار گرفته اند در عمق ۱۰۰۰ متري داخل سوراخهايي كه مخصوص آنها حفر شده است

دفن مي شوند سپس اين سوراخها مسدود مي شود. آرايشهاي سنگ نمكي براي انبار نهايي اين مواد بسيار مناسب است زيرا بنا به آگاهيهاي امروز نمك كاملاً نفوذ ناپذير است به نحوي كه هيچ اثر راديو اكتيويته أي نمي تواند از آن به محيط زيست (مثلاً به آبهاي سطحي) راه يابد .

گنبد سنگ نمك زير زميني كه در آلمان در نزديكي شهر گورلبن واقع شده است و براي اين منظور به كار مي رود ، ۱۵ كيلومتر طول و ۴ كيلومتر عرض دارد و بين ۳۰۰ تا ۳۰۰۰ متري زير زمين قرار گرفته است . آرايش سنگ نمك در طول صدها ميليون سال به ندرت دستخوش تغيير و تحول مي شود و انتظار مي رود كه اين انبار طبيعي در آينده
نيز پايدار بماند.