استفاده از انرژی هسته‌ای برای تولید برق روشی پیچیده اما كارامد برای تامین انرژی مورد نیاز بشر است. به طور كلی برای بهره‌برداری از انرژی هسته‌ای در نیروگاه‌های هسته‌ای، از عنصر اورانیوم غنی شده به عنوان سوخت در راكتورهای هسته‌ای استفاده می‌شود كه ماحصل عملكرد نیروگاه، انرژی الكتریسته است. عنصر اورانیوم كه از معادن استخراج می‌شود به صورت طبیعی در راكتورهای نیروگاه‌ها قابل استفاده نیست و به همین منظور باید آن را به روشهای مختلف به شرایط ایده آل برای قرار گرفتن درون راكتور آماده كرد. اورانیوم یكی از عناصر شیمیایی جدول تناوبی است كه نماد آن Uو عدد اتمی آن ۹۲است. این عنصر دارای دمای ذوب 1450درجه سانتیگراد بوده و به رنگ سفید مایل به نقره‌ای، سنگین، فلزی و رادیواكتیو است و به رغم تصور عام، فراوانی آن در طبیعت حتی از عناصری از قبیل جیوه، طلا و نقره نیز بیشتر است.
عنصر اورانیوم در طبیعت دارای ایزوتوپهای مختلف از جمله دو ایزوتوپ مهم و پایدار اورانیوم ۲۳۵و اورانیوم ۲۳۸است. اورانیوم ۲۳۵ ۲۳۸و ۲۳۵بوده كه در این میان سهم ایزوتوپ ۲۳۵ ۰/۷درصد) است و به همین علت باید برای تهیه سوخت راكتورهای هسته‌ای به روشهای مختلف درصد اوانیوم ۲۳۵را در مقایسه با اورانیوم ۲۳۸بالا برده و بسته به نوع راكتور هسته‌ای به ۲تا ۵درصد رساند و به اصطلاح اورانیوم را غنی‌سازی كرد.
درون راكتورهای هسته‌ای، هسته اورانیوم ۲۳۵به صورت كنترل شده شكسته شده كه در این فرایند مقداری جرم به انرژی تبدیل می‌شود. همین انرژی سبب ایجاد حرارت(اغلب از این حرارت برای تبخیر آب استفاده می‌شود) و در نتیجه چرخیدن توربین ها و در نهایت چرخیدن ژنراتورهای نیروگاه و تولید برق می‌شود.
در نیروگاه‌های غیر هسته‌ای، از سوزاندن سوختهای فسیلی از قبیل نفت و یا زغال سنگ برای گرم كردن آب و تولید بخار استفاده می‌شود كه یك مقایسه ساده میان نیروگاه‌های هسته‌ای و غیر هسته‌ای، صرفه اقتصادی قابل توجه نیروگاه‌های هسته‌ای را اثبات می‌كند.
به طور مثال، برای تولید ۷۰۰۰مگاوات برق حدود ۱۹۰میلیون بشكه نفت خام مصرف می‌شود كه استفاده از سوخت هسته‌ای برای تولید همین میزان انرژی سالیانه میلونها دلار صرفه جویی به دنبال دارد و به علاوه میزان آلایندگی زیست محیطی آن نیز بسیار كمتر است.
كافی است بدانیم كه مصرف این ۱۹۰میلیون بشكه نفت خام برای تولید ۷۰۰۰مگاوات برق، ۱۵۷هزار تن گاز گلخانه‌ای دی اكسید كربن، ۱۵۰تن ذرات معلق در هوا، ۱۳۰تن گوگرد و ۵تن اكسید نیتروژن در محیط زیست پراكنده می‌كند كه نیروگاههای هسته‌ای این آلودگی‌ها را ندارند. پس از آشنایی با مفاهیم كلی انرژی هسته‌ای و مزایای آن، ابتدا با مراحل مختلف چرخه سوخت هسته‌ای آشنا می‌شویم و سپس نحوه استفاده از سوخت هسته‌ای درون راكتور را مرور می‌كنیم.
چرخه سوخت هسته‌ای عبارت است از: -۱ -۲ تبدیل و غنی‌سازی اورانیوم -۳تولید سوخت هسته‌ای -۴بازفرآوری سوخت مصرف شده.
در حال حاضر چند كشور صنعتی جهان هر كدام در یك، چند و یا همه چهار مرحله یاد شده از چرخه سوخت هسته‌ای فعالیت می‌كنند.
هم اكنون به لحاظ صنعتی، كشورهای فرانسه، ژاپن، روسیه، آمریكا و انگلیس دارای تمامی مراحل چرخه سوخت هسته‌ای در مقیاس صنعتی هستند و در مقیاس غیرصنعتی، كشورهای دیگری مثل هند نیز به لیست فوق اضافه می‌شوند. البته ایران را نیز باید به لیست بالا اضافه کرد.
كشورهای كانادا و فرانسه در مجموع دارای بزرگترین كارخانه‌های تبدیل اورانیوم(مرحله پیش از غنی‌سازی ) هستند كه محصولات آنها شامل UO3,UO2,UF6 غنی نشده می‌باشد و پس از آنها به ترتیب كشورهای آمریكا، روسیه و انگلستان قرار دارند. در زمینه غنی‌سازی نیز، دو كشور آمریكا و روسیه دارای بزرگترین شبكه غنی‌سازی جهان هستند.
آمریكا هم اكنون بزرگترین تولیدكننده سوخت هسته‌ای(مرحله بعد از غنی سازی) در جهان است و پس از آمریكا، كانادا تولیدكننده اصلی سوخت هسته‌ای در جهان محسوب می‌شود. پس از آمریكا و كانادا، كشورهای انگلیس، روسیه، ژاپن، فرانسه، آلمان، هند، كره جنوبی و سوئد از تولیدكنندگان اصلی سوخت هسته‌ای جهان هستند. آمریكا بیشترین سهم بازفراوری سوخت مصرف شده هسته‌ای در جهان را داراست و پس از آن فرانسه، انگلیس، روسیه، هند و ژاپن قرار دارند. درحال حاضر بین كشورهای جهان سوم، هندوستان پیشرفته‌ترین كشور در زمینه دانش فنی چرخه سوخت هسته‌ای است.
چرخه سوخت هسته‌ای:
-۱استخراج اوانیوم از معدن و تهیه كیك زرد(مرحله فراوری سنگ معدن اورانیوم) عنصر اورانیوم در طبیعت به صورت تركیبات شیمیایی مختلف از جمله اكسید اورانیوم، سیلیكات اورانیوم و یا فسفات اورانیوم و به صورت مخلوط با تركیباتی از عناصر دیگر یافت می‌شود.در میان كشورهای مختلف جهان، استرالیا دارای بزرگترین معادن اورانیوم است و كشورهای قزاقستان، كانادا، آفریقای جنوبی، نامیبیا، برزیل و روسیه نیز از معادن بزرگی برخوردارند.
مواد معدنی حاوی اورانیوم با استفاده از روشهای معدن‌كاوی زیرزمینی و یا روزمینی استخراج شده و سپس طی فرایندهای مكانیكی و شیمیایی موسوم به “آسیاب كردن” و “كوبیدن” از دیگر عناصر جدا می‌شوند.
اورانیوم پس از استخراج تفكیك، كوبیده، خرد و به شكل پودر درآمده و سپس برای تولید ماده موسوم به “كیك زرد” ( (Yellowcakeمورد استفاده قرار می گیرد.
كیك زرد در واقع محصول فراوری سنگ معدن ارونیوم است و به تركیباتی از اورانیوم گفته می‌شود كه ناخالصی‌های معدنی آن به میزان زیادی گرفته شده و حاوی ۷۰تا ۹۰درصد اكسید اورانیوم از نوع U3O8است.
-۲فراوری كیك زرد و تولید هگزافلورید اورانیوم و آغاز غنی‌سازی (مرحله تبدیل و غنی‌سازی ) كیك زرد در این مرحله هنوز دارای ناخالصی‌هایی است كه توسط روشهای مختلف این ناخالصی‌ها كاسته شده و پس از طی فرایندهای شیمیایی نسبتا پیچیده، از شكل معدنی U3O8به UO3(تری اكسید اروانیوم) و سپس UO2(دی اكسید اورانیوم) در می‌آید كه این تركیب آخر نیز به دو روش موسوم به روش تر و روش خشك برای تولید ماده مورد نیاز در فرایند غنی‌سازی، یعنی هگزافلورید اورانیوم( (UF6به كار گرفته می‌شود. در صنعت به این دلیل عنصر اورانیوم را به صورت تركیب هگزافلورید اورانیوم( (UF6در می‌آورند كه ماده مذكور بهترین تركیب اورانیوم برای استفاده در روشهای مهم غنی‌سازی اورانیوم محسوب می‌شود. در روشهای مرسوم غنی‌سازی اورانیوم، باید از حالت گازی تركیبات این عنصر استفاده كرد و هگزافلورید اورانیوم در دمای ۵۶درجه سانتیگراد به راحتی تصعید شده و از حالت جامد به حالت گاز در می‌آید كه این گاز برای دستیابی به درصد بالاتر ایزوتوپ ۲۳۵اورانیوم، قابل غنی‌سازی است.
پس از مراحل استخراج اورانیوم، تولید كیك زرد و در نهایت هگزافلورید اورانیوم، نوبت به غنی‌سازی این عنصر می‌رسد.
روش‌های مختلف غنی‌سازی
به طور كلی اورانیوم را به چندین روش مختلف می‌توان غنی‌سازی كرد كه این روشها عبارتند از: “سانتریفوژ گازی”، “پخش گازی”( ،(Gaseous Diffusion “جداسازی اكلترومغناطیسی”، “تبادل شیمیایی”( ،(Chemical Exchange “فتویونیزاسیون و فتودیساسیون لیزری”، “نازل جداسازی”( (Separation Nozzle و “جداسازی ایزوتوپ رزونانس سیكلوترونی”. از بین تمامی این روشها هم‌اكنون تنها دو روش “سانتریفوژگازی” و “پخش گازی” است كه در مقیاس تجاری اهمیت داشته و كاربردهای عملی وسیع پیدا كرده‌اند .
در غنی‌سازی اورانیوم به روش مرسوم‌تر “سانتریفوژ گازی”، در عمل هگزافلورید اورانیوم ( (UF6را وارد دستگاه سانتریفوژ با سرعت دوران بسیار بالا می‌كنند. در سرعت دورانی بسیار زیاد، آن دسته از مولكولهای هگزافلورید اورانیوم كه اورانیوم موجود در آنها از نوع ایزوتوپ ۲۳۵است از آنجا كه در مقایسه با مولكولهای هگزافلورید اورانیوم با ایزوتوپ اورانیوم ۲۳۸جرم كمتری دارند، در نزدیك محور سانتریفوژ تراكم بیشتری نسبت به ناحیه خارجی دستگاه پیدا كرده و در مقابل مولكولهای سنگین‌تر هگزا فلورید اورانیوم ۲۳۸در ناحیه خارجی تراكم بیشتری نسبت به ناحیه نزدیك محور پیدا می‌كنند .
بدین ترتیب گاز هگزافلورید اورانیومی كه از نزدیك محور دستگاه سانتریفوژ گرفته می‌شود از نظر درصد اورانیوم ۲۳۵از غنی شدگی بیشتری نسبت به نواحی دیگر سانتریفوژ برخوردار است. در این روش برای رسیدن به درصد مورد نیاز اورانیوم ۲۳۵باید مرحله به مرحله از تعداد بسیار زیاد سانتریفوژ به صورت زنجیره‌ای استفاده كرد.
روش “سانتریفوژ گازی” برای غنی‌سازی اورانیوم به دو علت در مقایسه با روش “پخش گازی” از مزایای بیشتری برخوردار است. اول آنكه این روش كارایی بیشتری داشته و دوم آنكه انرژی لازم در این روش غنی‌سازی حدود یك دهم مقدار انرژی لازم در غنی‌سازی با “پخش گازی” برای حصول همان میزان محصول می‌باشد.
این عوامل باعث شده كه غنی‌سازی اورانیوم به روش سانتریفوژ هزینه كمتری را شامل شده و اقتصادی‌تر باشد.البته باید به خاطر داشت كه هزینه تعمیرات و نگهداری تجهیزات مورد استفاده در غنی‌سازی به روش سانتریفوژ اندك نیست.
-۳تولید سوخت هسته‌ای(تبدیل UF6غنی شده به UO2غنی شده): برخی انواع راكتورهای می‌توانند به طور مستقیم از هگزافلورید اورانیوم غنی شده به عنوان سوخت هسته‌ای استفاده كنند اما برای تهیه سوخت هسته‌ای بسیاری انواع دیگر راكتورها لازم است كه هگزافلورید اورانیوم غنی شده را به شكل به اصطلاح “میله‌های سوختی” از دی اكسید اورانیوم غنی شده( (UO2و یا در موارد معدود، به اورانیوم غنی شده فلزی( (Uتبدیل كرد.
تبدیل UF6غنی شده به UO2غنی شده نیز خود به دو روش شیمیایی موسوم به خشك و تر انجام می‌گیرد كه پرداختن بدانها از حوصله این بحث خارج است.
در پایان این مرحله سوخت هسته‌ای آماده قرارگرفتن در راكتور و آغاز تولید انرژی است. حال كه سوخت هسته‌ای با درصد مورد نیاز اورانیوم ۲۳۵(حدود ۲تا ۵ درصد) به منظور استفاده در راكتور هسته‌ای آماده شد، عملكرد یك راكتور هسته‌ای را نیز به صورت خلاصه بررسی می‌كنیم.
عملكرد راكتور هسته ای
همانطور كه گفتیم، سوخت هسته‌ای شامل اورانیوم ۲۳۸ ۲۳۵ است كه درصد اورانیوم ۲۳۵با روشهای غنی‌سازی از حدود ۰/۷درصد در وضعیت طبیعی به حدود ۲تا ۵درصد در وضعیت غنی شده افزایش یافته‌است. به زبان ساده، درون یك راكتور هسته‌ای اورانیوم ۲۳۵به صورت كنترل شده توسط نوترونها بمباران می‌شود. برخورد نوترونها به هسته اتم اورانیوم ۲۳۵سبب شكست این هسته شده كه نتیجه شكست مذكور تولید انرژی و تولید نوترونهای بیشتر است.
كنترل این نوترونهای پر انرژی حاصل شده ضروری است زیرا می‌توانند درون راكتور طی یك فرایند زنجیره‌ای سبب شكست هسته‌های بیشتر اورانیوم ۲۳۵ و بروز حادثه شوند. برای كاهش انرژی نوترونهای آزاد شده و جذب آنها از مواد نرم‌كننده (از قبیل آب سبك، آب سنگین، گرافیت) و میله‌های مهار كننده(از قبیل كادیوم و یا بور) درون راكتور استفاده می‌شود.
البته تعدادی از این نوترونها نیز پس از شكست هسته اورانیوم ، ۲۳۵با هسته اورانیوم