چرخه سوخت هسته ای
چرخه سوخت هسته ای
چرخه سوخت هسته ای چیست؟
اورانیومی که از زمین استخراج می‌شود، بلافاصله قابل استفاده در نیروگاههای تولید انرژی نیست. برای آنکه بتوان بیشترین بازده را از اورانیوم به دست آورد، فرآیندهای مختلفی روی سنگ معدن اورانیوم صورت می‌گیرد تا غلظت ایزوتوپ u-235 که قابل شکافت است، افزایش یابد.
چرخه سوخت اورانیوم نسبت به سوخت های رایج دیگر، از جمله ذغال سنگ، نفت و گاز طبیعی، به مراتب پیچیده تر و متمایزتر است. چرخه سوخت اورانیوم را چرخه سوخت هسته ای نیز می‌گویند. چرخه سوخت هسته ای از دو بخش انتهای جلویی و انتهای عقبی ( front end , Back end ) تشکیل شده است. انتهای جلویی چرخه، مراحلی است که منجر به آماده سازی اورانیوم به عنوان سوخت رآکتور هسته ای می‌شود و شامل استخراج از معدن، آسیاب کردن، تبدیل، غنی سازی و تولید سوخت است.
هنگامی که اورانیوم به عنوان سوخت مصرف شد و انرژی از آن به دست می‌آمد، انتهای عقبی چرخه آغاز می‌شود تا ضایعات هسته ای به انسان و محیط زیست آسیبی نرسانند. این بخش عقبی شامل انبار داری موقتی، بازفرآوری کردن انبار نهایی است.
اکتشاف و استخراج
ذخایر طبیعی اورانیوم، سنگ معدن اورانیوم است که براساس مقدار قابل استحصال از معدن محاسبه می‌شود. با تکنیک‌ها و روش های زمین شناسی، معدن اورانیوم شناسایی می‌شود و نمونه هایی از سنگ معدن به آزمایشگاه فرستاده می‌شود. در آنجا، محلولی از سنگ معدن تهیه می‌کنند و اورانیوم ته نشین شده را مورد بررسی قرار می‌دهند تا بفهمند چه مقدار اورانیوم را می‌توان از آن معدن استخراج کرد و چقدر هزینه می‌برد.
اورانیوم موجود در طبیعت معمولاً از دو ایزوتوپ u-235 و u-238 تشکیل می‌شود که فراوانی آنها به ترتیب 71/0 درصد و 28/99 درصد است.
هنگامی که معدن شناسایی شد، به سه روش می‌توان اورانیوم را استخراج کرد: استخراج از سطح زمین، استخراج ازمعادن زیرزمینی و تصفیه در معدن. دو روش نخست همانند دیگر روش های استخراج فلزات هستند، ولی در روش سوم که در ایالات متحده استفاده می‌شود، سنگ معدن در خود معدن تصفیه می‌شود و اورانیوم بدست می‌آید. سنگ معدن اورانیوم معمولا از اکسید اورانیوم (u3o8) تشکیل شده است و غلظت آن در سنگ معدن بین 05/0 تا 3/0 درصد تغییر می‌کند.
البته این تنها منبع اورانیوم نیست. اورانیوم در برخی معادن فسفات با منشأ دریایی نیز وجود دارد که البته فراوانی بسیار کمی دارد، به طوری که حداکثر به 200 ذره در میلیون ذره می‌رسد. از آنجایی که این معادن فسفات مقادیر انبوهی تولید دارند، می‌توان اورانیوم را با قیمت معولی استحصال کرد.
آسیاب کردن
پس از استخراج سنگ معدن، تکه سنگ‌ها به آسیاب فرستاده می‌شود تا خوب خرد شده، خرده سنگ هایی که با ابعاد یکسان تولید شود. اورانیوم توسط اسید سولفوریک از دیگر اتم‌ها جدا می‌شود، محلول غنی شده از اورانیوم تصفیه می‌شود و خشک می‌شود. محصول به دست آمده، کنستانتره جامد اورانیوم است که کیک زرد نامیده می‌شود.
تبدیل
کیک زرد جامد است، ولی مرحله بعد ( غنی سازی ) از تکنولوژی بخصوصی بهره می‌برد که نیازمند حالت گازی است. بنابراین کنستانتره اکسید اورانیوم جامد طی فرآیندی شیمیایی به هگزافلورایداورانیوم ( UF6 ) تبدیل می‌شود. UF6 در دمای اتاق جامد است، ولی در دمایی نه چندان بالا به گاز تبدیل می‌شود.
غنی سازی
برای ادامه یک واکنش زنجیره هسته ای در قلب یک رآکتور آب سبک، غلظت طبیعی اورانیوم 235 بسیار اندک است. برای آنکه UF6 به دست آمده در مرحله تبدیل، به عنوان سوخت هسته ای مورد استفاده قرار گیرد، باید ایزوتوپ قابل شکافت آن را غنی کرد. البته سطح غنی سازی بسته به کاربرد سوخت هسته ای متفاوت است. برای یک رآکتور آب سبک، سوختی با 5 درصد اورانیوم 235 مورد نیاز است؛ در حالی که در یک بمب اتمی، سوخت هسته ای باید حداقل 90 درصد غنی شده باشد.
غنی سازی با استفاده از یک یا چند روش جداسازی ایزوتوپ های سنگین و سبک صورت می‌گیرد. در حال حاضر، دو روش رایج برای غنی سازی اورانیوم وجود دارد که عبارتند از انتشار گاز و سنتریفوژ گاز.
در روش انتشار گازی ( دیفیوژن )، گاز طبیعی UF6 با فشار بالا از یک سری سدهای انتشاری عبور می‌کند. این سدها که غشاهای نیمه تراوا هستند، اتمهای سبک تر را با سرعت بیشتری عبور می‌دهند، در نتیجه UF6235 سریع تر از UF6238 عبور می‌کند. با تکرار این فرآیند در مراحل مختلف گازی نهایی به دست می‌آید که غلظت u235 بیشتری دارد. مهم ترین عیب این روش این است که جداسازی ایزوتوپ های سبک در هر مرحله نرخ نسبتاً پایینی دارد، لذا برای رسیدن به سطح غنی سازی مطلوب باید این فرآیند را به دفعات زیادی تکرار کرد که این، خود نیازمند امکانات زیاد و مصرف بالای انرژی الکتریکی است و به دنبال آن هزینه عملیات نیز بسیار افزایش خواهد یافت.
در روش سانتریفور گاز، گاز UF6 طبیعی را به مخزن هایی استوایی تزریق می‌کنند و گاز را با سرعت بسیار زیادی می‌چرخانند. نیروی گریز از مرکز موجب می‌شود UF6235 که اندکی از UF6238 سبک تر است، از مولکول سنگین تر جدا شود.
این فرآیند در مجموعه ای از مخزن‌ها صورت می‌گیرد و در نهایت، اورانیوم با سطح غنی شده مطلوب به دست می‌آید. هر چند روش سنتریفوژ گازی نیازمند تجهیزات گرانقیمتی است، هزینه انرژی آن نسبت به روش قبلی کمتر است.
امروز فناوری های غنی سازی جدیدی نیز توسعه یافته است، که همگی بر پایه استفاده از لیزر پیشرفت کرده اند. این روش‌ها که روش جداسازی ایزوتوپ با لیزر بخار اتمی (AVLIS) و جداسازی ایزوتوپ با لیزر مولکولی (MLIS) نام دارند، می‌توانند مواد خام بیشتری رادر هر مرحله غنی کنند و سطح غنی سازی آنها نیز بالاتر است.
ساخت میله های سوخت
تولید میله سوخت، آخرین مرحله انتهای جلویی در چرخه سوخت هسته ای است. اورانیوم غنی شده که هنوز به شکل UF6 است، باید به پودر دی اکسید اورانیوم (UO2) تبدیل شود تا به عنوان سوخت هسته ای قابل استفاده باشد، پودر UO2 سپس فشرده می‌شود و به شکل قرص در می‌آید. قرص های در معرض حرارت با دمای بالا قرار می‌گیرند تا به قرص های سرامیکی تبدیل شوند. پس از طی چند فرآیند فیزیکی، قرص هایی سرامیکی با ابعاد یکسان حاصل می‌شود. حال، متناسب با طراحی رآکتور و نوع سوخت مورد نیاز، این قرص های کوچک را در دسته دسته کرده و در لوله ای بخصوص قرار می‌دهند. این لوله از آلیاژ بخصوصی 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 می‌شود.
انتهای عقبی چرخه سوخت هسته ای: مدیریت زباله های هسته ای
در نیروگاه هسته ای هم مثل دیگر فعالیت های بشری، ضایعاتی تولید می‌شود که به دلیل حساسیت مضاعف زباله های رادیواکتیو، مدیریت زمان ضایعات باید تحت قوانین و محدودیت های خاصی صورت بگیرد.
در هر هشت مگاوات ساعت انرژی الکتریکی تولید شده در نیروگاه هسته ای، 30 گرم زباله رادیواکتیو به وجود می‌آید. برای تولید همین مقدار برق با استفاده از زغال سنگ پر کیفیت، هشت هزار کیلوگرم دی اکسید کربن تولید می‌شود که در دما و فشار جو، 3 استخر المپیک را پر می‌کند. می‌بینید حجم زباله های رادیواکتیو بسیار کمتر است، ولی خطر آنها به مراتب بیشتر است و مراقبت از آنها به مراتب بیشتر است و مراقبت از آنها ضرورتی تر و دشوارتر. زباله های رادیواکتیو براساس مقدار و نوع ماده رادیواکتیو به 3 گروه تقسیم می‌شوند:
الف- سطح پایین: لباس حفاظتی، لوازم، تجهیزات و فیلترهایی که حاوی مواد رادیواکتیو با عمر کوتاه هستند. اینها نیازی به پوشش حفاظتی ندارند و معمولاً فشرده شده یا آتش زده می‌شوند و در چاله های کم عمق دفن شده و انبار می‌شوند.
ب- سطح متوسط: رزین ها، پس مانده های شیمیایی، پوشش میله سوخت و مواد نیروگاههای برق هسته ای جزو زباله های سطح متوسط طبقه بندی می‌شوند. اینها عموما عمر کوتاهی دارند، ولی نیاز به پوشش محافظ دارند. این زباله‌ها را می‌توان درون بتون قرار داد و در مخزن زباله‌ها گذاشت.
ج- سطح بالا: همان سوخت مصرف شده راکتورها است و نیاز به پوشش حفاظتی و سردسازی دارند. مراحل مدیریت این ضایعات عبارتند از:
انبارداری موقتی
سوخت مصرف شده که از رآکتور خارج می‌شود، بسیار داغ و رادیواکتیو است و تشعشع و یونهای فراوانی را می‌تاباند. از این رو باید هم آن را سرد کرد و هم از تابیدن پرتوهای رادیواکتیو آن به محیط جلوگیری کرد. در کتار هر رآکتور، استخرهایی برای انبار کردن سوخت مصف شده وجود دارد. این استخرها، مخزن هایی بتونی مسلح به لایه های فولاد زنگ نزن هستند که 8 متر عمق دارند و پر از آب هستند. آب هم میله های سوخت مصرف شده را خنک می‌کند و هم به عنوان پوششی حفاظتی در برابر تابش رادیواکتیو عمل می‌کند. به مرور زمان، شدت گرما و تابش رادیواکتیو کاهش می‌یابد، به طوری که پس از چهل سال، به یک هزارم مقدار اولیه ( زمانی که از رآکتور خارج شده بود ) می‌رسد.
بازفرآوری انبارنهایی
3 درصد سوخت مصرف شده در یک رآکتور آب سبک را ضایعات بسیار خطرناک رادیواکتیو است. این مواد را می‌توان با روش های شیمیایی از یکدیگر جدا کرد و اگر شرایط اقتصادی و قوانین حقوقی اجازه دهد، می‌توان سوخت مصرف شده را برای تهیه سوخت هسته ای جدید بازیافت کرد.
کارخانه هایی در فرانسه و انگلستان وجود دارند که مرحله بازفرآوری سوخت نیروگاههای کشورهای اروپای و ژاپن را انجام می‌دهند. البته این کار در ایالات متحده ممنوع است.
رایج ترین شیوه بازفرآوری، purex نام دارد که مخفف عبارت جداسازی اورانیوم و پلوتونیوم است. ابتدا میله های سوختی را از یکدیگر جدا می‌کنند و در اسید نیتریک حل می‌کنند؛ سپس با استفاده از مخلوطی از فسفات تری بوتیل و یک حلال هیدرو کربن، اورانیوم و پلوتونیوم مصرف نشده را جدا می‌کنند و به عنوان سوخت جدید به مراحل تهیه سوخت می‌فرستند. ضایعات هسته ای سطح بالا را پس از جدا سازی، حرارت می‌دهند تا به پودر تبدیل شود. پس از فرآیند که آهی کردن خوانده می‌شود، پودر را به شیشه مخلوط می‌کنند تا ضایعات را در محفظه ای محبوس کنند. این فرآیند شیشه سازی نام دارد. شیشه مایع برای ذخیره سازی درون محفظه هایی از جنس فولاد ضد زنگ قرار می‌گیرند و این محفظه‌ها را در منطقه ای پایدار ( از نظر جغرافیایی ) انبار می‌کنند. پس از یک هزار سال، شدت تابش های رادیواکتیو ضایعات هسته ای به مقدار طبیعی کاهش پیدا می‌کند. این نقطه تا به امروز، انتهای چرخه سوخت هسته ای است
كاربرد هاي انرژي هسته ا ي
كاربرد هاي انرژي هسته ا ي
دستيابي جمهوري اسلامي ايران به فناوري هسته‌اي و بومي كردن اين دانش روز بشري كه در توسعه و پيشرفت كشور نقش بالايي ايفاء خواهد كرد، به يكي از چالش‌هاي اصلي در سياست خارجي تبديل شده است. در مقطع كنوني تنها با يك عزم و اراده ملي مي‌توان از اين بحران عبور كرد و توطئه‌هاي دشمنان انقلاب اسلامي با محوريت آمريكا و رژيم صهيونيستي را خنثي نمود. از اين روي آشنايي اجمالي با كاربرد انرژي هسته‌اي‌از اهميت‌بالايي‌برخوردار است . در اين‌نوشتار بحث ، فناوري هسته‌اي از زواياي مذكور مورد بررسي قرار مي‌گيرد و به مواردی نیز اشاره خواهیم کرد :
1- كاربرد انرژي هسته‌اي در توليد برق
2- كاربرد انرژي هسته‌اي در پزشكي هسته‌اي و امور بهداشتي
3- كاربرد انرژي هسته‌اي در بخش دامپزشكي و دامپروري
4- كاربرد انرژي هسته‌اي در دسترسي به منابع آب
5- كاربرد انرژي هسته‌اي در بخش صنايع غذايي و كشاورزي
6- كاربرد انرژي هسته‌اي در بخش صنعت
انرژي هسته‌اي داراي كاربردهاي فراوان است. در يك تقسيم‌بندي كلي مي‌توان كاربردهاي انرژي هسته‌اي را در دو بخش نظامي و غيرنظامي يا صلح جويانه قرار داد. ايران در طول ساليان اخير همواره‌تأكيد بر استفاده صلح‌آميز از انرژي هسته‌اي داشته و مسئولان بارها اعلام كرده‌اند كه سلاح‌هاي هسته‌اي و بمب اتم در دكترين دفاعي كشور جايي ندارد. آمريكايي‌ها قريب دو دهه است كه ايران را متهم به تلاش جهت دستيابي به سلاح‌هاي اتمي مي‌كنند و مقصد نهايي ايران در فعاليتهاي هسته‌اي را دسترسي به سلاح اتمي اعلام مي‌دارند. آمريكايي‌ها و برخي ديگر از كشورهاي غربي و همچنين رژيم صهيونيستي با تكيه بر قدرت رسانه‌اي، اينگونه تبليغ مي‌نمايند كه ايران با برخورداري از منابع‌عظيم انرژي‌هاي فسيلي، هيچگونه نيازي به انرژي اتمي ندارد، فلذا فعاليتهاي هسته‌اي ايران داراي مقاصد غيرصلح‌آميز بوده و بايد متوقف گردد. در داخل كشور نيز برخي از گروههاي سياسي با همين استدلال، معتقدند درحاليكه مجامع بين‌المللي نسبت به فعاليتهاي هسته‌اي ايران بدگمان مي‌باشند و ما هم با وجود منابع عظيم انرژي فسيلي نياز مبرمي به انرژي جايگزين نداريم، بهتر است فعاليتهاي هسته‌اي كشور را متوقف نماييم. بنابراين آشنايي با موارد كاربرد صلح‌آميز انرژي هسته‌اي و تبيين نقش فناوري هسته‌اي در پيشرفت و توسعه كشور بسيار ضرروري است.
استفاده اصلي از انرژي هسته‌اي، توليد انرژي الكتريسته است. اين راهي ساده و كارآمد براي جوشاندن آب و ايجاد بخار براي راه‌اندازي توربين‌هاي مولد است. بدون راكتورهاي موجود در نيروگاه‌هاي هسته‌اي، اين نيروگاه‌ها شبيه ديگر نيروگاه‌ها زغال‌سنگي و سوختي مي‌شود. انرژي هسته‌اي بهترين كاربرد براي توليد مقياس متوسط يا بزرگي از انرژي الكتريكي به‌طور مداوم است. سوخت اينگونه ايستگاه‌ها را اوانيوم تشكيل مي‌دهد.
چرخه سوخت هسته‌اي تعدادي عمليات صنعتي است كه توليد الكتريسته را با اورانيوم در راكتورهاي هسته‌اي ممكن مي‌كند.
اورانيوم عنصري نسبتاً معمولي و عادي است كه در تمام دنيا يافت مي‌شود. اين عنصر به‌صورت معدني در بعضي از كشورها وجود دارد كه حتماً بايد قبل از مصرف به صورت سوخت در راكتورهاي هسته‌اي، فرآوري شود. الكتريسته با استفاده از گرماي توليد شده در راكتورهاي هسته‌اي و با ايجاد بخار براي به‌كار انداختن توربين‌هايي كه به مولد متصل‌اند توليد مي‌شود.
سوختي كه از راكتور خارج شده، بعداز اين كه به پايان عمر مفيد خود رسيد مي‌تواند به عنوان سوختي جديد استفاده شود. فعاليتهاي مختلفي كه با توليد الكتريسيته از واكنش‌هاي هسته‌اي همراهند مرتبط به چرخه سوخت هسته‌اي هستند. چرخه سوختي انرژي هسته‌اي با اورانيوم آغاز مي‌شود و با انهدام پسماندههاي هسته‌اي پايان مي‌يابد. دوبار عمل‌آوري سوخت‌هاي خرج شده به مرحله‌هاي چرخه سوخت هسته‌اي شكلي صحيح مي‌دهد.
اورانيوم
اورانيوم فلزي راديواكتيو و پرتوزاست كه در سراسر پوسته سخت زمين موجود است. اين فلز حدوداً 500 بار از طلا فراوان‌تر و به اندازه قوطي حلبي معمولي و عادي است. اورانيوم اكنون به اندازه‌اي در صخره‌ها و خاك و زمين وجود دارد كه در آب رودخانه‌ها، درياها و اقيانوس‌ها موجود است. براي مثال اين فلز با غلظتي در حدود 4 قسمت در هر ميليون (ppm4) در گرانيت وجود دارد كه 60 درصد از كره زمين را شامل مي‌شود، در كودها با غلظتي بالغ بر ppm400 و در ته‌مانده زغال‌سنگ با غلظتي بيش از ppm100 موجود است. اكثر راديو اكتيويته مربوط به اورانيوم در طبيعت در حقيقت ناشي از معدن‌هاي ديگري است كه با عمليات راديواكتيو به وجود آمده‌اند و در هنگام استخراج از معدن و آسياب كردن به جا مانده‌اند.
چند منطقه در سراسر دنيا وجود دارد كه غلظت اورانيوم موجود در آنها به قدر كافي است كه استخراج آن براي استفاده از نظر اقتصادي به صرفه و امكان‌پذير است. اين نوع مواد غليظ، سنگ معدن يا كانه ناميده مي‌شوند.
استخراج اورانيوم
هر دو نوع حفاري و تكنيك‌هاي موقعيتي براي كشف كردن اورانيوم به كار مي‌روند، حفاري ممكن است به صورت زيرزميني يا چال‌هاي باز و روي زمين انجام شود. در كل، حفاري‌هاي روزميني در جاهايي استفاده مي‌شود كه ذخيره معدني نزديك به سطح زمين و حفاري‌هاي زيرزميني براي ذخيره‌هاي معدني عميق‌تر به كار مي‌رود. به‌طور نمونه براي حفاري روزميني بيشتر از 120 متر عمق، نياز به گودال‌هاي بزرگي بر سطح زمين است؛ اندازه گودال‌ها بايد بزرگتر از اندازه ذخيره معدني باشد تا زماني كه ديواره‌هاي گودال محكم شوند تا مانع ريزش آنها شود. در نتيجه، تعداد موادي كه بايد به بيرون از معدن انتقال داده شود تا به كانه دسترسي پيدا كند زياد است.
حفاري‌هاي زيرزميني داراي خرابي و اخلال‌هاي كمتري در سطح زمين هستند و تعداد موادي كه بايد براي دسترسي به سنگ معدن يا كانه به بيرون از معدن انتقال داده شوند به‌طور قابل ملاحظه‌اي كمتر از حفاري نوع روزميني است.
مقدار زيادي از اورانيوم جهاني از (ISL) (In Sitaleding) مي‌آيد. جايي كه آب‌هاي اكسيژنه زيرزميني در معدن‌هاي كانه‌اي پرمنفذ به گردش مي‌افتند تا اورانيوم موجود در معدن را در خود حل كنند و آن را به سطح زمين آورند. (ISL) شايد با اسيد رقيق يا با محلول‌هاي قليايي همراه باشد تا اورانيوم را محلول نگهدارد، سپس اورانيوم در كارخانه‌هاي آسياب‌سازي اورانيوم، از محلول خود جدا مي‌شود.
در نتيجه انتخاب روش حفاري براي ته‌نشين كردن اورانيوم بستگي به جنس ديواره معدن كانه سنگ، امنيت و ملاحظات اقتصادي دارد.
در غالب معدن‌هاي زيرزميني اورانيوم، پيشگيري‌هاي مخصوصي كه شامل افزايش تهويه هوا مي‌شود، لازم است تا از پرتوافشاني جلوگيري شود.
آسياب كردن اورانيوم
محل آسياب كردن معمولاً به معدن استخراج اورانيوم نزديك است. بيشتر امكانات استخراجي شامل يك آسياب مي‌شود. هرچه جايي كه معدن‌ها قرار دارند به هم نزديك‌تر باشند يك آسياب مي‌تواند عمل آسياب‌سازي چند معدن را انجام دهد. عمل آسياب‌سازي اكسيد اورانيوم غليظي توليد مي‌كند كه از آسياب حمل مي‌شود. گاهي اوقات به اين اكسيدها كيك زرد مي‌گويند كه شامل 80 درصد اورانيوم مي‌باشد. سنگ معدن اصل شايد داراي چيزي در حدود 1/0 درصد اورانيوم باشد.
در يك آسياب، اورانيوم با عمل سنگ‌شويي از سنگ‌هاي معدني خرد شده جدا مي‌شود كه يا با اسيد قوي و يا با محلول قليايي قوي حل مي‌شود و به صورت محلول در مي‌آيد. سپس اورانيوم با ته‌نشين كردن از محلول جدا مي‌شود و بعداز خشك كردن و معمولاً حرارت دادن به صورت اشباع شده و غليظ در استوانه‌هاي 200 ليتري بسته‌بندي مي‌شود.
باقيمانده سنگ معدن كه بيشتر شامل مواد پرتوزا و سنگ معدن مي‌شود در محلي معين به دور از محيط معدن در امكانات مهندسي نگهداري مي‌شود. (معمولاً در گودال‌هايي روي زمين).
پسماندههاي داراي مواد راديواكتيو عمري طولاني دارند و غلظت آنها كم خاصيتي سمي دارند. هرچند مقدار كلي عناصر پرتوزا كمتر از سنگ معدن اصلي است و نيمه عمر آنها كوتاه خواهد بود اما اين مواد بايد از محيط زيست دور بمانند.
تبديل و تغيير
محلول آسياب شده اورانيوم مستقيماً قابل استفاده به‌عنوان سوخت در راكتورهاي هسته‌اي نيست. پردازش اضافي به غني‌سازي اورانيوم مربوط است كه براي تمام راكتورها لازم است.
اين عمل اورانيوم را به نوع گازي تبديل مي‌كند و راه به‌دست آوردن آن تبديل كردن به هگزا فلوريد (Hexa Fluoride) است كه در دماي نسبتاً پايين گاز است.
در وسيله‌اي تبديل‌گر، اورانيوم به اورانيوم دي‌اكسيد تبديل مي‌شود كه در راكتورهايي كه نياز به اورانيوم غني شده ندارند استفاده مي‌شود.
بيشتر آنها بعداز آن كه به هگزافلوريد تبديل شدند براي غني‌سازي در كارخانه آماده هستند و در كانتينرهايي كه از جنس فلز مقاوم و محكم است حمل مي‌شوند. خطر اصلي اين طبقه از چرخه سوختي اثر هيدروژن فلوريد (Hydrogen Fluoride) است.
نیروگاه حرارتی
مقدمه
نیروگاه حرارتی جهت تولید انرژی الکتریکی بکار می‌رود که در عمل پره‌های توربین بخار توسط فشار زیاد بخار آب ، به حرکت در آمده و ژنراتور را که با توربین کوپل شده است، به چرخش در می‌آورد. در نتیجه ژنراتور انرژی الکتریکی تولید می‌کند. نیروگاه حرارتی به مقدار زیادی آب نیاز دارد. در نتیجه در محلهایی که آب به فراوانی یافت می‌شود، ترجیحا از این نوع نیروگاه استفاده می‌شود. چون انرژی الکتریکی را به روشهای دیگری ، مثل انرژی آب در پشت سدها (توربین آبی) ، انرژی باد (توربین بادی) ، انرژی سوخت (توربین گازی) و انرژی اتمی هم می‌توان تهیه کرد. سوخت نیروگاه حرارتی شامل ، فروت و یا گازوئیل طبیعی است.
مشخصات فنی نیروگاه
سوخت
سوخت اصلی نیروگاه ، سوخت سنگین (مازوت) می‌باشد که توسط تانکرها حمل و از طریق ایستگاه تخلیه سوخت در سه مخزن 33000 متر مکعبی ذخیره می‌گردد. سوخت راه اندازی ، سوخت سبک (گازوئیل) است که در یک مخزن 430 متر مکعبی نگهداری می‌شود.
آب
آب مصرفی نیروگاه ، جهت تولید بخار و مصرف برج خنک کن و سیستم آتش نشانی ، از طریق چاه عمیق تامین می‌گردد.
سیستم خنک کن
برج خنک کن نیروگاه از نوع تر می‌باشد و 18 عدد فن (خنک کن) دارد که هر یک دارای الکتروموتوری به قدرت 132kw و سرعت سرعت 141RPM می‌باشد و بوسیله دو عدد پمپ توسط لوله‌ای به قطر 5.2 متر آب مورد نیاز خنک کن تامین می‌گردد. دمای آب برگشتی در برج خنک کن 29.6 درجه سانتیگراد و دمای آب خروجی از برج 21.6 درجه سانتیگراد می‌باشد.
سیستم تصفیه آب
سیستم تصفیه آب جهت برج خنک کن
آب لازم جهت برج خنک کن بایستی فاقد املاحی باشد که سریعا در لوله‌های کندانسور رسوب می‌کنند (از قبیل بی‌کربناتها). این املاح با افزودن کلرورفریک ، آب آهک و آلومینات سدیم گرفته می‌شود و سپس رسوبات جمع شده توسط یک جاروب جمع کننده به بیرون منتقل می‌شوند. به این آب که بدون سختی بی کربنات باشد، آب نرم می‌گویند. آب نرم وارد دو استخر ذخیره شده و از آنجا توسط پمپهایی جهت تامین کمبود آب به برج خنک کن فرستاده می‌شود. برای از بین بردن خزه و جلبک در این استخر ، سیستم تزریق کلر طراحی شده است.
سیستم تصفیه آب جهت تولید بخار
چون آب مورد نیاز برای تولید بخار و جبران کمبود سیکل آب و بخار بایستی کیفیت بسیار بالایی داشته باشد، لذا برای این منظور از یک سیستم مشترک برای هر دو واحد استفاده می‌شود. بعد از اینکه مقداری از سختی آب گرفته شد، وارد سه دستگاه فیلتر شنی می‌شود، سپس به مخزن ذخیره وارد و از آنجا توسط سه عدد پمپ به طرف فیلتر کربنی فعال فرستاده می‌شود، تا کلر موجود در آب بوسیله زغال فعال جذب شود. بعد از این فیلتر یک مبدل حرارتی در نظر گرفته شده که دمای آب را در 25 درجه سانتیگراد ثابت نگه می‌دارد.
سپس این آب وارد دو دستگاه فیلتر 5 میکرونی شده و ذراتی که قطر آنها بیشتر از 5 میکرون می‌باشند، توسط این فیلترها جذب و وارد دو دستگاه ریورس اسمز می‌گردد. در این دستگاه 90% املاح محلول در آب گرفته می‌شود. آب پس از این مرحله وارد مخزن زیرزمینی می‌گردد. سپس توسط سه پمپ به فیلترهای کاتیونی و آنیونی وارد شده و پس از تنظیم PH و کنترل از نظر شیمیایی به مخازن ذخیره آب وارد و مورد استفاده قرار می‌گیرد.
بویلر
بویلر نیروگاه دارای درام بالائی و پائینی بوده و به صورت گردش اجباری توسط سه عدد پمپ سیرکوله (Boiler Circulation Watepump) و کوره ، تحت فشار می‌باشد. درام بالایی معمولا به وزن 110 تن در ارتفاع 50.6 متری و ضخامت جداره 11 سانتیمتر می‌باشد. بویلر دارای 16 مشعل هست که در چهار طبقه و در چهار گوشه با زاویه ثابت قرار گرفته‌اند. مشعلهای ردیف پائین برای هر دو سوخت مازوت و گازوئیل بکار می‌رود.
توربین
نیروگاه از نوع ترکیب متوالی در یک امتداد (Tadem Compound) و دارای سه سیلندر فشار قوی ، فشار متوسط و فشار ضعیف می‌باشد که توربین فشار قوی و فشار متوسط در یک پوسته قرار گرفته و در پوسته دیگر توربینهای فشار ضعیف قرار دارند. توربین فشار قوی 8 طبقه و توربین فشار متوسط 5 طبقه و توربین فشار ضعیف با دو جریان متقارن و هر یک دارای 5 طبقه است. بخار از طریق دو عدد شیر اصلی در دو طرف توربین و شش عدد شیر کنترل وارد توربین فشار قوی شده و بعد از انبساط در چندین طبقه از توربین به بویلر بر می‌گردد. سپس وارد توربین فشار متوسط شده و بعد از انبساط توسط یک لوله مشترک وارد توریبن فشار ضعیف گردیده و به طرف کندانسور می‌رود.
کندانسور
کندانسور نیروگاه از نوع سطحی یک عبوری با جعبه آب مجزا می‌باشد که در زیر توریبن فشار ضعیف قرار گرفته است. برای ایجاد خلا کندانسور از دو نوع سیستم استفاده می‌شود که سیستم اول در موقع راه اندازی و توسط یک مکنده هوا انجام می‌یابد. در طول بهره برداری خلا لازم توسط دو دستگاه پمپ تامین می‌گردد که این پمپها فشار داخل کندانسور را کاهش می‌دهند.
ژنراتور
ژنراتور طوری طراحی شده است که در مقابل اتصال کوتاه و نوسانات ناگهانی بار و احیانا انفجار هیدروژن در داخل ماشین مقاومت کافی داشته باشد. سیستم تحریک آن شامل یک اکساتیر پیلوت (Pilot exiter) با ظرفیت 45 کیلوولت آمپر می‌باشد و جریان تحریک اکسایتر پیلوت در لحظه Flashing از طریق باطری خانه تامین می‌شود. ضمنا سیم پیچهای دستگاه توسط هوا خنک کاری می‌شوند.
ترانسفورمرها و تغذیه داخلی نیروگاه
ترانس اصلی (Main Ttansformer):این ترانس به صورت سه تک فاز با ظرفیت هر کدام 150 مگا ولت آمپر و فرکانس 50 هرتز و امپرانس ولتاژ 14.2 درصد به عنوان Step Up Tranformer ، جهت بالا بردن ولتاژ خروجی ژنراتور از 20 کیلو ولت تا 230 کیلو ولت بکار رفته است. در ضمن نسبت تبدیل ، 10.20%±247 کیلو ولت می‌باشد.
ترانس واحد (Unit Transformer):این ترانس با ظرفیت 35/22/22 مگا ولت آمپر و نسبت تبدیل 3/316/516%±20 و فرکانس 50 هرتز و امپدانس ولتاژ 8.5% و تپ چنجر Off- Loud ، ولتاژ 20 کیلو ولت خروجی ژنراتور را تبدیل به 6 کیلو ولت نموده و به منظور تامین مصارف داخلی نیروگاه در حین بهره برداری بکار می‌رود.
ترانس استارتینگ (Start up Trans): این ترانس به تعداد دو عدد ، به نامهای LTB و LTA و با ظرفیت 25/25/25 مگا ولت آمپر و نسبت تبدیل 10%±3/6/10%± کیلو ولت و فرکانس 50 هرتز و امپدانس 10% و تپ چنجر On Lead ، ولتاژ 230 کیلو ولت شبکه را تبدیل به 6 کیلو ولت نموده و شینه‌ها را طبق شکل شماتیک ضمیمه تغذیه می‌نماید.
ترانس تغذیه (Auxiliary Trans): ترانس تغذیه در ظرفیتهای مختلف 630/1600/2500 کیلو ولت آمپر ، ولتاژ 6 کیلو ولت را تبدیل به 400 ولت می‌نماید که جهت تامین مصارف داخلی فشار ضعیف بکار می‌رود.
سیستم آتش نشانی
آب: کلیه قسمتهای نیروگاه (ساختمان شیمی ، ماشین خانه ، بویلر ، کارگاه ، انبار و ...) و محوطه مجهز به سیستم آب آتش نشانی می‌باشند.
فوم: کلیه قسمتهای سوخت رسانی اعم از مخازن سوخت سبک و سنگین و ایستگاه تخلیه سوخت ، بویلر دیزل اضطراری و بویلر کمکی مجهز به سیستم فوم می‌باشند.
گاز CO2: کلیه سیستمهای الکتریکی از قبیل ساختمان الکتریکی و... توسط گاز CO2 حفاظت می‌گردد.
نیروگاه اتمی
نیروگاه اتمی در واقع یک بمب اتمی است که به کمک میله‌های مهارکننده و خروج دمای درونی بوسیله مواد خنک کننده مثل آب و گاز ، تحت کنترل در آمده است. اگر روزی این میله‌ها و یا پمپهای انتقال دهنده مواد خنک کننده وظیفه خود را درست انجام ندهند، سوانح متعددی بوجود می‌آید و حتی ممکن است نیروگاه نیز منفجر شود، مانند فاجعه نیروگاه چرنوبیل شوروی سابق.
دید کلی
طی سالهای گذشته اغلب کشورها به استفاده از این نوع انرژی هسته‌ای تمایل داشتند و حتی دولت ایران 15 نیروگاه اتمی به کشورهای آمریکا ، فرانسه و آلمان سفارش داده بود. ولی خوشبختانه بعد از وقوع دو حادثه مهمتری میل آیلند (Three Mile Island) در 28 مارس 1979 و فاجعه چرنوبیل (Tchernobyl) در روسیه در 26 آوریل 1986، نظر افکار عمومی نسبت به کاربرد اتم برای تولید انرژی تغییر کرد و ترس و وحشت از جنگ اتمی و به خصوص امکان تهیه بمب اتمی در جهان سوم، کشورهای غربی را موقتا مجبور به تجدید نظر در برنامه‌های اتمی خود کرد.
ساختار نیروگاه اتمی
نیروگاه اتمی از مواد مختلفی شکل گرفته است که همه آنها نقش اساسی و مهم در تعادل و ادامه حیات آن را دارند. این مواد عبارتند از:
ماده سوخت
ماده سوخت متشکل از اورانیوم طبیعی ، اورانیوم غنی شده ، اورانیوم و پلوتونیوم است. که سوختن اورانیوم بر اساس واکنش شکافت هسته‌ای صورت می‌گیرد.
نرم کننده‌ها
نرم کننده‌ها موادی هستند که برخورد نوترون های حاصل از شکست با آنها الزامی است و برای کم کردن انرژی این نوترون ها به کار می روند. زیرا احتمال واکنش شکست پی در پی به ازای نوترون های کم انرژی بیشتر می شود. آب سنگین (D2O) یا زغال سنگ (گرافیت) به عنوان نرم کننده نوترون بکار برده می‌شوند.
میله‌های مهارکننده
این میله‌ها از مواد جاذب نوترون درست شده‌اند و وجود آنها در داخل راکتور اتمی الزامی است و مانع افزایش ناگهانی تعداد نوترونها در قلب راکتور می‌شوند. اگر این میله‌ها کار اصلی خود را انجام ندهند، در زمانی کمتر از چند هزارم ثانیه قدرت راکتور چند برابر شده و حالت انفجاری یا دیورژانس راکتور پیش می‌آید. این میله ها می توانند از جنس عنصر کادمیم و یا بور باشند.
مواد خنک کننده یا انتقال دهنده انرژی حرارتی
این مواد انرژی حاصل از شکست اورانیوم را به خارج از راکتور انتقال داده و توربینهای مولد برق را به حرکت در می آورند و پس از خنک شدن مجدداً به داخل راکتور برمی گردند. البته مواد در مدار بسته و محدودی عمل می کنند و با خارج از محیط رآکتور تماسی ندارند. این مواد می توانند گاز CO2 ، آب ، آب سنگین ، هلیوم گازی و یا سدیم مذاب باشند.
طرز کار نیروگاه اتمی
عمل سوختن اورانیوم در داخل نیروگاه اتمی متفاوت از سوختن زغال یا هر نوع سوخت فسیلی دیگر است. در این پدیده با ورود یک نوترون کم انرژی به داخل هسته ایزوتوپ 235U عمل شکست انجام می گیرد و انرژی فراوانی تولید می کند. بعد از ورود نوترون به درون هسته اتم ، ناپایداری در هسته به وجود آمده و بعد از لحظه بسیار کوتاهی هسته اتم شکسته شده و تبدیل به دو تکه شکست و تعدادی نوترون می‌شود.
بطور متوسط تعداد نوترونها به ازای هر 100 اتم شکسته شده 247 عدد است و این نوترونها اتمهای دیگر را می‌شکنند و اگر کنترلی در مهار کردن تعداد آنها نباشد واکنش شکست در داخل توده اورانیوم به صورت زنجیره‌ای انجام می‌شود که در زمانی بسیار کوتاه منجر به انفجار شدیدی خواهد شد. در واقع ورود نوترون به درون هسته اتم اورانیوم و شکسته شدن آن توام با انتشار انرژی معادل با Mev200 میلیون الکترون ولت است.
این مقدار انرژی در سطح اتمی بسیار ناچیز ولی در مورد یک گرم از اورانیوم در حدود صدها هزار مگاوات است. که اگر به صورت زنجیره‌ای انجام شود، در کمتر از هزارم ثانیه مشابه بمب اتمی عمل خواهد کرد. اما اگر تعداد شکستها را در توده اورانیوم و طی زمان محدود کرده به نحوی که به ازای هر شکست ، اتم بعدی شکست حاصل کند شرایط یک نیروگاه اتمی بوجود می‌آید.
نمونه عملی
نیروگاهی که دارای 10 تن اورانیوم طبیعی است قدرتی معادل با 100 مگاوات خواهد داشت و بطور متوسط 105 گرم 235U در روز در این نیروگاه شکسته می شود و همانطور که قبلا گفته شد در اثر جذب نوترون بوسیله ایزوتوپ 239U ، 238U بوجود می‌آمد که بعد از دو بار انتشار ذرات بتا (الکترون) به 239Pu تبدیل می‌شود که خود مانند 235U شکست پذیر است. در این عمل 70 گرم پلتونیوم حاصل می‌شود.
ولی اگر نیروگاه سورژنراتور باشد و تعداد نوترونهای موجود در نیروگاه زیاد باشند مقدار جذب به مراتب بیشتر از این خواهد بود و مقدار پلتونیومهای بوجود آمده از مقدار آنهایی که شکسته می‌شوند بیشتر خواهند بود. در چنین حالتی بعد از پیاده کردن میله‌های سوخت می‌توان پلتونیوم بوجود آمده را از اورانیوم و فرآورده‌های شکست را به کمک واکنشهای شیمیایی بسیار ساده جدا و به منظور تهیه بمب اتمی ذخیره کرد
صلاح الدین خسروی