چرخه سوخت هسته ای
چرخه سوخت هسته ای
هدف از يك رآكتور هستهاي قدرت عبارت از تأمين انرژي در يك حالت پايا و كنترل شده به يك مولد برق است. پيشنهاداتي براي بهرهبرداري مستقيم از گرماي شكافت شده است، ولي رآكتورهاي قدرت فعلي صرفاٌ جايگزين سوزانندههاي زغال، گاز يا نفت با توليد بخار است كه توربين دستگاه توليد برق را در يك روش عادي به حركت در ميآورد.
روشهاي بررسي اين توضيح ساده به طور قابل ملاحظهاي كم و بيش متغير بوده، ولي در رآكتورهاي حرارتي مباني به صورت زير است:
· ماده شكافتپذير معمولاً اورانيم به صورت فلز يا اكسيد آن، گاهي با افزايش پلوتونيم.
· غلاف، يك لايه فلزي در اطراف ماده شكافتپذير جهت محافظت آن از خوردگي و براي جلوگيري از فرار محصولات شكافت.
· يك كندكننده، تركيبي از عناصر سبك براي كند نمودن نوترونها از سرعتهاي بالاي اوليه آنها.
· يك سرد كننده، براي حمل گرماي توليد شده به مولد بخار يا مستقيماٌ به توربين.
· يك مكانيسم كنترل، حركت دهنده موادجاذب نوترون به داخل و بيرون منطقه واكنش و لذا تنظيم سرعت شكافت يا توقف آن.
· حفاظ جهت محافظت اپراتورها و عموم از تابش.
· يك لايه محافظ جهت جلوگيري از فرار مواد راديواكتيو در حالت افزايش فشارهاي داخلي.
اختلاف اساسي در يك رآكتور سريع اين است كه در آن كندكنندهاي وجود ندارد.
براي انتقال گرما از سوخت هستهاي به تجهيزات توليد بخار، در رآكتورهاي سريع با چگالي بالاي انرژي سديم مايع به عنوان خنككننده و در رآكتورهاي حرارتي آب يا گاز همچون
دياكسيدكربن مورد استفاده قرار ميگيرند. براي كند نمودن نوترونها بدون جذب تعداد زيادي از آنها، در رآكتورهاي حرارتي يك كندكننده، در حال حاضر گرافيت، آب يا آبسنگين (اكسيد دئوتريوم) بهكار ميرود. در انواع عادي رآكتورهاي آب تحت فشار يا رآكتورهاي آب جوشان، آب به عنوان كندكننده و نيز خنك كننده مورد استفاده قرار ميگيرد. رآكتورها غالباً مطابق تركيب مواد طراحي ميشوند.
ماده شكافتپذير، غلاف، و گاهي بخشي از كندكننده گرافيت تركيب شده، به همراه هر ضميمه لازم، سوخت را تشكيل ميدهند. ممكن است اين تركيب در طي مدت فعاليت رآكتور به دفعات تغيير يابد. براي طولاني نمودن زمان تعويض سوخت و يا كاهش ميزان سوخت نسبت به ميزان مورد نياز معمولاٌ نسبت 235-U به 238-U افزايش يافته، به بالاتر از ميزان طبيعي 72/0 درصد غني ميگردد. اين امر موجب كوچكتر شدن قلب رآكتور نسبت به رآكتور با اورانيم طبيعي شده و لذا هزينه ساختمان آن كاهش مييابد. براي رآكتورهاي زيردرياييها كه در آنها فضا محدود بوده و تعويض سوخت بينهايت نامناسب است غناي بسيار بالاي اورانيم مورد نياز است.
در طي مدتي كه سوخت در رآكتور است:
· بخشي از 235-U اوليه يا پلوتونيم به تدريج مصرف ميشود.
· بخشي از 238-U به پلوتونيم تبديل ميگردد.
· محصولات شكافت تشكيل ميگردد، بعضي از اين محصولات جاذب شديد نوترونها هستند.
اثر خالص به اين صورت است كه واكنش هستهاي به صورت ممتد ادامه يابد و در نهايت سوخت به آساني تعويض گردد. در رآكتورهاي حرارتي، اين امر در هنگامي كه بيشترين درصدي از اورانيم مصرف شده لازم ميباشد. رآكتورهاي سريع ممكن است تا 20-10 درصد سوختن(Burn Up) بر هر چرخه برسند.
1 -4 : مديريت سوخت
هنگامي كه سوخت از رآكتور تخليه ميشود، دو روش در رابطه با آن وجود دارد:
· دفع مستقيم - متروك ساختن كامل آن به عنوان پسمان، پس از مدتي نگهداري جهت فروپاشي
محصولات شكافت و نيز كاهش گرماي آن.
· فرآوري شيميايي آن (بازفرآوري) جهت جداسازي اورانيم باقيمانده و پلوتونيم توليد شده از محصولات شكافت و مقدار جزئي اكتنيدها كه براي نگهداري دائم دفع ميشوند.
در هر كدام از روشها كه بهكار رود، احتياطات لازم جهت جلوگيري از فرار محصولات شكافت بالقوه خطرناك لازم است. در بعضي از كشورها، مثلاً ايالات متحده روش نخست بهكار ميرود، در حاليكه بعضي از كشورهاي ديگر همچون بريتانيا، فرانسه، و ژاپن روش دوم را براي مصرف مجدد اورانيم و پلوتونيم بازيابي شده ترجيح ميدهند. در كل جهان، تقريباً نصف مقادير سوخت مصرف شده هر كدام از مسيرها را طي ميكند.
در حال حاضر نظر بر اين است كه اورانيم و پلوتونيم بازيابي شده در رآكتورهاي حرارتي مورد استفاده قرار گيرد. با وجود اين، با توجه به ايزوتوپهاي با عدد جرمي زوج پلوتونيم
بهطور مؤثري اجازه اين كار را نميدهد. براي اين كار رآكتورهاي سريع مناسب هستند. در تئوري در چندين مرحله بازيابي كل انرژي قابل دسترسي اورانيم حتي 238-U غالب نيز بهطور مستقيم يا از طريق پلوتونيم استخراج ميگردد. در مقابل٬ سيستمهاي حرارتي تا تقريباً 2 درصد محدود هستند (سوخت غني شده ايزوتوپي در رآكتور ممكن است به درصد بالاتري برسد، ولي 238-U نيز باقي ميماند كه بايد در نظر گرفته شود). اگرچه هنوز رآكتورهاي سريع با توجه به هزينه گزاف آنها نسبت به رآكتورهاي حرارتي به صورت تجارتي مورد استفاده قرار نگرفتهاند، ولي به نظر ميرسد با كاهش ميزان اورانيم تازه به اجبار جهت بقاء اورانيم لازم است وارد مرحله تجاري گردند. حتي قبل از آن، استفاده كامل از آن با توجه به جريمه سنگين محيطي در معدن مفيد خواهد بود. در حقيقت استفاده از انبار پلوتونيم مدنظر ميباشد، با توجه به اين نكته كه مازاد 200 تن پلوتونيم حاصل از خلع سلاح هستهاي قابل بهرهبرداري خواهد بود.
1-5 : تأمين سوخت
چنانچه سوخت از طريق مواد بازيابي شده تأمين نگردد، لازم است اورانيم تازه از معدن استخراج گردد كه در حقيقت منبع عمدهاي است. اورانيم به طور طبيعي در بسياري از صخرهها وجود دارد ولي مقدار آن در حد پاييني است. حتي ارزشمندترين ذخاير معدني نيز معمولاً حاوي درصد پاييني بوده، گاهي با مواد معدني ديگر كه خود مواد اصلي تشكيلدهنده آن است همراه است. مسير طولاني از مراكز ساخت سوخت طي، و ذخاير به صورت عملي فرآوري شده (milled) تا مواد معدني ارزشمند تغليظ و از حمل كل مواد بيارزش جلوگيري گردد.
در تأسيسات كارخانه سوخت، خالصسازي بيشتري روي ماده معدني تغليظ شده انجام ميپذيرد. چنانچه، معمولاً ، لازم است اورانيم بهصورت سوختي در آيد كه داراي نسبت بيشتر235-U باشد، به هگزافلوريد اورانيم كه به راحتي تبخير ميگردد و مورد نياز هر دو روش ديفيوژن و سانتريفيوژ با سرعت بالاي غنيسازي است تبديل ميشود. در انتها به صورت قرصهاي فلزي، يا غالباً قرصهاي اكسيد در آمده و در لولههاي غلاف از نوع فلزي مناسب - يك آلياژ منيزيم براي سوخت فلزي، فولاد زنگنزن يا آلياژي از زيركونيم براي اكسيد قرار ميگيرد. با توجه به اينكه اكسيد اورانيم حرارت را به كندي انتقال ميدهد اندازه قرصها لاغر بوده و تلاش ميگردد مقدار كمي در هر لوله قرار گرفته و بالاخره به صورت مجموعه يا خوشهاي كه ممكن است تعداد آنها بالاتر از 200 باشد درآيد.
هنگامي كه لازم است سوخت داراي پلوتونيم باشد، ممكن است قبل يا بعد از تبديل به اكسيد به آن افزوده شده و دقت كافي براي اطمينان از همگن بودن آن در بالاترين حد لازم است. در غير اين صورت ممكن است نقاط داغي در طي پرتودهي در رآكتور تشكيل و منجر به ذرات نامحلول با راديواكتيويته بالا در مرحله بازفرآوري گردد. براي رآكتورهاي حرارتي اين نسبت در حد 6 درصد، براي رآكتورهاي سريع معمولاً 30-20 درصد ميباشد.
1-6 : مديريت پسمانداري
در هرگونه فعاليت صنعتي پسمان توليد ميگردد. چنانچه سوخت هستهاي تخليه شده مستقيماً متروك شود كل آن به عنوان پسمان در نظر گرفته ميشود. در غير اينصورت پسمان اصلي حاصل از محصولات شكافت جداسازي شده، باقيماندههاي غلاف، جامدات گوناگون، مايعات يا گازها خواهند بود كه كم و بيش از طريق برخورد با مواد راديواكتيو در هنگام فرآوري آلوده شدهاند. در انتها لازم است رآكتورها و ساختمانهاي فرآيندي، به همراه تجهيزات كه در آنجا وجود دارند رفع آلودگي شوند كه خود موجب بهوجود آمدن پسمان ميشوند.
هدف از مديريت پسمانداري راديواكتيو عبارت است از :
(الف) تغليظ ماده راديواكتيو تا حد امكان به حجم كوچكي كه بتوان به مدت نامحدود از ارتباط با انسان جلوگيري گردد.
(ب) در جاييكه جريانهايي مثل آب جمعآوري شده از مخزن سوخت كه در يك جا جمع شده ولي به محيط زيست نشت پيدا ميكند لازم است كل راديواكتيويته آن كه بحث خطرناكي آن قابل ملاحظه ميباشد جداسازي گردد.
اين در مورد قواعدي كه دقيقاً بايد درنظر گرفته شود نيست، و تخليه به اندازه صفر راديواكتيويته امكانپذير نميباشد، چرا كه هيچگونه جداسازي بهطور كامل قابل انجام نيست. اصول كلي اين است كه خطرات نبايد بزرگتر از آن باشد كه براي مردم قابلپذيرش نباشد.
تاكنون دفع تنها براي مايعات، گازها و جامدات با اكتيويته پايين كه به مقدار جزئي داراي مواد راديواكتيو هستند بهطور كامل انجام پذيرفته است. توده اصلي محصولات شكافت جداسازي شده در طي بازفرآوري از طريق فروپاشي راديواكتيو گرماي قابل ملاحظهاي ايجاد ميكنند. لازم است اين گرما بهطور ايمن پراكنده گردد. براي مدتي، ماده در محلول غليظ نگهداري شده، سپس به تودههاي شيشهاي تبديل ميگردد كه هنوز داغ بوده و انتظار مي رود پس از تقريباً 50 سال دفع گردد. البته تأخير مشابهي نيز براي سوخت دست نخورده كه اگر بهطور مستقيم دفع شود لازم است. پسمان با راديواكتيويته متوسط٬ غلافهاي باقيمانده سوخت، در بلوكهاي سيماني قرار گرفته و در زيرزمين در عمق زياد دفن ميشود اگر چه هنوز محل دفن آنها در حال بررسي و مورد بحث است.
تأسيسات سوخت نيز توليد پسمان نموده، كه شامل محصولات فروپاشي در ذخاير معدني تازه در تعادل با مواد اورانيم ميباشند. راديواكتيويته كل داراي وسعت كمتري نسبت به محصولات شكافت جداسازي شده در طي مرحله بازفرآوري است ولي هنوز قابل ملاحظه بوده و اصول يكساني براي مديريت آنها اعمال ميگردد.
1-7 : چرخه سوخت
هنگامي كه سوخت از يك رآكتور تخليه شده بازفرآوري ميشود و اورانيم يا پلوتونيـم براي
مصرف مجدد باز ميگردد، حداقل بعضي مواد لوپ يا چرخه بستهاي را دنبال مينمايند
(شكل 1 . 7). بازفرآوري براي اين هدف غالباً به صورت بسته شدن انتهاي چرخه سوخت ميباشد. مشابه آن، انتخاب متروك ساختن كامل سوخت تخليه شده غالباً عليرغم اصطلاح آن چرخه ترك كامل (Once-Through) ناميده ميشود. سومين عمليات امكانپذير، نگهداري بلندمدت، با شرط بازيابي سوخت، يك روش دائمي نبوده بلكه روشي براي خريد زمان و تصميمگيري روي آن طي چند دهه بعد در آينده است.
چرخه سوخت واقعي شامل مراحل زير است:
· معدنكاري و كانهآرايي مواد معدني،
· خالصسازي ماده معدني غليظ، غنيسازي محتواي 235-U در صورت نياز و ساخت سوخت،
· بهرهبرداري از سوخت در رآكتورهاي با انواع گوناگون،
· بازفرآوري سوخت تخليه شده جهت جداسازي اورانيم و پلوتونيم از پسمان،
· برگشت اورانيم و پلوتونيم براي مصرف مجدد
· دفع پسمانها.
مراحل گوناگون بهطور مفصل در بخشهاي بعدي توضيح داده شدهاند.
بهطور كلي، هزينههاي برق توليدي به وسيله نيروگاههاي هستهاي مدرن - تخميني، از آنجا كه بيشتر بستگي به قوانين حسابداري ويژه فرض شده- ممكن است بهطور تقريبي بهصورت 88 درصد براي خود رآكتور، 9 درصد براي تأمين سوخت (چرخه سوخت پيشين
[Front end fuel cycle] و 3 درصد چرخه سوخت پسين [Back end fuel cycle] شكسته شود.
1-8 : اقتصاد
اگرچه در سرتاسر اين كتاب در ابتدا تأكيد بر مسائل فني است ولي لازم است كتابي راجع به اقتصاد و هزينه مورد نياز نيروگاههاي هستهاي - نه بهطور كامل كه كاملاً پيچيده است- بيان گردد. مقايسهاي به عنوان منبع انرژي با هيدروكربنهاي فسيلي بخصوص زغال روشي مفيد
به نظر ميرسد.
دو مشكل اساسي در مقايسه به چشم ميخورد:
· اختلاف اساسي در اجراي بين صنايع هستهاي كشورهاي مختلف و در حقيقت مواردي بين طرحهاي منفرد در يك كشور است.
· سازههاي غيرقابل رقابت بين صنايع توليد برق هستهاي و فسيلي احتمالاً متجاوز از 70 درصد.
تجربيات متقابل بريتانيا و فرانسه كم و بيش سازنده است.
فرانسه بيش از برق خود را از نيروگاههاي هستهاي تأمين كرده و ادعا ميكند كه ارزانترين برق، بهجز بعضي از منابع آبي مخصوصاً جهت تأمين برق محلي در اروپا ميباشد. حدود 5-4 درصد برق توليدي به بريتانيا صادر ميگردد. نسبت توليد برق هستهاي 23 درصد بوده اگرچه ظرفيت نصب شده تنها در حدود 14 درصد كل ميباشد. اين مغايرت بين ظرفيت و خروجي به ساختار هزينه بر ميگردد، چراكه نگهداري يك نيروگاه برق هستهاي پس از ساخته شدن ارزانتر از نيروگاه زغالي بوده و لذا در تأمين بار پايه يعني بخشي از مصرف كل كه هميشه مورد تقاضا بوده و بدون در نظرگرفتن زمان يا فصل ميباشد، بهكار ميرود. اگرچه، با توجه به هزينههاي اوليه و تغييرات انجام شده، هزينه كل در بريتانيا معمولاً بالاتر از نيروگاههاي زغالي است.
بخشي از اين اختلاف بين دو كشور بدون شك به برنامهريزي كلي كشور فرانسه بر ميگردد، كه ساخت مرتب و پيدرپي را در حالي مجاز ميسازد كه تجربيات بهدست آمده از يك طرح در طرح بعدي در رابطه با زمان ساخت و هزينه مورد استفاده قرار گرفته و بهطور مدام كاهش پيدا ميكند. اين امكانپذيري به نوبه خود اكثراً به دليل پشتيباني دولت، در زمينههاي استراتژيك در رابطه با غلبه بر كمبود منابع بومي انرژي فرانسه است. زغال و نفت كمي در اين كشور وجود داشته، معدنكاري زغال به دليل هزينه بالا متوقف شده، گاز منطقه لاك (Lacq) به انتهاي خود ميرسد، در حاليكه منبع برق آبي نيز تنها جزئي از نيازهاي موجود را تأمين ميكند. با اكثر موازنه انجام پذيرفته در اوايل سالهاي 1970 با نفت وارداتي، فرانسه به دليل افزايش ناگهاني قيمت آن دچار مشكل شده و ترس از عدم تأمين كافي و جلوگيري از گرفتاري مجدد در اين وادي مصمم شده است. از آنجا كه يك تن اورانيم معادل تقريباً بيست هزار تن زغال حتي در سيستمهاي حرارتي است، به راحتي انبار شده و مؤثرتر از سوختهاي فسيلي ميباشد. لذا توليد برق فرانسه غالباً براساس رآكتورهاي هستهاي با يك برنامه سيستماتيك و منظم ساخت و چند استاندارد خاص است. درعين حال تاريخ برنامه هستهاي بريتانيا به وسيله طراحيهاي خاص جايگزين منجر به از دست رفتن تجربه قبلي شده، و تصميمات سياسي در آن اثر گذاشته است.
اگرچه راهاندازي يك رآكتور هستهاي نسبتاً ارزان است، رسيدن به اين مرحله پنج تا ده سال بهطول انجاميده و گاهي اين زمان به دليل مشكلات صنعتي چندين سال بيشتر طول ميكشد. در طي اين مدت سودي حاصل نشده بلكه هزينههاي بيشتري تجمع پيدا ميكنند. لذا هزينه واقعي براي تأخيرات در نظر گرفته نشده بسيار حساس بوده و شديداً بستگي به ميزان سود غيرقابل پيشبيني دارد. اختلاف عميق در اجراي اقتصادي بين تأسيسات هستهاي در ايالات متحده بايد بخشي بهدليل مقتضيات خاص براي طولاني شدن و دعواي قضايي در جلوگيري از آن در كشور، در راهي براي بسته شدن تقريباً بلافاصله شروع پس از تأخير فراوان در راهاندازي باشد.
هر پروژه جديد بايد شامل ارزيابي نسبي هزينه سرمايهاي و سود نهايي باشد. با توجه به اينكه هزينه در ابتدا افزايش داشته و درآمد تنها پس از اتمام پروژه ميباشد، هر دو بهطور مستقيم قابل مقايسه نخواهد بود. براي قضاوت ارزش فعلي پول آينده تا حدي متناسب با نسبت سود قابل انتظار داراي تنزيل خواهد بود ولي معمولاً بيشتر از آن بوده كه مربوط به برنامهريزي در بنگاههاي مالي براي برگشت زود هنگام است. پيچيدگي بيشتر عبارت است از نياز به تعطيلي و برچيدن انتهايي كه در يك نيروگاه هستهاي پنجاه تا يكصد و پنجاه سال پس از بسته شدن رخ ميدهد. با توجه به عدم اطمينان در اين كار، (عدم اطميناني كه حقيقتاً كمتر از چندسال ديگر به اطمينان تبديل ميشود) اعمال مقدار كم تنزيل تا حد صفر به تأمين مالي لازم، اگرچه عملاً سؤالبرانگيز است معمول ميباشد. از اين رو تأمين آن در صورتيكه نرخ براي درآمدهاي آتي يكسان باشد بيشتر خواهد بود. هر عنصري از تفكر قابل آرزو ممكن است در انتخاب نرخها براي هر محاسبه ويژه در هر طرف بحث قابل انتظار داشته باشد.
در يك نيروگاه فسيلي، بخش عظيمي از هزينه كل بلافاصله پس از شروع راهاندازي مربوط به سوخت مصرف شده بوده و بخش كمتري از بهره و نرخ تنزيل را دربر ميگيرد. علاوه بر آن برچيدن نيروگاه بلافاصله پس از توقف توليد برق ميتواند انجام پذيرد. عدم اطمينانها تا حد زيادي بسيار كمتر است.
يك بررسي پيشنهاد مينمايد كه هزينههاي انجام شده براي يك نيروگاه زغالي و يك نيروگاه پيشرفته هستهاي كاملاً يكسان است. موازنه بستگي به نرخ تنزيل و قيمت پيشبيني شده زغال دارد. با وجود اين، هزينه و مسائل مالي تنها گزينه نيست. امنيت تأمين سوخت قبلاً بحث شد. موارد ديگر شامل اثرات بعدي پسمانهاي راديواكتيو از يك طرف و پخش دياكسيد كربن از طرف ديگر بوده، در حقيقت اين عوامل در نوع خود متفاوت بوده و لذا مقايسه آنها مشكل است. سپس خطرات حوادث جدي يا انحراف مواد هستهاي براي مصارف نظامي يا بهكارگيري آنها توسط تروريستها، وجود داشته، خطراتي كه نميتوان آنها را بهطور كامل فراموش نموده يا بهطور ضعيفي آنها را درك نمود.
هيچكدام از عوامل بهطور كامل قابل مقايسه نيستند. اگرچه تلاشها براي اين بررسيها علاوه بر موارد هزينهاي توليد برق در بريتانيا در جريان بوده، تخميني در اين زمينه وجود دارد كه
هزينه نيروگاههاي برق بهجز نيروگاههاي گازي كمتر ميباشد.
بهطور خلاصه، به وضوح نيروگاههاي هستهاي با منابع فسيلي قابل مقايسه بوده مديريتي خوب و با پشتيباني سياسي همراه است. عوامل محسوس كه مناسب آن است نرخهاي بهره پايين، برنامهاي قوي با طراحي خوب، هزينههاي بالاي زغال ... ساختار سريع ميباشد. در مقابل آن ملاحظات پسمانهاي راديواكتيو در مقايسه با مسائل محيطي مثلاً نشر دياكسيدكربن و خاكستر، كاربرد غيرمجاز مواد و خطر چرنوبيل ديگر وجود داشته و علاوه بر آنها، تقاضا براي سوددهي كوتاهمدت مدنظر قرار ميگيرد.
1-9 : آينده
صنعت نيروگاههاي هستهاي كاملاً شناخته شده، حتي مهمترين موضوع قابل بحث دفع نهايي پسمان ميتواند با شرايط مناسبي براي ايمني نسلهاي حال و آينده انجام پذيرد. علاوه بر آن پيشرفتها كلاً قابل پيشبيني بوده، در اجراي فني و اقتصادي و توسعه كشورها اثر دارد. پذيرش انواع رآكتورهاي جديد، روشهاي جديد بازفرآوري، روشهاي جديد مديريت پسمانها، يا صرفاً واريانهايي كه بهطور كامل شناخته شده قابل ملاحظه خواهد بود.
به نام خدا