صنعت هسته‌ای از صفر تا صد (1)

ایران در سال ۱۳۳۷ (۱۹۵۸)، به عضویت آژانس بین‌المللی انرژی اتمی درآمد و در سال ۱۳۴۷ (۱۹۶۸) پیمان عدم تکثیر سلاح‌های هسته‌ای (ان‌پی‌تی) را امضاء کرد و دو سال بعد آن را در مجلس شورای ملّی به تصویب رساند.

در حاشیه پنجاه و یکمین مجموعه نمایشگاهی تخصصی صنعت هسته‌ای با عنوان "مسیر افتخار" که آخرین دستاوردهای سازمان انرژی اتمی در حوزه‌های مختلف را ارائه کرده بود با برخی از کارشناسان و متخصصان این سازمان به گفت‌وگو نشستیم. گزارش ایسنا از این دستاوردها و بخش‌های مختلف نمایشگاه صنعت هسته‌ای در ادامه آمده است.

اکتشاف و استخراج اورانیوم

اولین مرحله از چرخه سوخت هسته ای؛ «اکتشاف و استخراج» است. ابتدای کار روش اکتشاف روش ژئوفیزیک هوابُرد است که در این روش به وسیله هلی‌کوپتر مناطق مشخص از پیش تعیین شده را در شبکه‌های معینی برداشت می‌کنند و نقاط برداشت شده تحلیل شده و مناطقی که پتانسیل بهره‌برداری اورانیوم و ماده معدنی موردنظر را دارند تشخیص داده می شوند. مرحله بعدی اکتشاف وارد مرحله تفصیلی تر شده که شامل مراحل زمین شناسی و برداشت های روی زمین است. ژئوفیزیک که به صورت دستی توسط زمین شناسان انجام می‌شود و پس از آن عملیات اکتشافی که در نهایت به نتیجه رسیده و تخمین و ارزیابی ذخیره انجام می‌گیرد.

پس از تخمین و ارزیابی ذخیره نوع و عمق و عیار ماده معدنی و مشخصات کلی آن تعیین می‌شود. پس از تعیین این موارد بحث استخراج شامل ۲ روش استخراج روباز و زیرزمینی آغاز می‌شود. زمانی که عمق ماده معدنی زیاد باشد (۳۰۰ تا ۴۰۰ متر زیر زمین) از روش‌های زیرزمینی و زمانی که عمق ماده معدنی کم باشد از روش روباز پلکانی استفاده می‌شود.

در حین استخراج هم اکتشاف و شناسایی ذخایر انجام می شود. یک سری عناصر نادر خاکی که در کنار اورانیوم اکتشاف این عناصر هم انجام می شود. این عناصر استراتژیک در صنایع خودروسازی و پتروشیمی کاربردهای زیادی داشته و اکنون انحصار بازار آن در دست چین است و چون منابع آن و امکان اکتشاف آن در ایران موجود است در حال حاضر در کنار اورانیوم استخراج آن را آغاز کرده و همچنین در حال دستیابی به تکنولوژی فرآوری آن هستیم.

فرآوری اورانیوم

مجتمع فرآوری اورانیوم (UCF) که کار اصلی این کارخانه تولید سوخت نیروگاه اتمی بوشهر، اراک و تحقیقاتی تهران است. کیک زرد به عنوان خوراک اولیه به این کارخانه آمده و در فرآیند اول در یک سری برج‌ها شستشو داده شده و با یک سری اسیدها در آن انحلال به وجود آمده و سپس خالص سازی و رسوب گیری می شود و در نهایت محصول اولیه پودر آمونیم اورانیل کربنات یا AUC به دست می‌آید.

در مرحله بعد AUC در رآکتور و در دمای ۷۰۰ درجه سانتیگراد حرارت دیده و تبدیل به پودر دی اکسید اورانیوم یا UO۲ می شود. اورانیوم دی اکسید در قسمت بعد در دمای ۴۰۰ درجه سانتیگراد حرارت دیده و خلاف جهت رآکتور گاز HF به آن زده می شود و به تترافلوراید اورانیوم یا UF۴ یا نمک سبز تبدیل می شود.

بعد از آن پودر UF۴ به رآکتور بعدی می رود که این رآکتور به صورت ایستاده و یک استوانه توخالی است. پودر UF۴ از بالا داخل رآکتور پاشیده شده و از پایین رآکتور گاز فلوئور یا F۹ زده می شود. گاز به دلیل سبکی بالا آمده و پودر به دلیل سنگینی پایین می‌آید و در میانه رآکتور و در دمای ۴۰۰ درجه پودر و گاز با هم برخورد کرده واکنش ایجاد شده و تبدیل به گاز هگزافلوراید اورانیوم یا UF۶ می‌شود که این گاز پس از سرد کردن، جامد شده و به مجتمع غنی سازی فرستاده می شود.

غنی‌سازی

غنی سازی مهم ترین بخش صنعت هسته ای است و با استفاده از تکنولوژی غنی سازی می توان هر مقدار اورانیوم با هر درصدی را غنی سازی کرد.

ماشین های سانتریفیوژ IR: غنی سازی افزایش میزان (درصد) ایزوتوپ U۲۳۵ در یک حجم مشخص از اورانیوم است. اورانیوم طبیعی یا UF۶ با حرارت از جامد به گاز تبدیل کرده و به ماشین سانتریفیوژ تزریق می شود و چون ایزوتوپ U۲۳۸ چون سنگین تر است در میدان گریز از مرکز در کناره های تیوپ و ایزوتوپ U۲۳۵ در وسط جمع می شود و طی این فرآیند ایزوتوپ‌های اورانیوم از هم جدا می‌شوند که این کلیت کار ماشین سانتریفیوژ است.

اورانیوم طبیعی دارای ۳/۰ درصد U۲۳۵ و ۹۹.۷ درصد U۲۳۸ است که به درد ما نمی خورد. با استفاده از ماشین سانتریفیوژ ۳/۰ درصد U۲۳۵ را به ۴ یا ۲۰ درصدی که در نیروگاه بوشهر نیاز داریم تبدیل می کنیم. که یک ماشین به تنهایی نمی‌تواند این کار را انجام دهد و به این خاطر مجبور هستیم چندین ماشین را با هم سری کنیم (به هم وصل کنیم) تا بتوانیم غنای مدنظر خود را به دست بیاوریم.

اورانیوم طبیعی که از معدن استخراج می شود غنای آن در حد ۷/۰ درصد است و برای استفاده در رآکتور بوشهر برای شکافت هسته ای، باید ایزوتوپ ۷/۰ درصد U۲۳۵ را به ۳.۵ تا ۵ برسانیم؛ ۷/۰ درصد یعنی از هر ۱۰۰۰ مولکول اورانیوم ۷ مولکول ایزوتوپ U۲۳۵ دارد که باید افزایش یابد.

مجتمع غنی‌سازی قسمتی از زنجیره غنی سازی و قسمت اصلی این زنجیره است. هر زنجیره در مجتمع غنی‌سازی، ۱۶۴ یا ۱۷۴ ماشین دارد و در حال حاضر حدود ۳۰ زنجیره غنی‌سازی داریم که شامل تقریبا ۵۱۶۰ ماشین است. یک تک ماشین غنای اورانیوم را به مقدار خیلی جزئی به ایزوتوپ U۲۳۵ افزایش می دهد که برای رسیدن به غنای موردنظر باید از مجموعه ای از ماشین های طراحی شده با یک چیدمان خاص استفاده شود.

تولید قرص و مجتمع سوخت

اینجا آخرین مرحله از زنجیره سوخت است که پس از آن وارد فاز بهره برداری صنعتی از چرخه سوخت می‌شود. پودر اورانیوم غنی شده با ورود به مجتمع سوخت، به صورت قرص فشرده می‌شود که ملاک آن رسیدن به چگالی ۱۰.۶ است، پس از تبدیل پودر اورانیوم به قرص داخل یک غلاف از جنس زیرکونیوم قرار گرفته و همراه با درپوش و فنر تشکیل یک تکمیله سوخت را می‌دهد. این تکمیله های سوخت که توسط شبکه‌های نگهدارنده در کنار هم قرار می گیرند یک مجتمع سوخت میله ای را تشکیل می دهند که در نهایت وارد قلب رآکتور شده و فرآیند شکاف انجام می‌شود که حاصل از این فرآیند حرارت خیلی زیاد و پرتو پرقدرت است که در مورد رآکتوری مانند راکتور بوشهر که هدف آن تولید انرژی است از تولید حرارت آن استفاده می شود که این حرارت به قلب رآکتور منتقل می‌شود. آب داخل قلب رآکتور به هیچ جا راه ندارد و بخار هم نمی‌شود و تا ۳۲۰ درجه دما پیدا می کند و در یک حلقه بسته در جریان است و به دلیل ۱۶۰ بار فشاری که بر روی آن است بخار نمی شود. از طریق مدار واسط دمای خود را به مدار ثانویه می دهد، در مدار ثانویه بخار سوپرهات تولید می‌شود و در نهایت با گردش توربین‌ها توسط این بخار برق تولید می شود که این در مورد رآکتورهای قدرت است.

هدف رآکتورهای تحقیقاتی مثل رآکتور تهران و اراک نیز تولید رادیو دارو و مصارف درمانی است. رآکتورهای قدرت مولد برق بوده و رآکتورهای تحقیقاتی برای تحقیقات هسته‌ای پایه، مطالعات کاربردی تجزیه‌ای و تولید ایزوتوپ‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند.

سیمولاتور آموزشی

سیمولاتور دقیقا عین اتاق کنترل است و افرادی که در اتاق کنترل کار می‌کنند قبلا در سیمولاتور آموزش دیده‌اند. هر کاری که در اتاق کنترل انجام می شود و عکس‌العملی که دیده می شود در سیمولاتور هم همین است.

تولید آب سنگین

آب سنگین در طبیعت به صورت مولکول دوتریوم وجود دارد به این شکل که اگر از یک لیتر آب معمولی را به یک میلیون قسمت تقسیم کنید از این یک میلیون قسمت، ۱۴۶ قسمت از آن مولکول هایش مولکولهای آب سنگین هستند یعنی جرم مولکولی آنها ۲۰ است. جرم مولکولی آب معمولی ۱۸ است.

روش جداسازی اینکه آب معمولی را در مجاورت گاز سولفید هیدروژن قرار می دهیم. این گاز نسبت به جذب مولکول های آب سنگین تمایل بیشتری دارد اما کار کردن با این گاز فوق العاده خطرناک است. به این شکل از ۱۴۶ قسمت، ۲۰ قسمت از مولکول های آب را جذب این گاز کرده و رفته رفته به آن کمک می‌کنیم تا مولکول هایی که جذب آن شده است با سرد کردن از آن گاز می گیریم. مولکول‌ها را در یک ظرف جمع کرده و با بالا بردن غلظت آن تا ۹۹.۹۸ درصد رسانده می‌شود.

مورد استفاده آب سنگین در رآکتور آب سنگین است چون علاوه بر تمام خواص آب طبیعی جاذب نوترون است یعنی مانع از انتشار نوترون به فضای اطراف رآکتور می شود که این خاصیت آب سنگین آن را مهم کرده است.

رآکتورها و تاسیسات هسته‌ای

رآکتورها یا تاسیسات هسته‌ای به طور کلی ۲ نوع هستند: رآکتورهای قدرت مثل نیروگاه بوشهر که تولید برق انجام می دهند. نوع دیگر رآکتورهایی که وظیفه اصلی آنها تولید محصولات خاص و یا انجام آزمایش‌ها و تحقیقات خاص است که رآکتور اراک از این نوع است.

بعد از بازطراحی مدرن سازی این رآکتورها سیکل کاری آنها از ۳۰۰ روز به ۲۵۰ روز کاهش می یابد یعنی رآکتور ۵۰ روز زودتر به محصول نهایی خود می رسد. ماهیت آب سنگین رآکتور و استفاده از D۲O که مورد مناقشه ایران و غرب بود حفظ می‌شود. سوخت رآکتور دی اکسید اورانیوم است و جنس غلاف میله سوخت از زیرکونیوم به اضافه یک درصد نوبیدیوم که برای استحکام آن به کار می‌رود.

یکی از مهم ترین تفاوت هایی که در بازطراحی این راکتور صورت گرفته اینکه به جای سوخت خام و طبیعی از سوخت غنی شده با غنای ۳.۳ درصد استفاده می شود که حاصل آن کاهش مصرف سوخت و افزایش حداکثر دمای سوخت و در نتیجه بالا رفتن ۹۰ تا ۱۰۰ برابری راندمان است.

همچنین با تغییرات دیگری که در این بازطراحی صورت گرفته رادیوداروها و رادیو ایزوتوپ های متنوع تری مثل کبالت ۶۰ تولید می شود که این محصولات بعدا و در سایر مراکز به عنوان رادیودارو و برای درمان و تشخیص سرطان و همچنین استفاده در رادیوگرافی و سایر صنایع نفتی به کار برده می‌شود.

پسمانداری صنعت هسته‌ای

در چرخه سوخت هسته‌ای مرحله‌ای که این سوخت استفاده شده و وارد مجتمع سوخت شده و در نهایت نیاز به مدیریت دارد پسمانداری است. پسمانداری صنعت هسته‌ای جایی است که باید پسماند رادیواکتیو حاصل از فعالیت‌های نیروگاه اتمی بوشهر و سایر مناطقی که این پسماند را تولید می‌کنند گرفته شده و مدیریت شود.

این مدیریت در شرکت پسمانداری صنعت هسته ای در مجموعه ای به نام سایت پسماندگاه هسته‌ای انارک اتفاق می‌افتد که این مجتمع شامل یک ترانشه دفن است که در حال حاضر یک پروژه با طراحی مفهومی و در فاز طراحی بوده که قرار است این ترانشه دفن استفاده و اجرا شود. نوع خاک باید به گونه‌ای باشد که مانع مهاجرت مواد پرتوزای درون بشکه‌ها به محیط خاک شود که بهترین نوع برای این کار خاک رس است که یک سبک طبیعی در مقابل حرکت مواد رادیونوکلئید بوده و نفوذناپذیری فوق العاده‌ای در برابر مهاجرت این مواد از خود نشان می‌دهد.

اقدامات انجام شده در این ترانشه و استفاده از لایه‌های مختلف خاک و سنگ برای این بوده که از نفوذ آب ناشی از بارش‌های جوی و فرآیند انحلال در اثر گذشت زمان جلوگیری شود. این یک پروژه ۷۰۰ ساله است که تمام موارد در طول مدت زمان و قرن‌ها دیده شده است که البته با استفاده از یک سری چاهک تحقیقاتی اتفاقات محیط داخل ترانشه پایش و مانیتورینگ می‌شود و اگر نشتی رادیونوکلئید به داخل محیط خاک وجود داشته باشد و در ضخامت بشکه ها تغییری ایجاد شود توسط این چاهک ها پایش می‌شود و از این طریق می‌توان در صورت بروز هر اتفاقی چه راهکاری برای بهبود یا اصلاح آن انجام شود. این در حالی است که تمام این تحقیقات به این سمت رفته که رادیونوکلئید داخل این بشکه‎ها هیچ نوع مهاجرتی به محیط خاکی نداشته باشد.

بخش دوم گزارش را در اینجا بخوانید...

تصاویر نمایشگاه تخصصی صنعت هسته‌ای (۱)

تصاویر نمایشگاه تخصصی صنعت هسته‌ای (۲)

انتهای پیام