می‌دانیم که نوترون‌ها و پروتون‌ها هسته اتم را درست می‌کنند. نوترون‌ها بار الکتریکی ندارند و پروتون‌ها هم بار مثبت دارند و بین آنها نیروی دافعه شدید الکتریکی برقرار است که آنها را از هم دور می‌کند.
اما با این‌حال هسته اتم‌ها، بدون این که دراثر دافعه الکتریکی متلاشی شوند، درحالت پایداری باقی می‌مانند (اتم‌های طبیعی).
- همه مراکز هسته‌ای ایران در یک نگاه / برنامه هسته‌ای ایران در یک نگاه / انرژی هسته‌ای به‌چه‌کار می‌آید؟ /
نیرویی که این اجزای هسته را در کنار هم قرار داده، نیروی هسته‌ای نام دارد. نیرویی که محدوده عملش بسیار کوچک است (هسته اتم) اما انرژی بسیاری درخود نهفته دارد و بشر که روزبه‌روز به‌دنبال منابع بهتر و بی‌دردسرتر برای تامین انرژی موردنیاز و روزافزونش است، این انرژی را از درون هسته اتم بیرون می‌کشد تا آن را برای نیازهای روزمره‌اش استفاده کند.
غیر از تامین انرژی، مواد هسته‌ای کاربردهای دیگری هم دارند؛ کاربردهایی در پزشکی و پرتودرمانی، کاربردهای کشاورزی و همین‌طور تحقیقاتی.
برای استخراج انرژی اتمی از درون هسته، یکی از راحت‌ترین هسته‌های اتمی، هسته اتم اورانیوم است. اورانیوم هم در طبیعت وجود دارد. اما برای این‌که انرژی از درون هسته اتم اورانیوم استخراج شود، یعنی از مرحله درآوردن سنگ اورانیوم از معدن تا تبدیل آن به‌سوخت هسته‌ای، نیاز به مجموعه عملیاتی روی این اورانیوم است که به آن چرخه سوخت هسته‌ای می‌گویند.
دانشمندان ما توانسته‌اند امکاناتی را فراهم کنند که کشورمان بتواند تمام این مراحل را؛ یعنی این چرخه را به‌طور کامل درون مرزهای کشورمان و بدون نیاز به دیگران، انجام دهد. با وجود منابع طبیعی اورانیوم در کشور (می‌بینید این مملکت چقدر ثروت خدادادی دارد) این چرخه کامل می‌شود و حالا ما می‌توانیم از این چیزی که از آن به عنوان حق مسلم‌مان یاد می‌کنیم، به‌راحتی استفاده کنیم.
اهمیت کاری که دانشمندان کشورمان توانسته‌اند در ۱۵-۱۰ سال گذشته انجام بدهند، زمانی بیشتر می‌شود که ما بدانیم که کشور ما در این قضیه به شدت از سوی دوست و دشمن در تحریم بوده‌است.
پس این که این دستاورد عظیم یعنی بومی‌شدن انرژی هسته‌ای که هیچ کم از ملی‌شدن صنعت نفت برای ما ندارد را وارد جناح‌بندی‌های سیاسی کنیم، یک اشتباه بزرگ است. فراموش نکنیم که این امکانات و فعالیت‌های عظیم، تنها حاصل ۲یا ۳سال تلاش نبوده و یک دختر نوجوان در آشپزخانه منزلش با ابزارهایی که از بازار خریده نمی‌تواند آن را درست کند، بلکه سال‌ها تلاش چند نسل و چند مدیریت گوناگون و فعالیت‌های زیرساختی قدیمی‌ها بوده که اکنون نتیجه داده‌است.
بگذاریم که انرژی هسته‌ای حلقه وحدت‌بخش ملی ملت ایران باشد و آن را برای خود یا مجموعه خودمان مصادره نکنیم تا همه ایرانی‌ها از ته دل بگویند که انرژی هسته‌ای حق مسلم ماست و به‌داشتن آن افتخار کنند.
در این پرونده سعی کرده‌ایم که گوشه‌ای از فعالیت‌های عظیمی را که دانشمندان کشورمان انجام داده‌اند نشان دهیم. چون این مبحث بسیار گسترده است، قطعا نکات زیادی وجود دارد که به آن اشاره نشده است؛ اما امیدواریم که این مطالب بتواند گوشه‌ای از دین ما را به دانشمندان کشورمان که توانستند ایران را به عنوان یک کشور صاحب این تکنولوژی پیشرفته در دنیا مطرح کنند، ادا کند.
چرا ایران به انرژی هسته‌ای احتیاج دارد؟
ایران یک کشور رو به رشد است. بنابراین به منابع انرژی جدید احتیاج دارد.
چرخه سوخت هسته‌ای در ایران
سوخت نیروگاه‌های هسته‌ای و ماده اصلی در فعالیت‌های هسته‌ای، اورانیوم است. اورانیوم عنصری طبیعی است که آن را از سنگ معدنی به نام اوراسیل استخراج می‌کنند. اورانیومی را که از معدن درمی‌آورند، نمی‌توان مستقیما خالص کرد و به نیروگاه فرستاد.
برای این که قسمت اعظم اورانیوم، یعنی چیزی حدود ۷/۹۹درصد آن ایزوتوپ ۲۳۸ است که قابل شکافت نیست؛ یعنی عنصری پایدار است. اما اورانیوم یک ایزوتوپ کمی سبک‌تر دارد که اورانیوم ۲۳۵ است. این ایزوتوپ فقط ۳تا نوترون کمتر از اورانیوم طبیعی دارد. اما اثر همین۳تا نوتورن است که باعث می‌شود این ایزوتوپ شکافت‌پذیر باشد.
ولی مشکل آن‌جاست که این ایزوتوپ، کمتر از یک درصد حجمی اورانیوم استخراج شده‌است. برای همین، در فرایند غنی‌سازی سوخت هسته‌ای در چرخه‌ای صنعتی برای استفاده آماده می‌شود و غلظت اورانیوم ۲۳۵ را در آن بالا می‌برند.
به این عملیات، چرخه سوخت هسته‌ای می گویند. چون اورانیوم ۲۳۵ و ۲۳۸ خواص شیمیایی یکسانی دارند، (تعداد پروتون‌های آنها ثابت است) نمی‌توان اورانیوم را به روش‌های شیمیایی غنی کرد، بلکه باید به‌روش‌های فیزیکی مثل سانتریفیوژ کردن (چرخاندن با سرعت زیاد)، این ۲ ایزوتوپ را که تنها ازنظر وزن با هم تفاوت دارند، در چرخه سوخت هسته‌ای از هم جداکرد.
چرخه سوخت ۲ قسمت دارد:
قسمت جلویی که عملیات آماده‌سازی اورانیوم در آن صورت می‌گیرد و قسمت عقبی که در آن، ضایعات هسته‌ای را برای جلوگیری از آسیب‌رسانی به طبیعت و محیط‌زیست، در محل امنی قرار می‌دهند. تمام این مراحل در کشور ما قابل انجام است.
مراحل چرخه تولید سوخت در ایران
مرحله اول: اکتشاف و استخراج
-
اکتشاف
با تکنیک ها و روش‌های زمین شناسی، نقاط مستعد برای معدن اورانیوم را شناسایی می‌کنند و نمونه خاک آن‌جا را به آزمایشگاه می‌فرستند.
در آن جا، محلولی از سنگ معدن تهیه می‌کنند و اورانیوم ته‌نشین شده را بررسی می‌کنند تا بفهمند چه‌مقدار اورانیوم را می‌توان از آن معدن استخراج کرد و این عملیات چقدر هزینه می‌برد و آیا به‌صرفه هست یا نه؟ بهترین معادن اورانیوم ایران در ساغند در نزدیکی یزد است.
-
استخراج
هنگامی که معدن شناسایی شد، به ۳ روش می توان اورانیوم را استخراج کرد؛ استخراج از سطح زمین، استخراج از معادن زیرزمینی و تصفیه در معدن. سنگ معدن اورانیوم معمولا از اکسید اورانیوم (U۳O۸) تشکیل شده است و غلظت آن در سنگ معدن بین ۰۵/۰ تا ۳/۰ درصد تغییر می‌کند.
مرحله دوم: آسیاب کردن
پس از استخراج سنگ معدن، تکه سنگ‌ها به آسیاب فرستاده می‌شود تا خوب خردشده و خرده‌سنگ‌هایی با ابعاد یکسان تولید شود. این بخش از عملیات در کشور ما در تأسیساتی در اردکان یزد انجام می‌شود.
مرحله سوم: تولید کیک زرد
اورانیوم را با اسید سولفوریک از دیگر مواد سنگ معدن جدا می‌کنند. محلول غنی‌شده از اورانیوم تصفیه و خشک می‌شود.
محصول به دست آمده، کنسانتره جامد اورانیوم است که کیک زرد نامیده می‌شود. این عملیات در نطنز انجام می‌شود.
مرحله چهارم: تبدیل به گاز (UCF)
کیک زرد جامد است، ولی برای غنی‌سازی در سانتریفیوژ، باید اورانیوم به صورت گاز در بیاید. بنابراین کنسانتره اکسید اورانیوم جامد، در فرآیندی شیمیایی معروف به UCF به هگزافلوراید اورانیوم (UF۶) تبدیل می‌شود. UF۶ در دمای اتاق جامد است.
ولی در دمایی نه چندان بالا، به گاز تبدیل می‌شود. تا این‌جا، عملیاتی که روی اورانیوم انجام‌شده شیمیایی است و هنوز غلظت ایزوتوپ ۲۳۵ در آن تغییری نکرده‌است. این عملیات در ایران در تأسیسات اصفهان انجام می‌شود.
مرحله پنجم: تولید میله سوخت
تولید میله سوخت، آخرین مرحله انتهای جلویی در چرخه سوخت‌هسته‌ای است. اورانیوم غنی‌شده که هنوز به شکل UF۶ است، باید به پودر دی‌اکسید اورانیوم (UO۲) تبدیل شود تا به عنوان سوخت هسته‌ای قابل استفاده باشد. پودر UO۲ سپس فشرده می‌شود و به‌شکل قرص درمی‌آید. قرص‌ها را حرارت می‌دهند تا به سرامیکی سخت تبدیل شوند.
متناسب با طراحی رآکتور و نوع سوخت مورد نیاز، این قرص‌های کوچک را دسته‌دسته کرده و در لوله‌ای قرار می‌دهند. این لوله از آلیاژی خاص ساخته‌شده است که در برابر خوردگی بسیار مقاوم است و رسانایی حرارتی بسیار بالایی دارد. میله سوخت آماده شده‌است و برای استفاده در رآکتور به نیروگاه فرستاده می‌شود. این عملیات در ایران در تأسیسات اصفهان انجام می‌شود.
مرحله ششم: تولید سوخت هسته‌ای (سانتریفیوژ)
سطح غنی‌سازی بسته به کاربرد سوخت هسته‌ای متفاوت است؛ برای یک رآکتور آب سبک، سوختی با ۵ درصد اورانیوم ۲۳۵ مورد نیاز است، درحالی که در یک رآکتور آب سنگین، ۹/۰ درصد اورانیوم ۲۳۵ کافی است و برای یک بمب اورانیومی، سوخت هسته‌ای باید حداقل ۹۰ درصد غنی شده‌باشد. برای تحقیقات هسته‌ای و پزشکی، میزان غنی‌سازی بستگی به کاربرد آن دارد.
در غنی سازی با استفاده از یک یا چند روش، ایزوتوپ‌های سنگین و سبک را از هم جدا می‌کنند. درحال حاضر، ۲ روش رایج صنعتی برای غنی‌سازی اورانیوم وجود دارد که عبارتند از: انتشار گاز و سانتریفیوژ گاز.
در روش انتشار گازی (دیفیوژن)، گاز طبیعی UF۶ با فشار بالا از یک‌سری غشاهای نیمه‌تَراوا عبور می‌کند. اتم‌های سبک‌تر با سرعت بیشتری عبور می‌کنند. در نتیجه UF۶ ۲۳۵ سریع تر از UF۶ ۲۳۸عبور می‌کند. با تکرار این فرآیند در مراحل مختلف، گازی نهایی به‌دست می آید که غلظت اورانیوم ۲۳۵ در آن بالاست.
مهم‌ترین عیب این روش این است که جدا سازی ایزوتوپ‌ها نرخ نسبتا پایینی دارد و برای رسیدن به سطح غنی‌سازی مطلوب، باید این فرآیند را خیلی تکرار کرد، درنتیجه انرژی زیادی را مصرف می‌کند.
در روش سانتریفیوژ گاز، گاز UF۶ را در مخزن‌هایی استوانه‌ای می‌ریزند و گاز را با سرعت بسیار زیادی می‌چرخانند. نیروی گریز از مرکز موجب می شود UF۶ ۲۳۵ که اندکی از UF۶ ۲۳۸ سبک‌تر است، از مولکول سنگین‌تر جدا شود و اورانیوم با سطح غنی‌شده مطلوب به‌دست بیاید. این عملیات در ایران در تاسیسات نطنز (تصویر پایین) صورت می‌گیرد.
مرحله هفتم: عملیات سوخت
در اثر شکافت هسته اورانیوم و تبدیل آن به هسته‌های سبک‌تر و اشعه آلفا، بتا و نوترون و همین‌طور مقداری انرژی جنبشی هم آزاد می شود. اگر جرم محصولات شکافت را از جرم ماده اولیه کم کنیم، مقدار ناچیزی باقی می‌ماند. این مقدار ناچیز طبق معادله معروف اینشتین E=mc۲ تبدیل به انرژی جنبشی می‌شود. گرمای تولیدشده توسط شکافت، در قلب رآکتور توسط میله‌هایی کنترل می‌شود. نوترون‌ها تحریک‌کننده شکافت هستند و این میله‌ها آهنگ برخورد نوترون به هسته اورانیوم را کنترل می‌کنند. رآکتورها از لحاظ سرعت عمل‌شان به ۲دسته تقسیم می‌شوند:
۱ - رآکتورهای آب سبک: سرعت کمی دارند و فرآیند شکافت و تولید گرما در آنها به‌آرامی انجام می‌شود. اکثر این رآکتورها استفاده صلح آمیز دارند. رآکتور بوشهر از این نوع است.
۲ - رآکتورهای آب سنگین: هدف اصلی این رآکتورها، علاوه بر انرژی، تولید سوخت لازم برای استفاده‌های تحقیقاتی، کشاورزی و پزشکی است. پلوتونیوم و اورانیوم ۲۳۵ از محصولات این رآکتورها هستند. رآکتور اراک از این نوع است.
مرحله هشتم: مراکز تحقیقاتی
مواد هسته‌ای علاوه بر تولید انرژی، کاربردهای دیگری هم دارند؛ پزشکی هسته‌ای و
پرتو درمانی، کاربردهای کشاورزی و همین‌طور تحقیقاتی. رآکتور تحقیقاتی دانشگاه تهران (تصویر زیر)، مرکز تحقیقات هسته‌ای بناب، مرکز تحقیقات کشاورزی و پزشکی هسته‌ای در هشتگرد کرج از مهم‌ترین این مراکز هستند.
مرحله نهم: دفن زباله‌های هسته‌ای
در نیروگاه هسته‌ای هم مثل دیگر فعالیت‌های بشری، ضایعاتی تولید می‌شود که به دلیل حساسیت مواد رادیواکتیو، دفع آنها باید طبق قوانین و محدودیت‌های خاصی باشد. در هر ۸مگاوات ساعت انرژی الکتریکی تولیدشده در نیروگاه‌هسته‌ای، تنها ۳۰ گرم زباله رادیواکتیو به‌وجود می‌آید.
اما برای تولید همین مقدار برق با استفاده از زغال سنگ پرکیفیت، ۸هزار کیلوگرم دی‌اکسید کربن تولید می‌شود که در دما و فشار جو، ۳ استخر المپیک را پر می‌کند! حجم زباله‌های رادیواکتیو بسیار کمتر است، ولی خطر آنها به‌مراتب بیشتر است و مراقبت از آنها ضروری‌تر و دشوارتر.
-
سه گروه زباله رادیواکتیو داریم:
۱. سطح پایین: لباس‌های حفاظتی، لوازم، تجهیزات و فیلترهایی که مواد رادیواکتیو با عمر کوتاه دارند. این‌ها نیازی به پوشش حفاظتی ندارند و معمولا فشرده‌شده و آتش‌زده می‌شوند، سپس در چاله‌های کم‌عمق دفن می‌شوند.
۲. سطح متوسط: پس‌مانده‌های شیمیایی، پوشش میله سوخت و مواد نیروگاه‌های برق هسته‌ای. این‌ها عمر کوتاهی دارند، ولی نیاز به پوشش محافظ دارند.
۳. سطح بالا: همان سوخت مصرف‌شده رآکتورهاست و نیاز به پوشش حفاظتی و سردسازی دارد. سوخت مصرف‌شده که از رآکتور خارج می شود، بسیار داغ و رادیواکتیو است و تشعشع و یون‌های فراوانی دارد. هم باید آن را سرد کرد و هم از تابیدن پرتوهای آن جلوگیری کرد. در کنار هر رآکتور، استخرهایی برای انبارکردن سوخت مصرف‌شده وجود دارد.
این استخرها، مخزن‌هایی بتنی، مسلح به لایه‌های فولاد زنگ‌نزن هستند که ۸متر عمق دارند و پر از آب هستند. آب، هم میله‌های سوخت مصرف‌نشده را خنک می‌کند، هم به عنوان پوشش حفاظتی در برابر تابش رادیواکتیو عمل می‌کند.
به مرور زمان، شدت گرما و تابش رادیواکتیو کم می‌شود. ۳ درصد سوخت مصرف‌شده در یک رآکتور آب سبک را ضایعات بسیار خطرناک رادیواکتیو تشکیل می‌دهد، ولی بقیه آن حاوی مقادیر قابل توجهی اورانیوم ۲۳۵، اورانیوم ۲۳۸ و پلوتونیوم ۲۳۹ و دیگر مواد رادیواکتیو است.
این مواد را می‌توان با روش‌های شیمیایی از یکدیگر جدا کرد و اگر شرایط اقتصادی و قوانین حقوقی اجازه دهد، می‌توان سوخت مصرف‌شده را برای تهیه سوخت هسته‌ای جدید بازیافت کرد. ضایعات هسته‌ای سطح بالا را پس از جداسازی، حرارت می‌دهند تا به پودر تبدیل شود. پودر را با شیشه مخلوط می‌کنند و آن را در محفظه‌ای محبوس می‌کنند.
محفظه‌ها را در منطقه‌ای پایدار (از نظر جغرافیایی) انبار می‌کنند. مناطقی از انارک در نزدیکی یزد برای این کار انتخاب شده‌اند.
عملیات داخلی یک رآکتور هسته‌ای آب سبک
۱. قلب رآکتور هسته‌ای
۲. میله‌های کنترل سرعت سوخت
۳. دیگ بخار
۴. توربین بخار
۵. موتور برق
۶. لوله‌های انتقال و پمپ آب برای رادیاتور داخلی رآکتور
۷. پمپ و مسیر انتقال آب برای تولید بخار
۸. سیستم خنک کننده نهایی
۹. برج خنک کننده
۱۰. آب‌های آزاد
