جزئیات علمی چرخه فناوری هسته‌ای در ایران

در این نمایشگاه بخش‌های مختلف فعالیت‌های هسته‌ای ایران از جمله غنی‌سازی‌ اورانیوم، چرخه سوخت، لوله‌های سوخت، مجمتع آب سنگین اراک، نیروگاه‌های اتمی، رادیو دارو وکاربرد پرتوها به‌صورت علمی به نمایش درآمده بود، علاوه بر آن کارشناسان مجتمع‌های هسته‌ای اراک، نطنز و بوشهر با حضور در نمایشگاه پاسخگوی سؤالات بازدید‌کنندگان بودند. خبرنگار همشهری در بازدید از این نمایشگاه، طی گفت‌وگوهایی با مسئولان غرفه‌ها از آنها درباره مراحل علمی دستیابی ایران به فناوری هسته‌ای در بخش‌های مختلف سؤال کرده است. بدیهی است به دلایل امنیتی، بسیاری از اطلاعات مرتبط قابل ارائه نبوده و تنها بخش‌هایی از اطلاعات مذکور برای عموم قابل انتشار است. همچنین اسامی گفت‌وگو شوندگان محفوظ مانده است.

اورانیوم در طبیعت دارای 3ایزوتوپ 234، 235 و 238 است. ایزوتوپ 235 قابلیت شکافت هسته‌ای و تولید انرژی مناسب را دارد. برای این منظور باید میزان آن از 7 دهم درصد که در طبیعت موجود است به 5/3 تا 5 درصد برسد تا در نیروگاه اتمی مورد استفاده قرار گیرد؛ به این عملیات که طی مراحل پیچیده‌ای صورت می‌گیرد غنی‌سازی‌ می‌گویند.

این کار با روش سانتریفیوژ و با استفاده از ماشین‌هایی به‌همین نام که با نیروی گریز از مرکز کار می‌کند صورت می‌گیرد. ساخت این ماشین‌ها به دلیل سرعت‌های دوران بالا، به مهندسی پیچیده با دقت بسیار زیاد نیاز دارد و از تکنولوژی‌های های تک محسوب می‌شود. به‌خاطر ماهیت خورندگی UF6، تمام اجزایی که در تماس با این ماده هستند باید از مواد مقاوم در برابر خوردگی ساخته شوند. ظرفیت جداسازی یک سانتریفیوژ تک‌واحدی، با طول و سرعت چرخش آن افزایش می‌یابد.

در نتیجه سانتریفیوژهایی که سرعت بیشتر و ارتفاع بلندتری داشته باشند غنی‌سازی‌ را بهتر و بیشتر انجام می‌دهند. مواد مناسب برای ساخت سانتریفیوژها شامل آلیاژهای آلومینیوم، تیتانیوم، فولاد ماراژین (maraging steel) یا ترکیباتی مانند فیبرهای کربنی است که با برخی شیشه‌های خاص تقویت می‌شوند.

چرخه سوخت و کیک زرد

 چرخه سوخت اورانیوم با استخراج و آسیاب کانسنگ اورانیوم جهت تولید کیک زرد شروع شده و سپس به هگزافلوراید اورانیوم (UF6) تبدیل می‌شود. اورانیوم به‌صورت ترکیب هگزافلوراید اورانیوم UF6 از یو سی اف اصفهان وارد سایت نطنز می‌شود. این ترکیب گازی که مخلوطی از ایزوتوپ 235 و 238 است توسط لوله‌هایی وارد سانتریفیوژ می‌شود، که با سرعت 60 هزار دور در دقیقه می‌چرخد. این ترکیب گازی تحت‌تأثیر نیروی گریز از مرکز قرار می‌گیرد و ذرات سنگین(238)‌تر آن نزدیک دیواره و ذرات سبک‌تر یعنی 235 (کمتر تحت‌تأثیر نیروی گریز از مرکز قرار می‌گیرند) نزدیک محور جمع می‌شوند. ارتفاع این دستگاه‌ها یک مترو 70 سانتی متر است. بر این اساس یک عامل جداسازی 2ایزوتوپ نیروی گریز از مرکز است، عامل دیگر که باعث جداسازی می‌شود گرمای حاصل از اصطکاک ایجاد شده در اثر برخورد ذرات به یکدیگر است. این اختلاف دما درون سانتریفیوژ باعث جابه‌جایی ایزوتوپ‌ها می‌شود.

بر این اساس ذراتی که گرم‌تر هستند به سمت بالای لوله و آنها که خنک‌تر هستند به سمت پایین لوله سانتریفیوژ مهاجرت می‌کنند.(البته لازم به ذکر است که برای کاهش حرارت این سیستم از آبی استفاده می‌شود که تقریبا املاحی ندارد. این آب از بالا با درجه حرارت 30 درجه وارد می‌شود و با دمای بیشتر از پایین دستگاه خارج می‌شود.) یعنی ایزوتوپ‌های 235 بیشتری در بالا و 238 بیشتری در پایین جمع می‌شوند. بنابراین ایزوتوپ 235 در بالا و نزدیک محور و 238 در پایین و نزدیک کناره تجمع بیشتری پیدا می‌کنند. به عبارت بهتر اگر روزنه‌هایی را در بالا و نزدیک محور ایجاد کنیم و با پمپی ترکیب گازی آن قسمت را به درون لوله‌ای تخلیه کنیم طبیعتا اورانیوم 235 بیشتری را وارد لوله خواهد کرد. و چنانچه روزنه‌ای در پایین و نزدیک کناره ایجاد کنیم باعث خواهد شد ترکیبی از گاز هگزافلوراید به درون لوله تخلیه شود که دارای اورانیوم 238 بیشتری است. یک ماشین سانتریفیوژ توانایی غنی‌سازی‌ اورانیوم 235 از 7 دهم درصد به 5/3درصد را ندارد بنابراین باید تعداد زیادی سانتریفیوژ به‌صورت آبشار به هم متصل شود تا قادر به غنی‌سازی‌ اورانیوم 235 تا حد 5/3درصد شود. تعداد سانتریفیوژ‌های مورد نیاز در هر آبشار برای این منظور164 عدد است.

محصول هر سانتریفیوژ به‌عنوان خوراک سانتریفیوژ بعدی مورد استفاده قرار می‌گیرد. محصول غنی شده مجددا به یو سی اف اصفهان می‌رود و باز فرآوری می‌شود. UF6 یا هگزافلوراید غنی شده تبدیل به دی اکسید اورانیوم می‌شود، سپس تحت فشار قرار می‌گیرد و قرص‌های سوخت را به‌وجود می‌آورد که داخل میله‌های سوخت قرار می‌گیرد. بسته به استفاده در راکتور تحقیقاتی یا تولید برق در مجتمع‌های 10 تا 12 تایی یا 16 تایی قرار می‌گیرد و 163 تا از این مجتمع‌ها در راکتور بوشهر به‌عنوان هسته اصلی سوخت نیروگاه گذاشته می‌شود. راندمان سانتریفیوژها حول و حوش 4 درصد است که در سانتریفیوژ‌های نوع 3 توانسته‌ایم راندمان را به 6 برسانیم.

نحوه فعالیت نیروگاه‌های اتمی

نیروگاه‌هایی که از انرژی شکافت اورانیوم استفاده می‌کنند به 2 بخش نیروگاه آب سبک (معمولی )و آب سنگین تقسیم می‌شوند. نیروگاه آب سبک دارای راکتور آب سبک و نیروگاه آب سنگین دارای راکتور آب سنگین است. سوخت نیروگاه‌های هسته‌ای، اورانیوم 238 و 235 است. اگر از اورانیوم 235 به‌عنوان سوخت هسته‌ای استفاده شود باید درجه غنای آن از 7/0درصد (که در طبیعت وجود دارد) به 3 تا 5 درصد برسد تا جرم بحرانی لازم برای شکافت را داشته باشد. درون یک راکتور هسته‌ای، اورانیوم توسط نوترون‌ها، بمباران می‌شود. برخورد نوترون به هسته اتم اورانیوم، سبب شکست آن می‌شود و در اثر این شکست، انرژی و نوترون‌های اضافی به‌وجود می‌آید.

 نوترون‌های اضافی در یک واکنش زنجیره‌ای شرکت می‌کنند و باعث شکست دیگر اتم‌های اورانیوم می‌شوند. اگر این نوترون‌های اضافی کنترل نشوند، ورود آنها به واکنش‌های زنجیره‌ای، سبب تولید انرژی بسیار زیاد و در نتیجه انفجار در راکتور می‌شود. از شکست هسته هر اتم اورانیوم معادل 200 میلیون الکترون ولت انرژی آزاد می‌شود؛ بنابراین باید از موادی که جاذب نوترون‌های اضافی هستند و به آنها کندکننده می‌گویند استفاده شود. در راکتورهای آب سبک از اورانیوم 235(که تا 5/3 درصدغنی شده ) به‌عنوان سوخت و از آب سبک یا معمولی به‌عنوان کندکننده استفاده می‌شود. بنابراین آب سنگین و آب سبک در راکتورها علاوه بر کندکنندگی، نقش خنک‌کنندگی هم دارند.

مذاکره با وزارت بهداشت برای استفاده از آب سنگین در درمان‌های پزشکی

میزان DO2 یا آب سنگین در آب معمولی 145 PPM است؛ یعنی در هریک میلیون مولکول آب معمولی 145 جز دوتریوم وجود دارد. به ازای هر 7 اتم هیدروژن یک اتم دوتریوم است. دوتریوم و هیدروژن، 2 ایزوتوپ اتم هیدروژن هستند و اختلاف آنها در نوترون اضافی موجود در هسته اتم هیدروژن است. آبی که در این سیستم استفاده می‌شود آب معمولی موجود در طبیعت است که قبل از استفاده خالص‌سازی‌ می‌شود و سپس وارد سیستمی می‌شود که با تبادل ایزوتوپی میزان دوتریوم را تا 15 درصد افزایش می‌دهد. در واحد بعد با استفاده از اختلاف نقطه جوش D2O‌از H2O جداسازی می‌شود. D2O ‌دارای دمای جوشی حدود 2 تا 3 درجه بالاتر از آب معمولی است و آبی که تولید می‌شود دارای 99 و 8 دهم D2O است که به آن آب سنگین می‌گویند. آب باقی مانده نیز 30 تا 100 PPM دوتریوم دارد که آب تهی شده از دوتریوم است و برای پزشکی کاربرد دارد؛ زیرا ثابت شده که در غلظت‌های 20 تا 130 PPM دوتریوم خاصیت دارویی دارد و می‌تواند در درمان انواع سرطان و حتی دیابت و بیماری‌های پوستی به‌کار رود.

در دنیا کشورهای معدودی دارای این تکنولوژی هستند. ما در حال حاضر مشغول مذاکره با وزارت بهداشت برای استفاده از این آب برای درمان‌های پزشکی هستیم تا پس از تست‌های مربوطه به‌عنوان محصول جانبی راکتور آب‌سنگین وارد بازار شود. از آب‌سنگین هم در راکتور آب‌سنگین استفاده می‌شود.

رادیودارو‌ها و پزشکی‌هسته‌ای

یکی از روش‌های تشخیص و درمان ارزشمند در طب، پزشکی هسته‌ای است که رادیوداروها و کیت‌های هورمونی بخش مهمی از آن را تشکیل می‌دهند. رادیو دارو داروهای نشاندار رادیواکتیوهستند که به مریض تزریق یا خورانده می‌شوند، انواع مختلفی از رادیوداروها وجود دارد که یکی از مهم‌ترین آنها مولیبدن 99 - تکنسیم M 99 است در حال حاضر ما رادیوداروی مولیبدن 99 - تکنسیم M 99 و بعضی دیگر از آنها را در کشور تولید می‌کنیم به‌طوری که نیازی به واردات آنها نداریم.

رادیو داروی مولیبدن 99 - تکنسیم M 99 در تشخیص بسیاری از بیماری‌ها از جمله بیماری‌هایی که نیاز به اسکن از ماهیچه‌های قلبی، مغز استخوان، غدد بزاقی، تیروئید، پاراتیروئید، شش‌ها، کبد، کلیه و... دارند کاربرد اساسی دارد و در حال حاضر در مراکز پزشکی هسته‌ای، هر هفته هزاران بیمار از این رادیو داروها بهره‌مند می‌شوند. همچنین از یدهای مختلف نشاندار مثل «ید 131، 125 و 123» برای تشخیص کار تیروئید، تعیین حجم خون و پلاسما «تالیوم 201» در عضلات قلب و گردش خون، از «گالیم 67» برای عکسبرداری از تومور و در نسوج نرم و از «ایزوتوپ گالیوم 72» برای اسکن تومورهای استخوان از «زنون 133 (گزنون 133)» برای عکسبرداری تنفسی و مطالعات جریان خون استفاده می‌شود که همه تولید داخل هستند.

ماده مولیبدن 99 - تکنسیم M 99 در حال حاضر تنها در چند کشور، از جمله بلژیک، کانادا، آفریقای جنوبی، هلند، انگلیس، چین، هند و 2الی 3کشور دیگر تولید می‌شود و ایران در حقیقت جز معدود کشورهای تولید‌کننده این رادیو دارو است.

لوله‌های سوخت و قر ص‌های اورانیوم

لوله سوخت تشکیل شده از غلاف سوخت، از جنس زیرکونیوم، 2درپوش ابتدایی و انتهایی، قرص‌های اورانیوم و یک فنر انتهایی. این لوله دارای طولی برابر 3602 میلی‌متر در راکتور تحقیقاتی اراک و 3800میلی‌متر برای راکتور بوشهر است. قطر خارجی میله سوخت راکتور اراک13و 6 دهم میلی‌متر و در بوشهر 9 و یک دهم میلی متر است. غلاف سوخت از یک انتها جوش داده و بسته می‌شود و از طرف دیگر قرص‌های اورانیوم که استوانه‌هایی به طول 15 میلی متر و قطر 11و 48 صدم میلی متر هستند به تعداد 240 تا 250 عدد داخل غلاف جای داده می‌شود و سپس یک فنر از جنس زیرکونیوم در انتها قرار داده می‌شود تا از انبساط آنها در اثر گرما در راکتور جلوگیری شود و در نهایت پس از تخلیه هوای داخل میله و پر شدن آن توسط گاز هلیم در پوش دیگر آن جوش داده و بسته می‌شود.

به این یک میله سوختی می‌گویند که به تنهایی کاربردی ندارد و برای راکتور باید تعداد زیادی از آنها توسط نگهدارنده‌هایی کنار هم قرار داده شود که به آن مجتمع سوخت می‌گویند. در راکتور تحقیقاتی 18 عدد میله سوختی تشکیل یک مجتمع را می‌دهد که سطح مقطع آن دایره است و برای راکتور بوشهر 311 میله سوخت تشکیل یک مجتمع سوخت با سطح مقطع 6 ضلعی است. تعداد 150 تا مجتمع سوختی در راکتورتحقیقاتی  یا بوشهر لازم است.
برای نیروگاه اتمی بوشهر 3 سال طول می‌کشد تا هسته تمام اتم‌های اورانیوم 235 موجود در این قرص‌ها شکافته و انرژی آنها به‌صورت گرما آزاد شود.

علت استفاده از زیرکونیوم این است که این فلز نوترون را جذب نمی‌کند. ابتدا زمانی که راکتور روشن می‌شود واکنش هسته‌ای با یک چشمه نوترونی آغاز می‌شود. تابش این چشمه نوترونی باعث برخورد نوترون‌ها به هسته اتم‌ها و شکافته شدن آنها می‌شود حاصل این شکافت انرژی آزاد شده و بالارفتن دما است. از شکافت هسته‌ای نوترون نیز آزاد می‌شود و نوترون آزادشده باعث تداوم واکنش هسته‌ای و تداوم چرخه شکافت می‌شود. حال اگر فلزی غیر از زیرکونیوم باشد باعث جذب نوترون و توقف شکافت و خاموش شدن راکتور می‌شود. بنابراین عنصر زیرکونیوم باعث تداوم چرخه شکافت می‌شود. گرمای آزاد شده حاصل از شکافت باعث گرم شدن آبی می‌شود که در اطراف میله‌های سوخت در جریان است.

در راکتور اراک حداکثر دمای آب به 100 درجه می‌رسد که تحقیقاتی است و برای کاربردهای پزشکی و 40مگاواتی است. ولی راکتور بوشهر راکتور قدرت و مولد برق است و دمای آب داخل راکتور به 300 تا 400 درجه می‌رسد که این آب چون تحت فشار 160 اتمسفر است آب به جوش نمی‌آید. این آب در مدار داخل راکتور در جریان است و آبی را به جوش می‌آورد که خارج از راکتور است و باعث چرخش توربین می‌شود.