باز فرآوری زباله‌های هسته‌ای

تصویر: هیچ کس طرفدار ضایعات هسته ای نیست. اگر بتوانیم همه آنها را بازیافت کنیم، چطور؟ آزمایشگاه فیزیک عمومی (GPL) ، CC BY-ND
 
انرژی هسته ای حدود 11 درصد از کل برق جهان را امروزه تأمین می کند. این منبع انرژی در طول کارخانه هیچ دی اکسید کربنی تولید نمی کند، به این معنی که از طریق انتشار گازهای گل خانه ای به تغییرات آب و هوایی کمک نمی کند. این منبع می تواند به صورت شبانه روزی برای حجم زیادی از صنایع و خانوارها تأمین انرژی کند که این به آن مزیتی نسبت به تأمین انرژی از طریق طبیعت متناوب خورشید و باد می دهد.
 رسیدن به نقطه ای که تقریباً همه زباله های هسته ای قابل استفاده مجدد باشند، یک چالش بزرگ ایجاد می کند، که شاید با قرار دادن یک انسان بر روی ماه قابل مقایسه باشد، اما غیر ممکن نیست.
این انرژی همچنین به دلایل مختلف مورد تحقیر گسترده قرار می گیرد – که بسیاری از آنها کاملاً احساسی و با دلایل اندک یا بدون هیچ دلیل علمی است. فوری ترین مسأله مشروع، مدیریت سوخت هسته ایِ استفاده شده است، محصولی جانبی که باید از راکتور خارج شود و سوخت تازه جایگزین شود تا تولید برق ادامه یابد.
 
تحقیقات مداوم در حال دست و پنجه نرم کردن با این مشکل با تلاش برای در یافتن این است که چگونه می شود بسیاری از آن چه که در حال حاضر ضایعات است را به سوخت قابل استفاده تبدیل نمود.
   
تصویر: چرخه سوخت هسته ای کمیسیون تنظیم مقررات هسته ای ، CC BY
اشعه نه تنها برای مردم خطرناک است بلکه مواد شیمیایی مورد نیاز برای جدا سازی را نیز تجزیه می کند و ممکن است خوردگی را تسریع کرده و به تجهیزات مورد استفاده در این فرایندها آسیب برساند.

راکتورها چگونه زباله های هسته ای تولید می کنند؟

واکنشی که در یک راکتور هسته ای انرژی تولید می کند، در هسته اتم ها اتفاق می افتد - از این رو نام آن هسته ای و اتمی است. یک اتم اورانیوم 235 (که شامل 92 پروتون و 143 نوترون است) یک نوترون را جذب کرده و به دو اتم جدید تقسیم می شود. این فرایند مقادیر زیادی انرژی و به طور متوسط ​​2.5 نوترون جدید آزاد می کند که می تواند توسط اتم های دیگر اورانیوم 235 جذب شود و یک واکنش زنجیره ای را منتشر می کند. به این فرایند شکافت گفته می شود. دو اتم جدید را محصولات شکافت می نامند. آنها در بیشترین رادیو اکتیویته کوتاه تا میان مدت سوخت به هنگام تخلیه از رآکتور مشارکت دارند.
   
تصویر: جایگزینی بخشی از مغز رآکتور با سوخت تازه. IBEA Imagebank ، CC BY-SA
 ما در حال کار بر روی چگونگی حذف اکتینیدهای ترا اورانیوم باقی مانده دراز عمر با بازدهی ای به اندازه ی کافی زیاد هستیم که زمان جدا سازی زباله های هسته ای باقی مانده به 1000 سال یا کمتر کاهش یابد. شکافت، بیشترین احتمال وقوع را در اتم های سنگین دارد. مهندسان هسته ای و شیمی دانان هسته ای بر سنگین ترین عناصر تمرکز می کنند - یعنی اکتینیدها، که در انتهای جدول تناوبی واقع شده اند. فرآیند شکافت با مصرف سوخت ادامه می یابد تا زمانی که میزان استفاده از اتم های قابل سوزاندن (شکافت پذیر) دیگر مقرون به صرفه نباشد. سپس راکتور برای سوخت گیری موقتاً خاموش می شود. یک سوم مغز جدا شده و با سوخت تازه جایگزین می شود. دو سوم باقی مانده مغز برای بهینه سازی تولیدِ توان در هم و بر هم می شود (بُر می خورد). مواد پس مانده، یعنی سوخت استفاده شده، بسیار رادیو اکتیو و از نظر فیزیکی داغ است، بنابراین باید به دلایل ایمنی خنک و سپر پوش شود.
 
در یک راکتور برق تجاری، یک سوخت نو استفاده نشده متشکل از اورانیوم 235 سه تا پنج درصد است، با تعادلی از وجود اورانیوم 238. ایزوتوپ سنگین تر اورانیوم 238 شکافته نمی شود بلکه می تواند از طریق فرآیندی به نام جذب نوترون به ایزوتوپ سنگین تر اورانیوم 239 تبدیل شود. ادامه جذب نوترون در نهایت مجموعه ای از عناصر سنگین تر از اورانیوم (به اصطلاح ترا اورانیوم) را تولید می کند، که برخی از آنها با شکافته شدن تولید قدرت می کنند، اما برخی دیگر نه.
 
این عناصر ترا اورانیومی و اکتینیدی - از جمله نپتونیوم، پلوتونیوم، آمریسیوم و کوریوم - یک ویژگی مشترک دارند: آنها در رادیو اکتیویته طولانی مدت سوخت مصرفی نقش دارند. پس از واکنش شکافت مولد انرژی، رادیو اکتیویته محصولات شکافت به سرعت کاهش می یابد. اما به دلیل وجود دیگر عناصر ترا اورانیومی موجود در مخلوط، باید مواد را تا زمان ایمن سازی - به مدت میلیون ها سال - جدا کرد.
سرمایه گذاری در زیر ساخت های باز فرآوری گران است.   
تصویر: حداقل 23 فوت ارتفاع آب، مجموعه سوخت در استخر سوخت مصرف شده در نیروگاه هسته ای برانزویک در ساوتپورت، کارولینای شمالی را پوشش می دهد. مت متولد/ویلمینگتون استار نیوز ، CC BY
 
پس از تخلیه از راکتور، سوخت استفاده شده تنها حدود 3 تا 4 درصد محصولات شکافت را شامل می شود. بقیه اورانیوم و ترا اورانیوم است که بخشی از واکنش شکافت نبوده اند. بیشترِ مواد، اورانیوم 238 اصلی است، که هنوز برای استفاده در سوخت جدید کاملاً مناسب است، و نیز اورانیوم 235 باقی مانده و پلوتونیوم 239 (که در حدود 1.5٪ سوخت مصرف شده را تشکیل می دهند).
 
دفع این مواد به عنوان زباله مانند این است که یک لقمه کوچک از یک ساندویچ را خورده و بقیه را به سطل زباله بیندازید. بنابراین تعجب آور نیست که چندین کشور در حال بازیافت سوخت هسته ای برای بازیابی مواد مفید باقی مانده هستند. سایر کشورها دست کم به صورت تحقیقی در حال بررسی این گزینه ها هستند.
ظرفیت جهانی پردازش مجدد سوخت تجاری حدود 4000 تن در سال است. تا به امروز حدود 90،000 تن سوخت مصرفی مجدداً پردازش شده است که حدود 30 درصد از کل سوخت مصرف شده تولید شده در راکتورهای تجاری است.

محدوده مشکل زباله

یک راکتور قدرت معمولی (1 GWe) سالانه حدود 27 تن سوخت مصرف شده تولید می کند تا بتواند برق مورد نیاز 700000 خانه را تولید کند (با فرض این که یک خانه متوسط ​​ سالانه حدود 11000 کیلو وات ساعت مصرف می کند و یک نیروگاه قدرت، دارای یک ضریب ظرفیت متوسط 85 درصدی است). برای مقایسه، یک کارخانه زغال سنگ با قدرت مشابه، 400000 تن خاکستر تولید می کند.
   
تصویر: پس از سرد شدن، سوخت مصرف شده در قوطی های مخصوص بارگیری می شود. کمیسیون تنظیم مقررات هسته ای، CC BY-NC-ND
 ظرفیت انرژی هسته ای جهان در حدود 370 گیگاوات است که معادل حدود 10 هزار تن سوخت مصرف شده است که هر سال در سراسر جهان تولید می شود. ظرفیت انرژی هسته ای جهان در حدود 370 گیگاوات است که معادل حدود 10 هزار تن سوخت مصرف شده است که هر سال در سراسر جهان تولید می شود. میزان کل سوخت مصرف شده در جهان (تا سپتامبر 2014) حدود 270،000 تن بوده است که از این میزان ایالات متحده حدود 70،000 تن ذخیره می کند.
 

اولین دور پردازش مجدد زباله ها

حذف اورانیوم و پلوتونیوم از سوخت استفاده شده به یک فرایند شیمیایی بستگی دارد. پردازنده های مجدد، سوخت استفاده شده را در اسید حل کرده و با حلال های آلی تصفیه می کنند تا عناصر مورد نظر را به طور انتخابی حذف کرده و عناصر ناخواسته را باقی بگذارند. همه کارخانه های تجاری تقریباً از همان روش، PUREX (Plutonium Uranium Reduction EXtraction)، استفاده می کنند.
 
PUREX در ابتدا در اواخر دهه 1940 در ایالات متحده اختراع شد، و در طول سال های بعد تاکنون PUREX برای بهبود عملکرد خود کمی سازگار شده است. این فرایند عناصر سنگین تر از پلوتونیوم را جدا نمی کند. محصول زائد پس از پردازش مجدد هنوز باید تا ابد مجزا بماند.
 
با این حال، مزیت آن این است که می تواند حدود 97 درصد سوخت مصرفی را بازیافت کرده و حجم زباله را به میزان قابل توجهی کاهش دهد. بخش عمده ای از مواد را می توان به سوخت نو راکتور تبدیل کرد که حاوی ترکیبی از اورانیوم و پلوتونیوم است، که اصطلاحاً اکسید مخلوط شده یا سوخت MOX نامیده می شود.
 دفع این مواد به عنوان زباله مانند این است که یک لقمه کوچک از یک ساندویچ را خورده و بقیه را به سطل زباله بیندازید.کارخانه های اصلی پردازش مجدد در انگلستان، فرانسه و روسیه واقع شده اند. هند دارای مقداری ظرفیت در این رابطه است و ژاپن دارای کارخانه نسبتاً بزرگی است که اخیراً تکمیل شده اما در حال حاضر مورد استفاده قرار نمی گیرد. ظرفیت جهانی پردازش مجدد سوخت تجاری حدود 4000 تن در سال است. تا به امروز حدود 90،000 تن سوخت مصرفی مجدداً پردازش شده است که حدود 30 درصد از کل سوخت مصرف شده تولید شده در راکتورهای تجاری است.
 
برخی از کشورهایی که کارخانه های باز فرآوری خود را ندارند، مواد را به کشورهایی که این کار را می کنند، مثل فرانسه، ارسال می کنند. سرمایه گذاری در زیر ساخت های باز فرآوری گران است. همچنین ممکن است مانند ایالات متحده عدم انجام این کار یک تصمیم سیاسی باشد، زیرا از این فناوری می توان برای تولید مواد برای استفاده در سلاح استفاده کرد (این استفاده اصلی از این فناوری در دهه 1940 بود). البته همه کارخانه های باز فرآوری زیر نظر آژانس بین المللی انرژی اتمی هستند و باید برای تمام مواد فرآوری شده حساب پس بدهند تا اطمینان حاصل شود که هیچ چیز برای استفاده احتمالی در سلاح منحرف نمی شود.
   
تصویر: بازرسان آژانس بین المللی انرژی اتمی حوضچه سوخت مصرف شده را در نیروگاه هسته ای دوکووانی در جمهوری چک مهر و موم می کنند. IBEA Imagebank ، CC BY-SA
عناصر ترا اورانیومی و اکتینیدی - از جمله نپتونیوم، پلوتونیوم، آمریسیوم و کوریوم - یک ویژگی مشترک دارند: آنها در رادیو اکتیویته طولانی مدت سوخت مصرفی نقش دارند.

رفتار با آن 3 درصد آخری

اما این میزان باز فرآوری، مسئله سوخت هسته ای مصرف شده را به طور کامل حل نمی کند. تحقیقات من در UC Irvine ، و دیگر آزمایشگاه های سراسر جهان، بر روش های جدیدی برای مقابله با چند مشکل ساز اخیر در سوخت هسته ای متمرکز شده است.
 
ما در حال کار بر روی چگونگی حذف اکتینیدهای ترا اورانیوم باقی مانده دراز عمر با بازدهی ای به اندازه ی کافی زیاد هستیم که زمان جدا سازی زباله های هسته ای باقی مانده به 1000 سال یا کمتر کاهش یابد. شاید این هنوز مدت طولانی ای به نظر برسد، اما جهان مملو از ساختارهایی است که بیش از 1000 سال عمر کرده اند؛ ما باید مطمئن باشیم که می توانیم چیزی بسازیم که یک هزاره طول می کشد. ما همچنین می توانیم با اطمینان معقول، علائم یا مطالب اطلاعاتی برای علامت گذاری محل ذخیره سازی ایجاد کنیم به گونه ای که مردم 1000 سال آینده بتوانند با اطمینان آن را تفسیر کنند.
 چگونه می شود بسیاری از آن چه که در حال حاضر ضایعات است را به سوخت قابل استفاده تبدیل نمود.در حالی که حذف اورانیوم و پلوتونیوم به آسانی انجام می شود (مانند PUREX) ، مرحله جدا سازی بعدی به دلایل مختلف یک چالش بزرگ است. یکی از این چالش ها این است که بسیاری از محصولات باقی مانده شکافت از نظر شیمیایی بسیار شبیه به امریسیوم (americium) و کوریوم (curium) رفتار می کنند. این امر به مواد شیمیایی بسیار تخصصی نیاز دارد که اغلب پیچیده و سنتز آنها گران است. ماهیت رادیو اکتیو مواد یک لایه پیچیدگی اضافی ایجاد می کند. اشعه نه تنها برای مردم خطرناک است بلکه مواد شیمیایی مورد نیاز برای جدا سازی را نیز تجزیه می کند و ممکن است خوردگی را تسریع کرده و به تجهیزات مورد استفاده در این فرایندها آسیب برساند.
 
تلاش های تحقیقاتی در حال توسعه متمرکز است بر روی تولید واکنشگرهای شیمیایی جدید که از نظر تابش پایدارتر، و برای عناصری که ما به بازیابی آنها علاقه مند هستیم انتخابی تر، و ساخت آنها آسان تر است. به همین دلیل، تلاش زیادی برای مطالعات بنیادی در مورد فعل و انفعالات شیمیایی بین معرف ها و عناصر موجود در سوخت مصرف شده انجام می شود. مشکل موجود به عنوان زمین بازی شیمی دانان و چالش مهندسان توصیف شده است.
 
نتیجه این است که هیچ کدام از این ها علمی تخیلی نیست. رسیدن به نقطه ای که تقریباً همه زباله های هسته ای قابل استفاده مجدد باشند، یک چالش بزرگ ایجاد می کند، که شاید با قرار دادن یک انسان بر روی ماه قابل مقایسه باشد، اما غیر ممکن نیست.
 در یک راکتور برق تجاری، یک سوخت نو استفاده نشده متشکل از اورانیوم 235 سه تا پنج درصد است، با تعادلی از وجود اورانیوم 238.
منبع: میکائیل نیلسون، University of California, Irvine