نقش بی بدیل رآکتور هسته ای و اورانیوم در تولید حال و آینده انرژی جهان

تصویر: نیروگاه هسته ای رینگالز، محل استقرار چهار راکتور با قابلیت تولید 20 درصد از نیاز برق سوئد (Image: Vattenfall)
 
راکتورهای هسته ای اساساً کتری های بزرگی هستند که برای گرم کردن آب برای تولید مقادیر زیادی برق کم کربن استفاده می شوند. آنها در اندازه ها و اشکال مختلف وجود دارند و می توانند از انواع مختلف سوخت استفاده کنند.
 سالانه حدود 27 تن اورانیوم - حدود 18 میلیون گلوله سوختی که در بیش از 50 هزار میله سوخت جای گرفته اند - برای یک راکتور آب تحت فشار 1000 مگاواتی مورد نیاز است. در مقابل، یک نیروگاه زغال سنگ با اندازه معادل به بیش از دو و نیم میلیون تن زغال سنگ برای تولید برق نیاز دارد.یک راکتور هسته ای در اثر تقسیم اتم ها تحریک می شود، در فرایندی به نام شکافت، که در آن ذره ای ("نوترون") به سمت اتم شلیک می شود، که سپس اتم به دو اتم کوچک تر و تعدادی نوترون های اضافی شکسته می شود. برخی از نوترون هایی که آزاد می شوند سپس به اتم های دیگر برخورد کرده و باعث شکافتن آنها و انتشار نوترون های بیشتر می شوند. این واکنش زنجیره ای نامیده می شود.
 
شکافتن اتم ها در واکنش زنجیره ای همچنین مقدار زیادی انرژی را به صورت گرما آزاد می کند. گرمای تولید شده توسط یک مایع در گردش، معمولاً آب، از راکتور خارج می شود. سپس می توان از این گرما برای تولید بخار استفاده کرد که توربین ها را برای تولید برق به گردش در می آورد.
 
به منظور اطمینان از این که واکنش هسته ای با سرعت مناسب انجام می شود، راکتورها دارای سیستم هایی هستند که واکنش هسته ای و تولید حرارت را تسریع  کند یا متوقف نماید. این کار معمولاً با میله های کنترلی انجام می شود که معمولاً از مواد جذب کننده نوترون مانند نقره و بور ساخته شده اند.

 
تصویر: همجوشی هسته ای. دو نمونه از شکافت هسته ای اورانیوم 235، رایج ترین سوخت مورد استفاده در راکتورهای هسته ای.
 هگزا فلوراید اورانیوم به داخل سانتریفیوژها تغذیه می شود که در آن هزاران لوله عمودی که با سرعت در حال چرخشند اورانیوم 235 را از ایزوتوپ کمی سنگین تر اورانیوم 238 جدا می کنند. راکتورهای هسته ای دارای اشکال و اندازه های مختلفی هستند - برخی از آنها برای خنک کردن هسته های خود از آب استفاده می کنند، در حالی که برخی دیگر از گاز یا فلز مایع استفاده می کنند. رایج ترین انواع راکتورهای قدرت از آب استفاده می کنند و بیش از 90 درصد راکتورهای جهان از آب استفاده می کنند.
 
راکتورهای هسته ای در تولید برق بسیار قابل اعتماد هستند و قادرند 24 ساعته در شبانه روز، برای ماه ها، اگر نه سال ها، بدون وقفه، در هر شرایط آب و هوایی و فصلی، کار کنند. علاوه بر این، اکثر راکتورهای هسته ای می توانند برای مدت زمانی بسیار طولانی کار کنند - در بسیاری از موارد بیش از 60 سال. در سال 2019، واحدهای 3 و 4 در کارخانه Turkey Point  در فلوریدا اولین راکتورهای جهان بودند که برای 80 سال فعالیت مجوز گرفتند.

 
تصویر: سوخت گیری رآکتور (Image: Vattenfall).
 

چه چیزی به یک راکتور سوخت می دهد؟

برای سوخت رسانی به راکتور می توان از مواد مختلفی استفاده کرد، اما بیشتر از اورانیوم استفاده می شود. اورانیوم فراوان است و در بسیاری از نقاط جهان از جمله در اقیانوس ها یافت می شود. از سوخت های دیگر مانند پلوتونیوم و توریم نیز می توان استفاده کرد.
 بیش از نیمی از معادن اورانیوم جهان در حال حاضر از روشی به نام شستشوی در محل اصلی استفاده می کنند که در آن استخراج بدون هیچ گونه اختلال اساسی برای زمین انجام می شود. آبی که اکسیژن (یا ماده ای قلیایی، اسیدی یا محلول اکسید کننده دیگر) به آن تزریق شده است از میان سنگ معدن اورانیوم به گردش در می آید و اورانیوم را از سنگ بیرون می کشد. سپس محلول اورانیوم به سطح پمپ می شود.اکثر راکتورهای امروزی حاوی چند صد مجموعه سوخت هستند که هر یک هزاران گلوله کوچک از سوخت اورانیوم دارند. هر گلوله به اندازه یک تن زغال سنگ انرژی دارد. یک راکتور معمولی سالانه به حدود 27 تن سوخت تازه نیاز دارد. در مقابل، یک نیروگاه زغال سنگ با اندازه مشابه، به بیش از دو و نیم میلیون تن زغال سنگ برای تولید برق نیاز دارد.

 
تصویر: گلوله های سوخت هسته ای خیلی بزرگ تر از یک حبه قند نیستند، و هر کدام در بر دارنده انرژی ای به بزرگی انرژی یک تن زغال سنگ هستند (Image: Kazatomprom).
 

در مورد پسماند چه؟

مانند هر صنعتی، صنعت هسته ای نیز زباله تولید می کند. با این حال، بر خلاف بسیاری از صنایع، انرژی هسته ای مقدار کمی زباله تولید می کند - و به طور کامل آن چه را که تولید می کند محدود نگاه می دارد و مدیریت می کند. اکثریت قریب به اتفاق زباله های نیروگاه های هسته ای چندان رادیواکتیو نیستند و دهه هاست که با مسئولیت پذیری، مدیریت و دفع می شوند. اگر از انرژی هسته ای برای تأمین نیازهای برق یک نفر به مدت یک سال استفاده می شد، تنها حدود 5 گرم زباله بسیار رادیواکتیو تولید می شد که هم وزن یک ورق کاغذ است.
 اورانیوم در بیشتر سنگ ها و حتی در آب دریا به مقدار کم یافت می شود. معادن اورانیوم در بسیاری از کشورها فعالیت می کنند، اما بیش از 85 درصد اورانیوم در شش کشور تولید می شود: قزاقستان، کانادا، استرالیا، نامیبیا، نیجر و روسیه.سوخت مصرفی که از راکتور خارج می شود را می توان به روش های مختلف مدیریت کرد، از جمله بازیافت برای تولید انرژی یا دفع مستقیم. در حقیقت، برای دهه هاست که بسیاری از کشورها برای سوخت رسانی جزئی راکتورهای خود در حال استفاده از سوخت بازیافت شده بوده اند.

 
تصویر: سوخت هسته ای استفاده شده در انتظار بازیافت (Image: Rosatom).
 

چگونه اورانیوم به سوخت هسته ای تبدیل می شود؟

اورانیوم سوخت اصلی راکتورهای هسته ای است و در بسیاری از نقاط جهان یافت می شود. به منظور تولید سوخت، اورانیوم استخراج می شود و قبل از بارگیری در راکتور هسته ای، مراحل تصفیه و غنی سازی را طی می کند.
یک راکتور معمولی سالانه به حدود 27 تن سوخت تازه نیاز دارد. در مقابل، یک نیروگاه زغال سنگ با اندازه مشابه، به بیش از دو و نیم میلیون تن زغال سنگ برای تولید برق نیاز دارد.

استخراج اورانیوم

اورانیوم در بیشتر سنگ ها و حتی در آب دریا به مقدار کم یافت می شود. معادن اورانیوم در بسیاری از کشورها فعالیت می کنند، اما بیش از 85 درصد اورانیوم در شش کشور تولید می شود: قزاقستان، کانادا، استرالیا، نامیبیا، نیجر و روسیه.
 
از لحاظ تاریخی، معادن معمولی (به عنوان مثال روباز یا زیر زمینی) منبع اصلی اورانیوم بودند. پس از استخراج، سنگ معدن در آسیاب خرد می شود، جایی که آب اضافه می شود تا دوغاب ذرات ریز سنگ معدن و سایر مواد تولید شود. دوغاب با اسید سولفوریک یا محلول قلیایی برای حل شدن اورانیوم شسته می شود و باقی مانده سنگ و سایر مواد معدنی حل نشده باقی می ماند.
 
با این حال، بیش از نیمی از معادن اورانیوم جهان در حال حاضر از روشی به نام شستشوی در محل اصلی استفاده می کنند که در آن استخراج بدون هیچ گونه اختلال اساسی برای زمین انجام می شود. آبی که اکسیژن (یا ماده ای قلیایی، اسیدی یا محلول اکسید کننده دیگر) به آن تزریق شده است از میان سنگ معدن اورانیوم به گردش در می آید و اورانیوم را از سنگ بیرون می کشد. سپس محلول اورانیوم به سطح پمپ می شود.
 
محلول اورانیوم به دست آمده از معادن سپس جدا شده، فیلتر شده و خشک می شود تا کنسانتره اکسید اورانیوم تولید شود، که اغلب به آن "کیک زرد" می گویند.

رایج ترین انواع راکتورهای قدرت از آب استفاده می کنند و بیش از 90 درصد راکتورهای جهان از آب استفاده می کنند.

 
تصویر: کیک زرد. "کیک زرد" - یکی از اولین گام ها برای تولید سوخت هسته ای است. (Image: Kazatomprom)
 

غنی سازی

اکثریت قریب به اتفاق راکتورهای هسته ای از ایزوتوپ اورانیوم 235 به عنوان سوخت استفاده می کنند. با این حال این ایزوتوپ تنها 0.7 درصد از اورانیوم طبیعی استخراج شده را تشکیل می دهد و بنابراین باید از طریق فرآیندی به نام غنی سازی مقدار آن در واحد حجم افزایش یابد. این باعث افزایش غلظت اورانیوم 235 از 0.7 درصد به بین 3 تا 5 درصد می شود که در اکثر راکتورها از این میزان استفاده می شود.
 
تعداد کمی از راکتورها، از جمله راکتورهای CANDU در کانادا، از اورانیوم طبیعی تغذیه می کنند، که نیازی به غنی سازی ندارد.
 
فرآیند غنی سازی نیاز به اورانیوم به شکل گازی دارد. این امر از طریق فرایندی به نام تبدیل به دست می آید که در آن اکسید اورانیوم به یک ترکیب متفاوت (هگزافلورید اورانیوم) تبدیل می شود که در دماهای نسبتاً پایین به صورت گاز است.
 
هگزا فلوراید اورانیوم به داخل سانتریفیوژها تغذیه می شود که در آن هزاران لوله عمودی که با سرعت در حال چرخشند اورانیوم 235 را از ایزوتوپ کمی سنگین تر اورانیوم 238 جدا می کنند. سانتریفیوژها اورانیوم را به دو جریان جدا می کنند: یک جریان غنی شده با اورانیوم 235 است. دیگری شامل "دم ها"، حاوی غلظت کمتر اورانیوم 235 و معروف به اورانیوم تهی شده (DU) (depleted uranium) ، است.

به منظور اطمینان از این که واکنش هسته ای با سرعت مناسب انجام می شود، راکتورها دارای سیستم هایی هستند که واکنش هسته ای و تولید حرارت را تسریع  کند یا متوقف نماید. این کار معمولاً با میله های کنترلی انجام می شود که معمولاً از مواد جذب کننده نوترون مانند نقره و بور ساخته شده اند.

 
تصویر: یک بانک سانتریفیوژ در یک کارخانه غنی سازی (Image: Urenco).
 

ساخت سوخت هسته ای

اورانیوم غنی شده به یک کارخانه تولید سوخت منتقل می شود و در آن جا به پودر دی اکسید اورانیوم تبدیل می شود. این پودر سپس فشرده می شود تا گلوله های کوچک سوخت تشکیل شود و گرم می شود تا یک ماده سرامیکی سخت شود. سپس گلوله ها در لوله های نازک معروف به میله های سوخت قرار می گیرند، که سپس با هم گروه بندی می شوند و مجموعه های سوخت را تشکیل می دهند. بسته به نوع راکتور، تعداد میله های سوخت مورد استفاده برای ساخت هر مجموعه سوخت از حدود 90 تا بیش از 200 متغیر است. پس از بارگیری، سوخت به طور معمول چندین سال در هسته راکتور می ماند.
 

 
تصویر: سوخت هسته ای به شکل پودر و گلوله (Image: Urenco).
 
سالانه حدود 27 تن اورانیوم - حدود 18 میلیون گلوله سوختی که در بیش از 50 هزار میله سوخت جای گرفته اند - برای یک راکتور آب تحت فشار 1000 مگاواتی مورد نیاز است. در مقابل، یک نیروگاه زغال سنگ با اندازه معادل به بیش از دو و نیم میلیون تن زغال سنگ برای تولید برق نیاز دارد.
 

 
تصویر: یک مجموعه سوخت، معمولاً با چندین متر طول، می تواند سال ها در راکتور بماند و مقدار زیادی الکتریسیته کم کربن تولید کند (Image: Framatome).

تولید جهانی معدن اورانیوم

بیش از دو سوم تولید اورانیوم در جهان از معادنی از قزاقستان، کانادا و استرالیا است. مقدار فزاینده ای از اورانیوم، که اکنون بیش از 50 درصد است، با شستشو در محل اصلی تولید می شود.

قزاقستان بیشترین سهم اورانیوم را از معادن تولید می کند (42 درصد از عرضه جهانی از معادن در سال 2019). پس از آن کانادا (13 درصد) و استرالیا (12 درصد) قرار دارند.

تولید از معادن (به واحد تُن)

*داده های انجمن جهانی هسته ای. توجه: ارقام موجود در این جدول با در دسترس قرار گرفتن داده های جدید ممکن است تغییر کند.

راکتورهای هسته ای اساساً کتری های بزرگی هستند که برای گرم کردن آب برای تولید مقادیر زیادی برق کم کربن استفاده می شوند. روش های استخراج تغییر کرده است. در سال 1990، 55 درصد از تولید جهانی از معادن زیرزمینی تأمین می شد، اما این میزان به طور چشمگیری تا سال 1999 کاهش یافت و در آن زمان 33 درصد بود. از سال 2000 معادن جدید کانادا دوباره آن را افزایش دادند. استخراج معادن به روش شستشو در محل اصلی یا in situ leach   (ISL، که همچنین بازیابی در محل اصلی یا in situ recovery، یا ISR هم خوانده می شود)، سهم خود را در کل به طور عمده به دلیل تولید قزاقستان افزایش داده است و در سال 2019 بیش از نیمی از تولید را به خود اختصاص داده است:

معادن معمولی دارای آسیابی هستند که در آن سنگ معدن خرد شده، آسیاب شده و سپس با اسید سولفوریک شسته می شود تا اکسیدهای اورانیوم حل شود. در آسیاب یک معدن معمولی یا تصفیه خانهISL ، اورانیوم قبل از خشک شدن و بسته بندی، معمولاً با U3O8 با تبادل یونی جدا می شود. بسته به بدنه سنگ معدن، در برخی از آسیاب ها و عملیات ISL (به ویژه در ایالات متحده) به جای اسید سولفوریک از شستشوی کربنات استفاده می شود. جایی که اورانیوم به عنوان یک محصول جانبی بازیابی می شود، به عنوان مثال به عنوان محصول جانبی استخراج مس یا فسفات، فرآیند درمان به احتمال زیاد پیچیده تر است.

در طول دهه 1990 صنعت تولید اورانیوم تلفیق شد با تصرفات، ادغام و محصورات، اما این امر دوباره با ساختار مالکیت چند ملیتی قزاقستان تنوع پیدا کرد. بیش از نیمی از تولید معادن اورانیوم از شرکت های معدنی دولتی است که برخی از آنها عرضه مطمئن را بر ملاحظات بازار اولویت می دهند. در سال 2019 ، 10 شرکت برتر از نظر تولید، بیش از 85 درصد از تولید اورانیوم در جهان را به خود اختصاص دادند:

*نتایج مالی Kazatomprom 2019 نشان دهنده 13291 tU  است زیرا 50 درصد تولید انرژی آسیا را شامل می شود.

بزرگ ترین معدن های تولید کننده اورانیوم در سال 2019

تولید اورانیوم جهانی و نیازهای راکتور (به واحد تُن)

منابع: OECD-NEA/IAEA ، انجمن جهانی هسته ای

منابع اورانیوم بر اساس کشور در سال 2019

منبع: WORLD NUCLEAR ASSOCIATION