ابعاد علمی دستیابی ایران به چرخه سوخت هسته‌ای

در گفتگو با دو استاد فیزیک هسته‌ای بررسی شد:
ابعاد علمی دستیابی ایران به چرخه سوخت هسته‌ای 

تکنولوژی هسته‌ای پیچیده‌ترین تکنولوژی است که بشر بدان دست یافته و فناوری هسته‌ای عبارت است از تکنیکی که با آن از انرژی ذرات هسته‌ای در صنایع مختلف مثل برق، پزشکی، کشاورزی، نظامی و زمین‌شناسی استفاده می‌شود. تکنولوژی هسته‌ای بر مبنای استفاده از اورانیوم آغاز شد که سنگین‌ترین فلز طبیعت است.

در گفتگو با دو استاد فیزیک هسته‌ای بررسی شد:
ابعاد علمی دستیابی ایران به چرخه سوخت هسته‌ای 

تکنولوژی هسته‌ای پیچیده‌ترین تکنولوژی است که بشر بدان دست یافته و فناوری هسته‌ای عبارت است از تکنیکی که با آن از انرژی ذرات هسته‌ای در صنایع مختلف مثل برق، پزشکی، کشاورزی، نظامی و زمین‌شناسی استفاده می‌شود. تکنولوژی هسته‌ای بر مبنای استفاده از اورانیوم آغاز شد که سنگین‌ترین فلز طبیعت است.
اورانیوم دارای دو ایزوتوپ است که یکی با عنوان اورانیوم 238 که فراوانی 3/99% در طبیعت دارد و ایزوتوپ دیگر که قابلیت شکافت هسته‌ای و تولید انرژی دارد اورانیوم 235 است که فراوانی آن در طبیعت 7/0 درصد می‌باشد. برای استفاده از انرژی این نوع اورانیوم باید غنای آن را به 5/3 درصد که مورد نیاز نیروگاه‌های برق اتمی است برسانیم. در تحقیقات علمی باید درجه غنای اورانیوم حدود 20 درصد و در ساخت بمب اتمی باید بیش از 90% درجه غنای اورانیوم 235 باشد در حال حاضر بیش از 400 نیروگاه برق اتمی در دنیا وجود دارد که آمریکا با 104 مورد در راس و سپس فرانسه با 59، ژاپن 56، روسیه 31، انگلیس 23 و کشورهای دیگر به ترتیب در مقام‌های بعدی هستند. فرانسه حدود 80 درصد، آمریکا 20 درصد، ژاپن 30 درصد، روسیه 16 درصد و انگلیس نیز 20 درصد از برق مصرفی‌شان را با استفاده از این نیروگاه‌ها تولید می‌کنند.

با توجه به پیوستن ایران به باشگاه کلوپ هسته‌ای با دستیابی به چرخه سوخت هسته‌ای و رساندن غنای اورانیوم به 5/3 درصد و اهمیت این مسئله خراسان با دو تن از اساتید فیزیک هسته‌ای که نمایندگان مجلس نیز هستند به گفتگو نشسته است.

گفتگو با دکتر رسول صدیقی استاد دانشگاه صنعتی شریف
چرا تاکنون باوجود ساخت سانتریفیوژها نتوانسته بودیم به این درصد از غنای اورانیوم دست یابیم؟
غنی‌سازی اورانیوم براساس اختلاف جرم توسط سانتریفیوژهای بسیار حساس با سرعت 1000 دور در ثانیه انجام می‌گیرد. سانتریفیوژهایی که توسط دانشمندان و متخصصان ایرانی ساخته شده‌اند کار می‌کردند ولی برای رسیدن به غنای 5/3 درصد باید تعدادی از آن سانتریفیوژها که در حال حاضر تعداد آنها 164 عدد است به طور سری به هم وصل شده و کار می‌کردند یعنی محصول خروجی یک سانتریفیوژ به ورودی دیگری داده می‌شد. البته قابل ذکر است که در حدود 3 تا 4 سانتریفیوژ را توانسته بودند بدین‌طریق به هم متصل کنند حتی تا 20‌تای آن هم گزارش شده بود ولی هماهنگ ساختن 164 تا با توجه به این که با سرعت بسیار بالا در حال چرخش هستند کار بسیار سخت و موفقیت‌آمیزی است. هماهنگی این 164 دستگاه کار سخت و پیچیده‌ای است و باید تعداد 164 تا باشند تا بتوانیم به درجه غنای 5/3 درصد که مورد نیاز نیروگاه‌های اتمی است برسیم بنابراین مشکل در هماهنگ‌سازی کار این سانتریفیوژها بوده است.

چرخه سوخت هسته‌ای شامل چه مراحلی است؟
این چرخه 4 مرحله را شامل می‌شود 1- استخراج از معدن که معدن اورانیوم ما در ساغند یزد است و از عمق حدود 350 تا 400 متری سطح زمین سنگ معدن اورانیوم بیرون آورده می‌شود و تبدیل به کیک‌زرد می‌گردد 2- تبدیل به کیک زرد و کیک‌زرد به UF6 که این کار در اصفهان صورت می‌گیرد 3- مرحله سوم، مرحله غنی‌سازی است که در نطنز انجام می‌شود و مرحله آخر یا چهارم ساخت میله‌های سوختی است.
در رابطه با مرحله چهارم یا ساخت میله‌های سوختی توضیح دهید و بگویید چگونه انرژی حاصله باعث به حرکت درآمدن توربین‌های نیروگاه‌ها می‌شود؟
وقتی اورانیوم به 5/3 درصد از درجه اغنا رسید به صورت گلوله‌های سرامیکی یا قرص‌هایی درمی‌آید که این قرص‌ها در میله‌هایی از جنس زیرکونیوم قرار داده می‌شود زیرا در هنگام شکافت هسته‌ای اورانیوم نوترون‌هایی آزاد می‌شوند که دارای انرژی بسیار بالایی هستند و باعث افزایش درجه حرارت می‌شوند و بنابراین در هنگام افزایش درجه حرارت باید قرص‌ها دارای حفاظی باشند که میله‌های سوخت کار حفاظ آنها را انجام می‌دهد. غلاف‌ها یا میله‌های سوختی همانطور که گفته شد از جنس زیرکونیوم هستند که معادن آنها در ایران وجود دارند و متخصصان ایرانی این مرحله مشکل یعنی استخراج زیرکونیوم و ساخت غلاف‌ها را نیز با موفقیت به انجام رسانده‌اند. به هر حال تعداد زیادی از این میله ها در سیستم دیگری به هم بسته می‌شوند و در محفظه اصلی قرار می‌گیرند که اطراف آن را آب رادیواکتیو قرار گرفته است. محفظه اصلی از فولادی به ضخامت 30 تا 40 سانتی‌متر ساخته شده است چرا که آب رادیواکتیو پس از شکاف اورانیوم و آزاد شدن انرژی بسیار داغ شده تبدیل به بخاری می‌شود که در این محفظه بسته قرار دارد و حرارت این محفظه سبب بخار شدن آب معمولی می‌شود که در منبعی دیگر موجود است و باعث به حرکت درآمدن توربین می‌شود.

فرق نیروگاه‌های هسته‌ای با بقیه نیروگاه‌ها در چیست؟
مهم‌ترین تفاوت آن سوخت آنها است که در نیروگاه‌های معمولی با استفاده از گاز، مازوت، گازوئیل و... آب بخار می‌شود و در نیروگاه‌های هسته با استفاده از انرژی حاصل از شکافت هسته این عمل صورت می‌گیرد.
انواع نیروگاه‌های اتمی در حال حاضر که از انرژی شکافت هسته‌ای استفاده می‌کنند کدام‌ها هستند؟
نیروگاه‌هایی که با آب سبک یا معمولی و نیروگاه‌هایی که با آب سنگین یا آبی که حاوی ایزوتوپ ئیدروژن دوتریوم است کار می‌کنند. نیروگاه‌هایی که با آب سبک کار می‌کنند و اکثریت نیروگاه‌های اتمی دنیا را شامل می‌شوند نیاز به اورانیوم غنی‌شده دارند ولی نیروگاه‌هایی که با آب سنگین کار می‌کنند نیازی به اورانیوم غنی‌شده ندارند. نیروگاه‌هایی که با آب سنگین کار می‌کنند قدرت کمتری نسبت به نیروگاههای آب سبک دارند. نیروگاه‌های آب سبک از حدود 1000 تا 1500 مگاوات هستند ولی نیروگاه‌های آب سنگین همانند نیروگاه کانادا بیشترین قدرت آنها 500 مگاوات است.

ساخت نیروگاه بوشهر از کی آغاز شد؟
در سال 1974 براساس قراردادی با دولت آلمان قرار شد دو راکتور هسته‌ای 1300 مگاواتی آب سبک در بوشهر ساخته شود بعد از انقلاب با توجه به فشارهای آمریکا علیرغم این که خیلی از هزینه‌های آن پرداخت شده بود و در زمان پیروزی انقلاب راکتور شماره 1 به میزان 85 درصد تکمیل شده بود و کار احداث راکتور شماره 2 نیز به سرعت پیش می‌ رفت آلمان از این کار عقب‌نشینی کرد و با توجه به حمایت‌هایی که از آلمان و شرکت زیمنس شد ایران نتوانست هزینه‌های پرداختی را بازپس گیرد. ایران در ژانویه 1995 میلادی با روسیه قراردادی امضا کرد که براساس آن روسیه می‌بایست یک راکتور هزار مگاواتی را در ازای دریافت مبلغ 800 میلیون دلار در بوشهر احداث کند.
کار ساخت نیروگاه ادامه یافت با کمی تغییرات، محفظه فشاری که آلمانی‌ها طراحی کرده بودند عمودی بود و در حالی که روس‌ها آن را به صورت افقی طراحی کرده‌اند و از سوی دیگر حداکثر توان نیروگاه اتمی ساخت روس‌ها 1000 مگاوات بود به هر حال قرار است تا سال 2007 این نیروگاه تکمیل شود.

گفتگو با دکتر حسین آفریده استاد دانشگاه صنعتی امیرکبیر

چرا بشر به فکر استفاده از انرژی هسته‌ای افتاده است؟
با توجه به این که منابع سوخت فسیلی محدود است و از سوی دیگر آلودگی‌های زیست‌محیطی ایجاد نموده و در مقایسه با انرژی هسته‌ای، انرژی کمی تولید می‌کنند به این دلیل و به خاطر محدودیت منابع، بشر به دنبال آلترناتیوی بود تا جایگزین انرژی‌های فسیلی کند. این آلترناتیو می‌تواند انرژی‌های تجدیدپذیر و یا انرژی هسته‌ای باشد.
انرژی هسته‌ای چگونه به وجود می‌آید راجع به شکافت و گداخت یا همجوشی توضیح دهید؟
انرژی هسته‌ای به دو صورت پدید می‌آید یا از شکافت هسته‌های سنگین (فیسیون) مانند اورانیوم و یا ازهمجوشی، گداخت و به‌اصطلاح فوزیون هسته‌های سبک مانند هیدروژن.
تمام نیروگاه‌های موجود در دنیا که بیش از 400 تا هستند از جمله بوشهر توسط انرژی حاصل از شکافت کار می‌کنند، شکافت هر هسته اتم اورانیوم حدود mev170 (میلیون الکترون ولت) انرژی آزاد می‌کند که بعضی از آنها با آب معمولی یا سبک و برخی در تعداد کم با آب سنگین کار می‌کنند مثل نیروگاه‌های کانادا. در فوزیون یا همجوشی دو هسته سبک هیدروژن به هم می‌پیوندند و یا هسته‌های ایزوتوپ‌های ئیدروژن مانند دوتریوم با تریتیوم با هم ترکیب می‌شوند و هسته‌های سنگین‌تر به وجود می‌آورند و حدود 6/17 میلیون الکترون ولت انرژی آزاد می‌کنند. بنابراین اگر ما به سمت استفاده از انرژی‌های گداخت یا همجوشی برویم پتانسیل استفاده از انرژی برایمان وسیع‌تر می‌شود. راکتورهای گداخت پروژه‌های بزرگی هستند که امروزه یک کشور به تنهایی قادر به انجام آن نیست و چندین کشور به طور مشترک در حال کار بر روی آن هستند. پیش‌بینی می‌شود تاسال 2030 بشر بتواند انرژی گداخت را مانند انرژی شکافت در اختیار خود بگیرد.