استفاده اصلی از انرژی هسته ای، تولید انرژی الکتریسته است. این راهی ساده و کارآمد برای جوشاندن آب و ایجاد بخار برای راه‌اندازی توربین‌های مولد است. بدون راکتور های موجود در نیروگاه‌های هسته‌ای، این نیروگاه‌ها شبیه دیگر نیروگاه‌ها زغال‌سنگی و سوختی می‌شود. انرژی هسته‌ای بهترین کاربرد برای تولید مقیاس متوسط یا بزرگی از انرژی الکتریکی به‌طور مداوم است. سوخت اینگونه ایستگاه‌ها را اوانیوم تشکیل می‌دهد.
چرخه سوخت هسته‌ای تعدادی عملیات صنعتی است که تولید الکتریسته را با اورانیوم در راکتورهای هسته‌ای ممکن می‌کند.
اورانیوم عنصری نسبتاً معمولی و عادی است که در تمام دنیا یافت می‌شود. این عنصر به‌صورت معدنی در بعضی از کشورها وجود دارد که حتماً باید قبل از مصرف به صورت سوخت در راکتورهای هسته‌ای، فرآوری شود.
الکتریسته با استفاده از گرمای تولید شده در راکتورهای هسته‌ای و با ایجاد بخار برای به‌کار انداختن توربین‌هایی که به مولد متصل‌اند تولید می‌شود.
سوختی که از راکتور خارج شده، بعداز این که به پایان عمر مفید خود رسید می‌تواند به عنوان سوختی جدید استفاده شود.
فعالیت‌های مختلفی که با تولید الکتریسیته از واکنش‌های هسته‌ای همراهند مرتبط به چرخه سوخت هسته‌ای هستند. چرخه سوختی انرژی هسته‌ای با اورانیوم آغاز می‌شود و با انهدام پسماندههای هسته‌ای پایان می‌یابد. دوبار عمل‌آوری سوخت‌های خرج شده به مرحله‌های چرخه سوخت هسته‌ای شکلی صحیح می‌دهد.
اورانیوم
اورانیوم فلزی رادیواکتیو و پرتوزاست که در سراسر پوسته سخت زمین موجود است. این فلز حدوداً 500 بار از طلا فراوان‌تر و به اندازه قوطی حلبی معمولی و عادی است. اورانیوم اکنون به اندازه‌ای در صخره‌ها و خاک و زمین وجود دارد که در آب رودخانه‌ها، دریاها و اقیانوس‌ها موجود است. برای مثال این فلز با غلظتی در حدود 4 قسمت در هر میلیون (ppm4) در گرانیت وجود دارد که 60 درصد از کره زمین را شامل می‌شود، در کودها با غلظتی بالغ بر ppm400 و در ته‌مانده زغال‌سنگ با غلظتی بیش از ppm100 موجود است. اکثر رادیو اکتیویته مربوط به اورانیوم در طبیعت در حقیقت ناشی از معدن‌های دیگری است که با عملیات رادیواکتیو به وجود آمده‌اند و در هنگام استخراج از معدن و آسیاب کردن به جا مانده‌اند.
چند منطقه در سراسر دنیا وجود دارد که غلظت اورانیوم موجود در آنها به قدر کافی است که استخراج آن برای استفاده از نظر اقتصادی به صرفه و امکان‌پذیر است. این نوع مواد غلیظ، سنگ معدن یا کانه نامیده می‌شوند.
- چرخه سوخت هسته‌ای (شکل هندسی)
استخراج اورانیومهر دو نوع حفاری و تکنیک‌های موقعیتی برای کشف کردن اورانیوم به کار می‌روند، حفاری ممکن است به صورت زیرزمینی یا چال‌های باز و روی زمین انجام شود.
در کل، حفاری‌های روزمینی در جاهایی استفاده می‌شود که ذخیره معدنی نزدیک به سطح زمین و حفاری‌های زیرزمینی برای ذخیره‌های معدنی عمیق‌تر به کار می‌رود. به‌طور نمونه برای حفاری روزمینی بیشتر از 120 متر عمق، نیاز به گودال‌های بزرگی بر سطح زمین است؛ اندازه گودال‌ها باید بزرگتر از اندازه ذخیره معدنی باشد تا زمانی که دیواره‌های گودال محکم شوند تا مانع ریزش آنها شود. در نتیجه، تعداد موادی که باید به بیرون از معدن انتقال داده شود تا به کانه دسترسی پیدا کند زیاد است.
حفاری‌های زیرزمینی دارای خرابی و اخلال‌های کمتری در سطح زمین هستند و تعداد موادی که باید برای دسترسی به سنگ معدن یا کانه به بیرون از معدن انتقال داده شوند به‌طور قابل ملاحظه‌ای کمتر از حفاری نوع روزمینی است.
مقدار زیادی از اورانیوم جهانی از (ISL) (In Sitaleding) می‌آید. جایی که آب‌های اکسیژنه زیرزمینی در معدن‌های کانه‌ای پرمنفذ به گردش می‌افتند تا اورانیوم موجود در معدن را در خود حل کنند و آن را به سطح زمین آورند. (ISL) شاید با اسید رقیق یا با محلول‌های قلیایی همراه باشد تا اورانیوم را محلول نگهدارد، سپس اورانیوم در کارخانه‌های آسیاب‌سازی اورانیوم، از محلول خود جدا می‌شود.
در نتیجه انتخاب روش حفاری برای ته‌نشین کردن اورانیوم بستگی به جنس دیواره معدن کانه سنگ، امنیت و ملاحظات اقتصادی دارد.
در غالب معدن‌های زیرزمینی اورانیوم، پیشگیری‌های مخصوصی که شامل افزایش تهویه هوا می‌شود، لازم است تا از پرتوافشانی جلوگیری شود.
آسیاب کردن اورانیوم
محل آسیاب کردن معمولاً به معدن استخراج اورانیوم نزدیک است. بیشتر امکانات استخراجی شامل یک آسیاب می‌شود. هرچه جایی که معدن‌ها قرار دارند به هم نزدیک‌تر باشند یک آسیاب می‌تواند عمل آسیاب‌سازی چند معدن را انجام دهد. عمل آسیاب‌سازی اکسید اورانیوم غلیظی تولید می‌کند که از آسیاب حمل می‌شود. گاهی اوقات به این اکسیدها کیک زرد می‌گویند که شامل 80 درصد اورانیوم می‌باشد. سنگ معدن اصل شاید دارای چیزی در حدود 1/0 درصد اورانیوم باشد.
در یک آسیاب، اورانیوم با عمل سنگ‌شویی از سنگ‌های معدنی خرد شده جدا می‌شود که یا با اسید قوی و یا با محلول قلیایی قوی حل می‌شود و به صورت محلول در می‌آید. سپس اورانیوم با ته‌نشین کردن از محلول جدا می‌شود و بعداز خشک کردن و معمولاً حرارت دادن به صورت اشباع شده و غلیظ در استوانه‌های 200 لیتری بسته‌بندی می‌شود.
باقیمانده سنگ معدن که بیشتر شامل مواد پرتوزا و سنگ معدن می‌شود در محلی معین به دور از محیط معدن در امکانات مهندسی نگهداری می‌شود. (معمولاً در گودال‌هایی روی زمین(.
پسماندههای دارای مواد رادیواکتیو عمری طولانی دارند و غلظت آنها کم خاصیتی سمی دارند. هرچند مقدار کلی عناصر پرتوزا کمتر از سنگ معدن اصلی است و نیمه عمر آنها کوتاه خواهد بود اما این مواد باید از محیط زیست دور بمانند.
تبدیل و تغییر
محلول آسیاب شده اورانیوم مستقیماً قابل استفاده به‌عنوان سوخت در راکتورهای هسته‌ای نیست. پردازش اضافی به غنی‌سازی اورانیوم مربوط است که برای تمام راکتورها لازم است.
این عمل اورانیوم را به نوع گازی تبدیل می‌کند و راه به‌دست آوردن آن تبدیل کردن به هگزا فلورید (Hexa Fluoride) است که در دمای نسبتاً پایین گاز است.
در وسیله‌ای تبدیل‌گر، اورانیوم به اورانیوم دی‌اکسید تبدیل می‌شود که در راکتورهایی که نیاز به اورانیوم غنی شده ندارند استفاده می‌شود.
بیشتر آنها بعداز آن که به هگزافلورید تبدیل شدند برای غنی‌سازی در کارخانه آماده هستند و در کانتینرهایی که از جنس فلز مقاوم و محکم است حمل می‌شوند. خطر اصلی این طبقه از چرخه سوختی اثر هیدروژن فلورید (Hydrogen Fluoride) است.
ساختار نیروگاه های اتمی جهان و نیز شرح مختصری درباره طرز غنی سازی اورانیوم
مطالبی در مورد ساختار نیروگاه های اتمی جهان و نیز شرح مختصری درباره طرز غنی سازی اورانیوم و یا سنتز عنصر پلوتونیوم:
برحسب نظریه اتمی عنصر عبارت است از یک جسم خالص ساده که با روش های شیمیایی نمی توان آن را تفکیک کرد. از ترکیب عناصر با یکدیگر اجسام مرکب به وجود می آیند. تعداد عناصر شناخته شده در طبیعت حدود ۹۲ عنصر است.
هیدروژن اولین و ساده ترین عنصر و پس از آن هلیم، کربن، ازت، اکسیژن و... فلزات روی، مس، آهن، نیکل و... و بالاخره آخرین عنصر طبیعی به شماره ۹۲، عنصر اورانیوم است. بشر توانسته است به طور مصنوعی و به کمک واکنش های هسته ای در راکتورهای اتمی و یا به کمک شتاب دهنده های قوی بیش از ۲۰ عنصر دیگر بسازد که تمام آن ها ناپایدارند و عمر کوتاه دارند و به سرعت با انتشار پرتوهایی تخریب می شوند. اتم های یک عنصر از اجتماع ذرات بنیادی به نام پرتون، نوترون و الکترون تشکیل یافته اند. پروتون بار مثبت و الکترون بار منفی و نوترون فاقد بار است.
تعداد پروتون ها نام و محل قرار گرفتن عنصر را در جدول تناوبی (جدول مندلیف) مشخص می کند. اتم هیدروژن یک پروتون دارد و در خانه شماره ۱ جدول و اتم هلیم در خانه شماره ۲، اتم سدیم در خانه شماره ۱۱ و... و اتم اورانیوم در خانه شماره ۹۲ قرار دارد. یعنی دارای ۹۲ پروتون است.
ایزوتوپ های اورانیوم
تعداد نوترون ها در اتم های مختلف یک عنصر همواره یکسان نیست که برای مشخص کردن آنها از کلمه ایزوتوپ استفاده می شود.
بنابراین اتم های مختلف یک عنصر را ایزوتوپ می گویند. مثلاً عنصر هیدروژن سه ایزوتوپ دارد: هیدروژن معمولی که فقط یک پروتون دارد و فاقد نوترون است. هیدروژن سنگین یک پروتون و یک نوترون دارد که به آن دوتریم گویند و نهایتاً تریتیم که از دو نوترون و یک پروتون تشکیل شده و ناپایدار است و طی زمان تجزیه می شود.
ایزوتوپ سنگین هیدروژن یعنی دوتریم در نیروگاه های اتمی کاربرد دارد و از الکترولیز آب به دست می آید. در جنگ دوم جهانی آلمانی ها برای ساختن نیروگاه اتمی و تهیه بمب اتمی در سوئد و نروژ مقادیر بسیار زیادی آب سنگین تهیه کرده بودند که انگلیسی ها متوجه منظور آلمانی ها شده و مخازن و دستگاه های الکترولیز آنها را نابود کردند.
غالب عناصر ایزوتوپ دارند از آن جمله عنصر اورانیوم، چهار ایزوتوپ دارد که فقط دو ایزوتوپ آن به علت داشتن نیمه عمر نسبتاً بالا در طبیعت و در سنگ معدن یافت می شوند. این دو ایزوتوپ عبارتند از اورانیوم ۲۳۵ و اورانیوم ۲۳۸ که در هر دو ۹۲ پروتون وجود دارد ولی اولی ۱۴۳ و دومی ۱۴۶ نوترون دارد. اختلاف این دو فقط وجود ۳ نوترون اضافی در ایزوتوپ سنگین است ولی از نظر خواص شیمیایی این دو ایزوتوپ کاملاً یکسان هستند و برای جداسازی آنها از یکدیگر حتماً باید از خواص فیزیکی آنها یعنی اختلاف جرم ایزوتوپ ها استفاده کرد. ایزوتوپ اورانیوم ۲۳۵ شکست پذیر است و در نیروگاه های اتمی از این خاصیت استفاده می شود و حرارت ایجاد شده در اثر این شکست را تبدیل به انرژی الکتریکی می نمایند. در واقع ورود یک نوترون به درون هسته این اتم سبب شکست آن شده و به ازای هر اتم شکسته شده ۲۰۰ میلیون الکترون ولت انرژی و دو تکه شکست و تعدادی نوترون حاصل می شود که می توانند اتم های دیگر را بشکنند. بنابراین در برخی از نیروگاه ها ترجیح می دهند تا حدی این ایزوتوپ را در مخلوط طبیعی دو ایزوتوپ غنی کنند و بدین ترتیب مسئله غنی سازی اورانیوم مطرح می شود.
ساختار نیروگاه اتمی
به طور خلاصه چگونگی کارکرد نیروگاه های اتمی را بیان کرده و ساختمان درونی آنها را مورد بررسی قرار می دهیم.