تحقیق بررسی سوخت هسته اي و فرآيند آن

دسته بندي : فنی و مهندسی » صنایع
تحقيق بررسي سوخت هسته اي و فرآيند آن در 56 صفحه ورد قابل ويرايش


پسماندهاي هسته‌اي

]علي رغم سابقه به وضوح ايمن در طول نيم قرن گذشته، امروزه يكي از بحث برانگيزترين جنبه هاي چرخه سوخت هسته اي مسئله مديريت و دفع پسماندهاي پرتوز است[.

P1 مشكل ترين مسئله، پسماندهاي سطح بالا هستند، و دو سياست مختلف براي مديريت آنها وجود دارد:

· بازفرآوري سوخت مصرف شده براي جدا كردن آنها (كه با شيشه اي كردن و دفع كردن آنها ادامه مي يابد) يا

· دفع مستقيم سوخت مصرف شده داراي پرتوزايي سطح بالا به صورت پسماند.

]پسماندهاي هسته اي اصلي در سوخت راكتور سفالي محفوظ باقي مي مانند[.

P2 همانطور كه در فصل‌هاي 3و4 به طور خلاصه گفته شد، “سوزاندن” سوخت در قلب راكتور محصولات شكافتي توليد مي كند به مانند ايزوتوپ هاي مختلف باريم، استرونسيم، نريم، يد، كريپتون و گرنون (Ba، Sr، Cs، I، Kr، Xe). بيشترين ايزوتوپ‌هاي شكل گرفته به صورت محصولات شكافت در سوخت به شدت پرتوزا هستند و متعاقباً عمرشان كوتاه است.

P3 علاوه بر اين اتم هاي كوچكتر به وجود آمده از شكافت سوخت، ايزوتوپ‌هاي ترااورانومي مختلفي هم با جذب نوترون تشكيل مي شوند. از جمله اينها پلوتونيوم- 239، پلوتونيوم- 240 و پلوتونيوم- 241[1]، به علاوه محصولات ديگري هستند كه از جذب نوترون توسط u-2381 در قلب راكتور و سپس تلاشي بتا به عمل مي آيند. همه اينها پرتوزا هستند و به غير از پلوتونيوم شكافت پذير كه “مي‌سوزد”، در سوخت مصرف شده اي كه از راكتور برداشته مي شود باقي مي مانند. ايزوتوپ هاي ترا اورانيوم و ديگر اكتنيدها[2] بيشترين قسمت از پسماندهاي سطح بالاي با طول عمر زياد را شكل مي دهند.

P4 در حالي كه چرخه سوخت هسته اي صلح آميز، پسماندهاي مختلفي توليد مي‌كند، اين پسماندها “آلودگي” به شمار نمي آيند، زيرا در عمل همه آنها نگهداري و مديريت مي شوند، در غير اين صورت است كه خطرناك خواهند بود. در حقيقت توان هسته اي تنها صنعت توليد انرژي است كه مسئوليت كامل همه پسماندهايش را برعهده گرفته و هزينه آن را به طور كامل بر قيمت توليداتش اضافه مي كند. وانگهي هم اكنون مهارت هاي به دست آمده در مديريت پسماندهاي غير نظامي در حال شروع به اعمال شدن به پسماندهاي نظامي است كه يك مشكل محيط زيستي جدي در چند نقطه جهان ايجاد كرده است.

]پسماندهاي پرتوزا مواد گوناگوني را شامل مي شوند كه از جهت محافظت مردم و محيط زيست اقدامات متفاوتي را طلب مي كنند. مديريت و دفع آنها از نظر فن آوري سر راست است[.

P5 اين پسماندها براساس مقدار و نوع پرتوزايي موجود در آنها معمولاً به سه دسته تحت عنوان هاي پسماندهاي سطح پايين سطح متوسط و سطح بالا دسته بندي مي‌شوند.

P6 عامل ديگر در مديريت پسماندها مدت زماني است كه آنها ممكن است خطرناك باقي بمانند. اين زمان به نوع ايزوتوپ هاي پرتوزاي موجود در آنها و به خصوص مشخصه نيمه عمر هر يك از اين ايزوتوپ ها بستگي دارد. نيمه عمر مدت زماني است كه طي مي شود تا يك ايزوتوپ پرتوزا نيمي از پرتوزائيش را از دست بدهد. پس از چهار نيمه عمر سطح پرتوزايي به مقدار اوليه آن و پس از هشت نيمه عمر به آن مي رسد.

P7 ايزوتوپ هاي پرتوزاي مختلف نيمه عمرهايي دارند كه از كسري از ثانيه تا دقيقه‌ها، ساعات يا روزها، حتي تا ميليون ها سال گسترده شده اند. پرتوزايي با گذشت زمان، همانطور كه اين ايزوتوپ ها به ايزوتوپ هاي پايدار غير پرتوزا تلاش مي كنند كم مي شود.

P8 آهنگ تلاشي يك ايزوتوپ با عكس نيمه عمرش متناسب است. يك نيمه عمر كوتاه به معناي تلاشي سريع است. بنابراين، براي هر نوع پرتوزايي، شدت پرتوزايي بالاتر در يك مقدار ماده داده شده مستلزم كوتاه‌تر بودن نيمه عمر است.

P9 سه اصل كلي براي مديريت پسماندهاي پرتوزا بكار گرفته مي شود:

· تغليظ و نگهداري concentrate-and-cantain

· تضعيف و پراكنش dilute- and disparoe

· تأخير و تلاش delay-and-decay

P10 دو تاي اول در مورد مديريت پسماندهاي غير پرتوزا هم به كار مي روند. پسماندها يا تغليظ شده و سپس متروي مي شوند، يا (براي مقادير خيلي كم) تا سطح قابل قبولي تضعيف شده و سپس به محيط زيست باز گردانده مي شوند. با اين وجود تأخير و تلاشي منحصر به مديريت پسماندهاي پرتوزاست و به اين معني است كه پسماند ذخيره و اجازه داده مي شود كه پرتوزايي آن از طريق تلاشي طبيعي ايزوتوپ‌هاي موجود در آن كم شود.

]در چرخه سوخت هسته اي غيرنظامي توجگه اصلي بر پسماندهاي سطح بالاست كه حاوي محصولات شكافت و عناصر ترا اورانيومي تشكيل شده در قلب راكتور هستند[.


P11 پسماند سطح بالا: ممكن است خود سوخت مصرف شده يا پسماند اصلي حاصل از باز پردازش آن باشد. در هر دو حال اين حجم متوسطي دارد- در حدود 30-25 تن سوخت مصرف شده يا سه مترمكعب پسماند شيشه اي شده در سال براي يك نمونه راكتور هسته اي بزرگ (1000 MWC، نوع آب سبك). اين حجم مي تواند به صورت موثر و اقتصادي ايزوله شود. سطح پرتوزايي آن به سرعت كم مي شود. به عنوان نمونه، يك مجموعه سوخت راكتور آب سبك تازه تخليه شده آن قدر پرتوزايي دارد كه چند صد كيلو وات گرما مي پراكند، اما پس از يك سال اين مقدار به 5kw و پس از پنج سال به يك كيلووات مي رسد. ظرف مدت 40 سال پرتوزايي آن به حدود يك هزارم مقدار آن هنگام تخليه مي رسد.

P12 اگر سوخت مصرف شده بازفرآوري شود، %3 آن كه به صورت پسماند سطح بالا ظاهر مي شود، عمدتاً مايع است و حاوي “خاكستر” اورانيوم سوخته شده است. اين پسماند كه شامل محصولات شكافت به شدت پرتوزا و چند عنصر سنگين با پرتوزايي دراز مدت است، مقدار قابل توجهي گرما توليد مي كند و بايد خنك شود. اين به صورت شيشه بورو سيليكات[3] (شبيه به پيركتن) و به منظور پوشينه‌داري، ذخيره سازي ميان مدت، و دفع نهايي در اعماق زمين شيشه اي مي شود. اين سياستي است كه توسط بريتانيا، فرانسه، آلمان، ژاپن، چين و هند اتخاذ مي شود. (بخش هاي 5-2 و 5-3 را ببينيد)

P13 از طرف ديگر، اگر سوخت مصرف شده راكتور باز پردازش نشود، همه ايزوتوپ هاي با پرتوزايي بالا و اكتنيدهاي دراز عمر در آن باقي مي‌مانند، و در اين صورت همه مجموعه هاي سوخت به شكل پسماند سطح بالا رفتار مي كنند. گزينه دفع مستقيم توسط امريكا، كانادا و سوئد دنبال مي شود، بخش 5-4 را بينيد.

P14 تعدادي از كشورها انتخابي بين بازپردازي و دفع مستقيم را گردن نهاده اند.

P15 پسماندهاي سطح بالا تنها %3 حجم كل پسماندهاي پرتوزاي جهان را تشكيل مي‌دهند، اما 95% كل پرتوزايي از آنهاست.

P16 علاوه بر پسماندهاي سطح بالاي حاصل از توليد توان هسته‌اي، هرگونه استفاده از مواد پرتوزا در بيمارستان ها، آزمايشگاه ها و صنايع آنچه را كه (پسماندهاي سطح- پايين) ناميده مي شود، توليد مي كند. رسيدگي كردن اينها خطرناك نيست اما بايد با دقتي بيش از زباله‌هاي معمولي دفع شوند. پسماندهاي هسته اي از بيمارستان‌ها. دانشگاهها و صنايع به علاوه صنايع توان هسته اي مي آيند، آنها مي توانند خاكستر شوند و معمولاً دست آخر در محل هاي دفن زباله كم عمقي چال مي شوند. نشان داده شده است كه اين روش موثري براي مديريت پسماند اين چنين مواد نسبتاً بي‌خطري است به شرطي كه همه مواد بسيار سمي ابتدا جدا شده و جزء پسماندهاي سطح بالا قرار گيرد.

كشورهاي زيادي داراي مخازن پاياني فعال براي پسماندهاي سطح پايين هستند. پسماندهاي سطح پايين تقريباً همان پرتوزايي را دارند كه سنگ معدن لورانيوم مرتبه پايين دارد و هم آنها بالغ بر بيش از پنجاه برابر پسماندهاي سطح بالاي سالانه است. در كل جهان اين پسماندها 90% كل حجم را تشكيل مي دهند اما فقط 1% پرتوزايي كل همه پسماندهاي پرتوزا را دارند.

]پسماندهاي سطح متوسط[ بيشتر از صنايع هسته اي مي آيند. آنها پرتوزاتر هستند و بايد پيش از رسيدگي و دفع در برابر مردم حفاظ گذاري نشوند و شامل درين‌ها، رسوب‌هاي شيميايي و اجزاي راكتور به علاوه مواد آلوده مربوط به از رده خارج كردن راكتورها مي شوند. اين پسماندها براي دفع بيشتر در بتون قرار داده مي شوند. معمولاً پسماند كوتاه عمر (بيشتر از راكتورها) دفن مي شود، اما پسماند دراز عمر (از سوخت هسته اي بازفرآوري شده) در اعماق زير زمين دفع مي شوند. پسماندهاي سطح مياني 7% حجم پسماندهاي پرتوزاي و 4% پرتوزايي جهان را تشكيل مي دهند.
5-6- راكتورهاي از كار انداخته شده

]تا كنون بيش از 300 راكتور هسته اي از كار انداخته شده است كه شامل تقريباً 100 راكتور توان تجاري بيش از 250 راكتور تحقيقاتي و تعدادي تجهيزات چرخه سوخت مي باشد[.

P1 چون تنها در سال هاي اخير است كه چند راكتور بزرگ تر بسته شده است. فقط راكتورهاي كوچك و متوسط (حداكثر Mwe330) تا اين مرحله با استفاده از تجهيزات كنترل از راه دور از كار انداخته شده اند. قطعات جدا شده همراه با ديگر پسماندهاي سطح متوسط دفع مي شوند[4].

P2 آژانس بين‌المللي انرژي اتمي براي نابودسازي، پس از برداشتن سوخت، سه گزينه تعيين كرده است. اين تعاريف در سطح بين‌المللي پذيرفته شده است:

· ]پياده كردن بي فاصله[ (يا Early Sute Releae/Decon در امريكا): اين گزينه وسايلي در نظر گرفته مي شود كه طي زمان نسبتاً كوتاهي پس از خاموش شدن يا ختم فعاليت هاي منظم از كنترل نظارتي خارج مي شوند. معمولاً پياده سازي يا فعاليت‌هاي آلايش زدايي نهايي در طي چند ماه يا چند سال بسته به دستگاه آغاز مي‌شود. در ادامه برداشتن كنترل نظارتي، استفاده مجدد از پايگاه امكان پذير مي‌شود.

· حصار ايمن (يا Safestor): اين گزينه حذفنهايي كنترل ها را براي يك دوره طولاني تر، معمولاً 40 تا 60 سال به تعويق مي اندازد. اين وسيله در يك وضعيت ذخيره سازي ايمن قرار مي گيرد تا اينكه پياده سازي نهايي و فعاليت هاي آلايش زدايي انجام شود.

· ]دفن[ اين گزينه قرار گرفتن وسيله در شرايطي را در پي دارد كه باقي ماندن مواد پرتوزا را در محل بدون نياز به حتي برداشتن آن به طور كامل مجاز خواهد كرد. اين گزينه معمولاً كاهش ابعاد سطحي را كه مواد پرتوزا در آن قرار گرفته اند و سپس احاطه شدن آنها را در يك ساختار بادوام مانند بتون را به همراه دارد تا پرتوزايي باقي مانده در نهايت موجب نگراني نباشد.

P3 هر گزينه مزايا و معايبي دارد و سياست ملي است كه به شكل شايسته اي تعيين مي كند كه كدام روش انتخاب شود. در حالت پياده كردن بي فاصله و رها كردن زود هنگام پايگاه مسئوليت نابود سازي به نسل هاي آينده منتقل نمي شود. تجربه و مهارت هاي كادر شاغل هم مي تواند در طول برنامه نابودسازي بكار گرفته شود. گزينه ديگر يعني حصار ايمن يا انباشت ايمن كاهش قابل توجه در پرتوزايي مانده و بنابراين كاهش خطر پرتوگيري در طول پياده سازي نهايي را ممكن مي كند. پيشرفت مورد انتظار در فنون مكانيكي هم بايد به كاهش خطرات و هزينه ها منجر شود.

P4 براي راكتورهاي هسته‌اي، حدود99% پرتوزايي با سوختي كه پيش‌از جهت‌گيري به سمت هر يك از اين گزينه ها برداشته مي شود همراه است. جداي از هر آلايش زدايي سطحي از نيروگاه، پرتوزايي باقي مانده از “محصولات فعال سازي” مانند اجزاي فولاديي كه براي مدتي طولاني در معرض تابش فوترون بوده اند، مي آيد. اتم‌هاي اين اجزا به ايزوتوپ هاي مختلفي مانند آهن 55، كبالت 60، نيكل 63، و كربن 14 تبديل مي شوند. دوتاي اول به شدت پرتوزا بوده و اشعه گاما منتشر مي كنند. با وجود اين نيمه عمرشان به صورتي است كه پس از تعطيلي راكتور پرتوزايي شان بسيار كم شده و احتمال خطر براي كارگران به شدت كاسته مي شود. روي هم رفته، 100 سال پس از خاموش شدن، سطح پرتوزايي با ضريب 100000 پايين مي افتد.
مثال ها
اثرات ژنتيكي

P1 در حدود شصت سال پيش كشف شد كه پرتوهاي يونيزه كننده اي مانند آنچه كه همواره قسمتي از محيط زيست ما را تشكيل مي دهد مي توانند موجب جهش ژنتيكي در پشه هاي ميوه شوند. پس از آن زمان مطالعات فراوان نشان داد كه تابش مي‌تواند به شكل مشابه موجب جهش هايي در گياهان و حيوانات آزمايشگاهي شود. با وجود اين شواهد صدمات ژنتيكي تابش بر انسان حتي در اثر دزهاي زياد دريافت شده توسط بازماندگان لمپ اتلي در ژاپن ]چنين پي آمدهايي را نشان نمي دهد[.

P2 در سلول يك گياه يا جانور ماده (DNA)يي كه اطلاعات ژنتيكي لازم براي رشد، بقا و تقسيم سلول لازم است را حمل مي كند هدف بحراني براي تابش است. بيشتر صدمات وارده بر DNA قابل ترميم است، اما در كسر كوچكي از سلول ها، DNA به صورت هميشگي تغيير مي كند. اين ضايعه ممكن است منجر به مرگ سلول يا گسترش يك سرطان، يا در مورد سلول هاي شكل دهنده بافت gonad دگرگوني‌هايي كه به صورت تغييرات ژنتيكي در نسل هاي بعدي ادامه مي يابد شود. بيشتر اين تغييرات جهشي زيان بار هستند، و انتظار بسيار اندكي مي توانيم براي بهبود آنها داشته باشيم.

P3 سطوح تابش مجاز براي جامعه و براي شاغلين در صنايع هسته اي به صورتي هستند كه هر افزايشي در پي آمدهاي ژنتيكي ناشي از توان هسته اي نامحسوس بوده و تقريباً به يقين موجود نيست. سطوح پرتوگيري تابشي به صورتي تعيين مي شود كه از صدمه به بافت ها جلوگيري كرده و احتمال ابتلا به سرطان را به حداقل برساند. شواهد تجربي نشان مي دهد كه اينها محتمل تر از صدمات ژنتيكي هستند تعداد 75000 بچه متولد شده از والديني كه از بازماندگان دزهاي تابشي بالا در هيروشيما و ناكازاكي در 1945 بودند با آزمايشهاي فراواني آزموده شده اند. اين مطالعه بر عدم افزايش ناهنجاري هاي ژنتيكي اين جامعه انساني كه احتمالاً ناشي از دزهاي حتي اين چنين زيادي از تابش باشد تاكيد مي كند.

P4 حيات روي كره زمين هنگامي آغاز و گسترده شده كه اين زيستگاه احتمالاً در معرض پرتوزايي چندين برابر بيش از آن چيزي كه هم اكنون هست بوده است، بنابراين تابش يك پديده جديد نيست. اگر ما مطمئن شويم كه هيچ افزايش شديدي در پرتوگيري كلي مردم وجود ندارد، بسيار بعيد است كه صدمات ژنتيكي ناشي از تابش هرگز اهميتي پيدا كند.