به گزارش سرویس ترجمه خبرگزاری ایمنا، چرخه کامل انرژی هسته‌ای، معروف به چرخه سوخت هسته‌ای، شامل مجموعه‌ای از فرآیندهای صنعتی است که با استخراج اورانیوم آغاز می‌شود و با دفع یا بازیافت پسماندهای هسته‌ای به پایان می‌رسد. این چرخه به دو فاز اصلی بخش پیشین (فرآوری سوخت) و بخش پسین (مدیریت پسماند) تقسیم می‌شود.
مراحل حیاتی تبدیل اورانیوم به سوخت نیروگاه
اورانیوم در بخش پیشین، از طریق معدن‌کاری استخراج می‌شود و پس از آسیاب شدن به شکل کیک زرد (yellowcake، اکسید اورانیوم) درمی‌آید که محصول میانی در فرآیند تولید سوخت هسته‌ای و شکلی از کنسانتره اورانیوم است که به رنگ زرد روشن یا مایل به سبز دیده می‌شود.
کیک زرد در مرحله تبدیل شیمیایی به گاز هگزافلوراید اورانیوم (UF6) تبدیل می‌شود که قابلیت غنی‌سازی دارد. غنی‌سازی درصد ایزوتوپ شکافت‌پذیر U-235 را از ۰.۷ درصد به ۳ تا ۵ درصد افزایش می‌دهد تا برای استفاده در راکتورهای هسته‌ای مناسب شود. سپس اورانیوم غنی‌شده به میله‌های سوختی (لوله‌هایی حاوی سوخت هسته‌ای) تبدیل می‌شود که در راکتورها مورد استفاده قرار می‌گیرند و در مرحله بهره‌برداری، در قلب راکتور قرار و طی فرآیند شکافت کنترل‌شده، انرژی گرمایی تولید می‌کنند که برای تولید برق استفاده می‌شود.
بخشی از اورانیوم -۲۳۸ موجود در سوخت نیز به پلوتونیوم تبدیل می‌شود که خود در تولید انرژی نقش دارد. پس از حدود سه سال، سوخت مصرف‌شده از راکتور خارج و ابتدا در استخرهای خنک‌کننده موقت نگهداری می‌شود تا از شدت پرتوزایی و حرارت آن کاسته شود. در بخش پسین چرخه، سوخت مصرف‌شده به‌طور مستقیم برای دفع نهایی آماده یا در فرآیندی اختیاری موسوم به بازفرآوری، مواد قابل استفاده همچون اورانیوم و پلوتونیوم از آن بازیافت برای تولید گرما از طریق شکافت هسته‌ای استفاده می‌شوند و به چرخه تولید سوخت بازمی‌گردند. پسماندهای باقی‌مانده در مخازن زیرزمینی عمیق دفن می‌شوند تا ایزولاسیون بلندمدت آن‌ها تضمین شود.
مراحل تولید سوخت هسته‌ای پس از غنی‌سازی
فرآیند تولید سوخت هسته‌ای پس از مرحله غنی‌سازی اورانیوم، با تبدیل اورانیوم هگزافلوراید (UF₆) به پودر دی‌اکسید اورانیوم (UO₂) آغاز می‌شود. این تبدیل از طریق واکنش‌های شیمیایی انجام می‌گیرد که در آن گاز UF₆ ابتدا به حالت جامد درمی‌آید و سپس در محیطی کنترل‌شده به دی‌اکسید اورانیوم تبدیل می‌شود. ماده حاصل به‌دلیل پایداری حرارتی بالا و مقاومت در شرایط سخت راکتور، پایه اصلی ساخت سوخت هسته‌ای محسوب می‌شود.
در مرحله بعد، پودر دی‌اکسید اورانیوم تحت فشارهای بسیار بالا به شکل استوانه‌های کوچک فشرده می‌شود. این قرص‌های سرامیکی که به‌طور معمول قطری حدود یک سانتی‌متر و ارتفاعی نزدیک به ۱.۵ سانتی‌متر دارد، در کوره‌های ویژه با دمایی نزدیک به ۱۷۰۰ درجه سانتی‌گراد پخته می‌شوند. این فرآیند پخت موجب افزایش چگالی و استحکام مکانیکی قرص‌ها می‌شود و آن‌ها را برای تحمل شرایط راکتور آماده می‌کند.
سپس قرص‌های سرامیکی درون لوله‌های بلند از جنس آلیاژهای ویژه زیرکونیوم همچون زیرکالوی ( Zircaloy) قرار می‌گیرند. انتخاب این آلیاژ به‌دلیل ترکیب منحصربه‌فرد آن یعنی مقاومت بالا در برابر خوردگی، رسانایی حرارتی مناسب و جذب حداقلی نوترون‌ها صورت می‌گیرد که برای حفظ کارایی راکتور ضروری است. هر میله سوخت به‌طور معمول بین ۲۰۰ تا ۳۰۰ قرص را در خود جای می‌دهد و طولی معادل ۳ تا ۴ متر دارد. این میله‌ها به‌گونه‌ای طراحی می‌شوند که از نشت مواد رادیواکتیو جلوگیری و هم‌زمان انتقال حرارت بهینه را امکان‌پذیر کنند.
میله‌های سوخت ساخته‌شده در نهایت در قالب‌های مهندسی‌شده ویژه‌ای به نام باندل قرار داده می‌شوند. هر باندل از ردیف‌های منظمی از میله‌ها تشکیل می‌شود که به‌صورت شبکه‌ای ۱۴ در ۱۴ یا ۱۷ در ۱۷ چیدمان شده‌اند. این ساختار نه‌تنها حرکت جریان سیال خنک‌کننده را حول میله‌ها تسهیل، بلکه امکان کنترل دقیق فرآیند شکافت هسته‌ای را نیز فراهم می‌کند. محصول نهایی که در کارخانه‌های تخصصی سوخت‌سازی تولید می‌شود، پس از گذراندن آزمون‌های سختگیرانه کیفیت، به نیروگاه‌های هسته‌ای ارسال و در قلب راکتور برای تولید انرژی به کار گرفته می‌شود.
کشورهای پیشرو در چرخه کامل سوخت هسته‌ای
کشورهایی همچون ایران، روسیه، آمریکا، فرانسه و چین زیرساخت‌های گسترده‌ای را برای پیشبرد چرخه کامل سوخت هسته‌ای ایجاد کرده‌اند که در ادامه با آن‌ها آشنا می‌شویم.
روسیه با دارا بودن معادن اورانیوم، تأسیسات تبدیل و غنی‌سازی، مراکز تولید سوخت، راکتورهای پیشرفته و امکانات بازفرآوری، نزدیک‌ترین کشور به چرخه سوخت کامل محسوب می‌شود. این کشور سالانه حدود ۵۵۰۰ تن اورانیوم طبیعی مصرف می‌کند و برنامه‌های توسعه‌ای برای افزایش تولید معادن خود در مناطق بوریاتیا و کراسنوکامنسک دارد.
فناوری‌های نوآورانه‌ای همچون راکتورهای سریع نوترونی BN-800 که با سوخت MOX (ترکیب اکسید اورانیوم و پلوتونیوم) کار می‌کنند و پروژه پیشگامانه «پروریو» شامل راکتور خنک‌شونده با سرب BREST-OD-300، جایگاه روسیه را در حوزه چرخه سوخت بسته تقویت کرده است. این کشور همچنین با راه‌اندازی تأسیسات یکپارچه ODEK در سیبری شامل راکتور، بازفرآوری سوخت و تولید سوخت جدید در یک سایت، به کاهش حجم و سمی بودن پسماندهای هسته‌ای دست پیدا کرده است. از نظر مدیریت پسماند، روسیه علاوه بر توسعه مخازن زمین‌شناسی عمیق، از طریق تبدیل مواد پرتوزا به ایزوتوپ‌های پایدارتر در راکتورهای سریع، نیاز به ذخیره‌سازی طولانی‌مدت را به‌شدت کاهش داده است.
فرانسه نیز با وجود وابستگی نسبی به واردات اورانیوم، در حوزه بازفرآوری سوخت و تولید مجدد سوخت از پلوتونیوم بازیافتی پیشتاز است. چین به‌سرعت در حال توسعه کل مراحل چرخه سوخت از معدن‌کاری تا بازفرآوری است، اما آمریکا با وجود برخورداری از زیرساخت‌های گسترده، هنوز در زمینه دفن نهایی پسماندهای سطح بالا با چالش‌هایی جدی روبه‌روست. کانادا نیز با تمرکز بر استخراج اورانیوم و توسعه فناوری راکتورهای آب‌سنگین، سهم قابل‌توجهی در زنجیره تأمین جهانی دارد.
بر اساس آخرین آمار سال ۲۰۲۵، روسیه با تولید ۲۲۳.۴ تراوات‌ساعت برق هسته‌ای (۱۹ درصد از کل تولید برق) و برنامه‌های توسعه‌ای برای رساندن سهم انرژی هسته‌ای به ۲۳.۵ درصد تا سال ۲۰۴۲، مدیریت پیشرفته‌ترین چرخه سوخت هسته‌ای جهان را در اختیار دارد. این کشور هم‌زمان با ساخت حدود ۲۰ راکتور هسته‌ای در خارج از مرزهای خود، نقش کلیدی در صادرات فناوری‌های پیشرفته هسته‌ای و خدمات مرتبط با چرخه سوخت ایفا می‌کند.
آشنایی با چرخه سوخت هسته‌ای روسیه
روسیه در سال ۲۰۲۵ به عنوان کشوری با جامع‌ترین و پیشرفته‌ترین چرخه سوخت هسته‌ای شناخته می‌شود که تقریباً همه مراحل از استخراج اورانیوم تا بهره‌برداری از راکتورها، بازیافت سوخت مصرف‌شده و مدیریت پسماندهای رادیواکتیو را پوشش می‌دهد.
این کشور سالانه حدود ۵۵۰۰ تن اورانیوم طبیعی مصرف می‌کند و برنامه‌های گسترده‌ای برای افزایش تولید معادن اورانیوم دارد. دولت این کشور با حمایت‌های مالی، کاهش مالیات‌ها و سرمایه‌گذاری در زیرساخت‌ها، به ویژه در مناطق بوریاتیا و کراسنوکامنک، تلاش می‌کند تا عرضه داخلی اورانیوم را افزایش دهد. روسیه دارای ظرفیت‌های بزرگ تبدیل و غنی‌سازی اورانیوم است که نه‌تنها نیاز داخلی را تأمین می‌کند بلکه اورانیوم غنی‌شده را به بازارهای بین‌المللی نیز صادر می‌کند.
روسیه انواع مختلفی از سوخت‌های هسته‌ای پیشرفته مانند سوخت REMIX و سوخت‌های اکسید مخلوط اورانیوم-پلوتونیوم (MOX) را در داخل کشور تولید می‌کند. راکتور سریع BN-800 در بلویارسک به طور کامل با سوخت MOX کار می‌کند که نشان‌دهنده توانایی روسیه در ساخت و استفاده از سوخت‌های پیشرفته است.
این کشور دارای ناوگان بزرگی از راکتورهای هسته‌ای است که در سال ۲۰۲۲ حدود ۲۲۳.۴ تراوات ساعت برق هسته‌ای تولید کردند که ۱۹ درصد از کل برق کشور را تشکیل می‌دهد. پیش‌بینی می‌شود ظرفیت هسته‌ای این کشور تا سال ۲۰۳۵ به ۳۳.۶ گیگاوات افزایش یابد و سهم انرژی هسته‌ای در تولید برق تا سال ۲۰۴۲ به حدود ۲۳.۵ درصد برسد. همچنین روسیه پیشرو در فناوری راکتورهای سریع نوترونی است و پروژه‌هایی مانند BREST-OD-300 در حال ساخت هستند که بخشی از پروژه «پروریف» برای بسته‌بندی چرخه سوخت هسته‌ای به شمار می‌روند.
روسیه دارای تأسیسات بازیافت سوخت مصرف‌شده است که اورانیوم و پلوتونیوم را برای استفاده مجدد بازیابی می‌کند. تأسیسات آزمایشی ODEK در سوورسک که شامل راکتور سریع خنک‌شونده با سرب، واحد بازیافت سوخت و واحد تولید سوخت است، نمونه عملیاتی چرخه بسته را نشان می‌دهد. همچنین این کشور در حال پیشرفت در فناوری تبدیل ایزوتوپ‌های رادیواکتیو خطرناک (اکتینیدهای جزئی) در راکتورهای سریع است که می‌تواند میزان رادیواکتیویته و زمان ایزولاسیون پسماندهای هسته‌ای را به طور قابل‌توجهی کاهش دهد.
