سوخت هسته ای
سوخت هسته ای به موادی گفته می‌شود که می‌توان از آنها برای تولید انرژی هسته‌ای استفاده کرد. تاکنون رایج ترین سوخت هسته‌ای، مواد شکافت‌پذیر مانند اورانیوم و پلوتونیوم بوده‌اند که از چرخه سوخت هسته‌ای بدست می‌آیند. برخی مواد مانند دوتریوم و تریتیوم و هلیوم۳ که در فرایند همجوشی هسته‌ای بکار می‌روند نیز به عنوان سوخت هسته‌ای در نظر گرفته شده اند.
دستیابی ایران به این نوع فناوری با وجود محاصره شدید اقتصادی غرب و تحریم ها نشانه اراده ملت بزرگ ایران برای رسیدن به قله های پیشرفت علمی است.اینکه ایران هم از چرخه سوخت هسته ای برخوردار باشد و هم اینکه با وجود تبلیغات منفی غرب وصهیونیست ها به تصریح گزارشات بازرس های آژانس انرژی اتمی هیچ نشانه ای از انحراف به سمت مقاصد نظامی در آن دیده نشده باشد ودر عین حال تلاش برای حفظ کلیت این حق و کاستن و رفع تحریم ها، جملگی نشان از اهمیت موضوع و نیاز به وجود اجماع حداکثری داخلی برای پیشبرد این بخش حساس از فناوری هسته ای در کشور دارد.
اکتشاف
ذخایر طبیعی اورانیوم به صورت سنگ معدن از زمین استخراج می شود. با استفاده از روش های زمین شناسی، مناطق مناسب برای استخراج اورانیوم شناسایی و انتخاب می شود. مثلاً از خاک مناطق مختلف که تشعشعات رادیواکتیو دارند، نمونه هایی را به آزمایشگاه می برند و با استفاده از روش های شیمیایی میزان اورانیوم قابل استخراج را بررسی می کنند. با توجه به هزینه های استخراج، اگر غلظت اورانیوم به اندازه ای بود که استخراج آن به صرفه باشد آن نقطه به عنوان معدن اورانیوم شناخته می شود. مهمترین منابع اورانیوم ایران در ساغند یزد است.
کیک زرد
پس از خارج کردن سنگ معدن اورانیوم از معدن سنگ ها را آسیاب می کنند تا به تکه های کوچک با ابعاد تقریباً یکسان تبدیل شود. اورانیوم در این حالت به صورت اکسید است و فرمول شیمیایی آن U3O8 است. این تکه های سنگ معدن اورانیوم را در محلولی از اسید سولفوریک قرار می دهند. اسید، اورانیوم را حل کرده و آن را از زوائدی که در سنگ معدن وجود دارد جدا می کند محلولی که به این روش به دست می آید، تصفیه و خشک می شود و به صورت پودری در می آید که به آن کیک زرد گفته می شود.
غنی سازی
اورانیوم موجود در طبیعت از دو نوع ایزوتوپ ساخته شده (به اتم های یک عنصر که وزن متفاوت دارند ایزوتوپ می گویند. ایزوتوپ ها خواص شیمیایی کاملاً یکسان اما خواص فیزیکی متفاوتی دارند. برای مثال اورانیوم دارای دو ایزوتوپ ۲۳۵ و ۲۳۸ است.) در طبیعت و در روی کره زمین به طور متوسط از ۱۰۰ درصد مقدار اورانیوم، ۷۱/۰ درصد آن اورانیوم ۲۳۵ و ۲۸/۹۹ درصد آن اورانیوم ۲۳۸ است.
اما اورانیوم ۲۳۸ را نمی توان به عنوان سوخت در رآکتور به کار برد زیرا عنصری پایدار است. اما ایزوتوپ اورانیوم ۲۳۵ که ناپایدار است، شکافته می شود و انرژی تولید می کند. به همین دلیل باید میزان غلظت اورانیوم ۲۳۵ را در نمونه بالا برد. به این عملیات غنی سازی می گویند. تاسیساتی که عملیات غنی سازی سوخت اورانیوم را انجام می دهند تاسیسات تغلیظ اورانیوم یا UCF نام دارد که در ایران این تاسیسات در اصفهان مستقرند. برای غنی کردن اورانیوم باید آن را به حالت گازی درآورد. طی چند فرآیند شیمیایی، کیک زرد را به گاز هگزا فلوراید اورانیوم UF6 تبدیل می کنند. دو روش برای غنی سازی اورانیوم وجود دارد:شکافت و سانتریفیوژ.
پخش
در روش پخش (دیفیوژن) گاز UF6 را با فشار از میان تعدادی غشا عبور می دهند. در این بین اورانیوم ۲۳۵ چون سبک تر از اورانیوم ۲۳۸ است سریع تر از غشا عبور می کند به این ترتیب اورانیوم طی مراحل مختلف عبور از غشا غنی می شود. مهمترین عیب این روش این است که بسیار طول می کشد و برق زیادی هم مصرف می کند.
سانتریفوژ
روش بهتر و با صرفه تر سانتریفوژ است. این روش البته سخت تر و پیچیده تر است. محققان کشورمان توانسته اند به فناوری این روش غنی سازی دست یابند. اصول کلی سانتریفوژ بسیار ساده است. گاز UF6 را درون مخازن استوانه ای بزرگی قرار می دهند و با سرعت بالا می چرخانند. در این بین اورانیوم ۲۳۵ باز هم به دلیل سبکی از اورانیوم ۲۳۸ جدا می شود. از آنجایی که جرم این دو ترکیب بسیار به هم نزدیک است و اختلاف آنها کم است این عملیات باید مرتباً و به تعداد زیاد تکرار شود تا سطح مطلوب غنی سازی به دست بیاید.
در سوخت مناسب برای نیروگاه های هسته ای غلظت اورانیوم ۲۳۵ حدود کمتر از پنج درصد است یعنی اورانیوم تا پنج درصد باید غنی شود. اما برای ساخت بمب هسته ای باید اورانیوم تا ۹۰ درصد غنی شود. فرآیند سانتریفوژ نیازمند تجهیزات بسیار گرانقیمت است. اما هزینه انرژی آن از روش قبلی بسیار کمتر است. البته امروزه به صورت محدود روش های دیگری هم برای غنی سازی وجود دارد که مهمترین آن غنی سازی با لیزر است. اما این روش ها به طور محدود و آزمایشگاهی هستند و در مقیاس صنعتی به کار نمی رود. تجهیزات غنی سازی اورانیوم ایران، سانتریفوژهای مستقر در سایت هسته ای نطنز است.
تولید سوخت هسته ای
پس از رسیدن اورانیوم به غلظت مورد نظر (که به صورت گاز UF6 است) آن را به حالت جامد در می آورند. با استفاده از فرآیندهای شیمیایی UF6 را به دی اکسید اورانیوم (UO2) تبدیل می کنند. Uo2 پودری جامد است که آن را فشرده می کنند و به صورت قرص در می آورند. این قرص ها را در دمای بالا حرارت می دهند تا به حالت سرامیکی دربیاید. این قرص ها را دسته کرده و درون یک لوله قرار می دهند. این لوله از آلیاژی مخصوص ساخته شده که در مقابل خوردگی بسیار مقاوم است و رسانایی حرارتی بالایی هم دارد. به این ترتیب سوخت مناسب برای نیروگاه های هسته ای آماده شده است.
در نیروگاه هسته ای هم مثل دیگر فعالیت های بشری، ضایعاتی تولید می‌شود که به دلیل حساسیت مضاعف زباله های رادیواکتیو، مدیریت زمان ضایعات باید تحت قوانین و محدودیت های خاصی صورت بگیرد.
در هر هشت مگاوات ساعت، انرژی الکتریکی تولید شده در نیروگاه هسته ای، ۳۰ گرم زباله‌ی رادیواکتیو به وجود می‌آید. برای تولید همین مقدار برق با استفاده از زغال سنگ پر کیفیت، هشت هزار کیلوگرم دی اکسید کربن تولید می‌شود که در دما و فشار جو، ۳ استخر المپیک را پر می‌کند. می‌بینید حجم زباله های رادیواکتیو بسیار کمتر است، ولی خطر آنها به مراتب بیشتر است و مراقبت از آنها ضروری و دشوار است.
زباله های رادیواکتیو براساس مقدار و نوع ماده رادیواکتیو به ۳ گروه تقسیم می‌شوند
الف- سطح پایین: لباس حفاظتی، لوازم، تجهیزات و فیلترهایی که حاوی مواد رادیواکتیو با عمر کوتاه هستند. این مواد نیازی به پوشش حفاظتی ندارند و معمولاً فشرده شده یا آتش زده می‌شوند و در چاله های کم عمق دفن شده و انبار می‌شوند.
ب- سطح متوسط: رزین ها، پس مانده های شیمیایی، پوشش میله سوخت و مواد نیروگاههای برق هسته ای جزو زباله های سطح متوسط طبقه بندی می‌شوند. این‌ها عمومًا عمر کوتاهی دارند، ولی نیاز به پوشش محافظ دارند. این زباله‌ها را می‌توان درون بتون قرار داد و در مخزن زباله‌ها گذاشت.
ج- سطح بالا: همان سوخت مصرف شده‌ی راکتورها است و نیاز به پوشش حفاظتی و سردسازی دارند. مراحل مدیریت این ضایعات عبارتند از:
انبارداری موقتی
سوخت مصرف شده که از رآکتور خارج می‌شود، بسیار داغ، رادیواکتیو و یونیزه است و تشعشعات فراوانی را ساتع می کند. به همین دلیل این سوخت باید سرد شود و از تابیدن پرتو های رادیواکتیو آن، به محیط جلوگیری شود. در کتار هر رآکتور، استخرهایی برای انبار کردن سوخت مصرف شده وجود دارد. این استخرها، مخزن هایی بتونی مسلح به لایه های فولاد زنگ نزن هستند که ۸ متر عمق دارند و پر از آب هستند. آب نیز به مرور زمان، شدت گرما و تابش رادیواکتیو کاهش می‌یابد، به طوری که پس از چهل سال، به یک هزارم مقدار اولیه ( زمانی که از رآکتور خارج شده بود ) می‌رسد.
بازفرآوری انبارنهایی
۳ درصد سوخت مصرف شده در یک رآکتور آب سبک، ضایعات بسیار خطرناک رادیواکتیو است. این مواد را می‌توان با روش های شیمیایی از یکدیگر جدا کرد و اگر شرایط اقتصادی و قوانین حقوقی اجازه دهد، می‌توان سوخت مصرف شده را برای تهیه‌ی سوخت هسته ای جدید بازیافت کرد.
کارخانه هایی در فرانسه و انگلستان وجود دارند که مرحله بازفرآوری سوخت نیروگاههای کشورهای اروپای و ژاپن را انجام می‌دهند. البته این کار در ایالات متحده ممنوع است.
رایج ترین شیوه‌ی بازفرآوری، purex نام دارد که مخفف عبارت جداسازی اورانیوم و پلوتونیوم است. ابتدا میله های سوختی را از یکدیگر جدا می‌کنند و در اسید نیتریک حل می‌کنند؛ سپس با استفاده از مخلوطی از فسفات تری بوتیل و یک حلال هیدرو کربن، اورانیوم و پلوتونیوم مصرف نشده را جدا می‌کنند و به عنوان سوخت جدید به مراحل تهیه سوخت می‌فرستند.
ضایعات هسته ای سطح بالا را پس از جدا سازی، حرارت می‌دهند تا به پودر تبدیل شود. پس از فرآیندی که آهی کردن خوانده می‌شود، پودر را با شیشه مخلوط می‌کنند تا ضایعات را در محفظه ای محبوس کنند. این فرآیند، شیشه سازی نام دارد. شیشه‌ی مایع برای ذخیره سازی، درون محفظه هایی از جنس فولاد ضد زنگ قرار می‌گیرند و این محفظه‌ها را در منطقه ای پایدار ( از نظر جغرافیایی ) انبار می‌کنند. پس از یک هزار سال، شدت تابش های رادیواکتیو ضایعات هسته ای به مقدار طبیعی کاهش پیدا می‌کند. این نقطه تا به امروز، انتهای چرخه سوخت هسته ای است.