در تأسیسات تولید سوخت توجه زیادی به شکل و اندازه مخزن های عملیاتی می شود تا از اتفاقات خطرناک جلوگیری شود. (یک زنجیر محدود واکنش پرتو آزاد می کند). با سوخت غنی شده ضعیف امکان اتفاق افتادن این حوادث بعید به نظر می رسد. اما در تأسیسات هسته ای بررسی سوخت های مخصوص برای تحقیقات راکتورها عملی حیاتی است.
● تولید نیرو
درون یک راکتور هسته ای اتم های اورانیوم ۲۳۵ (u-۲۳۵) شکافته می شوند و در جریان عملیات پردازش انرژی آزاد می کنند. این انرژی اغلب برای حرارت دادن آب و تبدیل کردن آن به بخار استفاده می شود.
بخار توربینی را که به ژنراتور متصل است به حرکت می اندازد و باعث تولید الکتریسیته می شود. مقداری از اورانیوم ۲۳۸ (u-۲۳۸ به شکل سوخت) در هسته و مرکز راکتور به پلوتونیوم تبدیل می شود و این یک سوم انرژی در یک راکتور هسته ای معمولی را حاصل می کند. شکافتن اورانیوم به عنوان منبع حرارت در راکتورها استفاده می شود. همان گونه که سوزاندن زغال سنگ، گاز و یا نفت به عنوان سوخت فسیلی در تأسیسات نیرو استفاده می شود.
● سوخت مصرف شده (خرج شده)
با گذشت زمان، غلظت قطعات و عناصر سنگین شکافته شده مانند پلوتونیوم در مجموعه سوخت افزایش خواهد یافت تا جایی که دیگر هیچ سودی در استفاده دوباره از سوخت نیست. بنابراین پس از گذشت ۱۲ الی ۲۴ ماه سوخت مصرف شده از راکتور خارج می شود. مقدار انرژی که از مجموعه سوختی تولید شده است با نوع راکتور و سیاست و کاردانی گرداننده راکتور تغییر می کند.
معمولا بیش از ۴۵ میلیون کیلو وات ساعت الکتریسیته از یک تن اورانیوم طبیعی تولید می شود. تولید این مقدار انرژی الکتریکی با استفاده از سوخت های فسیلی ملزم به سوزاندن بیش از ۲۰ هزار تن زغال سنگ سیاه و ۳۰ میلیون مترمکعب گاز است.
● انبار کردن سوخت مصرف شده
وقتی یک مجموعه سوختی، از راکتور خارج می شود از خود پرتو ساطع می کند که اساساً بیشتر از شکافتن قطعات و حرارت آن است. سوخت مصرف شده فوراً در استخرهای انبار که در اطراف راکتور برای کاهش میزان پرتوزایی آن است تخلیه می شوند. در استخرها، آب جلوی پرتوزایی را می گیرد و همچنین حرارت را به خود جذب می کند.
سوخت مصرف شده در چنین استخرهایی برای ماه ها و یا سال ها نگه داشته می شوند.
وابسته به سیاست کشورهای مختلف در بعضی از آنها مقداری از سوخت مصرف شده به امکانات و تأسیسات انبار مرکزی انتقال می یابند. سرانجام، سوخت مصرف شده یا باید دوباره پردازش شود و یا برای دفع اتمی آماده شود.
● پردازش دوباره
سوخت مصرف شده چیزی حدود ۹۵ درصد اورانیوم ۲۳۸ است ولی دارای حدود یک درصد اورانیوم ۲۳۵ که شکافته شده نیز نیست، و در حدود یک درصد پلوتونیوم و سه درصد محصولات شکافته شده که در حد زیادی پرتوزا هستند و دیگر عناصر ترانزورانیک (که عدد اتمی بیشتری نسبت به اورانیوم دارد) که در راکتور شکل گرفته اند در دستگاه های دوباره سازی سوخت مصرف شده به سه جزء تشکیل دهنده خود تفکیک می شوند: اورانیوم، پلوتونیوم و پس مانده که شامل محصولات شکافته شده است. دوباره سازی امکان بازسازی مجدد اورانیوم و پلوتونیوم به سوخت تازه را می دهد و بخش عمده ای از پس مانده کاهیده را تولید می کند. (مقایسه با به حساب آوردن کل سوخت مصرف شده به عنوان پس مانده)
● بازسازی مجدد اورانیوم و پلوتونیوم
اورانیوم حاصل از دوباره سازی که معمولا غلظتی کمی بیشتر از اورانیوم ۲۳۵ دارد و در طبیعت رخ می دهد، می تواند اگر نیاز باشد پس از تبدیل کردن و غنی شدن به عنوان سوخت استفاده شود. پلوتونیوم می تواند مستقیماً به MOX (سوخت مخلوط اکسید) تبدیل شود که در آن اورانیوم و پلوتونیوم مخلوط شده اند.
در راکتورهایی که از سوخت MOX استفاده می کنند، پلوتونیوم به جای اورانیوم ۲۳۵ جانشین سوخت اورانیوم اکسید معمولی می شود.
● دفع سوخت مصرف شده
در حال حاضر، هیچ گونه امکاناتی برای دفع سوخت مصرف شده (برخلاف امکانات انبارسازی) وجود ندارد که برای دوباره سازی استفاده می شود و پس مانده های به جا مانده از دوباره سازی می توانند در محلی انباشته شوند. هرچند نتایج فنی و تکنیکی مرتبط با دفع سوخت ثابت کرده اند که هیچ احتیاجی به تأسیس چنین امکاناتی در برابر حجم کم پس مانده ها نیست. انبار کردن با توجه به کاهش در حال رشد پرتوزایی برای مدت طولانی آسان تر است. همچنین مقاومت مغناطیسی در سوخت دفع شده وجود دارد، چون منبع قابل توجهی از انرژی در آن است که می تواند دوباره فرآوری شود و امکان بازیافت دوباره را به اورانیوم و پلوتونیوم بدهد.
تعدادی از کشورها در حال انجام مطالعاتی در زمینه تصمیم گیری بهترین راه برای نزدیک شدن به دفع سوخت مصرف شده و پس مانده های پس از دوباره سازی هستند. روش متداولی که امروزه استفاده می شود قرار دادن سوخت مصرف شده در انبارهای زیرزمینی است:
● پس مانده ها
پس مانده های حاصل از چرخه سوختی هسته ای در رده های: شدید، متوسط و کم دسته بندی می شوند و این تقسیم بندی براساس تشعشعات رادیواکتیوی که از خود ساطع می کنند، است.
این پس مانده ها از منابعی سرچشمه می گیرند که شامل موارد زیر است:
▪ پس مانده های رده پایین (Low-level) که در تمام مراحل چرخه سوختی تولید می شوند.
▪ پس مانده های رده متوسط (Intermediat-level) که در جریان عملکرد راکتور و دوباره سازی تولید می شوند.
▪ پس مانده های رده بالا (High-Level) که شامل محصولات شکافته شده حاصل از دوباره سازی و در بسیاری از کشورها خود سوخت مصرف شده هستند.
فرآیند غنی سازی تولیدات را به سوی تهی کردن اورانیوم هدایت می کند. غلظت اورانیوم ۲۳۵ به طور عمده کمتر از ۷/۰ درصد است که در طبیعت پیدا می شود. تعداد کمی از این مواد که اصولاً اورانیوم ۲۳۸ هستند زمانی استفاده می شوند که چگالی بسیار زیاد نیاز است. مثل استحفاظ پرتوافشانی و گاهی استفاده در تولید سوخت Mox. در حالی که اورانیوم ۲۳۸ قابل شکافتن نیست ماده ای پرتوافشانی کم است و باید درمورد آن احتیاط کرد، از این رو یا آن را انبار و یا دفع می کنند.
● میزان مواد موجود در چرخه سوختی هسته ای
موارد زیر فرضیات مختلفی ایجاد می کنند. (پاورقی شماره ۲ را ملاحظه فرمایید) اما مورد ملاحظه عملکرد راکتور انرژی هسته ای NWE ۱۰۰۰ قرار می گیرند.
۱) ۲۰۰۰۰ تن از یک درصد سنگ معدن اورانیوم استخراج
۲) ۲۳۰ تن از اورانیوم اکسید غلیظ شده (همراه ۱۹۵ تن اورانیوم) آسیاب سازی
۳) ۲۸۸ تن UF۶ (همراه ۱۹۵ تن اورانیوم) تبدیل کردن
۴) ۳۵ تن UF۶ (همراه ۲۴ تن اورانیوم غنی شده) غنی سازی
۵) ۲۷ تن UO۲ (همراه ۲۴ تن اورانیوم غنی شده) ساخت و تولید سوخت
۶) ۷۰۰۰ میلیون کیلووات ساعت (kwh) نیروی الکتریسیته عملکرد راکتور
۷) ۲۷ تن شامل ۲۴۰ کیلوگرم پلوتونیوم، ۲۳ تن اورانیوم(u-۲۳۵ ۸/۰ درصد)، ۷۲۰ کیلوگرم محصولات شکافتی، همچنین ترانزورانیک سوخت مصرف شده
پاورقی
۱) غلیظ کننده های اورانیوم بعضی اوقات در شرایط u۳o۸ قرار می گیرند که حجم آن (مخلوطی از دو اورانیوم اکسیدی که نسبتاً همان چیزی است که در طبیعت یافت می شود.
محصول u۳o۸ خالص شامل حدوداً ۸۵ درصد فلز اورانیوم است.
۲) غلظت اورانیوم ۸۰ درصد است، غنی سازی در ۴ درصد اورانیوم ۲۳۵ به همراه ۳ درصد دنباله آزمایش شده، ۸۰ درصد برای عملکرد راکتور ۷۲ تن اورانیوم بارگزاری می شوند. سوخت گیری سالانه است و هر سال یک سوم سوخت را عوض می کنند.