چرخه سوخت هسته ای

1- استخراج سنگ معدن اورانیوم ، جداسازی و تخلیص: در این مرحله ، ترکیب U3O9 از سنگ معدن اورانیوم جداسازی می شود. این ترکیب زردرنگ ، پس از تولید حالتی شبیه به کیک دارد؛ به همین دلیل کیک زرد نامیده می شود. این مراحل معمولا در معدن انجام می شود؛ در ایران این مرحله در تاسیسات یوسی اف (UCF) اصفهان انجام می شود.
2- تبدیل کیک زرد به اورانیوم غنی شده: در مرحله غنی سازی پس از انجام مراحل شیمیایی ، کیک زرد تبدیل به گاز هگزافلوراید اورانیوم (UF6) می شود. این ماده در دمای 30 درجه سانتی گراد مایع است ، ولی در دمای 40 درجه تبدیل به بخار شده و برای غنی سازی آماده می شود. همانطور که گفته شد اورانیوم در طبیعت دارای سه ایزوتوپ است که فقط یکی از آنها قابل استفاده در نیروگاه هسته ای است. در واقع غنی سازی عبارت است از بالابردن غلظت ایزوتوپ اورانیوم 235 در اورانیوم طبیعی.
برای غنی سازی اورانیوم 3 روش وجود دارد: روش دیفیوژن یا پخش گازی ، روش سانتریفیوژ، روش میدان مغناطیسی.
بین روشهای ذکر شده روش استفاده از سانتریفیوژ، مقرون به صرفه تر و بهتر است. در این روش ، هگزا فلوراید اورانیوم پس از عبور از حدود 160 سانتریفیوژ به غنای 4 درصد که برای سوخت نیروگاه هسته ای مورد نیاز است ، می رسد. این مرحله در تاسیسات غنی سازی نطنز انجام می شود.
3- تبدیل UF6 به به اکسید اورانیوم: پس از این که گاز هگزافلورید اورانیوم به غنای مورد نیاز رسید؛ در مراحلی تبدیل به دی اکسید اورانیوم (Uo2) می شود.این ماده جامد است و حالت سرامیکی دارد. در این مرحله ، این ماده به صورت حبه های سوخت در می آید. از آنجایی که سوخت نیروگاه حتما باید به شکل میله درآید تا بتوان برای تولید انرژی در راکتور قرار داده شود؛ حبه های سوخت روی میله هایی تعبیه می شوند که میله های سوخت نامیده می شوند.
4- انتقال میله های سوخت به نیروگاه: مواد رادیواکتیو موادی خطرناک هستند و باید در تمام مراحل چرخه سوخت مسائل ایمنی مدنظر قرار گیرد. یکی از این مراحل بسیار حساسی که می تواند خطرساز باشد؛ مرحله نقل و انتقال سوخت به نیروگاه است. به همین منظور میله های سوخت داخل محفظه های عایق بندی شده قرار داده می شود تا از بروز هرگونه حادثه ای مانند انفجار، سوختن و دیگر حوادث جلوگیری شود.
5- مصرف سوخت و تولید انرژی: در این مرحله ، میله های سوخت در داخل راکتور تعبیه می شوند تا در اثر واکنش شکافت ، انرژی تولید کنند. این انرژی که به صورت گرمای بسیار زیاد است به آب منتقل و سبب تبخیر آب می شود. بسته به درصد غنای اورانیوم مورد استفاده ، از یک تا 3 سال می توان از میله های سوخت در رآکتور استفاده کرد و تا این مدت نیاز به تعویض میله ها نیست. یک نیروگاه هسته ای به طور متوسط در هر سال حدود 30 تن اورانیوم مصرف می کند. بنابراین پیش از آغاز به کار نیروگاه ، باید حداقل 12 تن اورانیوم غنی شده آماده باشد. پس از 3 سال ، سوخت مصرف شده از نیروگاه خارج می شود؛ برای این عمل ، باید راکتور به حالت خاموشی موقت درآید.
6- انبار کردن سوخت: پس از استفاده از اورانیوم غنی شده در رآکتور، سوخت مصرف شده باید تا چند ماه در نیروگاه انبار شود.
این عمل سبب می شود برخی از پسماندها که به شدت رادیواکتیو و فعال هستند، بر اثر شکافت هسته ای به طور خود به خود از بین بروند، به این مرحله ، مرحله سردشدن می گویند.
7- انتقال سوخت مصرف شده به تاسیسات بازفرآوری: در این روند 3 مولفه مهم از هم جدا می شوند: اورانیوم تهی شده ، پلوتونیوم 239 ، زباله های هسته ای.

اورانیوم تهیه شده

اورانیوم تهیه شده در واقع اورانیومی است که تعداد ایزوتوپ های موردنیاز برای استفاده در نیروگاه در آن کم شده و به عبارت دقیقتر، غنای آن کم شده است. با غنی سازی مجدد، می توان دوباره آن را برای مصرف در نیروگاه و تولید انرژی آماده کرد.زباله های هسته ای ، گاهی برای مصارف پزشکی قابل استفاده است ، اما در صورتی که غیرقابل استفاده باشد؛ باید به شکل محلول درآمده و با کشتی های مخصوص در ته اقیانوسها، قسمتهای غیرمسکونی در قطبها، یا در کویرهای غیرقابل سکونت دفن شوند. بشکه هایی که این مواد در آنها حمل می شود، باید کاملا عایق بندی شده و بدون منفذ باشند تا پرتوهای رادیواکتیو از آنها نشت نکند.