Nuclear fuel considerarions for the 21ST centry

[ Hadad ] - Department of Nuclear Engineering, Shiraz University , Shiraz, Iran
[ Pirozmand ] - Department of Nuclear Engineering, Shiraz University , Shiraz, Iran

خلاصه مقاله:

اثرات خارجي زيادي وجود دارند كه مسير گسترش انرژي هسته اي را كنترل مي كنند. در 50 سال آينده چندين موضوع آشكار خواهد شد. بيم اثرات گازهاي گلخانه اي ممكن است باعث وضع جريمه يا مالياتي هائي براي توليد كربن گردد كه اين موضوع باعث مي شود تا انرژي هسته اي از لحاظ اقتصادي سريعا برتري يابد. اين موضوع در واقع باعث افزايش نرخ كاهش ذخيره اورانيوم به علت افزايش نرخ گسترش استفاده از انرژي هسته اي مي شود. با اين وجود گسترش در استخراج اورانيوم از دريا يا توسعه راكتورهاي زاينده سريع به طور خيلي زياد باعث گسترش ذخاير اورانيوم و استفاده بهينه از چرخه سوخت توريوم مي شود.
از طرف ديگر گسترش تكنولوژي جداسازي كربن باعث حفظ سوخت هاي فسيلي به عنوان سوخت غالب براي نسل هاي آينده قرن اخير مي شود. انرژي هسته اي ماننمد امروز مي تواند در يك بخش كوچكتر ادامه پيدا كرده يا كاهش يابد. توان ناشي از همجوشي هسته اي يا پيشرفت هاي جديد در انرژي خورشيدي مي تواند به طور كامل جايگزين انرژي هسته اي مطابق با چيزي كه امروزه ما مي دانيم، بشود.
پيش بيني اين موضوع وقتي مشكل تر مي شود كه نياز براي سوخت هاي متحرك در جهت حمل ونقل گسترش خواهد يافت. مانند آنچه سلول هاي سوختي هيدروژني و هيدروژني غني شده به طور معمول مورد استفاده قرار خواهند گرفت. وقتي اين امر اتفاق بيفتد، توان هسته اي انتخاب اول منبع انرژي براي توليد اين نوع سوخت از آب يا متان خواهد بود. در يك حالت مشابه نياز به آبهاي آشاميدني و كشاورزي ممكن است يكي ديگر ازمحرك ها براي افزايش گسترش توان هسته اي باشد (آب شيرين كن هاي هسته اي).
با در نظر گرفتن تمام اتفاقاي كه مي تواند رخ دهد، به نظر مي رسد پيش بيني قاطع مسيري كه پيشرفت توان هسته اي خواهد پيمودن كاري غير ممكن است . با اين وجود تعريف يك استراتژي كه به اندازه كافي قابل انعطاف بوده و اطمينان دهد كه موقع نياز امكان بهره برداري از اين تكنولوژي وجود دارد، مورد نياز است.
براي چند دهه آينده يك بهبود تكاملي در كارايي سوخت راكتورهاي آب سبك (اكسيد اورانيوم و يا تركيبي از اكسيد اورانيوم و اكسيد پلوتونيوم (MOX) وجود خواهد داشت. اين پيشرفت ها بازار را به سمت حفظ قيمت سوخت و در نتيجه رقابتي شدن انرژي الكتريكي توليدي به وسيله نيروگاه هاي هسته اي سوق خواهد داد. توسعه سوخت براي شتاب دهنده ها و راكتورهاي مبدل با سوخت هاي ماتريسي ثابت هنوز در آغاز راه مي باشد. در اين زمينه تحقيقات زيادي در كشورهاي مختلف شروع شده است. در اروپا كار بر روي اين سوختها معطوف به مشكل بهره برداري آنها از MOX مي باشد. (به طور مثال كاهش ذخيره پلوتونيوم جدا شده، Actinide هاي كوچكتر و محصولات شكافت با طول عمر بالا (LLFP)). در كشور آمريكا پروسه استفاده مجدد وجود نداشته و بنابراين ذخيره پلوتونيوم براي مقاصد غير نظامي وجود ندارد. با اين وجود در ايالات متحده مخالفتهايي با ذخيره دائم پسماندهاي سوخت وجود دارد و اين موضوع امكان استفاده از شتاب دهنده هاي مبدل را فراهم مي آورد. اگر انرژي هسته اي داراي يك آينده طولاني مدت باشد، احداث و استفاده از راكتورهاي سريع يك امر اجتناب ناپذير خواهد بود. در واقع وظيفه راكتورهاي سريع حذف پلوتونيوم جدا شده و توليد انرژي مفيد از آن خواهد بود. تحقيقاتي كه در حال حاضر براي بهبود سوخت در مجتمع هاي سوخت داراي Actinideها و LLFP در حال انجام مي باشد براي راكتورهاي مبدل سريع مفيد خواهد بود.
هنوز تحقيقات زيادي براي اينكه راكتورهاي سريع به مرحله تكامل برسند مورد نياز مي باشد. خوشبختانه قسمتي از اين تحقيقات در يك دوره پنجاه ساله قبل از اينكه راكتورهاي زاينده سريع مورد نياز باشد، انجام گرفته است. با در نظر گرفتن توسعه در سوخت راكتورهاي سريع، در تحقيقات آينده مراحل زير بايد مد نظر قرار گرفته شوند: اولاً تمام اطلاعات بدست آمده در چهل سال گذشته بر روي گسترش راكتورهاي سريع بايد به طور كامل بصورت اسنادي آماده شود تا نسلهاي آينده بتوانند مشتاقانه به تحصيل و بهره برداري از اين اطلاعات بپردازند. گسترش راكتورهاي سريع آنچنان مكث ناگهاني را در سحط جهان داشته است كه مقدار زيادي از اين اطلاعات به علت كاهش محققان و انكانات، در خطر نابودي قرار دارد. ثانياً براي انواع سوختهاي راكتورهاي سريع و اجزا آنها (اكسيدها، كاربيدها، نيترات ها وسوختهاي فلزي) تحقيقات رو به جلو دور از مرحله تكامل بودند. اگرچه احتمالا سوختهاي اكسيدي مركب دور از دسترس بوده اند، اما ايده هايي براي بهبود محافظ فلزي سوخت و روشهاي ساخت پيشرفته كه هرگز به طور كامل كشف نشده اند، وجود داشته اند. آخرين مرحله اينكه با يك چنين دوره زماني گسترده اي قبل از مورد نياز بودن راكتورهاي سريع، زمان گسترده اي براي گسترش سوختهاي مناسب جديد كه در محدوده وسيعي از شرايط و خنك كننده هاي گوناگون قابل كاربرد مي باشند وجود دارد.