چگونه راکتورهای نوترون سریع و پیروپردازش می‌توانند عمر پسماندهای هسته‌ای را ۹۹ درصد کاهش دهند

بحث بر سر آینده انرژی هسته‌ای بر یک اختلاف نظر اساسی در مورد نحوه برخورد با بحث‌برانگیزترین محصول جانبی آن استوار است. یک گروه استدلال می‌کند که دفن سوخت هسته‌ای مصرف‌شده، اتلاف بی‌رویه منابع است و از یک چرخه سوخت بسته حمایت می‌کند که از راکتورهای نوترون سریع برای استخراج تا ۱۰۰ برابر انرژی بیشتر از اورانیوم استخراج‌شده استفاده می‌کند، در حالی که عمر پرتوزایی پسماندها را از یک میلیون سال به یک هزاره کاهش می‌دهد. گروه مخالف معتقد است که فرآوری شیمیایی مورد نیاز برای بستن این چرخه، پلوتونیوم قابل استفاده در سلاح را جدا می‌کند و یک خطر غیرقابل قبول اشاعه جهانی ایجاد می‌کند که به مراتب بیشتر از مزایای کاهش پسماند است، به ویژه در شرایطی که استخراج اورانیوم تازه همچنان بسیار ارزان‌تر است.[3][4]

اکثریت قریب به اتفاق ناوگان هسته‌ای تجاری جهان بر اساس چرخه سوخت باز یا «یک‌بار مصرف» عمل می‌کنند. در این مدل، اورانیوم استخراج، غنی‌سازی و به مجموعه‌های سوخت تبدیل می‌شود و سپس برای تقریباً ۱۸ تا ۲۴ ماه در یک راکتور آب سبک حرارتی تحت تابش قرار می‌گیرد. هنگامی که سوخت دیگر نمی‌تواند به طور مؤثر یک واکنش زنجیره‌ای را حفظ کند، خارج شده و به طور نامحدود در استخرهای خنک‌کننده یا مخازن خشک ذخیره می‌شود.[2]

این چرخه باز از منظر منابع بسیار ناکارآمد است. راکتورهای آب سبک استاندارد برای شکافت اورانیوم-۲۳۵، ایزوتوپی که کمتر از یک درصد اورانیوم طبیعی را تشکیل می‌دهد، به نوترون‌های حرارتی یا کُند متکی هستند. جرم باقیمانده عمدتاً اورانیوم-۲۳۸ است که نوترون‌های حرارتی به راحتی نمی‌توانند آن را شکافت دهند. در نتیجه، یک راکتور آب سبک معمولی تنها حدود ۱ درصد از اورانیوم مصرفی خود را شکافت می‌دهد. در طول یک عمر ۶۰ ساله، یک راکتور معمولی به تقریباً ۱۱,۰۰۰,۰۰۰ کیلوگرم اورانیوم استخراج‌شده نیاز دارد تا ۴۶,۰۰۰ کیلوگرم ماده غنی‌شده‌ای را تولید کند که واقعاً وارد هسته می‌شود.[2]

هنگامی که این سوخت تخلیه می‌شود، تقریباً ۹۰ درصد از انرژی بالقوه خود را حفظ می‌کند. سوخت مصرف‌شده شامل حدود ۹۵ درصد اورانیوم-۲۳۸ واکنش‌نداده، ۱ درصد اورانیوم-۲۳۵ نسوخته، ۱ درصد پلوتونیوم ایجادشده در طول عملیات، و ترکیبی از محصولات شکافت بسیار پرتوزا و آکتینیدهای جزئی مانند نپتونیوم، آمریسیوم و کوریوم است. این آکتینیدهای جزئی و ایزوتوپ‌های پلوتونیوم هستند که طول عمر بسیار زیاد پسماند را تعیین می‌کنند و نیاز به قرنطینه زمین‌شناختی عمیق تا ۱,۰۰۰,۰۰۰ سال دارند.[3][4]

جایگزین، چرخه سوخت بسته است؛ سیستمی که برای بازیافت اورانیوم و پلوتونیوم نسوخته به سوخت تازه طراحی شده است. محور اصلی این چرخه نظری، راکتور نوترون سریع است. برخلاف راکتورهای حرارتی، راکتورهای سریع از آب برای کُند کردن نوترون‌ها استفاده نمی‌کنند. این راکتورها با حفظ نوترون‌ها در سطوح انرژی بالاتر، می‌توانند طیف بسیار گسترده‌تری از ایزوتوپ‌ها، از جمله اورانیوم-۲۳۸ فراوان و آکتینیدهای جزئی مشکل‌ساز را شکافت دهند.[1][3]

کارکرد بدون تعدیل‌کننده (کندکننده) به یک واسطه خنک‌کننده متفاوت، معمولاً سدیم مایع یا سرب، و غنی‌سازی اولیه سوخت بسیار بالاتری نیاز دارد. در حالی که سوخت راکتور آب سبک استاندارد تا حدود ۵ درصد اورانیوم-۲۳۵ غنی می‌شود، راکتورهای سریع اولیه برای جبران احتمال کمتر برخورد نوترون‌های سریع با هسته‌های شکافت‌پذیر، به غنی‌سازی بیش از ۲۰ درصد نیاز داشتند.[2]

مزیت اصلی محیط نوترون سریع، توانایی آن در «تولید سوخت» خود است. هنگامی که یک نوترون سریع به هسته اورانیوم-۲۳۸ برخورد می‌کند، می‌تواند آن هسته را به پلوتونیوم-۲۳۹ تبدیل کند که بسیار شکافت‌پذیر است. مهندسان با طراحی دقیق هسته می‌توانند به نسبت تولید (Breeding Ratio) بیش از ۱.۰ دست یابند، به این معنی که راکتور مواد شکافت‌پذیر بیشتری نسبت به آنچه مصرف می‌کند، تولید می‌کند. این سازوکار به چرخه سوخت بسته اجازه می‌دهد تا ۵۰ تا ۱۰۰ برابر انرژی بیشتری را از مقدار معینی اورانیوم طبیعی نسبت به سیستم یک‌بار مصرف استخراج کند.[3][5]

فراتر از بهره‌وری منابع، راکتورهای سریع از طریق فرآیندی به نام «تبدیل هسته‌ای» (Transmutation) مزیت عمیقی در مدیریت پسماند ارائه می‌دهند. هنگامی که آکتینیدهای جزئی در شار نوترون سریع قرار می‌گیرند، به محصولات شکافت سبک‌تر و با عمر کوتاه‌تر تجزیه می‌شوند. با بازیافت مداوم سوخت و سوزاندن آکتینیدها، چرخه بسته طولانی‌ترین اجزای پرتوزای جریان پسماند را حذف می‌کند.[1][3]

تأثیر این امر بر جدول زمانی مورد نیاز برای ذخیره‌سازی چشمگیر است. بدون تبدیل هسته‌ای، پرتوزایی سوخت هسته‌ای مصرف‌شده تا ۱,۰۰۰,۰۰۰ سال طول می‌کشد تا به سطح سنگ معدن اورانیوم طبیعی بازگردد. با استخراج و سوزاندن پلوتونیوم و آکتینیدهای جزئی در یک راکتور سریع، این دوره قرنطینه به تقریباً ۱,۰۰۰ سال کاهش می‌یابد—چارچوبی زمانی که مهندسی آن در مخازن زمین‌شناختی بسیار آسان‌تر است.[4][5]

مانع تحقق این چرخه بسته، فیزیک راکتور نیست، که در طول بیش از ۴۰۰ سال راکتور-عملیاتی جهانی اثبات شده است، بلکه فرآوری شیمیایی مورد نیاز برای جداسازی سوخت قابل استفاده از محصولات شکافت است. روش استاندارد صنعتی برای این جداسازی، «پیورکس» (PUREX) است که مخفف استخراج ردوکس پلوتونیوم و اورانیوم است.[4]

پیورکس که در اواسط قرن بیستم توسعه یافت، یک فرآیند هیدرومتالورژیکی آبی است که سوخت مصرف‌شده را در اسید نیتریک حل می‌کند و از حلال‌های آلی برای جداسازی پلوتونیوم و اورانیوم خالص از محصولات شکافت بسیار پرتوزا استفاده می‌کند. از آنجایی که فرآیند پیورکس جریانی از پلوتونیوم جداشده و قابل استفاده در سلاح تولید می‌کند، آسیب‌پذیری جدی در زمینه اشاعه ایجاد می‌کند. همانطور که محققان در بنیاد کارنگی برای صلح بین‌المللی اشاره می‌کنند، «تاریخچه فرآوری مجدد ریشه در توسعه تسلیحات هسته‌ای دارد، ارتباطی که امروزه نیز پابرجاست.»[4]

این خطر اشاعه، مسیر سیاست هسته‌ای جهانی را به طور اساسی تغییر داد. در سال ۱۹۷۷، دولت کارتر فرآوری مجدد تجاری سوخت هسته‌ای مصرف‌شده را در ایالات متحده ممنوع کرد و خطر انحراف پلوتونیوم جداشده توسط بازیگران دولتی یا غیردولتی را دلیل آن دانست. اگرچه این ممنوعیت بعداً لغو شد، اما رکود اقتصادی و نظارتی عملاً به توسعه چرخه سوخت بسته در آمریکا پایان داد و این کشور را با ذخیره فزاینده‌ای از سوخت مصرف‌شده مواجه ساخت.[4][5]

برای دور زدن خطرات اشاعه پیورکس، محققان فناوری‌های جایگزین فرآوری مجدد، به ویژه «پیروپردازش» (Pyroprocessing) را توسعه داده‌اند. برخلاف روش آبی پیورکس، پیروپردازش یک تکنیک الکترومتالورژیکی است که در دماهای بالا، معمولاً بیش از ۸۰۰ درجه سانتیگراد، با استفاده از نمک‌های مذاب و جریان‌های الکتریکی برای جداسازی عناصر عمل می‌کند.[6]

مزیت حیاتی پیروپردازش در زمینه عدم اشاعه این است که نمی‌تواند پلوتونیوم خالص را جدا کند. در عوض، این فرآیند یک شمش اورانیوم ضعیف‌شده و یک محصول مخلوط حاوی اورانیوم ضعیف‌شده و عناصر فراراورانیومی—پلوتونیوم، نپتونیوم، آمریسیوم و کوریوم—با نسبت تقریباً ۱:۱ تولید می‌کند. از آنجایی که پلوتونیوم با آکتینیدهای بسیار پرتوزا مخلوط باقی می‌ماند، «خودمحافظ» است و انحراف آن برای استفاده در سلاح بسیار دشوارتر است، در عین حال برای استفاده به عنوان سوخت در یک راکتور نوترون سریع کاملاً مناسب باقی می‌ماند.[5][6]

با وجود این راه‌حل‌های فنی، چرخه سوخت بسته با موانع اقتصادی بزرگی روبرو است. فرآوری مجدد سوخت مصرف‌شده، چه از طریق پیورکس و چه پیروپردازش، به تأسیسات با محافظت سنگین و کنترل از راه دور نیاز دارد که ساخت آن‌ها میلیاردها دلار هزینه دارد. از نظر تاریخی، هزینه بازیافت سوخت مصرف‌شده بسیار بیشتر از هزینه صرفاً استخراج، غنی‌سازی و ساخت اورانیوم تازه بوده است، که چرخه بسته را در بازارهای برق غیرتنظیم‌شده از نظر اقتصادی غیررقابتی می‌سازد.[4]

علاوه بر این، راکتورهای سریع چالش‌های مهندسی مواد قابل توجهی را ایجاد می‌کنند. شار نوترون سریع با انرژی بالا، آسیب پرتوی شدیدی به اجزای راکتور وارد می‌کند، فولاد را شکننده کرده و مواد پوششی را بسیار سریع‌تر از نوترون‌های حرارتی تعدیل‌شده در یک راکتور معمولی تخریب می‌کند. طراحی موادی که بتوانند دهه‌ها در برابر این محیط مقاومت کنند، همچنان تمرکز اصلی تحقیقات راکتورهای نسل چهارم است.[1][2]

امروزه، چرخه سوخت بسته تنها به صورت پراکنده وجود دارد. فرانسه همچنان سوخت مصرف‌شده را در تأسیسات لاهگ (La Hague) خود با استفاده از پیورکس فرآوری مجدد می‌کند و پلوتونیوم را به سوخت اکسید مخلوط (MOX) برای راکتورهای معمولی بازیافت می‌کند، اگرچه استقرار راکتورهای سریع را به تعویق انداخته است. روسیه تنها راکتورهای نوترون سریع تجاری در مقیاس بزرگ جهان، BN-600 و BN-800، را اداره می‌کند و فعالانه در تلاش برای بستن چرخه سوخت خود است. در همین حال، چین در حال ساخت کارخانه‌های فرآوری مجدد و راکتورهای زاینده سریع برای تضمین استقلال انرژی بلندمدت خود است.[4]

صنعت هسته‌ای جهانی همچنان بین دو پارادایم ناقص گرفتار است. چرخه باز از نظر اقتصادی مقرون به صرفه و مقاوم در برابر اشاعه است، اما میراثی از پسماندهای یک میلیون ساله بر جای می‌گذارد و ۹۹ درصد از پتانسیل انرژی موجود در اورانیوم استخراج‌شده را هدر می‌دهد. چرخه بسته نوید استفاده تقریباً کامل از منابع و جدول‌های زمانی قابل مدیریت پسماند را می‌دهد، اما نیازمند سرمایه‌گذاری هنگفت و پادمان‌های بین‌المللی سخت‌گیرانه است تا اطمینان حاصل شود که فناوری مورد استفاده برای تأمین برق شبکه هرگز برای تهدید آن تغییر کاربری نمی‌یابد.[1][4]