پسماندهای هسته‌ای به عنوان یکی از چالش‌های اصلی در فناوری انرژی هسته‌ای شناخته می‌شوند. در این مطلب، به بررسی علمی منابع تولید پسماند، انواع آن، خطرات زیست‌محیطی، روش‌های مدیریت و بازیافت، و همچنین راهکارهای جهانی پرداخته‌ایم.
۱. پسماندها در مرحله غنی‌سازی اورانیوم
اورانیوم طبیعی عمدتاً از ایزوتوپ‌های U-238 و مقدار کمی U-235 تشکیل شده است. برای استفاده در رآکتورهای هسته‌ای، اورانیوم باید غنی‌سازی شود تا غلظت U-235 به حدود ۳ تا ۵ درصد برسد. این کار با تبدیل اورانیوم به گاز UF6 (هگزا فلوراید اورانیوم) و عبور آن از سانتریفیوژ انجام می‌شود.
پسماند این مرحله شامل UF6 تهی شده (Depleted UF6) است که در صورت تماس با آب، طبق واکنش زیر به اسید هیدروفلوئوریک (HF) و ترکیبات اورانیوم تبدیل می‌شود:
UF6 + H2O → UO2F2 + 2HF
این اسید بسیار خورنده و سمی است و می‌تواند در صورت نشت به آب‌های زیرزمینی، خطرات زیست‌محیطی جدی ایجاد کند.
۲. پسماندها در مرحله سوخت‌رسانی و جرم بحرانی
سوخت اورانیوم غنی‌شده به شکل قرص‌های سرامیکی UO2 در میله‌های سوخت قرار می‌گیرد. خود اورانیوم غنی‌شده در حالت عادی منفجر نمی‌شود، زیرا برای ایجاد واکنش زنجیره‌ای باید به «جرم بحرانی» برسد. برای اورانیوم ۲۳۵ خالص، این جرم حدود ۵۲ کیلوگرم در شکل کروی به شعاع ۱۷ سانتی متر است که با محافظ بازتاب‌دهنده کاهش می‌یابد.
در حالت غیربحرانی، تنها تابش‌هایی مانند ذرات آلفا ایجاد می‌شود که برد کوتاه دارند و با یک ورق کاغذ متوقف می‌شوند، اما در صورت ورود به بدن می‌توانند به بافت‌های داخلی به ویژه گوارش آسیب جدی بزنند. با استفاده از دود می توان ذرات آلفا را آشکار سازی کرد.
۳. پسماندهای سطح بالا از رآکتورهای قدرت
در رآکتورهای هسته‌ای تولید برق، شکافت هسته‌ای اورانیوم باعث تولید ایزوتوپ‌های پرتوزای خطرناک می‌شود، مانند:
- ید-۱۳۱: تأثیرگذار بر تیروئید
- استرانسیوم-۹۰: تجمع در استخوان‌ها و مغز استخوان
- سزیم-۱۳۷: تأثیر بر بافت‌های نرم بدن
این پسماندها نیمه‌عمرهایی در حدود چند ده تا چند صد سال دارند مانند استرانسیوم-۹۰ با نیمه‌عمر ۲۹ سال. از آنجایی که پس از گذشت ۱۰ نیمه عمر تقریبا می توان گفت بی اثر می شوند پس حدود ۲۹۰ سال باقی می ماند. نگهداری این مواد نیازمند سیستم‌های حفاظتی پیچیده و خنک‌سازی فعال است. که در بخش مدیریت پسماند راجع به آن بیشتر توضیح می دهیم.
۴. پسماندهای پزشکی و نیمه‌عمر کوتاه
در رآکتورهای تحقیقاتی برای تولید ایزوتوپ‌های پزشکی مانند مولیبدن-۹۹ (که به Tc-99m تبدیل می‌شود) از شکافت استفاده می‌شود. این ایزوتوپ‌ها برای تصویربرداری پزشکی بسیار مفیدند، اما پسماند حاصل از این رآکتورها حاوی ایزوتوپ‌هایی با نیمه‌عمر کوتاه است که اگرچه به سرعت از بین می‌روند، اما در همان مدت کوتاه، تابش بسیار شدیدی دارند.
خطر این پسماندها در نشت و تماس مستقیم است. با این حال، به دلیل استفاده محدود و مدیریت دقیق در مراکز پزشکی، معمولاً کنترل‌شده و با امنیت بالا نگهداری و دفع می‌شوند.
۵. پسماندهای حاصل از انفجار بمب هسته‌ای
در هنگام انفجار بمب‌های هسته‌ای، تابش گامای بسیار پرانرژی آزاد می‌شود که اثرات آن بر بدن انسان فوری و مرگ‌بار است. در کنار تابش اولیه، «ابر قارچی‌شکل» حاوی ایزوتوپ‌هایی مانند:
- پلوتونیوم-۲۳۹
- استرانسیوم-۹۰
- سزیم-۱۳۷
در جو پخش می‌شود و صدها کیلومتر اطراف را آلوده می‌کند. این آلودگی باعث غیرقابل سکونت شدن مناطق وسیع، تخریب کشاورزی، آلودگی منابع آب، و افزایش طولانی‌مدت نرخ سرطان و بیماری‌های ژنتیکی می‌شود. نمونه‌هایی از این اثرات را در چرنوبیل و هیروشیما و ناکازاکی مشاهده کرده‌ایم.
پلوتونیوم-۲۳۹ با نیمه عمری حدود ۲۴۱۰۰ سال، یکی از خطرناک ترین پسماندهای هسته ای است که به دلیل ماندگاری بسیار بالا و قابلیت استفاده در ساخت سلاح هسته ای، تهدیدی جدی برای محیط زیست و امنیت جهانی محسوب می شود.
بازیافت پسماندهای هسته‌ای
برخی کشورها سوخت مصرف‌شده را بازیافت می‌کنند تا از ایزوتوپ‌های باقیمانده مانند اورانیوم-۲۳۵ و پلوتونیوم-۲۳۹ به عنوان سوخت مجدد استفاده کنند. این فرایند که بازفرآوری یا Reprocessing نام دارد، می‌تواند مقدار پسماند بلندمدت را کاهش داده و از منابع باقیمانده انرژی استفاده کند.
به عنوان مثال، در یک تن سوخت مصرف‌شده، حدود:
- ۹۵٪ اورانیومباقی‌مانده
- ۱٪ پلوتونیوم قابل استفاده مجدد
- ۴٪ پسماند واقعی بلندمدت
با این حال، پلوتونیوم حاصل می‌تواند برای تولید سلاح مورد استفاده قرار گیرد و همچنین هزینه‌های بازیافت بسیار بالاست. به همین دلیل برخی کشورها مانند آمریکا این روش را محدود کرده‌اند، در حالی که کشورهای دیگر مانند فرانسه، ژاپن و روسیه آن را به‌کار می‌گیرند.
دسته‌بندی انواع پسماندها بر اساس سطح پرتوزایی
- ۹۰٪ پسماندها سطح پایینهستند: مانند لباس‌های محافظ، ابزار مصرفی، فیلترها و زباله‌های آزمایشگاهی. این‌ها معمولاً با روش‌های ساده‌تری مانند دفن سطحی یا سوزاندن ایمن دفع می‌شوند.
- ۷٪ پسماندها سطح متوسط هستند: این‌ها شامل رزین‌ها، گل‌ولای رادیواکتیو و قطعات تجهیزات می‌شوند که معمولاً در بلوک‌های بتنی یا شیشه‌ای تثبیت شده و در عمق زمین دفن می‌شوند.
- ۳٪ پسماندها سطح بالا هستند: این‌ها همان سوخت‌های مصرف‌شده رآکتور هستند که بسیار پرتوزا و خطرناک‌اند و نیاز به خنک‌سازی، حفاظ‌های ضخیم، و انبارداری بلندمدت دارند.
پسماندهای سطح بالا، به‌ویژه میله‌های سوخت مصرف‌شده رآکتورهای هسته‌ای، پس از خارج شدن از قلب رآکتور، دارای دمای بسیار بالا و پرتوزایی شدید هستند. برای کاهش حرارت و جلوگیری از نشت مواد رادیواکتیو، این پسماندها ابتدا به مدت ۵ تا ۱۰ سال (و گاهی بیشتر) در استخرهای خنک‌کننده حاوی آب دِیونیزه‌شده نگهداری می‌شوند. این آب هم نقش خنک‌کننده دارد و هم به عنوان سپر تابشی عمل می‌کند، تا از نشت پرتوها به محیط اطراف جلوگیری شود. پس از کاهش نسبی گرما و پرتوزایی، این میله‌ها به محفظه‌های خشک (Dry Casks) منتقل می‌شوند که از فولاد ضخیم و پوشش‌های بتنی ساخته شده‌اند. این محفظه‌ها توانایی تحمل زلزله، انفجار و سقوط اجسام سنگین را دارند و برای نگهداری بلندمدت در سطح زمین یا دفن عمیق طراحی شده‌اند. این فرایند، گامی حیاتی در مدیریت ایمن پسماندهای هسته‌ای است.
دفن عمیق پسماندها
امروزه دفن عمیق در زمین (geological disposal) به عنوان امن‌ترین روش دفع پسماندهای سطح بالا شناخته می‌شود. این روش شامل دفن پسماندها در اعماق زمین در مناطق ژئولوژیکی پایدار است که میلیون‌ها سال دچار تغییر نمی‌شوند. نمونه‌هایی از این پروژه‌ها:
- فنلاند: پروژه Onkalo که اولین مخزن دائمی پسماندهای سطح بالاست.
- سوئد: سایت Forsmark با ذخیره‌سازی در سنگ‌های گرانیتی.
- فرانسه: پروژه Cigéo که قرار است در صخره‌های رسی در منطقه Bure ساخته شود.
در این روش، استوانه‌های فولادی مقاوم حاوی پسماندها در تونل‌هایی در اعماق زمین قرار می‌گیرند و سپس با مواد جاذب و سازگار با محیط زیست پوشانده می‌شوند.
نتیجه‌گیری
اگرچه پسماندهای هسته‌ای مخاطراتی دارند، اما با مدیریت علمی و فناوری پیشرفته، این خطرات قابل کنترل و به مراتب کمتر از آلودگی ناشی از سوخت‌های فسیلی است. نیروگاه‌های زغال‌سنگ هر سال ده‌ها برابر مواد پرتوزا مانند رادون و جیوه وارد محیط می‌کنند. بنابراین، تمرکز بر آموزش، تحقیق و توسعه روش‌های پایدار مدیریت پسماند، کلید استفاده ایمن از انرژی هسته‌ای در آینده است.
ویدیو پسماندهای هسته‌ای
خلاصه مطالب بالا را می توانید در ویدیوی زیر که توسط استاد مصطفی کبیری آماده شده است به همراه تصاویر مرتبط مشاهده کنید.
مشاهده ویدیو در یوتیوب | مشاهده ویدیو در آپارات
