منابع سوخت هسته ای: آیا تا آخر

   نیاز به برآورده کردن تقاضای رو به رشد انرژی به صورت پایدار از نظر زیست محیطی، توجه را به پتانسیل انرژی هسته ای جهت گسترش نقش خود در تامین انرژی آینده جلب کرده است. یکی از جنبه های کلیدی تعریف پایداری هر منبع انرژی موجود بودن منابع سوخت است. این مقاله نشان می دهد که منابع سوخت هسته ای موجود می تواند نیازهای آینده را برای صدها و حتی هزاران سال تامین کند.
  
   موجودی اورانیوم
   در نسخه انتشار یافته آژانس انرژی هسته ای فرانسه در سال 2001، با نام اورانیوم: منابع، تولید و تقاضا، تخمین های رسمی از منابع اورانیوم در سراسر جهان ارائه شده است (1). به طور معمول این منابع براساس جذابیت اقتصادی و اطمینان از موجود بودن آنها دسته بندی می شوند.

    منابع مرسوم
   آسانترین منابع در دسترس، به عبارتی منابعی که وجود آنها مشخص شده و بهره برداری از آنها با استفاده از فنون معدنکاری رایج گران نیست، به عنوان منابع رایج شناخته شده طبقه بندی می شوند. این گروه از منابع به دو زیرگروه طبقه بندی می شوند: منابع قطعی تضمین شده (Reasonably assured resources; RAR) و منابع تخمینی افزون دسته اول (EAR-I). منابع شناخته شده رایج به طور عادی قابل بازیافت بوده و نقصان طی فرایند معدنکاری و خردایش در محاسبه آنها منظور شده است. از نظر دسته بندی هزینه منابع قابل بازیافت آنها در سه دسته کمتر از 40 دلار بر کیلوگرم اورانیوم، کمتر از 80 دلار و کمتر از 130 دلار بر کیلوگرم اورانیوم جای می گیرند. باید توجه داشت که قیمت کنونی بازار برای اورانیوم در حدود 20 تا 30 دلار بر کیلوگرم اورانیوم است.
   منابعی که موجود و بهره برداری از آنها با فنون رایج معدنکاری امکان پذیر دانسته می شوند، ولی هنوز از نظر فیزیکی به اثبات نرسیده اند، به عنوان منابع رایج کشف نشده طبقه بندی می شوند. این منابع درگیرنده منابع تخمینی افزون دسته دو (EARII)، یا همان منابع اورانیومی که انتظار می رود در روندهای زمین شناسی شناخته شده یا نواحی کانه زایی با کانسارهای معروف قرار گرفته باشند؛ و منابع حدسی (SR)، منابع اورانیوم که فکر می شود موجود و به لحاظ زمین شناسی مطلوب باشند، ولی در نواحی اکتشاف نشده قرار دارند. تقریبا همه منابع EAR-II و SR گزارش شده، منابع درجا هستند، که نقصان طی معدنکاری و خردایش برای آنها محاسبه نشده است. برخی از کشورها، از جمله استرالیا، منابع رایج کشف نشده را در نسخه سال 2001 گزارش نکرده اند، هرچند تصور می شود این کشورها منابع بالقوه قابل توجهی در مناطق به ندرت اکتشاف شده داشته باشند.

   منابع غیررایج
   منابع بیشتری وجود دارند که به عنوان غیررایج طبقه بندی می شوند و در آنها اورانیوم با عیار بسیار پایین وجود دارد، یا اینکه اورانیوم به صورت محصول جانبی از آنها قابل بازیافت است. منابع غیررایج عبارتند از اورانیوم موجود در کانسارهای فسفاته و آب دریا. فناوری بازیافت اورانیوم از فسفات ها کامل بوده و در گذشته مورد استفاده قرار می گرفته است، تنها به دلیل هزینه بالاست که بازیافت اورانیوم از این منابع مورد پسند واقع نمی شود. پژوهش ها نشان می دهند که این امکان وجود دارد تا منابع بسیار زیاد اورانیوم موجود در آب اقیانوس ها را بدست آوریم. در حال حاضر، تنها مقادیری در مقیاس آزمایشگاهی استخراج شده است و هزینه استخراج اورانیوم از آب دریا بسیار بالا تخمین زده می شود، تقریبا پنج تا 10 برابر هزینه اورانیومی که از منابع مرسوم استخراج می شود. این فناوری نیازمند زمان و سرمایه گذاری بیشتر برای عملی شدن خواهد بود. با در نظر گرفتن قیمت پایین کنونی اورانیوم، با توجه به کفایت منابع کم هزینه برای چند دهه با نرخ تقاضای کنونی، بعید به نظر می رسد که در آینده ای نزدیک سرمایه گذاری مهمی بر روی این منابع صورت گیرد.
  

    منابع ثانویه
   منابع ثانویه اورانیوم، هرچند در مقایسه با منابع بالا کوچک هستند، ولی نقش مهمی در عرضه نیاز کنونی به سوخت هسته ای بازی می کنند و انتظار می رود در آینده ای نزدیک نیز به این نقش ادامه دهند (2). منابع ثانویه مهم اورانیوم عبارتند از:
   - اورانیوم هایی که قبلا استخراج شده و توسط دولتها و سازمانهای تجاری نگهداری می شوند. این منابع عبارتند از ذخایر استراتژیک، اورانیوم موجود در انبار شرکت های تجاری، و ذخایر مازاد موجود در بازار.
   - مقادیر زیادی از اورانیوم که پیشتر استخراج شده، از کاربری های نظامی در آمریکا و روسیه قابل استحصال است. اورانیوم بسیار غنی شده و اورانیوم طبیعی که به شکل های مختلف توسط بخش نظامی نگهداری می شود، می تواند تامین کننده کامل تقاضای اورانیوم برای چند سال باشد. افزون بر این پلوتونیوم همراه آن نیز موحود است که می تواند به سوخت اکسیدی مخلوط تبدیل شده و جایگزین نیاز به اورانیوم تازه شود.
   - مقادیر زیادی از اورانیوم تهی شده، محصول جانبی فرایند غنی سازی یک ذخیره مهم اورانیوم به شمار می اید که می تواند جایگزین تولید اولیه اورانیوم شود. براساس آمار سال 1999، ذخیره 1.2 میلیون تنی اورانیوم تهی شده می تواند 452000 تن اورانیوم معادل اورانیوم طبیعی فراهم کند (3).

   جدول 1 تخمین هایی را از دسته های مختلف منابع که در بالا بحث شد، در انتهای سال 2000 ارائه می کند. جدول مشخص می کند که بیش از 75% منابع رایج اورانیوم در شاخه منابع مرسوم کشف نشده قرار می گیرند. در نتیجه، با مصرف منابع مرسوم شناخته شده، تولید آینده از پروژه های جدید بدست خواهد آمد. براساس داده های سال 2001، منابع مرسوم شناخته شده می توانند برای 75 سال پاسخگوی نیاز جهان با سطح تقاضای سال 2001 باشند. در حالیکه در آینده، منابع کم هزینه زودتر تمام می شوند. چون پروژه های تازه زمان زیادی را برای رسیدن به سطح تولید کنونی طلب می کنند، تصمیم گیری برای توسعه به موقع جهت اطمینان از دسترسی به منابع در زمان لازم ضروری هستند. برای نمونه کانسار مک آرتور ریور در کانادا در سال 1988 کشف شد و در سال 1999 شروع به تولید کرد، 11 سال برای بهره برداری از آن طول کشید. مشابه آن، کانسار سیگار لیک، مجدد در کانادا، در اوایل دهه 1980 کشف شد، ولی تولید آن هنوز تا پیش از 2005 عملی نشده است. عوامل متعددی می توانند بر زمان لازم برای توسعه یک پروژه معدنی جدید اثر بگذارند، از جمله فرایندهای قانونی، چالش های حقوقی و شرایط اقتصادی.

جدول 1- منابع اورانیوم تخمینی

   پراکندگی جغرافیایی و امنیت
   یک جنیه دیگر از موجود بودن منابع، پراکندگی آنها در سطح جهان است. نفت و گاز به نسبت پراکندگی جغرافیایی محدودی دارند که در خاورمیانه و روسیه نزدیک به 70% ذخایر نفت و گاز جهان قرار گرفته است (4). در مقابل سازمان همکاری اقتصادی و توسعه اروپا در حدود 40% منابع شناخته شده اورانیوم، تقریبا معادل ذخایر ذغال سنگ را در اختیار دارد. این بسیار بالاتر از سهم ذخایر نفت و گاز (حدود 7%) و ذخایر گاز (حدود 12%) است. با نگاهی به آینده، هر کشوری که به دریا دسترسی دارد، سرانجام به منابع عظیم اورانیوم در اقیانوس های جهان دسترسی خواهد داشت.
   افزون بر این، کشورهای سازمان همکاری اقتصادی و توسعه اروپا در خدمات اساسی که ماده خام اورانیوم را به سوخت هسته ای کامل تبدیل می کند، خودکفا هستند، یعنی فرایندهای تبدیل، غنی سازی و بسته بندی سوخت. در نتیجه نیروگاه های هسته ای، هرگاه ساخته شدند، یک منبع برق نزدیک به کاملا داخلی را فراهم می کنند.
  

    اثر فناوری پیشرفته راکتور و چرخه های سوخت
   فناوری های پیشرفته به طور خاص در هر بحثی درباره موجود بودن منابع سوخت هسته ای اهمیت دارند، زیرا می توانند به صورت رادیکال منابع پایه را گسترش داده و بهره وری استفاده را افزایش دهند. راکتورهای آب سبک تقریبا 80% راکتورهای فعال جهان را تشکیل می دهند. در بیشتر آنها از چرخه سوخت یکبار گذار (once-through) استفاده می شود که در ان اورانیومی که برای تولید انرژی در راکتور قرار داده می شود، پس از یک دوره زمانی برداشته شده و به عنوان زباله برای دفع آماده می شود. در این چرخه یکبارگذار در حدود 99% حجم انرژی بالقوه موجود در سوخت هسته ای بدون استفاده باقی می ماند. دیگر راکتورها سوخت را بازیافت می کنند که این بازدهی انرژی را افزایش می دهد. بازیافت میله های سوخت مصرف شده در نیروگاه های کنونی، از طریق استفاده از اورانیوم باقی مانده و پلوتونیوم تولید شده طی فرایند شکافت، می تواند سبب 10 تا 15% صرفه جویی در مصرف اورانیوم اولیه استخراج شده از معدن شود. پلوتونیوم از سوخت مصرف شده استخراج شده و به صورت سوخت اکسید مخلوط (MOX) بازیافت می شود، اما تعداد بازیافت ها در حال حاضر محدود است زیرا ایزوتوپ های غیردلخواه ایجاد می شوند. پس از چند چرخه، سوخت باید به عنوان یک زباله همانند چرخه یکبارگذار مدیریت شود. هم اکنون تنها از یک بازیافت استفاده می شود.
   هنوز، با پیشرفت های بدست آمده در فناوری این منابع را می توان گسترش داد به گونه ای که منابع سوخت هسته ای به صورت مجازی غیرمحدود شوند. بروز و استفاده از راکتورهای سریع می تواند منافع مهمی نسبت به فناوری کنونی راکتورهای حرارتی داشته باشد:

   - آنها امکان استفاده بهینه تر از مواد سوخت هسته ای مانند اورانیوم 238 و توریم را فراهم می کنند، که در نتیجه منابع پایه را توسعه می دهند.
   - در یک قالب بندی زاینده (Breeder configuration) راکتورهای سریع می توانند سوخت بیشتری از آنچه مصرف می کنند، تولید کنند، که این سوخت بازیافت شده و برای تولید انرژی بکار می رود.
   برای نمونه راکتورهای زاینده سریع می توانند از اورانیوم تخلیه شده که در بالا بحث شد و هم اکنون تصفیه شده و انبار می شوند، استفاده کنند. بنابراین، این محول جانبی غنی سازی اورانیوم می تواند به یک منبع سوخت موجود برای تولید انرژی تبدیل شود و استفاده از منابع اورانیوم طبیعی را تکمیل کند.
   توریم، یک منبع طبیعی فراوان و بسیار پراکنده است که می تواند به عنوان منبع سوخت بکار رود (جدول 2). تخمین موجود از منابع توریم را باید به دو دلیل محافظه کارانه در نظر گرفت:
   - داده ها درباره چین، اروپای مرکزی و شرقی و شوروی سابق منتشر نشده اند.
   - بازار ضعیف تقاضا به لحاظ تاریخی اکتشاف توریم را محدود کرده است.
   این امکان وجود دارد که توریم بسیار بیشتری از آنچه مستند شده است وجود داشته باشد و اگر اکتشاف متوازن صورت گیرد، قابل شناسایی است.
   پیاده سازی این نوآوری های فناوری برای آینده باقی می ماند و نیازمند توسعه و تحقیق قابل توجه و سرمایه گذاری است. هرچند هیچ گونه تجاری راکتورهای زاینده سریع تاکنون عملی نشده است، این گونه راکتورها فرصت خوبی از جنبه استفاده از منابع به شمار می آیند.
  

جدول 2- منابع سوخت هسته ای قابل استفاده در راکتورهای سریع    طول عمر    با توجه به گزینه های فناوری و تخمین منابع، تا چه مدت زمانی ما قادر خواهیم بود انرژی هسته ای تولید کنیم؟ پاسخ به عوامل زیادی بستگی دارد از جمله سطح تقاضای برق. جدول 3 نشان می دهد تا چه مدت زمانی منابع تخمین زده شده قادر خواهند بود برق را با توجه به راکتورهای مختلف و گزینه های فناوری چرخه سوخت تولید کنند. فرضیات عملی در مورد منابع مصرف شده توسط هر فناوری و سطح تقاضا تعیین شده اند. هرچند با تولیدی 10 برابر بزرگتر از سطوح کنونی، منابع کافی برای قرن های متمادی تولید انرژی وجود دارند و توسعه فناوری این دوره ها را بسیار طولانی تر می سازد.    جدول 3- اثر پیشرفت های فناوری بر موجود بودن منابع    نتیجه    منابع اورانیوم بالقوه عظیمی که با استفاده از راکتورهای زاینده سریع احیا می شوند و چرخه های سوخت پایه توریم به آینده ای از انرژی هسته ای اشاره می کنند که می تواند تقاضای پایدار را برآورده کند. با لحاظ کردن سوال " آیا منابع کافی برای برآورده کردن نیازهای نسل حاضر بدون ایجاد اختلال در نسلهای آینده برای برآورده کردن نیازهایشان وجود دارند؟ پاسخ به این سوال بله است. منابع کافی سوخت هسته ای برای برآورده کردن تقاضای انرژی نسل حاضر و نسلهای آینده با سطح تقاضای کنونی و بالاتر از آن وجود دارد. با این وجود برای استفاده از این توان، تلاش و سرمایه گذاری قابل توجهی باید صورت گیرد تا پروژه های معدنی جدید توسعه یابند و فناوری های پیشرفته تازه در زمان مناسب عملی شوند.        منابع    NEA (2002), Uranium 2001: Resources, Production and Demand, OECD, Paris.    IAEA (2001), Analysis of Uranium Supply to 2050, IAEA-SM-362/2 IAEA, Vienna.    NEA (2001), Management of Depleted Uranium, OECD, Paris.    US Energy Information Administration (2002), International Energy Annual 2000, Washington D.C.    NEA (2001), Trends in the Nuclear Fuel Cycle, OECD, Paris.