همه چیز درباره ضایعات هسته‌ای: از منشأ تا مدیریت پایدار
ضایعات هسته‌ای، محصول جانبی رآکتور ها و چالشی برای محیط زیست هستند. آیا دانشمندان با راه‌حل‌های علمی می‌توانند تهدید را به فرصتی پایدار تبدیل کنند؟
ضایعات هسته‌ای
به نقل از خبر سنتر ضایعات هسته‌ای، زباله‌های هسته‌ای و یا پسماند هسته‌ای، همگی واژه‌هایی آشنا هستند که اغلب تصاویری از خطر و آلودگی را تداعی می‌کنند. اما ضایعات هسته‌ای دقیقاً چیست و چرا حائز اهمیت است؟ آیا واقعاً مشکلی حل‌ناشدنی است و یا راه‌حل‌هایی نیز برای مدیریت این قبیل زباله‌ها وجود دارد؟
تصویر رایجی که از ضایعات هسته‌ای در ذهن‌ها به یاد مانده، معمولاً بشکه‌های فلزی زنگ‌زده‌ای را به نمایش می‌گذارد که مواد سبزرنگ رادیواکتیو را به محیط نشت می‌دهند و باعث بیماری‌های جدی مانند سرطان می‌شوند. گاهی این تصویرها موجودات جهش‌یافته‌ای را نیز شامل می‌شوند که مانند زامبی‌ها، تمامی موجودات زنده و محیط زیست را تهدید می‌کنند. اما چنین برداشت‌هایی بیشتر برگرفته از فرهنگ عامه و داستان‌های تخیلی هستند.
امروزه با توجه به تلاش جهانی برای کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی، انرژی هسته‌ای به‌عنوان یکی از گزینه‌های پاک برای تأمین انرژی شناخته می‌شود. به همین دلیل، ضروری است که تصویری واقعی‌تر از ضایعات هسته‌ای و خطرات آن در ذهن داشته باشیم و روش‌های علمی مدیریت آن را نیز بهتر بشناسیم. در ادامه، با ماهیت ضایعات هسته‌ای و نحوه‌ی مدیریت این زباله‌ها آشنا می‌شویم.
ضایعات هسته‌ای چیست؟
به بیان ساده، زباله‌ها و ضایعات هسته‌ای یا رادیواکتیو، به محصول جانبی باقی‌مانده از فعالیت‌های هسته‌ای گفته می‌شود که دیگر کارآمد نیستند، اما همچنان خاصیت رادیواکتیوی دارند. این پسماندها در فرآیندهای مختلفی مانند تولید انرژی در رآکتورهای هسته‌ای، فرآوری و بازفرآوری سوخت، تولید سلاح‌های هسته‌ای، فعالیت‌های پزشکی و پژوهش‌های علمی به وجود می‌آیند.
ضایعات هسته‌ای شامل انواع مختلفی است و ویژگی خاصی دارد: خواص آن با گذشت زمان تغییر می‌کند و به تدریج، به انواع دیگری از ضایعات تبدیل می‌شود. از میان انواع مختلف این زباله‌های هسته‌ای، جدی‌ترین و شناخته‌شده‌ترین نوع، پسماند رادیواکتیوی سطح بالا است که عمدتاً در رآکتورهای هسته‌ای غیرنظامی تولید می‌شود.
ضایعات هسته‌ای چگونه تولید می‌شود؟
سوخت در رآکتورهای هسته‌ای متداول، به شکل قرص‌های کوچک سرامیکی به اندازه‌ی تقریبی یک انگشتانه تولید می‌شود. این قرص‌ها حاوی اورانیوم غنی‌شده هستند که شامل ایزوتوپ شکافت‌پذیر اورانیوم-۲۳۵ است. این قرص‌ها در لوله‌های فلزی مقاومی قرار می‌گیرند که با هم، میله‌های سوخت را تشکیل می‌دهند. سپس این میله‌ها در بسته‌های مستطیلی‌شکل جمع‌آوری می‌شوند.
سپس، بسته‌های سوخت در رآکتور درون آبی غوطه‌ور می‌شوند که به‌عنوان تعدیل‌کننده و خنک‌کننده عمل می‌کند. فرآیند تولید انرژی با شکافت اتم‌های اورانیوم آغاز می‌شود. زمانی که یک اتم اورانیوم-۲۳۵ شکافته می‌شود، دو نوترون آزاد می‌کند. تعدیل‌کننده این نوترون‌ها را آهسته می‌کند تا احتمال برخورد و جذب توسط اتم‌های دیگر اورانیوم-۲۳۵ افزایش یابد. اگر جذب رخ دهد، اتم دوم نیز شکافته می‌شود و دو نوترون دیگر آزاد می‌کند. این فرآیند به شکل زنجیره‌ای ادامه یافته و در نتیجه، واکنش هسته‌ای پایدار را به وجود می‌آورد.
وقتی اتم‌های اورانیوم شکافته می‌شوند، علاوه بر انرژی، به عناصر کوچکتری مانند سزیم-۱۳۷ و استرانسیم-۹۰ تبدیل می‌شوند. سپس، ایزوتوپ‌های رادیواکتیو به مرور زمان وامی‌پاشند و عناصر جدیدی ایجاد می‌کنند. همچنین برخی از اتم‌های اورانیوم-۲۳۸ موجود در سوخت، با جذب نوترون به پلوتونیوم و دیگر عناصر فرا اورانیوم تبدیل می‌شوند.
زمانی که بخش چشمگیری از اورانیوم-۲۳۵ مصرف شود و سوخت دیگر توانایی حفظ واکنش زنجیره‌ای را نداشته باشد، به‌عنوان سوخت مصرف‌شده در نظر گرفته شده و اساساً هدر می‌رود.
چه مقدار زباله هسته‌ای تولید می‌شود؟
یکی از دلایل اصلی جذابیت انرژی هسته‌ای، تراکم بالای انرژی در سوخت است. یک گرم اورانیوم می‌تواند انرژی معادل سه تن زغال‌سنگ آزاد کند. سالانه، در یک رآکتور هسته‌ای بزرگ با ظرفیت یک گیگاوات، کمتر از ۳۰ تن سوخت مصرف‌شده تولید می‌شود. اگر این مقدار را بین افرادی که از انرژی تولیدشده بهره می‌برند تقسیم کنیم، سهم هر نفر معادل یک آجر است. از این مقدار، فقط پنج گرم پس از بازیافت به‌عنوان پسماند سطح بالا باقی می‌ماند.
تابش: تهدید اصلی ضایعات هسته‌ای
مهم‌ترین خطر ضایعات هسته‌ای، تابش است. تابش می‌تواند فقط با نزدیک‌شدن به بدن، به‌شدت آسیب‌زا و حتی کشنده باشد. اما ماهیت تابش چیست و چه مدت ادامه دارد؟
پسماند سطح بالا فقط سه درصد از حجم کل سوخت مصرف‌شده را تشکیل می‌دهد، اما ۹۵ درصد واپاشی پرتوزا یا رادیواکتیویته تولید می‌کند. ضایعات علاوه بر واپاشی پرتوزای شدید، حرارت بسیاری نیز تولید می‌کند که باید با دستگاه‌های کنترل از راه‌دور و تحت محافظت شدید، مدیریت شود.
به‌عنوان مثال، پسماند سطح بالا در زمان خروج از رآکتور، تابشی معادل ۱۰ هزار رم در ساعت ایجاد می‌کند. در مقایسه، فقط ۵۰۰ رم در ساعت برای کشتن انسان کافی است.
واپاشی پرتوزا و نیمه‌عمر
برخلاف ضایعات غیرهسته‌ای مانند آزبست یا آرسنیک، ضایعات هسته‌ای به دلیل واپاشی پرتوزا، با گذشت زمان دچار تغییر می‌شود، زیرا این فرآیند ایزوتوپ‌های موجود در پسماند را به عناصر دیگری تبدیل می‌کند. سرعت واپاشی با «نیمه‌عمر» توصیف می‌شود که مدت زمان فروپاشی نیمی از مقدار یک عنصر است. برای مثال، ید-۱۳۱ نیمه‌عمری حدود ۸ روز دارد اما نیمه‌عمر پلوتونیوم-۲۳۹ حدود ۲۴ هزار سال است.
در نگاه اول، ممکن است ید-۱۳۱ به دلیل نیمه‌عمر کوتاهش ایمن‌تر به نظر برسد، اما این تصور درست نیست. ید-۱۳۱ تابش بسیار شدیدی تولید می‌کند، در حالی که پلوتونیوم با شدت کمتری پرتوزا است. با این حال، پلوتونیوم فقط زمانی خطرناک می‌شود که وارد بدن شود و به سلول‌های داخلی آسیب برساند.
مدیریت سوخت مصرف‌شده
سوخت مصرف‌شده پس از خروج از رآکتور، برای کاهش خطرات، در استخرهای ذخیره‌سازی زیر آب در محل رآکتور نگهداری می‌شود. این فرآیند باعث می‌شود که ایزوتوپ‌های خطرناک به‌مرور زمان واپاشی کنند. در طی ۴۰ سال، واپاشی پرتوزای سوخت به یک‌هزارم مقدار اولیه کاهش می‌یابد. پس از هزار تا ۱۰ هزار سال، سطح واپاشی پرتوزای سوخت به اندازه‌ی سنگ معدنی اولیه کاهش پیدا می‌کند.
اما کاهش طولانی‌مدت، ناشی از تبدیل سوخت مصرف‌شده به عناصر ترانس‌یورانیک یا عناصر فرااورانیکی است. این فرآیند باعث می‌شود که پسماند سطح بالا به پسماند سطح میانی تبدیل شود که خطر کمتری دارد. به همین دلیل، مدیریت پسماند سطح بالا به معنای مدیریت هم‌زمان پسماند سطح میانی نیز هست.
روش‌های دفع ضایعات هسته‌ای
اما پسماند سطح بالا چگونه دفع می‌شود و چه روش‌هایی برای مدیریت این ضایعات وجود دارد؟ روش‌های مختلفی برای دفع پسماند سطح بالا پیشنهاد شده است که بعضی از آن‌ها حتی از رویکردهای کاربردی کنونی بسیار ساده‌تر هستند. از جمله‌ی این روش‌ها، می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
روش دفن در کلاهک یخی جنوبگان: پسماند را در محفظه‌های فولادی مهر‌و‌موم‌شده قرار داده و در مناطقی پایدار از کلاهک یخی قطب دفن می‌کنند. این پسماند با ذوب یخ به زیر چند کیلومتر یخ نفوذ می‌کنند و تا ۱۰۰ هزار سال در آن‌جا باقی می‌ماند.
دفن در محل تلاقی صفحات تکتونیکی: پسماند در شفت‌های عمیقی دفن می‌شود که در محل تلاقی صفحات زمین‌ساختی قرار دارند و به تدریج به درون گوشته‌ی مذاب زمین سر می‌خورند.
رهاسازی در اعماق اقیانوس: ساده‌ترین راه این است که محفظه‌های پسماند در دارت‌هایی با نوک سربی قرار داده شده و به سمت بستر اقیانوس رها شوند. این دارت‌ها در رسوبات عمیق بستر آب دفن می‌شوند. در دهه‌ی ۱۹۶۰، این روش به‌طور غیرعمدی توسط نیروی دریایی ایالات متحده در حوادث زیردریایی‌های هسته‌ای اسکورپیون و ترشر به کار رفت.
