اورانیوم غنی شده چیست؟ و اصلا اورانیوم چگونه غنی می شود؟ چه روشهایی برای غنی سازی اورانیوم وجود دارند؟ ما ادر این مقاله جامع سعی داریم تا به این سوالات پاسخ دهیم. اورانیوم سه ایزوتوپ دارد که مانند ایزوتوپهای همه عناصر از لحاظ جرمی با یکدیگر تفاوت دارند. اورانیوم تازه استخراج شده شامل ایزوتوپهای زیر هستند:
- 99.3 درصد از اورانیوم 238 (U238)
- 0.7 درصد از اورانیوم 235 (U235)
- کمتر از 0.01 درصد از اورانیوم 234 (U234)
جرم این ایزوتوپها با در نظرگیری تعداد پروتونهای اورانیوم و تعداد نوترونهای این ایزوتوپها تعیین می شود. 92 پروتون در اورانیوم وجود دارد از این رو U238 دارای 146 نوترون، U235 دارای 143 و U234 دارای 142 نوترون است. در صورت فراهم سازی شرایط مناسب و استفاده از مواد مناسب، امکان جداسازی این ایزوتوپها از یکدیگر وجود دارد. چرا که اندازه و وزن آنها در سطح اتمی متفاوت است.
در این مطلب موضوعات زیر را مطالعه خواهید کرد:
اورانیوم چگونه غنی می شود؟
قبل از استفاده از اورانیوم به عنوان سوخت در راکتورهای هسته ای، ابتدا باید اورانیوم غنی شده تولید شود. به عبارتی باید غلظت U235 در سنگ معدن آن افزایش یابد. U235 تغلیظ شده (غنی شده) را می توان در راکتورها با استفاده از آب سبک (آب معمولی) تکه تکه کرد. در نتیجه چنین شکافت هسته ای، که در آن هسته اتم به دو قسمت تقسیم می شود، گرما آزاد می شود و نوترونهای جدید تولید می شوند. در همین حال، اگر شرایط مساعد ایجاد شود، اتمهای همسایه نیز تحت شکافت قرار می گیرند و راکتورهای هسته ای می توانند به طور پایدار کار کنند. اگرچه U235 تنها 0.7 درصد از مواد معدنی استخراج شده را به خود اختصاص می دهد، اما این نسبت برای مصارف تجاری به محدوده 3 تا 5 درصد افزایش می یابد و سپس برای تولید سوخت هسته ای فرآوری می شود.
اکسید اورانیوم قبل از استفاده در کارخانه های غنی سازی به هگزافلوئورید اورانیوم (UF6) تبدیل می شود. دو دلیل وجود دارد که چرا UF6 را در این فرآیند ترجیح می دهند. اول اینکه وجود تنها یک ایزوتوپ طبیعی فلوئور، غنی سازی را تسهیل می کند؛ زیرا وجود فلوئور در هنگام جداسازی U235 از U238 تفاوت وزن اضافی ایجاد نمی کند. دلیل دوم اینکه UF6 ممکن است به شکل گاز در دمای مناسب برای پردازش وجود داشته باشد.
روشهای غنی سازی اورانیوم
اگرچه روشهای مورد استفاده برای تولید اورانیوم غنی شده از کشوری به کشور دیگر متفاوت است، اما در حالت کلی روشهای غنی سازی اورانیوم شامل سه روش اصلی انتشار گاز، سانتریفیوژ گاز و جداسازی لیزری هستند.
روش انتشار گاز
نیروگاه های تجاری آمریکا برای اولین بار از روش انتشار گاز برای تولید اورانیوم غنی شده استفاده کردند و بدین منظور مقادیر زیادی برق مصرف نمودند. اما در حال حاضر با پیشرفتهایی که در روش سانتریفیوژ انجام می شود، این نیروگاه ها با نیروگاه هایی جایگزین شدند که از فناوری نسل دوم استفاده می کنند و می توانند اورانیوم را با مصرف برق بسیار کمتری غنی سازی نمایند. در نیروگاه هایی که از روش انتشار گاز برای تولید اورانیوم غنی شده استفاده می شد، گاز هگزا فلوراید اورانیوم (UF6) فیلتر شد. برای این کار از لوله هایی با غشاهای مخصوص طراحی شده برای نفوذ پذیر استفاده شد و UF6 به داخل این لوله ها پمپ شد.
با این حال، سوراخهای این غشاها برای قرارگیری مولکولهای گاز بسیار کوچک بودند. اما این موضوع مانع از غنی سازی اورانیوم نشد. چرا که مولکولهای UF6 با اتمهای U234 و U235 در مقایسه با مولکولهای داری اتمهای U238 سبک تر و در زمان کوتاه تری منتشر می شوند. برای اینکه در طی فرآیند تولید اورانیوم غنی شده، گاز UF6 آزاد شده به اندازه کافی فیلتر شود، یا به عبارت دیگر U235 کافی را داشته باشد، باید نه از یک بلکه از صدها غشا عبور کند. UF6 برای استفاده در سوخت هسته ای، پس از عبور از فیلتر، از لوله ها خارج و به حالت مایع متراکم می شود و به ظروف منتقل می گردد. این ماده در آنجا سرد و جامد می شود و سپس به تاسیسات تولید سوخت ارسال می گردد.
روش سانتریفیوژ گاز
در کشور آمریکا، اورانیوم غنی شده از نظر تجاری فقط با روش سانتریفیوژ گاز تولید می شود. در این روش گاز UF6 با سرعت بالا در سیلندر گریز از مرکز گاز می چرخد. با اثر نیروی گریز از مرکز نشان داده شده توسط این حرکت، مولکولهای UF6 حاوی اتم U238 در لبه استوانه سنگین تر می شوند. مولکولهای حاوی اتم U235 نیز به دلیل وزن سبک تر در مرکز سیلندر جمع آوری می شوند. جریانی که از شدت آن کم می شود و قدرت خود را از دست می دهد به مرحله پایین تری تغذیه می شود. نیروگاه های سانتریفیوژ گاز سیلندرهای زیادی دارند. اتصال متوالی و موازی این استوانه ها در خطوط طولانی به عنوان آبشار شناخته می شود. دستیابی به غنای مطلوب مولکول UF6 در نقطه پایانی صورت می گیرد.
روش جداسازی لیزری
روش دیگری که برای تولید اورانیوم غنی شده از طریق جداسازی ایزوتوپهای آن استفاده می شود، روش لیزری است که در حال حاضر نیز به تکامل خود ادامه می دهد. مولکولها زیر پرتو لیزر با تحریک نور برانگیخته می شوند. در نتیجه افزایش انرژی در الکترونهای یک ایزوتوپ خاص، محیطی مناسب برای جداسازی آنها تشکیل می شود. در این روش از سه سیستم اصلی سیستمهای لیزری، سیستمهای نوری و سیستم ماژول جدا کننده استفاده می کنند. با استفاده از لیزرهای پالسی قابل تنظیم، می توان نوری را به دست آورد که آن را تا حد زیادی تک رنگ (نور تک رنگ) در نظر می گیرند. به لطف این نورها، فقط نوع خاصی از ایزوتوپ را می توان فوتیونیزه کرد، در حالی که انواع دیگر ایزوتوپها پایدار می مانند.
سوالات متداول اورانیوم غنی شده چیست؟
1- چرا از اورانیوم 238 به منظور تولید اورانیوم غنی شده استفاده نمی کنند؟
چون این ایزوتوپ سنگین اورانیوم قابلیت شکافت پذیری مطلوبی ندارد. به عبارتی هسته آن نمی تواند به راحتی شکافته شود و انرژی هسته ای و واکنش انرژی هسته ای زیر بنایی را آغاز کند.
2- آیا اورانیوم در طبیعت به شکل آزاد یافت می شود؟
خیر، این عنصر در ترکیب با عناصر دیگر و به صورت مواد معدنی اورانیوم دار وجود دارد و هرگز به شکل آزاد در طبیعت یافت نمی شود. شما می توانید جهت مطاله بیشتر در خصوص اورانیوم و شناخت کامل آن به مطلب ” اورانیوم چیست؟ ” مراجعه کنید.
3- واکنش فوق بحرانی در فرآیندهای هسته ای بر مبنای اورانیوم غنی شده به چه معناست؟
در یک بمب هستهای، شکافت با سرعت فزاینده ای اتفاق میافتد تا زمانی که انرژی در یک انفجار غول پیکر آزاد شود. این پروسه به عنوان واکنش فوق بحرانی شناخته می شود. برای انجام این واکنش فوق بحرانی به غلظتهای بالاتری از اورانیوم 235 نسبت به تولید انرژی هسته ای نیاز است.
4- آیا می توان توریم را به عنوان جایگزین مناسب برای اورانیوم در نظر گرفت؟
خیر، نیروگاه های هسته ای مبتنی بر توریم هنوز در جهان به بهره برداری اقتصادی نرسیده اند.
5- چند درصد اورانیوم در داخل کیک زرد وجود دارد؟
خمیر یا کیک زرد باید حداقل دارای 60% اورانیوم باشد.
