غنی‌سازی اورانیوم از سنگ اورانیوم تا بمب اتم
غنی سازی اورانیوم
استخراج سنگ معدن اورانیوم
اورانیوم به‌صورت سنگ اورانیوم به‌طور طبیعی در سراسر جهان یافت میشود اما تنها حجم کوچکی از آن به‌صورت متراکم در معادن موجود است، و از طریق استخراج از معادن زیر زمینی یا سر باز به‌دست می‌آید.اورانیوم فلزی است به رنگ سفید مایل به نقره‌ای، سنگین، که در سراسر پوسته سخت زمین موجود است. اورانیوم رادیواکتیو و پرتو زاست ولی فراوانی آن در طبیعت حتی از عناصری از قبیل جیوه، طلا و نقره نیز بیشتر است. این فلز حدوداً ۵۰۰ بار از طلا فراوان‌تر و به‌اندازه قوطی حلبی معمولی و عادی است. اورانیوم به‌اندازه‌ای در صخره‌ها و خاک و زمین وجود دارد که در آب رودخانه‌ها، دریاها و اقیانوسها نیز موجود است.
در میان کشورهای مختلف جهان، استرالیا دارای بزرگترین معادن اورانیوم است و کشورهای قزاقستان، کانادا، آفریقای جنوبی، نامیبیا، برزیل و روسیه نیز از معادن بزرگی برخوردارند.
غنی‌سازی اورانیوم فراوری سنگ معدن اورانیوم
سنگ معدن اورانیوم بعد از استخراج، در آسیابهایی خرد و به شکل پودر در می‌آید و سپس پودر به‌دست آمده برای تولید ماده موسوم به کیک زرد مورد استفاده قرار میگیرد. کیک زرد در واقع محصول فراوری سنگ معدن اورانیوم است و به ترکیباتی از اورانیوم گفته میشود که ناخالصی‌های معدنی آن به میزان زیادی گرفته شده است. کیک زرد دارای خاصیت رادیو اکتیویته است و ۶۰ تا ۷۰ درصد آن را اورانیوم تشکیل می‌دهد.عنصر اورانیوم در طبیعت دارای ایزوتوپهای مختلف از جمله دو ایزوتوپ مهم و پایدار اورانیوم ۲۳۵ و اورانیوم ۲۳۸ است.
تعداد نوترونها در اتمهای مختلف یک عنصر همواره یکسان نیست که برای مشخص کردن آنها از کلمه ایزوتوپ استفاده میشود. بنابراین اتمهای مختلف یک عنصر را ایزوتوپ می‌گویند.
غنی‌سازی اورانیوم - تعریف
غنی‌سازی اورانیوم یکی از مراحل چرخه سوخت هسته‌یی است. عملی است که به‌واسطهٔ آن در یک تودهٔ اورانیوم طبیعی مقدار ایزوتوپ ۲۳۵U بیشتر شود و مقدار ایزوتوپ ۲۳۸U کمتر گردد. ایزوتوپهای اورانیوم می‌توانند از هم جدا شوند تا تمرکز یک ایزوتوپ بر دیگری را افزایش دهند. این فرایند غنی‌سازی نام دارد.ایزوتوپهای اورانیوم
تعداد نوترونها در اتمهای مختلف یک عنصر همواره یکسان نیست و برای مشخص کردن آنها از کلمه ایزوتوپ استفاده میشود. بنابراین اتمهای مختلف یک عنصر را ایزوتوپ می‌گویند. مثلاً عنصر هیدروژن سه ایزوتوپ دارد: هیدروژن معمولی که فقط یک پروتون دارد و فاقد نوترون است.غنی‌سازی اورانیوم - هدف
هدف از غنی‌سازی، تولید اورانیومی است که دارای درصد بالایی از ایزوتوپ ۲۳۵U باشد. این ایزوتوپ در طبیعت بسیار نادر است به‌طوری‌که از هر ۱۰۰۰ اتم اورانیوم موجود در طبیعت تنها هفت اتم از نوع ۲۳۵U بوده و مابقی از نوع سنگینتر ۲۳۸U است.اورانیوم ۲۳۵U یا ۲۳۸U که هر دو دارای تعداد پروتون یکسانی بوده و تنها تفاوتشان در سه نوترون اضافه‌ای است که در هسته ۲۳۸U وجود دارد. اعداد ۲۳۵ و ۲۳۸ بیانگر مجموع تعداد پروتونها و نوترونها در هسته هر کدام از این دو ایزوتوپ است.
اورانیوم طبیعی (که به‌شکل اکسید اورانیوم است) شامل ۹۹٫۳٪ از ایزوتوپ ۲۳۸U و ۰٫۷٪ از ۲۳۵U است. ایزوتوپ ۲۳۵U اورانیوم قابل شکافت و مناسب برای بمبها و نیروگاههای هسته‌یی است. چرا که بالاترین بازدهی در فرایند زنجیره‌یی شکافت هسته را دارد.
ایزوتوپ 238U باقی‌مانده را اورانیوم ضعیف‌شده می‌نامند و نوعی زباله اتمی است. به‌خاطر سختی زیاد و آتش‌گیری و ویژگی‌های دیگر، از آن در ساختن گلوله‌های ضد زره استفاده میکنند. اورانیوم ضعیف‌شده، ایزوتوپ238U نیز هم‌چنان پرتوزا است.
اورانیوم مورد استفاده در راکتورهای اتمی حاوی ۲ تا ۳ درصد اورانیوم ۲۳۵ باشد، در حالی که اورانیومی که در ساخت بمب اتمی بکار می‌رود حداقل باید حاوی ۹۰ درصد اورانیوم ۲۳۵ باشد.
غنی‌سازی اورانیوم - انواع اورانیوم
- اورانیوم با غنای پایین که میزان ۲۳۵U آن کمتر از 20% ولی بیشتر از 7% است. سوخت بیشتر نیروگاههای هسته‌یی بین ۳ تا ۵ درصد ۲۳۵U است.- اورانیوم با غنای بالا که ۲۳۵U در آن بیشتر از 20% و حتی در مواردی بیش از 98% است و مناسب برای کاربردهای دارویی و نظامی و ساخت بمبهای هسته‌یی است.
غنی‌سازی اورانیوم با انواع روشها
-غنی‌سازی با استفاده از دستگاههای سانتریفوژ-غنی‌سازی به روش دیفیوژن یا روش انتشاری
-غنی‌سازی با لیزر
-غنی‌سازی اورانیوم با استفاده از دستگاههای سانتریفوژ
سانتریفوژ دستگاهی است که برای جدا سازی مواد از یکدیگر بر اساس وزن آنها استفاده میشود. این دستگاه مواد را با سرعت زیاد حول یک محور به گردش در می‌آورد. مواد از محور فاصله می‌گیرند. در واقع در این روش برای جدا سازی مواد از یکدیگر از شتاب ناشی از نیروی گریز از مرکز استفاده می‌گردد.
سانتریفوژ از اتاقکی سیلندری شکل تشکیل شده که با سرعت بسیار زیاد حول محور خود می‌چرخد. هنگامی که گاز هگزا فلوراید اورانیوم به داخل این سیلندر دمیده شود نیروی گریز از مرکز ناشی از چرخش آن باعث میشود که مولکولهای سبکتری که حاوی اورانیوم ۲۳۵ است در مرکز سیلندر متمرکز شوند و مولکولهای سنگین‌تری که حاوی اورانیوم ۲۳۸ هستند در پایین سیلندر انباشته شوند.
اورانیوم ۲۳۵ غنی شده‌ای که از این طریق به‌دست می‌آید سپس به داخل سانتریفوژ دیگری دمیده میشود تا درجه خلوص آن باز هم بالاتر رود. این عمل بارها و بارها توسط سانتریفوژهای متعددی که به‌طور سری به یکدیگر متصل می‌شوند تکرار میشود تا جایی که اورانیوم ۲۳۵ با درصد خلوص مورد نیاز به‌دست آید. در این فرایند باید هزاران سانتریفوژ کنار هم قرار بگیرند تا بتوانیم اورانیوم را غنی کنیم؛ یعنی با یک یا چند سانتریفوژ نمی‌توان اورانیوم را غنی کرد.
غنی‌سازی اورانیوم روش موسوم به دیفیوژن یا روش انتشاری
در این روش گاز هگزا فلوراید اورانیوم به داخل ستونهایی که جدار آنها از اجسام متخلخل تشکیل شده دمیده میشود. سوراخهای موجود در جسم متخلخل باید قدری از قطر مولکول هگزا فلوراید اورانیوم بزرگتر باشد.
در نتیجه این کار مولکولهای سبکتر حاوی اورانیوم ۲۳۵ با سرعت بیشتری در این ستونها منتشر شده و تفکیک می‌شوند. این روش غنی‌سازی نیز باید مانند روش سانتریفوژ بارها و باره تکرار شود.
غنی‌سازی اورانیوم با لیزر
در این روش با استفاده از لیزر اورانیوم‌های ۲۳۵ را باردار کرده و با میدان مغناطیسی از هم جدا میکنند. روش لیزر جهت جداسازی ایزوتوپ ها ابتدا در دوران جنگ جهانی دوم مورد استفاده قرار گرفت ولی نسبت به دیگر روشها توفیق زیادی را به‌دست نیاورده است.
غنی‌سازی اورانیوم راکتور هسته‌یی
راکتور هسته‌یی وسیله‌ایست که در آن فرایند شکافت هسته‌یی به‌صورت کنترل شده انجام میگیرد. انرژی حرارتی به‌دست آمده از این طریق را می‌توان برای بخار کردن آب و به گردش درآوردن توربینهای بخار ژنراتورهای الکتریکی مورد استفاده قرار داد.
اورانیوم غنی شده، معمولاً به‌صورت قرصهایی که سطح مقطعشان به‌اندازه یک سکه معمولی و ضخامتشان در حدود دو و نیم سانتیمتر است در راکتورها به مصرف می‌رسند. این قرصها روی هم قرار داده شده و میله‌هایی را تشکیل می‌دهند که به میله سوخت موسوم است. میله‌های سوخت سپس در بسته‌های چند تایی دسته‌بندی شده و تحت فشار و در محیطی عایق‌بندی شده نگهداری می‌شوند.
در بسیاری از نیروگاهها برای جلوگیری از گرم شدن بسته‌های سوخت در داخل راکتور، این بسته‌ها را داخل آب سرد فرو می‌برند. در نیروگاههای دیگر برای خنک نگه‌داشتن هسته راکتور، یعنی جایی که فرایند شکافت هسته‌یی در آن رخ می‌دهد، از فلز مایع (سدیم) یا گاز دی اکسید کربن استفاده میشود.
غنی‌سازی اورانیوم - بمب اورانیومی
یکی از ساده‌ترین شیوه‌های ساخت بمب اتمی استفاده از طرحی موسوم به ”تفنگی“ است که در آن گلوله کوچکی از اورانیوم که از جرم بحرانی کمتر بوده به سمت جرم بزرگتری از اورانیوم شلیک میشود بگونه‌ای که در اثر برخورد این دو قطعه، جرم کلی، فوق بحرانی شده و باعث آغاز واکنش زنجیره‌یی و انفجار هسته‌یی میشود. یعنی با ایجاد یک جرم فوق بحرانی (از اورانیوم یا پلوتونیوم) می‌توان طی یک واکنش زنجیره‌یی مداوم و کنترل نشده، مقادیر متنابهی انرژی حرارتی آزاد کرد. کل این فرایند در کسر کوچکی از ثانیه رخ می‌دهد. این انرژی با استفاده از رابطه ۲E=MC یعنی رابطه جرم و انرژی که آلبرت اینشتین نخستین بار آن را کشف کرد قابل محاسبه است.
جهت تولید سوخت مورد نیاز بمب اتمی، هگزا فلوراید اورانیوم غنی شده را ابتدا به اکسید اورانیوم و سپس به شمش فلزی اورانیوم تبدیل میکنند. انجام این کار از طریق فرایندهای شیمیایی و مهندسی نسبتاً ساده‌ای امکانپذیر است.
برای تهیه بمب اتمی حداقل 5 تا 6 کیلوگرم اورانیوم ۲۳۵ صددرصد خالص نیاز است.
قدرت انفجار یک بمب اتمی معمولی حداکثر ۵۰ کیلو تن است، اما با کمک روش خاصی می‌توان قدرت بمب را افزایش داد.
غنی‌سازی اورانیوم - بمب پلوتونیومی
استفاده از پلوتونیوم به جای اورانیوم در ساخت بمب اتمی مزایای بسیاری دارد. تنها چهار کیلوگرم پلوتونیوم برای ساخت بمب اتمی با قدرت انفجار ۲۰ کیلو تن کافی است. در عین‌حال با تأسیسات بازفراوری نسبتاً کوچکی می‌توان چیزی حدود ۱۲ کیلوگرم پلوتونیوم در سال تولید کرد.
برای تولید پلوتونیوم، در جریان بازیافت اورانیوم از سوخت هسته‌یی مصرف شده در راکتور از عملیات شیمیایی موسوم به بازفراوری استفاده میشود. در این عملیات، ابتدا پوسته فلزی میله‌های سوخت مصرف شده را جدا کرده و سپس آنها را در داخل اسید نیتریک داغ حل میکنند. در نتیجه این عملیات، 1% پلوتونیوم، 3% مواد زائد به‌شدت رادیو اکتیو و 96% اورانیوم به‌دست می‌آید که دوباره می‌توان آن را در راکتور به مصرف رساند.
راکتورهای نظامی این کار را به‌طور بسیار موثرتری انجام می‌دهند. نکته قابل‌توجه این است که راکتور و تأسیسات باز فراوری مورد نیاز برای تولید پلوتونیوم را می‌توان بسادگی پنهان کرد. به همین دلیل، تولید پلوتونیوم به این طریق، خطری برای گسترش تسلیحات اتمی توسط کشورهایی است که در پی کسب مخفیانه بمب اتمی، فعالیت میکنند.
