غنیسازی: چگونه اورانیوم را برای استفاده مفید آماده میکنیم؟
اورانیوم طبیعی: نقطه شروع
اورانیوم یک عنصر سنگین و کمیاب است که در پوسته زمین یافت میشود. اما تمام اتمهای اورانیوم یکسان نیستند. به اتمهای یک عنصر که تعداد نوترون5های متفاوتی دارند، ایزوتوپ میگویند. اورانیوم طبیعی عمدتاً از دو ایزوتوپ تشکیل شده است:
| نام ایزوتوپ | نماد | سهم در اورانیوم طبیعی | ویژگی کلیدی |
|---|---|---|---|
| اورانیوم-238 | $^{238}U$ | 99.3% | شکافتپذیر نیست (در راکتورهای خاص قابل تبدیل به سوخت است) |
| اورانیوم-235 | $^{235}U$ | 0.7% | ایزوتوپ شکافتپذیر |
شکافت هستهای فرآیندی است که در آن هسته یک اتم سنگین (مانند اورانیوم-235) به دو هسته سبکتر شکافته میشود و همراه با آن، مقدار عظیمی انرژی و چند نوترون آزاد میشود. این نوترونهای آزاد شده میتوانند به هستههای دیگر اورانیوم-235 برخورد کرده و شکافتهای بعدی را ایجاد کنند و یک واکنش زنجیرهای6 کنترلشده را به راه بیندازند که منبع تولید انرژی است.
چرا غنیسازی ضروری است؟
درصد بسیار کم اورانیوم-235 در طبیعت (0.7%) برای حفظ یک واکنش زنجیرهای پایدار و مؤثر در اکثر راکتورهای نیروگاهی کافی نیست. برای اینکه راکتور بهطور مداوم کار کند، باید احتمال برخورد نوترونها به هسته اورانیوم-235 افزایش یابد. این کار با افزایش غلظت (درصد) همین ایزوتوپ در سوخت انجام میشود. بهطور کلی، هدف غنیسازی، تولید اورانیومی با درصد $^{235}U$ بالاتر از حد طبیعی است.
مراحل آمادهسازی اورانیوم برای غنیسازی
اورانیوم قبل از ورود به مرحله غنیسازی، باید مسیر طولانی را طی کند:
۱. استخراج: اورانیوم از معادن استخراج میشود.
۲. تولید کیک زرد7: سنگ معدن طی فرآیندهای شیمیایی تصفیه شده و به اکسید اورانیوم ($U_3O_8$) تبدیل میشود که به آن «کیک زرد» میگویند.
۳. تبدیل به گاز: کیک زرد در کارخانههای تبدیل، به گاز هگزافلوراید اورانیوم8 ($UF_6$) تبدیل میشود. این ترکیب در دمای کمی بالا (حدود 56.5 درجه سانتیگراد) به گاز تبدیل میشود و همین ویژگی، آن را برای فرآیندهای غنیسازی مبتنی بر تفاوت جرم ایدهآل میکند.
روش سانتریفیوژ گازی: موتور محرکه اصلی غنیسازی
رایجترین و کارآمدترین روش صنعتی برای غنیسازی اورانیوم، استفاده از سانتریفیوژ گازی است. این روش از یک اصل فیزیکی ساده استفاده میکند: مولکولهای سنگینتر در میدان گریز از مرکز، به سمت بیرون و مولکولهای سبکتر به سمت مرکز متمایل میشوند.
مولکول گاز $UF_6$ حاوی اورانیوم-235، از مولکول همان گاز حاوی اورانیوم-238 اندکی سبکتر است (تفاوت فقط ۳ نوترون). سانتریفیوژ یک استوانهٔ بسیار سریعچرخنده است. وقتی گاز وارد آن میشود، نیروی گریز از مرکز عظیم، مولکولهای سنگینتر (حاوی U-238) را به دیواره بیرونی و مولکولهای سبکتر (حاوی U-235) را به مرکز سانتریفیوژ میراند.
با جمعآوری گاز از ناحیه مرکزی، غلظت U-235 اندکی افزایش مییابد. اما این افزایش در یک سانتریفیوژ بسیار ناچیز است. بنابراین، هزاران سانتریفیوژ به صورت آبشار9 به هم متصل میشوند. خروجی هر مرحله، به عنوان ورودی مرحله بعدی استفاده میشود و این فرآیند بارها و بارها تکرار میشود تا به درصد مطلوب برسد.
سطوح مختلف غنیسازی و کاربردها
همه اورانیوم غنیشده یکسان نیستند. سطح غنیسازی (درصد U-235) تعیینکننده کاربرد نهایی آن است.
| نام | درصد اورانیوم-235 | کاربرد اصلی | وضعیت |
|---|---|---|---|
| اورانیوم طبیعی | ~0.7% | برخی راکتورهای خاص (مثل CANDU) | غیرغنی |
| اورانیوم غنیشده پایین (LEU)10 | 0.72% - 5% | سوخت نیروگاههای هستهای تولید برق (عموماً ۳-۵٪) | کاربرد صلحآمیز |
| اورانیوم غنیشده بالا (HEU)11 | 20% به بالا (معمولاً ۹۰٪+ برای تسلیحات) | سوخت برخی راکتورهای تحقیقاتی، زیردریاییهای هستهای، سلاحهای هستهای | کاربرد حساس/نظامی |
از معدن تا نیروگاه: یک مثال عینی
تصور کنید یک کشور میخواهد برای یک نیروگاه هستهای هزار مگاواتی سوخت تهیه کند. مسیر تقریباً اینگونه است:
مرحله اول (استخراج): حدود 200,000 تن سنگ معدن اورانیوم استخراج میشود.
مرحله دوم (تولید کیک زرد): از این مقدار، تقریباً 1,000 تن کیک زرد بهدست میآید.
مرحله سوم (تبدیل به گاز): این کیک زرد به حدود 650 تن گاز هگزافلوراید اورانیوم تبدیل میشود.
مرحله چهارم (غنیسازی): این گاز به تالارهای غنیسازی با هزاران سانتریفیوژ پمپ میشود. پس از ماهها چرخش در آبشار سانتریفیوژها، حدود 120 تن گاز $UF_6$ غنیشده به میزان 4% اورانیوم-235 تولید میشود. باقی مانده (حدود 530 تن) اورانیوم ضعیفشده12 (DU) است که اورانیوم-235 آن بسیار کم است و برای این هدف کنار گذاشته میشود.
مرحله پنجم (تولید میله سوخت): گاز غنیشده مجدداً به اکسید اورانیوم جامد تبدیل شده و در قالب قرصهای سرامیکی فشرده قرار میگیرد. این قرصها در داخل لولههای فلزی بلند (میله سوخت) چیده میشوند. مجموعهای از این میلهها، مونتاژ سوخت را تشکیل میدهند که به نیروگاه فرستاده میشود.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: خیر. غنیسازی تنها تهیه سوخت است. تولید انرژی در راکتور هستهای و طی فرآیند شکافت کنترلشده رخ میدهد. غنیسازی یک مرحله مقدماتی ضروری برای بسیاری از کاربردهای هستهای (هم صلحآمیز و هم نظامی) است.
پاسخ: قطعاً خیر. برای ساخت یک سلاح هستهای، به اورانیوم غنیشده در سطح بسیار بالا (بیش از 90%) نیاز است. اورانیوم غنیشده پایین (3-5%) مورد استفاده در نیروگاهها، به هیچ وجه قابلیت انفجار هستهای ندارد. شرایط فیزیکی بسیار خاصی برای ایجاد یک انفجار هستهای لازم است که در سوخت نیروگاهها فراهم نیست.
پاسخ: اورانیوم ضعیفشده محصول جانبی و حجمبالای فرآیند غنیسازی است که درصد U-235 آن حتی از اورانیوم طبیعی هم کمتر است (معمولاً حدود 0.2-0.3%). این ماده رادیواکتیو ضعیفی است که به دلیل چگالی بسیار بالا، در موارد غیرهستهای مانند ساچمههای ضدزره، تعادلوزن در هواپیما و حفاظهای پرتویی در پزشکی استفاده میشود. ذخیرهسازی ایمن آن نیز یک چالش زیستمحیطی است.
پاورقی
1غنیسازی (Enrichment): فرآیند افزایش درصد یک ایزوتوپ خاص در یک مخلوط از ایزوتوپهای یک عنصر.
2ایزوتوپ (Isotope): اتمهای یک عنصر با عدد اتمی یکسان (تعداد پروتون برابر) اما عدد جرمی متفاوت (تعداد نوترون مختلف).
3شکافت هستهای (Nuclear Fission): شکستن هسته یک اتم سنگین به دو یا چند هسته سبکتر، همراه با آزادسازی انرژی و نوترون.
4سانتریفیوژ گازی (Gas Centrifuge): دستگاهی که با چرخش با سرعت بسیار بالا، اجزای یک گاز را بر اساس تفاوت جرم جدا میکند.
5نوترون (Neutron): ذرهای بدون بار که در هسته اتم یافت میشود.
6واکنش زنجیرهای (Chain Reaction): واکنشی که در آن محصولات یک مرحله (مثلاً نوترونها)، موجب وقوع همان واکنش در مراحل بعدی میشوند.
7کیک زرد (Yellowcake): نام متداول برای اکسید اورانیوم غلیظ شده ($U_3O_8$) که در مراحل اولیه فراوری اورانیوم بهدست میآید.
8هگزافلوراید اورانیوم (Uranium Hexafluoride - $UF_6$): ترکیب شیمیایی اورانیوم و فلورین که در دمای معمولی جامد و در دمای کمی بالا گاز میشود. فرم استاندارد اورانیوم برای فرآیند غنیسازی گازی.
9آبشار (Cascade): آرایشی از تعداد زیادی سانتریفیوژ که به صورت سری و موازی به هم متصل شدهاند تا بازده جداسازی را به تدریج افزایش دهند.
10اورانیوم غنیشده پایین (Low Enriched Uranium - LEU): اورانیومی که درصد وزنی اورانیوم-235 در آن کمتر از 20% است.
11اورانیوم غنیشده بالا (High Enriched Uranium - HEU): اورانیومی که درصد وزنی اورانیوم-235 در آن 20% یا بیشتر است.
12اورانیوم ضعیفشده (Depleted Uranium - DU): اورانیومی که درصد اورانیوم-235 در آن کمتر از اورانیوم طبیعی (0.7%) است. محصول فرعی فرآیند غنیسازی.
