غنی سازی اورانیوم
شنبه 29 آبان 1389 6:59 AM
مقدمه
سنگ معدن اورانیوم موجود در طبیعت از دو ایزوتوپ به مقدار 0.7 درصد و به مقدار 3.99 درصد تشکیل شده است. سنگ معدن را ابتدا در اسید حل کرده و بعد از تخلیص فلز ، اورانیوم را بصورت ترکیب با اتم فلوئور () و بصورت مولکول اورانیوم هگزا فلوراید تبدیل میکنند که به حالت گازی است. سرعت متوسط مولکولهای گازی با جرم مولکولی گاز نسبت عکس دارد.
غنی سازی با دستگاه سانتریفیوژ
سانتریفیوژ 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 و مواد متناسب با وزنی که دارند 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، کاربرد عمومی این دستگاه برای جداسازی مایع از مایع و یا مایع از جامد است. سانتریفیوژهایی که برای غنی سازی اورانیوم استفاده میشود حالت خاصی دارند که برای گاز تهیه شدهاند که به آنها Hyper-Centrifuge گفته میشود. پیش از آنکه دانشمندان از این روش برای غنی سازی اورانیوم استفاده کنند از تکنولوژی خاصی بنام Gaseous Diffusion به معنی پخش و توزیع گازی استفاده میکردند.
غنی سازی با دیفوزیون گازی Gaseous Diffusion
گراهان در سال 1864 پدیدهای را کشف کرد که در آن سرعت متوسط مولکولهای گاز با معکوس جرم مولکولی گاز متناسب بود. از این پدیده که به نام دیفوزیون گازی مشهور است برای غنی سازی اورانیوم استفاده میکنند. در عمل اورانیوم هگزا فلوراید طبیعی گازی شکل را از ستونهایی که جدار آنها از اجسام متخلخل (خلل و فرج دار) درست شده است عبور میدهند. سوراخهای موجود در جسم متخلخل باید قدری بیشتر از شعاع اتمی یعنی در حدود 2.5 آنگسترم (25x10 سانتیمتر) باشد.
ضریب جداسازی متناسب با اختلاف جرم مولکولها است. روش غنی سازی اورانیوم تقریبا مطابق همین اصولی است که در اینجا گفته شد. با وجود این میتوان به خوبی حدس زد که پرخرج ترین مرحله تهیه سوخت اتمی همین مرحله غنی سازی ایزوتوپها است، زیرا از هر هزاران کیلو سنگ معدن اورانیوم 140 کیلوگرم اورانیوم طبیعی بدست میآید که فقط یک کیلوگرم خالص در آن وجود دارد. Gaseous Diffusion از جمله تکنولوژیهایی بود که ایالات متحده طی جنگ جهانی دوم در پروژهای بنام (Manhattan) برای ساخت بمب هستهای ، با کمک انگلیس و کانادا به آن دست پیدا کرد.
در این روش با تکرار استفاده از این صفحات فیلتر مانند ، بصورت آبشاری (Cascade) ، میزان را به مقدار دلخواه بالا میبردند. این روش اولین راهکارهای صنعتی برای غنی سازی اورانیوم بود که کابرد عملی پیدا کرد. نمونهای از سانتریفیوژهای گازی آبشاری که برای غنی سازی اورانیوم از آنها استفاده میشود. Hyper-Centrifuge اما در روش استفاده از سانتریفیوژ برای غنی سازی اورانیوم ، تعداد بسیار زیادی از این دستگاهها بصورت سری و موازی بکار میبرند تا با کمک آن بتوانند غلظت را افزایش دهند.
گاز هگزافلوراید اورانیوم (UF6) در داخل سیلندرهای سانتریفیوژ تزریق میشود و با سرعت زیاد به گردش در آورده میگردد. گردش سریع سیلندر ، نیروی گریز از مرکز بسیار قوی تولید میکند و طی آن مولکولهای سنگینتر (آنهایی که شامل ایزوتوپ هستند) از مرکز محور گردش دورتر میگردند و برعکس آنها که مولکولهای سبکتری دارند (حاوی ایزوتوپ ) بیشتر حول محور سانتریفیوژ قرار میگیرند.
در این هنگام با استفاده از روشهای خاص گازی که حول محور جمع شده است جمع آوری شده به مرحله دیگر یعنی دستگاه سانتریفیوژ بعدی هدایت میگردد. میزان گاز هگزافلوراید اورانیوم شامل که در این روش از یک واحد جداسازی بدست میآید به مراتب بیشتر از مقداری است که در روش قبلی (Gaseous Diffusion) بدست میآید، به همین علت است که امروزه در بیشتر نقاط جهان برای غنی سازی اورانیوم از این روش استفاده میکنند.
بزرگترین دستگاههای آبشاری سانتریفیوژ در کشورهایی مانند فرانسه ، آلمان ، انگلستان و چین در حال غنی سازی اورانیوم هستد. این کشورها علاوه بر مصرف داخلی به صادرات اورانیوم غنی شده نیز میپردازند. کشور ژاپن هم دارای دستگاههای بزرگ سانتریفیوژ است، اما تنها برای مصرف داخلی اورانیوم غنی شده تولید میکند.
غنی سازی اورانیم از طریق میدان مغناطیسی
یکی از روشهای غنی سازی اورانیوم استفاده از میدان مغناطیسی بسیار قوی میباشد. در این روش ابتدا اورانیوم هگزا فلوئورید را حرارت میدهند تا تبخیر شود. از طریق تبخیر ، اتمهای اورانیوم و فلوئورید از هم تفکیک میشوند. در این حالت ، اتمهای اورانیوم را به میدان مغناطیسی بسیار قوی هدایت میکنند. میدان مغناطیسی بر هستههای باردار اورانیم نیرو وارد میکند ( این نیرو به معروف میباشد) و اتمهای اورانیوم را از مسیر مستقیم خود منحرف میکند. اما هستههای سنگین اورانیم () نسبت به هستههای سبکتر () انحراف کمتری دارند و درنتیجه از این طریق میتوان را از اورانیوم طبیعی تفکیک کرد.
کاربردهای اورانیوم غنی شده
- شرایطی ایجاد کرده اند که نسبت به را به 5 درصد میرساند. برای این کار و تخلیص کامل اورانیوم از سانتریفوژهای بسیار قوی استفاده میکنند.
- برای ساختن نیروگاه اتمی ، اورانیوم طبیعی و یا اورانیوم غنی شده بین 1 تا 5 درصد کافی است.
- برای تهیه بمب اتمی حداقل 5 تا 6 کیلوگرم صد درصد خالص نیاز است. در صنایع نظامی از این روش استفاده نمیشود و بمبهای اتمی را از که سنتز و تخلیص شیمیایی آن بسیار سادهتر است تهیه میکنند.
نحوه تولید سوخت پلوتونیوم رادیو اکتیو
این عنصر ناپایدار را در نیروگاههای بسیار قوی میسازند که تعداد نوترونهای موجود در آنها از صدها هزار میلیارد نوترون در ثانیه در سانتیمتر مربع تجاوز میکند. عملا کلیه بمبهای اتمی موجود در زراد خانههای جهان از این عنصر درست میشود. روش ساخت این عنصر در داخل نیروگاههای هستهای به این صورت که ایزوتوپهای شکست پذیر نیستند، ولی جاذب نوترون کم انرژی هستند. تعدادی از نوترونهای حاصل از شکست را جذب میکنند و تبدیل به میشوند. این ایزوتوپ از اورانیوم بسیار ناپایدار است و در کمتر از ده ساعت تمام اتمهای بوجود آمده تخریب میشوند.
در درون هسته پایدار یکی از نوترونها خود به خود به پروتون و یک الکترون تبدیل میشود. بنابراین تعداد پروتونها یکی اضافه شده و عنصر جدید را که 93 پروتون دارد نپتونیوم مینامند که این عنصر نیز ناپایدار است و یکی از نوترونهای آن خود به خود به پروتون تبدیل شده و در نتیجه به تعداد پروتونها یکی اضافه شده و عنصر جدید پلوتونیم را که 94 پروتون دارد ایجاد میکنند. این کار حدودا در مدت یک هفته صورت میگیرد.