اورانیوم
منبع : راسخون
اطلاعات اولیه
چند منطقه در سراسر دنيا وجود دارد كه غلظت اورانيوم موجود در آنها به قدر كافي است كه استخراج آن براي استفاده از نظر اقتصادي به صرفه و امكانپذير است. اين نوع مواد غليظ، سنگ معدن يا كانه ناميده ميشوند
معمولا اورانیوم در مقادیر بسیار ناچیز در صخرهها ، خاک ، آب ، گیاهان و جانوران از جمله انسان یافت میشود.
یکی از چگالترین فلزات رادیو اکتیو است که در طبیعت یافت می شود. این فلز در بسیاری از قسمتهای دنیا در صخره ها، خاک و حتی اعماق دریا و اقیانوس ها وجود دارد. اگر بخواهید از میزان موجودیت آن ایده ای بدست آورید باید بگوییم که میزان وجود و پراکندگی آن از طلا، نقر یا جیوه بسیار بیشتر است.
اورانیوم در طبیعت بصورت اکسید و یا نمک های مخلوط در مواد معدنی (مانند اورانیت یا کارونیت) یافت می شود. این نوع مواد اغلب از فوران آتشفشانها بوجود می آیند و نسبت وجود آنها در زمین چیزی معادل دو در میلیون نسبت به سایر سنگها و مواد کانی است. این فلز به رنگ سفید نقره ای است و کمی نرم تر از استیل بوده و تقریبآ قابل انعطاف است.
اورانیوم در سال ۱۷۸۹ توسط مارتین کلاپورت شیمی دان آلمانی از نوعی اورانیت بنام Pitchblendeکشف شد. وجه تسمیه این فلز به کشف سیاره اورانوس بازمی گردد که هشت سال قبل از آن، ستاره شناسان آنرا کشف کرده بودند.
اورانیوم یکی از اصلی ترین منابع گرمایشی در مرکز زمین است و بیش از ۴۰ سال است که بشر برای تولید انرژی از آن استفاده می کند.
دانشمندان معتقد هستند که اورانیوم بیش از ۶.۶ بیلیون سال پیش در اثر انفجار یک ستاره بزرگ بوجود آمده و در منظومه شمسی پراکنده شده است.
برای درک بهتر از توانایی اورانیوم در تولید انرژی لازم است نگاهی به ساختمان اتمی این فلز داشته باشیم.
استخراج اورانيوم
در كل، حفاريهاي روزميني در جاهايي استفاده ميشود كه ذخيره معدني نزديك به سطح زمين و حفاريهاي زيرزميني براي ذخيرههاي معدني عميقتر به كار ميرود. بهطور نمونه براي حفاري روزميني بيشتر از 120 متر عمق، نياز به گودالهاي بزرگي بر سطح زمين است؛ اندازه گودالها بايد بزرگتر از اندازه ذخيره معدني باشد تا زماني كه ديوارههاي گودال محكم شوند تا مانع ريزش آنها شود. در نتيجه، تعداد موادي كه بايد به بيرون از معدن انتقال داده شود تا به كانه دسترسي پيدا كند زياد است.
حفاريهاي زيرزميني داراي خرابي و اخلالهاي كمتري در سطح زمين هستند و تعداد موادي كه بايد براي دسترسي به سنگ معدن يا كانه به بيرون از معدن انتقال داده شوند بهطور قابل ملاحظهاي كمتر از حفاري نوع روزميني است.
مقدار زيادي از اورانيوم جهاني از (ISL) (In Sitaleding) ميآيد. جايي كه آبهاي اكسيژنه زيرزميني در معدنهاي كانهاي پرمنفذ به گردش ميافتند تا اورانيوم موجود در معدن را در خود حل كنند و آن را به سطح زمين آورند. (ISL) شايد با اسيد رقيق يا با محلولهاي قليايي همراه باشد تا اورانيوم را محلول نگهدارد، سپس اورانيوم در كارخانههاي آسيابسازي اورانيوم، از محلول خود جدا ميشود.
در نتيجه انتخاب روش حفاري براي تهنشين كردن اورانيوم بستگي به جنس ديواره معدن كانه سنگ، امنيت و ملاحظات اقتصادي دارد.
در غالب معدنهاي زيرزميني اورانيوم، پيشگيريهاي مخصوصي كه شامل افزايش تهويه هوا ميشود، لازم است تا از پرتوافشاني جلوگيري شود.
آسياب كردن اورانيوم
در يك آسياب، اورانيوم با عمل سنگشويي از سنگهاي معدني خرد شده جدا ميشود كه يا با اسيد قوي و يا با محلول قليايي قوي حل ميشود و به صورت محلول در ميآيد. سپس اورانيوم با تهنشين كردن از محلول جدا ميشود و بعداز خشك كردن و معمولاً حرارت دادن به صورت اشباع شده و غليظ در استوانههاي 200 ليتري بستهبندي ميشود.
باقيمانده سنگ معدن كه بيشتر شامل مواد پرتوزا و سنگ معدن ميشود در محلي معين به دور از محيط معدن در امكانات مهندسي نگهداري ميشود. (معمولاً در گودالهايي روي زمين).
پسماندههاي داراي مواد راديواكتيو عمري طولاني دارند و غلظت آنها كم خاصيتي سمي دارند. هرچند مقدار كلي عناصر پرتوزا كمتر از سنگ معدن اصلي است و نيمه عمر آنها كوتاه خواهد بود اما اين مواد بايد از محيط زيست دور بمانند.
تبديل و تغيير
اين عمل اورانيوم را به نوع گازي تبديل ميكند و راه بهدست آوردن آن تبديل كردن به هگزا فلوريد (Hexa Fluoride) است كه در دماي نسبتاً پايين گاز است.
در وسيلهاي تبديلگر، اورانيوم به اورانيوم دياكسيد تبديل ميشود كه در راكتورهايي كه نياز به اورانيوم غني شده ندارند استفاده ميشود.
بيشتر آنها بعداز آن كه به هگزافلوريد تبديل شدند براي غنيسازي در كارخانه آماده هستند و در كانتينرهايي كه از جنس فلز مقاوم و محكم است حمل ميشوند. خطر اصلي اين طبقه از چرخه سوختي اثر هيدروژن فلوريد (Hydrogen Fluoride) است.
اورانیوم را بهتر بشناسیم
اورانیوم خالص حدود ۱۸.۷ بار از آب چگالتر است و همانند بسیاری از دیگر مواد رادیو اکتیو در طبیعت بصورت ایزوتوپ یافت می شود.
بطور ساده ایزوتوپ حالت خاصی از حضور یک عنصر در طبیعت است که در هسته آن به تعداد مساوی - با عنصر اصلی - پروتون وجود دارد اما تعداد نوترون های آن متفاوت است. بنابراین طبق این تعریف ساده می توان دریافت که ایزوتوپ های یک عنصر عدد اتمی مشابه خود عنصر را خواهند داشت اما وزن اتمی متفاوتی دارند.
اورانیوم شانزده ایزوتوپ دارد که هریک از آنها دارای وزن اتمی خاصی هستند. حدود ۹۹.۳ درصد ازاورانیومی که در طبیعت یافت می شود ایزوتوپ ۲۳۸ (U-۲۳۸) است و حدود ۰.۷ درصد ایزوتوپ ۲۳۵ (U-۲۳۵)، سایر ایزوتوپ ها بسیار نادر هستند.
در این میان ایزوتوپ ۲۳۵ برای بدست آوردن انرژی از نوع ۲۳۸ آن بسیار مهمتر است چرا که U-۲۳۵ (با فراوانی تنها ۰.۷ درصد) آمادگی آنرا دارد که تحت شرایط خاص شکافته شده و مقادیر زیادی انرژی آزاد کند. به این ایزوتوپ Fissil Uranium، به معنای اروانیوم شکافتنی هم گفته می شود و برای این عملیات از اصطلاح شکافت هسته ای یا Nuclear Fissio استفاده می شود.
اورانیوم نیز همانند سایر مواد رادیواکتیو دچار پوسیدگی و زوال می شود. مواد رادیو اکتیو دارای این خاصیت هستند که از خود بطور دائم ذرات آلفا و بتا و یا اشعه گاما منتشر می کنند.
U-۲۳۸ باسرعت بسیار کمی فسیل می شود و نیمه عمر آن چیزی در حدود ۴,۵۰۰ میلون سال (تقریبآ معادل عمر زمین) است.
این موضوع به این معنی است که با فسیل شدن اورانیوم با همین سرعت کم انرژی معادل ۰.۱ وات برای هر یک تن اورانیوم تولید می شود و این برای گرم نگاه داشتن هسته زمین کافی است.
فراوانی
اورانیوم در طبیعت بصورت اکسید و یا نمکهای مخلوط در مواد معدنی (مانند اورانیت یا کارونیت) یافت میشود. این نوع مواد اغلب از فوران آتشفشانها بوجود میآیند و نسبت وجود آنها در زمین برابر دو در میلیون نسبت به سایر سنگها و مواد کانی است. اورانیوم طبیعی شامل ۹۹/۳٪ از ایزوتوپ ۲۳۸U و ۰/۷٪ ۲۳۵U است.
این فلز در بسیاری از قسمتهای دنیا در صخرهها، خاک و حتی اعماق دریا و اقیانوسها وجود دارد. میزان وجود و پراکندگی آن از طلا، نقره یا جیوه بسیار بیشتر است.
خصوصیتهای قابل توجه
گونههای اورانیوم در صنعت
آلفا (Orthohombic) که تا دمای 667.7 درجه پایدار است.
بتا (Tetragonal) که از دمای 667.7 تا 774.8 درجه پایدار است.
گاما (Body-centered cubic) که از دمای 774.8 درجه تا نقطه ذوب پایدار است. ( این رساناترین و چکشخوارترین گونه اورانیوم میباشد(
دو ایزوتوپ مهم ان U235 و U238> میباشند که U235 مهمترین برای راکتورهای و سلاحهای هستهای است. چرا که این ایزوتوپ تنها ایزوتوپی است که طبیعت وجود دارد و در هر مقدار ممکن توسط نوترونهای حرارتی شکافته میشود. ایزوتوپ U238 نیز از این جهت مهم است که نوترونها را برای تولید ایزوتوپ رادیواکتیو جذب کرده و آن را به ایزوتوپ Pu239 پلوتونیوم تجزیه میکند. ایزوتوپ مصنوعی U233 نیز شکافته شده و توسط بمباران نوترونی Thorium232 بوجود میآید.
اورانیوم اولین عنصر یافته شده بود که میتوانست شکافته شود. برای نمونه با بمباران آرام نوترونی ایزوتوپ U235 آن به ایزوتوپ کوتاه عمر U236 تبدیل شده و بلافاصله به دو هسته کوچکتر تقسیم میشود که این عمل انرژی آزاد کرده و نوترونهای بیشتری تولید میکند.
اگر این نوترونها توسط هسته U235 دیگری جذب شوند، عملکرد حلقه هستهای دوباره اتفاق میافتد و اگر چیزی برای جذب نوترونها وجود نداشته باشد، به حالت انفجاری در میآیند. اولین بمب اتمی با این اصل جواب داد (شکاف هستهای). نام دقیقتر برای این بمبها و بمبهای هیدروژنی(آمیزش هستهای) ، سلاحهای هستهای میباشد.
کاربردها
عمومی | |||||||||||||||||||||||||||||||
نام, علامت اختصاری, شماره | Uranium, U, 92 | ||||||||||||||||||||||||||||||
گروه های شیمیایی | اکتینیدها | ||||||||||||||||||||||||||||||
دوره, بلوک | 7 , f | ||||||||||||||||||||||||||||||
جرم حجمی, سختی | 19050 kg/m3, ND | ||||||||||||||||||||||||||||||
رنگ | سفید نقره ای فلزی | ||||||||||||||||||||||||||||||
خواص اتمی | |||||||||||||||||||||||||||||||
وزن اتمی | 238.0289 amu | ||||||||||||||||||||||||||||||
شعاع اتمیcalc. | 175 ND»pm | ||||||||||||||||||||||||||||||
شعاع کووالانسی | ND pm | ||||||||||||||||||||||||||||||
شعاع وندروالس | 186 pm | ||||||||||||||||||||||||||||||
ساختار الکترونی | Rn]7s25f26d1] | ||||||||||||||||||||||||||||||
-eبازای هر سطح انرژی | 2,8,18,32,21,9,2 | ||||||||||||||||||||||||||||||
درجه اکسیداسیون (اکسید( | 5 باز ضعیف | ||||||||||||||||||||||||||||||
ساختار کریستالی | اورتورومبیک | ||||||||||||||||||||||||||||||
خواص فیزیکی | |||||||||||||||||||||||||||||||
جامد (مغناطیسی) | |||||||||||||||||||||||||||||||
نقطه ذوب | 1405 °F | ||||||||||||||||||||||||||||||
نقطه جوش | 2070( K(7473 °F | ||||||||||||||||||||||||||||||
حجم مولی | 12.49 ש»10-6 ««متر مکعب برمول | ||||||||||||||||||||||||||||||
گرمای تبخیر | 477 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||
گرمای همجوشی | 15.48 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||
ND Pa at 2200 K | |||||||||||||||||||||||||||||||
سرعت صوت | 3155 m/s at 293.15 K | ||||||||||||||||||||||||||||||
متفرقه | |||||||||||||||||||||||||||||||
1.38 درجه پائولینگ | |||||||||||||||||||||||||||||||
ظرفیت گرمایی ویژه | 120 J/kg·K | ||||||||||||||||||||||||||||||
رسانایی الکتریکی | 3.8 106/m اهم | ||||||||||||||||||||||||||||||
رسانایی گرمایی | 27.6 W/m·K) | ||||||||||||||||||||||||||||||
1st پتانسیل یونیزاسیون | 597.6 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||
2nd پتانسیل یونیزاسیون | 1420 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||
پایدارترین ایزوتوپها | |||||||||||||||||||||||||||||||
|
اورانیوم خالی توسط بعضی از ارتشها برای ساخت محافظ برای تانکها و ساخت قسمتهایی از موشکها و ادوات جنگی استفاده میشود. ارتشها همچنین از اورانیوم غنیشده برای سوخت ناوگان خود و زیردریاییها و همچنین سلاحهای هستهای استفاده میکنند. سوخت استفاده شده در راکتورهای ناوگان ایالات متحده معمولا اورانیوم U235 غنی شده میباشد. اورانیوم موجود در سلاحهای هستهای بشدت غنی میشوند که این مقدار بصورت تقریبی 90% میباشد.
مهمترین کاربرد اورانیوم در بخش غیر نظامی تامین سوخت دستگاههای تولید نیروی هستهای است که در آنها سوخت U235 به میزان 2الی3% غنی میشود. اورانیوم تخلیه شده در هلیکوپترها و هواپیماها بهعنوان وزن متقابل بر هر بار استفاده میشود.
لعاب ظروف سفالی از مقدار کمی اورانیوم طبیعی تشکیل شده است ( که داخل فرایند غنی سازی نمیشود ) که این عنصر برای اضافه کردن رنگ با آن اضافه میشود.
نیمه عمر طولانی ایزوتوپ اورانیوم 238 آن را برای تخمین سن سنگهای آتشفشانی مناسب میسازد.
U235 در راکتورهای هستهای Breeder به پلوتونیوم تبدیل میشود و پلوتونیوم نیز در ساخت بمبهای هیدروژنی مورد استفاده قرار میگیرد.
استات اورانیوم در شیمی تحلیلی کاربرد دارد.
برخی از لوازم نوردهنده از اورانیوم و برخی در مواد شیمیایی عکاسی مانند نیترات اورانیوم استفاده میکنند.
معمولا کودهای فسفاتی حاوی مقدار زیادی اورانیوم طبیعی میباشند، چرا که مواد کانی که آنها از آنجا گرفته شدهاند، حاوی مقدار زیادی اورانیوم میباشند.
فلز اورانیوم برای اهداف اشعه ایکس در ساخت این اشعه با انرژی بالا استفاده میشود.
این عنصر در وسایل Interial Guidance و Gyro Compass استفاده میشود.
تاریخچه
بارگذاری میلههای سوخت اتمی در راکتور
اورانیوم یکی از اصلیترین منابع گرمایشی در مرکز زمین است و بیش از ۴۰ سال است که بشر برای تولید انرژی از آن استفاده میکند.
دانشمندان معتقد هستند که اورانیوم بیش از ۶/۶ بیلیون سال پیش در اثر انفجار یک ستاره بزرگ بوجود آمده و در منظومه خورشیدی پراکنده شدهاست.
ده کشوری که ۹۴٪ از استخراج اورانیوم جهان در آنها انجام میگیرد.
در سال 1896 "هانری بکرل" فیزیکدان فرانسوی برای اولین بار به خاصیت رادیواکتیویته آن پی برد. در پروژه Manhattan نامهای Tuballoy و Oralloy برای اورانیوم طبیعی و اورانیوم غنی شده بکار برده شد. این اسامی هنوز نیز برای اورانیوم غنی شده و اورانیوم طبیعی بکار برده می شوند.
در آغاز قرن بیستم تفحص و جستجو برای یافتن معادن رادیو اکتیو در ایالات متحده آغاز شد. منابع رادیوم که حاوی کانیهای اورانیوم نیز میبودند، برای استفاده آنها در رنگ ساعتهای شبنما و دیگر ابزار جستجو شدند. در طی جنگ جهانی دوم اورانیوم از نظر اهداف دفاعی اهمیت پیدا کرد. در سال 1943 Union Mines Development Corporation کنگره ای را در کلرادو به منظور استفاده ارتش از قدرت اتمی در پروژه Manhattan تشکیل داد.
برای اطمینان از ذخایر کافی اورانیوم این کنگره US Atomic Enecry Act of 1946 را ایجاد و کمیسیون انرژی اتمی را بوجود آورد. در دهه 1960 ملزومات ارتش تزلزل یافت و در اواخر سال 1970 دولت برنامه تهیه اورانیوم خود را کامل کرد. همزمان با همین مساله بازار دیگری بوجود آمد که درواقع همان کارخانههای نیروگاههای هستهای اقتصادی بود.
ترکیبات
Yellowcake اورانیوم غلیظ شده است. نام این عنصر بدلیل رنگ و شکل آن در هنگام تولید میباشد اگرچه تولید امروزه Yellowcake بیشتر به رنگ سبز مایل به سیاه میگراید تا زرد. Yellowcake تقریبا 70 تا 90 درصد اکسید اورانیوم دارد. U3O8
Diuranate آمونیوم محصول جنبی تولید Yellowcake میباشد که رنگ آن زرد درخشان میباشد که گاهی اوقات باعث اشتباه شده و Yellowcake نامیده میشود اما این نام درست این محصول نمیباشد.
پیدایش
br>مقدار بیشتری از اورانیوم در موادی از قبیل صخرههای فسفاتی و کانیهایی مانند Lignite و Monazite یافت میشود که بیشتر برای مصارف اقتصادی از همین منابع استخراج میشود. از آنجا که اورانیوم نیمه عمر رادیواکتیوی طولانی 4.47x109 سال برای U-238 دارد مقدار آن همیشه در زمین ثابت میماند.
بنظر میرسد که فرو پاشی اورانیوم و واکنشهای هستهای آن با توریوم همان منبع گرمایی عظیمی است که در هسته زمین ، باعث ذوب شدن قسمت خارجی هسته زمین گردیده و باعث ایجاد حرکت پوستهای زمین میشود.
معدن اورانیوم صخره ای است که محل تمرکز اورانیومی میباشد که مقدار اقتصادی آن ، یک تا چهار پوند اکسید اورانیوم در هر تن است که تقریبا 0.05 تا 0.20 درصد اکسید اورانیوم دارد.
تولید و توزیع
در سال 2001 ، مالکان راکتورهای هستهای غیر نظامی آمریکا از این کشور و منابع خارجی 21300 تن اورانیوم خریداری کردند. قیمت پرداخت شده برای هر کیلوگرم اورانیوم حدودا 26.39 دلار بود که در مقایسه با سال 1998 16% کاهش داشت. در سال 2001 ایالات متحده 1018 تن اورانیوم از 7 عملیات معدنی در غرب رود میسیسیپی تولید کرد. اورانیوم بیشتر توسط فرانسوی ها در کشورهای جهان توزیع شده است.
معمولا کشورهای بزرگتر اورانیوم بیشتری در مقایسه با کشورهای کوچکتر تولید میکنند، چرا که گسترش و توزیع اورانیوم در جهان یک شکل و یکنواخت است. کشور استرالیا ذخایر بسیار زیادی از این عنصر دارد که تقریبا 30% ذخایر دنیا را شامل میشود.
ایزوتوپها
ایزوتوپهای اورانیوم میتوانند از هم جدا شوند تا تمرکز یک ایزوتوپ بر دیگری را افزایش دهند. این فرایند ، غنی سازی نام دارد. وزن U-235 برای غنی شدن باید 0.711 درصد افزایش یابد. اورانیوم م235 برای استفاده در سلاحهای هستهای و نیروگاه های اتمی مناسبتر است. این فرایند مقادیر بسیاری اورانیوم بوجود میآورد که در U-235 تخلیه می شوند و خالصترین اورانیوم یعنی U238 اورانیوم خالی یا DU نام دارد. اگر ایزوتوپ 235 بخواهد تخلیه شود باید وزنش 0.711 درصد کم شود.
هشدارها
فرد ممکن است با تنفس غبار اورانیوم در هوا یا خوردن و آشامیدن آب و غذا در معرض این عنصر قرار بگیرد. البته بیشتر این عمل از طریق خوردن آب و غذا صورت میگیرد. جذب روزانه اورانیوم در غذا 0.07 تا 1.1 میکروگرم میباشد. مقدار اورانیوم در هوا معمولا بسیار ناچیز است. افرادی که در کنار تاسیسات هستهای دولت و یا معادن استخراج اورانیوم زندگی میکنند، بیشتر در معرض این عنصر قرار میگیرند.
آورانیوم ممکن است که درطریق تنفس یا بلع و یا در موارد استثنایی از طریق شکافی روی پوست وارد بدن شود. اورانیوم توسط پوست جذب نمیشود و ذرات آلفای ساتع شده از این عنصر نمیتواند به پوست نفوذ کند. بنابراین اورانیومی که خارج از بدن باشد، نمیتواند به اندازه اورانیوم داخل بدن مضر و خطرناک باشد. اگر اورانیوم به بدن وارد شود، ممکن است موجب سرطان شده یا به کلیهها آسیب برساند.
چگونه اورانيوم به انرژي تبديل مي شود؟
غني سازي:
در بيشتر انواع راكتورهاي معمولي هسته اي به اورانيوم 235 (u-235 كه اورانيوم با غلظت بيش از حد طبيعي است) نياز دارند. عمليات غني سازي، غلظت اورانيوم را بيشتر مي كند. عموماً بين 5/3 تا 5 درصد اورانيوم 235 با بيرون آوردن 8 درصد از اورانيوم 238. اين عمل با جداسازي گازي هگزافلوريد اورانيوم در دو جريان انجام مي گيرد. يكي به اندازه لازم غني سازي مي شود و اورانيوم غني شده ضعيف ناميده مي شود و ديگري به اورانيوم 235 منتهي مي شود كه به پس مانده معروف است.
در عمليات غني سازي در مقياس هاي بزرگ تجاري وجود دارد، كه هر كدام هگزافلوريد اورانيوم را به عنوان منبع استفاده مي كنند: نفوذ گازي و تفكيك گازي و هر دوي آنان از خواص فيزيكي مولكولي استفاده مي كنند. مخصوصا با 10 درصد اختلاف جرم، براي جداسازي ايزوتوپ ها محصول اين مرحله از چرخه سوختي هسته اي، اورانيوم هگزا فلوريد غني شده است كه براي توليد اورانيوم اكسيد غني شده تغيير حال مجدد مي يابد.
غنی سازی اورانیوم
در واقع در این روش برای جدا سازی مواد از یکدیگر از شتاب ناشی از نیروی گریز از مرکز استفاده می گردد، کاربرد عمومی این دستگاه برای جداسازی مایع از مایع و یا مایع از جامد است.
سانتریفیوژ هایی که برای غنی سازی اورانیوم استفاده می شود حالت خاصی دارند که برای گاز تهیه شده اند که به آنها Hyper-Centrifuge گفته می شود. 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 می کردند.
Gaseous Diffusion
در این روش با تکرار استفاده از این صفحات فیلتر مانند، بصورت آبشاری (Cascade)، میزان اورانیوم ۲۳۵ را به مقدار دلخواه بالا می بردند. این روش اولین راهکارهای صنعتی برای غنی سازی اورانیوم بود که کابرد عملی پیدا کرد.
Gaseous Diffusion از جمله تکنولوژی هایی بود که ایالات متحده طی جنگ جهانی دوم در پروژه ای بنام منهتن (Manhattan) برای ساخت بمب هسته ای، با کمک انگلیس و کانادا به آن دست پیدا کرد.
Hyper-Centrifuge
گاز هگزافلوراید اورانیوم (UF۶) در داخل سیلندرهای سانتریفیوژ تزریق می شود و با سرعت زیاد به گردش در آورده می گردد. گردش سریع سیلندر، نیروی گریز از مرکز بسیار قوی ای تولید می کند و طی آن مولکولهای سنگین تر (آنهایی که شامل ایزوتوپ اورانیوم ۲۳۸ هستند) از مرکز محور گردش دور تر می گردند و برعکس آنها که مولکول های سبک تری دارند (حاوی ایزوتوپ اورانیوم ۲۳۵) بیشتر حول محور سانتریفیوژ قرار می گیرند.
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 می گردد. میزان گاز هگزافلوراید اورانیوم شامل اورانیوم ۲۳۵ ای که در این روش از یک واحد جداسازی بدست می آید به مراتب بیشتر از مقداری است که در روش قبلی (Gaseous Diffusion) بدست می آید، به همین علت است که امروزه در بیشتر نقاط جهان برای غنی سازی اورانیوم از این روش استفاده می کنند.
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 می پردازند. کشور ژاپن هم دارای دستگاههای بزرگ سانتریفیوژ است اما تنها برای مصرف داخلی اورانیوم غنی شده تولید می کند.
توليد و ساخت سوخت
در تأسيسات توليد سوخت توجه زيادي به شكل و اندازه مخزن هاي عملياتي مي شود تا از اتفاقات خطرناك جلوگيري شود. (يك زنجير محدود واكنش پرتو آزاد مي كند). با سوخت غني شده ضعيف امكان اتفاق افتادن اين حوادث بعيد به نظر مي رسد. اما در تأسيسات هسته اي بررسي سوخت هاي مخصوص براي تحقيقات راكتورها عملي حياتي است.
توليد نيرو
بخار توربيني را كه به ژنراتور متصل است به حركت مي اندازد و باعث توليد الكتريسيته مي شود. مقداري از اورانيوم 238 (u-238 به شكل سوخت) در هسته و مركز راكتور به پلوتونيوم تبديل مي شود و اين يك سوم انرژي در يك راكتور هسته اي معمولي را حاصل مي كند. شكافتن اورانيوم به عنوان منبع حرارت در راكتورها استفاده مي شود. همان گونه كه سوزاندن زغال سنگ، گاز و يا نفت به عنوان سوخت فسيلي در تأسيسات نيرو استفاده مي شود.
سوخت مصرف شده (خرج شده)
معمولا بيش از 45 ميليون كيلو وات ساعت الكتريسيته از يك تن اورانيوم طبيعي توليد مي شود. توليد اين مقدار انرژي الكتريكي با استفاده از سوخت هاي فسيلي ملزم به سوزاندن بيش از 20 هزار تن زغال سنگ سياه و 30 ميليون مترمكعب گاز است.
انبار كردن سوخت مصرف شده
سوخت مصرف شده در چنين استخرهايي براي ماه ها و يا سال ها نگه داشته مي شوند.
وابسته به سياست كشورهاي مختلف در بعضي از آنها مقداري از سوخت مصرف شده به امكانات و تأسيسات انبار مركزي انتقال مي يابند. سرانجام، سوخت مصرف شده يا بايد دوباره پردازش شود و يا براي دفع اتمي آماده شود.
پردازش دوباره
بازسازي مجدد اورانيوم و پلوتونيوم
در راكتورهايي كه از سوخت MOX استفاده مي كنند، پلوتونيوم به جاي اورانيوم 235 جانشين سوخت اورانيوم اكسيد معمولي مي شود.
دفع سوخت مصرف شده
تعدادي از كشورها در حال انجام مطالعاتي در زمينه تصميم گيري بهترين راه براي نزديك شدن به دفع سوخت مصرف شده و پس مانده هاي پس از دوباره سازي هستند. روش متداولي كه امروزه استفاده مي شود قرار دادن سوخت مصرف شده در انبارهاي زيرزميني است:
پس مانده ها
اين پس مانده ها از منابعي سرچشمه مي گيرند كه شامل موارد زير است:
پس مانده هاي رده پايين (Low-level) كه در تمام مراحل چرخه سوختي توليد مي شوند.
پس مانده هاي رده متوسط (Intermediat-level) كه در جريان عملكرد راكتور و دوباره سازي توليد مي شوند.
پس مانده هاي رده بالا (High-Level) كه شامل محصولات شكافته شده حاصل از دوباره سازي و در بسياري از كشورها خود سوخت مصرف شده هستند.
فرآيند غني سازي توليدات را به سوي تهي كردن اورانيوم هدايت مي كند. غلظت اورانيوم 235 به طور عمده كمتر از 7/0 درصد است كه در طبيعت پيدا مي شود. تعداد كمي از اين مواد كه اصولاً اورانيوم 238 هستند زماني استفاده مي شوند كه چگالي بسيار زياد نياز است. مثل استحفاظ پرتوافشاني و گاهي استفاده در توليد سوخت Mox. در حالي كه اورانيوم 238 قابل شكافتن نيست ماده اي پرتوافشاني كم است و بايد درمورد آن احتياط كرد، از اين رو يا آن را انبار و يا دفع مي كنند.
ميزان مواد موجود در چرخه سوختي هسته اي
20000 تن از يك درصد سنگ معدن اورانيوم استخراج
230 تن از اورانيوم اكسيد غليظ شده (همراه 195 تن اورانيوم) آسياب سازي
288 تن UF6 (همراه 195 تن اورانيوم) تبديل كردن
35 تن UF6 (همراه 24 تن اورانيوم غني شده) غني سازي
27 تن UO2 (همراه 24 تن اورانيوم غني شده) ساخت و توليد سوخت
7000 ميليون كيلووات ساعت (kwh) نيروي الكتريسيته عملكرد راكتور
27 تن شامل 240 كيلوگرم پلوتونيوم، 23 تن اورانيوم(u-235 8/0 درصد)، 720 كيلوگرم محصولات شكافتي، همچنين ترانزورانيك سوخت مصرف شده
پاورقي شماره 1- غليظ كننده هاي اورانيوم بعضي اوقات در شرايط u3o8 قرار مي گيرند كه حجم آن (مخلوطي از دو اورانيوم اكسيدي كه نسبتاً همان چيزي است كه در طبيعت يافت مي شود.
محصول u3o8 خالص شامل حدوداً 85 درصد فلز اورانيوم است.
پاورقي شماره 2- غلظت اورانيوم 80 درصد است، غني سازي در 4 درصد اورانيوم 235 به همراه 3 درصد دنباله آزمايش شده، 80 درصد براي عملكرد راكتور بارگزاري مي شوند، در هسته راكتور 72 تن اورانيوم بارگزاري مي شوند. سوخت گيري سالانه است و هر سال يك سوم سوخت را عوض مي كنند.
نگاه ساده به شکاف هسته ای اورانیوم
این عمل با بمباران نوترونی هسته انجام می گیرد، در این حالت یک اتم U-۲۳۵به دو اتم دیگر تقسیم می شود و دو ، سه و یا بیشتر نوترون آزاد می شود. نوترون های آزاد شده خود با اتم های دیگر U-۲۳۵ ترکیب می شوند و آنها را تقسیم کرده و به همین منوال یک واکنش زنجیره ای از تقسیم اتم های U-۲۳۵ تشکیل می شود.
اتم
نمونه ای از این واکنش ها به اینصورت است :
U-۲۳۵ + n ==> Ba-۱۴۱ + Kr-۹۲ + ۳n + ۱۷۰ Million electron Volts
U-۲۳۵ + n ==> Te-۱۳۹ + Zr-۹۴ + ۳n + ۱۹۷ Million electron Volts
که در آن :
۱ electron Volt = ۱.۶۰۲ x ۱۰ -۱۹ joules
(یک ژول انرژی معادل توان یک وات برای مصرف در یک ثانیه است.)
مجموع این عملیات ممکن است در محلی بنام رآکتور هسته ای انجام گیرد. رآکتور هسته ای می تواند انرژی آزاد شده را برای گرم کردن آب استفاده نماید تا در نهایت از آن برای راه اندازی توربین های بخار و تولید برق استفاده شود.
انرژي هسته اي
چرخه سوخت هستهاي تعدادي عمليات صنعتي است كه توليد الكتريسته را با اورانيوم در راكتورهاي هستهاي ممكن ميكند.
اورانيوم عنصري نسبتاً معمولي و عادي است كه در تمام دنيا يافت ميشود. اين عنصر بهصورت معدني در بعضي از كشورها وجود دارد كه حتماً بايد قبل از مصرف به صورت سوخت در راكتورهاي هستهاي، فرآوري شود.
الكتريسته با استفاده از گرماي توليد شده در راكتورهاي هستهاي و با ايجاد بخار براي بهكار انداختن توربينهايي كه به مولد متصلاند توليد ميشود.
سوختي كه از راكتور خارج شده، بعداز اين كه به پايان عمر مفيد خود رسيد ميتواند به عنوان سوختي جديد استفاده شود.
فعاليتهاي مختلفي كه با توليد الكتريسيته از واكنشهاي هستهاي همراهند مرتبط به چرخه سوخت هستهاي هستند. چرخه سوختي انرژي هستهاي با اورانيوم آغاز ميشود و با انهدام پسماندههاي هستهاي پايان مييابد. دوبار عملآوري سوختهاي خرج شده به مرحلههاي چرخه سوخت هستهاي شكلي صحيح ميدهد.
منابع:
1-گروه علمی نابغه های ایران
2-نظریه سی. پی. اچ.
3-http://forum.parsigold.com
4-http://daneshnameh.roshd.ir
5-http://fa.wikipedia.org
6-http://aftab.ir
7-www.linkestan.com
8-http://meysamphysics.iranblog.com