غني سازي اورانيم يعني چه؟ چگونه اورانيم تبديل مي شود؟
در اين مقاله با غني سازي اورانيم و تبديل آن به انرژي به همراه نيكل بسيار مفيد در اين زمينه به زبان ساده آشنا مي شويد.ضمن اينكه از اين به بيان كلام جذاب يك عكس زيبابيني در متن نوشتارب به شمار مي شود.
استفاده اصلي از انرژي هسته اي تقليد انرژي الكتريسيته است. اين راهي ساده و كارآمد براي جوشاندن آب و ايجاد بخار براي راه اندازي دوربين هاي مواد است بدن راكتورهاي موجود در نيروگاههاي هسته اي اين نيروگاه ها شبيه ديگر نيروگاه ها زغال سنگي و سوختي مي شود.انرژي هسته اي بهترين كاربرد براي توليد مقياس متوسط يا از انرژي الكترييكي به طور مداوم است سوخت اين گونه ايستگاه ها را اورانيم تشكيل مي دهد.
چرخه سوخت هسته اي تعدادي عمليات صنعتي است كه توليد الكتريسته را با اورانيوم درراكتورهاي هسته اي ممكن مي كند اورانيوم عصري نسبتا معمولي وعادي است كه در تمام دنيايافت مي شود. اين جنس به صورت معدني در بعضي از كشورها موجود دارد كه حتما بايد قبل از مصرف به صوت روخت در راكتورهاي هسته اي فرگري شود.
الكتريسته با استفاده از گرماي توليد شده در راكتورهاي هسته اي و با ايجاد بخار براي به كار انداختن توربين هايي كه مواد متصل ارز توليد مي شود. سوختي كه از راكتور خارج شده بعد از اين كه به پايان عمر مفيد خود رسيد ميتواند به عنوان سوختي جديد استفاده شود.
فعاليت هاي مختلفي كه با توليد الكتريسته از واكنش هاي هسته اي هم راهند مرتبط به چرخه سوخت هسته اي هستند چرخه سوختي انرژي هسته اي با اورانيوم آغاز مي شود و با انهدام پسمانده هاي هسته اي پايان مي يابد. دوبار عمل آوري سوخت هاي خرج شده به مرحله اي چرخه سوخت هسته اي شكلي صحيح مي دهد.
اورانيوم
اورانيوم فلزي راديواكتيو و پرتور است كه در سراسر پوسته سخت زمين موجوداست. اين فلز حدودا 500 بار از طلا فراوان تر و به اندازه قوطي حلبي معمولي وعادي است. اورانيوم اكنون به اندازه اي در صخره ها وخاك و زمين وجود دارد كه در آب رودخانه ها و درياها واقيانوس ها موجود است. براي مثال اين فلزپا غلظتي در حدود4 قسمت در هر ميليون (ppm4) كه گرانيت وجوددارد كه ما درصد از كره زمين را عالم مي شود ركوردها با غلظتي بايد بر 400 ppm و در ته مانده زغال سنگ با غلظتي بيش از 100ppm موجود است. اكثر راديوالكتريسته مربوط به اورانيوم در طبيعت در حقيقت ناشي از معدن هاي ديگري است كه با عمليات راديواكتيو به وجود آمده اند و در هنگام استخراج از معدن و آسياب كردن به جا مانده اند.
چند منطقه در سراسر دنيا وجوددارد كه غلظت اورانيوم موجود در آن ها به قدر كافي است كه آن براي استفادها ز نظر اقتصادي به صرفه وامكان پذير است اين مواد غليظ سنگ معدن يا كاله ناميده ميشود.
استخراج اورانيوم
هر دو نوع حفاري و تكنيك هاي موهبتي براي كشف كردن اورانيوم به كار مي روند، حفاري ممكن است به صورت زير زميني يا چاله هاي باز وروي زمين انجام شود.
موكل، حفاري هاي روزميني در جاهايي استفاده شود كه ذخيره معدني نزديك به سطح زمين و حفاري هاي زيرزميني براي ذخيره هاي معدني عميق تر به كار ميرود. به طرو براي حفاري روزميني بيش از 120 متر عمق، نياز به گودال هاي بزرگ بر سطح زمين است اندازه گودال بايد بزرگتر از اندازه ذخيره معدني باشد تا زماني كه ديواره هاي گودال محكم شوند تا مانع روش آنها شود. در نتيجه تعداد موادي كه بايد بيرون از معدن انتقال داده شود تا به كانه دسترسي پيدا كند زياد است.
حفاري هاي زيرزميني داراي خرابي واخلال هاي كمتري در سطح زمين هستند وتعداد موادي كه بايد براي دسترسي به سنگ معدن يا كانه بدبين و از معدن انتقال داده شوند به طور قابل ملاحظه اي كمتر از حفاري نوع روزميني است.
مقداري زيادي اورانيوم جهاني از (ISL) مي آيد. جايي كه آب هاي اكسيژنه زير زميني در معدن هاي كانه اي پرسنتز به گردش مي افتد تا اورانيوم موجود در معدن رادر خود حل كننده آن را به سطح زمين آورند. (ISL) شايد با اسيد رقيق يابا محلول هاي قليايي همراه باشد تا اورانيوم را محلول نگهدارد. سپس اورانيوم در كارخانه اي آسياب سازي اورانيوم، از محلول خود جدا مي شود.
درنتيجه انتخاب روش حفاري براي ته نشين كردن اورانيوم بستگي به جنس ديواره معدن كان دسنگ، امنيت وملاحظات اقتصادي دارد.
در غالب معدن هاي زيرزميني اورانيوم، پيشگيري مخصوصي كه شامل افزايش تهويه ها ميشود، لازم است تا از پرتو افشاني جلوگيري شود.
آسياب كردن اورانيوم
محل آسياب كردن معمولا به معدن استخراج اورانيوم م نزديك است. بيشتر امكانات استخراجي شامل يك آسياب مي شود.
هر چه جايي كه معدن ها قرا ردارند به هم نزديك تر باشند يك آسياب ميتواند عمل آسياب سازي چندمعدني را انجام دهد. عمل آسياب سازي اكسيد اورانيوم غليظي توليد مي كرد كه از آسياب حمل مي شود. گاهي اوقات به اين اكسيدها كيك زرد ميگويند كه شامل 80درصد اورانيوم ميب اشد. سنگ معدن اصل شايد داراي چيزي در حدود 1/0 درصد اورانيوم باشد.
اسياب اورانيوم باعمل سنگ شويي از سنگ هاي معدني خرد شده جداري شود كه با اسيد قوي و يا با محلول قليايي قوي حل مي شود و به صورت محلول در مي آيد. سپس اورانيوم با ته نشين كرد و از محلول جدا مي شود و بعد از خشك كمي ومعمولا حرارت دادن به صورت اشباع شده وغليظ در استوانه اي 200 ليتري بسته بندي مي شود.
باقيمانده سنگ معدن كه بيشتر شامل مواد پرتوزا وسنگ معدن مي شود در محلي معين به دور از محيط معدن در امكانات مهندسي نگه داري مي شود.(معمولا در گودال هايي روي زمين)
پس مانده هاي داراي مواد راديواكتيو عمري طولاني دارند وغلظت آن ها كم خاصيتي سمي دارند. هر چند مقدار كلي عناصر پرتوزا كمتر از سنگ معدن اصلي است ضميمه عمر آنها كوتاه خواهد بود اين مواد بايد از محيط زيست دور بماند.
تبديل وتغيير
محلول آسيباب شده اورانيوم مستقيما قابل استفاده به عنوان سوخت در راكتورهاي هسته اي نيست. پردازش اضافي به غني سازي اورانيوم ول است كه براي تمام راكتورها لازم است اين عمل اورانيوم را به نوع گازي تبديل مي كند وراه بدست آوردن آن تبديل كردنه به هگزا فلوريد كه در دماي نسبتا پايين گاز است. در وسيله اي تبديل كن اورانيوم به اورانيوم دي اكسيد تبديل مي شود كه در راكتورهايي كه نياز به اورانيوم غني شده ندارد استفاده ميشود.
بيشتر آن ها بعد از ان كه به هگزا فلوريد تبديل شد براي غني سازي در كارخانه آماده هستند ودر كانتينرهايي كه از جنس فلز مقاوم ومحكم است حمل ميشود. خطر اصلي اين طبقه از چرخه سوختي هيدروژن فلوريد است.
چگونه اورانيوم به انرژي تبديل مي شود؟
غني سازي:
اورانيوم طبيعي اصولا شالم مخلوطي از دو ايزوتوپ (نوع اتمي) اورانيوم است. تنها 7/0 درصد از اورانيوم طبيعي شكاف پذير و يا داراي قابليت شكاف پذيري است كه با شكافته شدن ريال در راكتورهاي هسته اي انرژي توليد مي كنند. ايزوتوپ اورانيوم شكاف پذير اورانيوم نوع 235 است وپس مانده آن اورانيوم 238 است.
در بيشتر انواع راكتورهاي معمولي هسته اي به اورانيوم 235 نياز دارند. عمليات غني سازي، غلظت اورانيوم را بيشتر مي كند.
عموما بين 5/3تا 5 درصد اورانيوم 235 با بيرون آوردن 8درصد از اورانيوم 238.اين عمل با جداسازي گازي هگزا فلوريد اورانيوم و دد وجريان 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 هگزا فلوريد اورانيوم را به عنوان منبع استفاده مي كنند.
نفوذ گازي و تفكيك گازي وهر 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 هگزافلوريد غني شده است كه براي توليد اورانيوم اكسيد غني شده تغيير حال مجدد مي يابد.
توليد وساخت سوخت
سوخت راكتور غالبا به شكل گلوله اي سراميكي است. اين گلوله ها از اورانيوم اكسيد كه در دمايي بسيار بالا( بيش از 1400 درجه سانتي گراد) پخته شده است شكل مي گيرد. سپس گلوله ها در لوله هاي فلزي از ميله سوختي پوشانده مي شوند كه در مجتمع هاي سوختي براي استفاده در راكتورها آماده هستند ديماستيون گلوله هاي سوختي واجراي ديگر مجتمع سوختي به دقت كنترل مي شوند تا از پايداري ودارا بودن آنان از خصوصيات دسته هاي سوختي اطمينان حاصل مي شود.
در تاسيسات توليد ساخت درجه زيادي به شكل مخزن هاي عملياتي شود تا از اتفاقات خطرناكي جلوگيري شود. با سوخت غني شده ضعيف امكان اتفاق افتادن اين حوادث بعيد به نر مي رسد. اما در تاسيسات هسته اي بررسي سوخت هاي مخصوصي براي تحقيقات راكتورها عملي حياتي است.
توليد نيرو
درون يك راكتور هسته اي اتم هاي اورانيوم 235 شكافته ميشود و در جريان عمليات پردازش انرژي آزاد مي كنند. اين انرژي اغلب براي حرارت دادن آب و تبديل كردن آن به بخار استفاده ميشود.
بخار توربيني كه به ژنراتور متصل است به حركت مي اندازد و باعث توليد الكتريسيته مي شود. شكافتن اورانيوم به عنوان منبع حرارت در راكتورها استفاده مي شود.
پس مانده ها
پس مانده هاي حاصل از چرخه سوختي هسته اي در رده هاي :شديد، متوسط و كم دسته بندي مي شوند و اين تقسيم بندي براساس تشعشعات راديواكتيوي كه از خود ساطع كننده است.
كيك زرد
تركيب بر معيار اورانيومي كه قابل عرضه به بازارباشد را كيك زرد مي گويند. اين مادهاز اجزاي مهم تشكيل دهنده چرخه سوخت هسته اي است.كيك زرد در واقع اكسيد اورانيوم آسياب شده است كه براي شيمي دانان با فرمول U3O18 شناخته مي شود.
كيك زرد اولين قدم به سوي اورانيوم غني شده است. هر چند راه زيادي تا تبديل شدن به يك سلاح هسته اي در پيش رو دارد. اين پودر قبل از اينكه غني شود بايد به گاز هگزا اورانيوم تبديل شود. پروسه اي كه نوعي اورانيوم مورد استفاده در نيروگاه هاي هسته بمب اتمي ايجاد مي كند.
تهيه كيك زرد به اين مورت است كه سنگ معدن اورانيوم استخراج شده و آسياب و آن را به صورت پودر در مي آورد.
سپس به اين پودر، اسيد سولفوريك اضافه مي كنند، پس از آن طي فرآيند شيميايي خاصي،اكسيد اورانيوم موجود در پودر اورانيوم با اسيد سولفوريك تركيب مي شود و تبديل به سولفات اورانيوم ميشود. به اين سولفات اورانيل حلال مخصوصي اضافه مي كنند تا سرانجام آن را به ماده اي جاد به هم پيوسته به نام كيك زرد تبديل شود. اين محصول نهايي يك پورد خشن اكسيد شده است كه گاهي اوقات رنگ زردي دارد اما به رنگ هاي قرمز وخاكستري نيز ديده مي شود كه رنگ آن به نوعي ومقدار ناخالص هاي آن بستگي دارد.
كيك زرد شامل 70 درصد اورانيوم بوده وداراي خواص پرتو زايي( راديواكتيو) است. اين ماده از نظر شيميايي به مولكول اورانيوم وهشت مولكول اكسيژن درست شده است. از اين كيك زرد براي توليد گاز هگزا فلورايد استفاده مي كند
راكتورهاي هسته اي
راكتورها داراي كاربرد هاي كاملا دو گانه هستند. در مصارف صلح آميني با بهره گريي از حرارت توليدي در شكاف هسته اي كار مي كنند. اين حرارت جهت گرم كردن آب تبديل آن به بخار استفاده از بخار براي حركت توربين بهره گرفته مي شود. هم چنين اگر قصد ساخت پلوتونيومي در كار باشد نيز اورانيوم غني شده را به راكتورهاي هسته اي منتقل مي كنند. در نوع خاصي از راكتورهاي هسته از اورانيوم غني شده به شكل قرض هاي به اندازه يك سكه وارتفاع يك اينچ بهره مي گيرند. اين قرص ها به صورت كپسول هاي ميله اي شكل صورت نيروي شده و درون يك محفظه عايق تحت فشار قرارداده مي شود.
اورانيوم تهي شده
اورانيوم عنصري است با جرم اتمي 238 و عدد اتمي 92 او چگالي آن بسيار بال مي باشد اولين بار در سال 1841 ميلادي اين عنصر به صورت فلزي سنگين ونقره اي رنگ به دست آمد.پوسته زمين به طور متوسط حاوي 3 اورانيوم است و ميزان آن در آب دريا حدود 13 است.
اين عنصر داراي 3 ايزوتوپ پرتو زا است كه مهمترين آن 238 با درصد فراواني 28/99 است. درصد فراواني 0/23571 و 234 داراي درصد فراواني بسيار ناچيز است.اورانيوم عنصر ساطح كننده ذرات آلفا و پرتوهاي گاما مي باشد ونيمه عمر آن يعين مدت زماني كه پرتوزايي آن به ميزان نصف اوليه كاهش مي يابد بسيار بالا است.
اورانيوم غني شده به عنوان سوخت هسته اي كاربرد فرواني در نيروگاه هاي اتمي دارد واورانيوم تهي شده كه معمولا از فرآيند غني سازي اورانيوم به عنوان سيمان هسته اي به دست مي آيد اورانيومي است كه درصد اورانيوم 235 آن تا حدود 2/0 كاهش يافته است در مقايسه با ميزان 7/0 درصد اورانيومي 235 در اورانيومي طبيعي كه مي تواند به صورت فلز و يا اكسيد اورانيوم U3O8 يا UO2 مي باشد.
ايزوتوپ هاي اورانيوم:
تعداد نوترون ها در اتم هاي مختلف يك عنصر همواره يكسان نيست كه براي مشخص كردن آن ها از ايزوتوپ استفاده مي شود. بنابراين اتم هاي مختلف يك عنصر و ايزوتوپ مي گويند. مثلا عنصر هيدروژن در ايزوتوپ دارد هيدورژن معمولي كه فقط يك پروتون دارد وفاقد نوترون است.هيدروژن سنگين يك پروتون و يك نوترون دارد كه به آن دو تريم گويند ونهايتا تريتيم كه از دو نوترون و يك پروتون تشكيل شده و ناپايدار است و طي زمان تجزيه مي شود.
ايزوتوپ سنگين هيدروژن يعني دو تريم در ليتر و گازه هاي اتمي كاربرد دارد واز الكترولي آب بدست مي آيد. جنگ جهاني دوم آلماني ها براي ساختن نيروگاه اتمي وتهيه بمب اتمي در سوئد ونروژ مقادير بسيار زيادي آب سنگين تهيه كرده بودند كه انگليسي ها متوجه منظور آلماني ها شده ومخازن ودستگاه هاي الكترونيل آن را نابود كردند.
آب سبك
آب سبك در واقع همان آب معمولي است راكتورهاي آب سبك نسبت به راكتورهاي نرمال ساده تر و ارزان تر هستند وعلي رغم اينكه توانايي توليد انرژي يكساني دارند توانايي آنها در توليد پلوتونيوم قابل قياس نيست. آب سبك نيز به عنوان كند كننده عمل مي كند.
اما چون نوترون جذب مي كند يا قابليت جذب نوترون دارد راكتورهايي كه با اب سبك مصرف مي كنند بايد از اورانيوم غني شده به جاي اورانيوم طبيعي استفاده كنند.
آب سنگين
نوعي از راكتورهاي اتمي با آب سنگين كار مي كنند. آب سنگين از نظر شيميايي شبيه آب معمولي است اما به جاي دو اتم هيدروژن H2O درفرمول آن دواتم دئوتريم D2O جايگزين شده است. دئويزدم ايزوتوپي سنگين تر از هيدروژن است با يك نوترون اضافي بنابراين اتم دئوتريم شامل يك پروتون يك نوترون در هسته اتمي و يك الكترون اوريبال مي شود. اين يك نوترون اضافي است كه آب سنگين مي سازد. در واقع آب سنگين نزديك به ده درصد سنگين تر از آب معمولي است.يعني اگر يك ليتر آب سنگين حدود يك كيلو وصدگرم وزن دارد. نقش آب سنگين در طبيعت به مقدار تقريبا يك دهم دردص وجوددارد.99/99 درصد آب رودخانه ها ودرياها از آب معمولي فقط مقدار بسيار نايزي از آن از آب سنگين درست شده است.
براي تهيه آب سنگين دو راه وجود دارد. يا بايد آب سنگين را از كشورهاي توليد كننده خريداري كرده يا بايد آب را در داخل توليد نمود.
چهار كشور يعني آرژانتين ،كانادا، هندونروژ از بزرگترين صادركنندگان آب سنگين در جهان مي باشند ، اما خل يد آب سنگين از اين كشورها احتياج به اخذ مجوز ويژه از آژانس بين المللي انرژي اتمي دارد، كه به آساني به دست نمي آيد.
براي توليد آب سنگين معولا از روش تبخير وتقطير استفاده مي كنند. چون نقطه جوش آب سنگين بالاتر از نقطه جوش آب معمولي است وميتوان اين روش آن را از آب معمولي جدا ساخت .
آب سنگين ماده سمي و آلود به شمار نمي رود. از واكنش هاي سوخت و ساخت نيازمند آب سبك است بنابراين مصرف بيش از حد آب سنگين ممكن است موجب بيماري شود.
كاربرد آب سنگين:
تشديد مغناطيسي هسته (رزونانس مغناطيسي هسته) كندكننده نوترون ردياب توترينو
اورانيوم
اورانيوم عنصري فلزي با علامت اختصاري U وعدد اتمي 92 است كه ميتواند هم به عنوان سوخت براي نيروگاه هاي هسته اي وهم براي بمب اتم بكار برود.
اورانيوم در سال 1982 توسط كلاپروت، شيميدان الماني در معدن سنگ از معدن ساكوتي كشف شده پرتوزايي در سال 1986 توسط فيزيكدان فرانسوي بنام هنري پكول كشف گرديد.اما توسط خواهران كوري زماني كه آنان ار ديدم وپلوتونيوم همراه اورانيوم وشناسايي كرد فرمول بندي شد.
استحصال اورانيوم از معدن سنگ در سال 1914 انجام گرفت ودر سال 1939 داينگ پديده فيسيون طبيعي را براي عناصر پرتوزايي استحصال اورانيوم از معدن سنگ در سال 1942 با كشف پديده تبديل ساده به انارژي اورانيوم به عنوان ماده قدرتمند براي توليد انرژي وارد ميدان گرديد و از آن زمان به بعد انرژي هسته اي يكي از اقلام مهم انرژي مطرح شد.
امروزه محدود 582 معدن اورانيوم با ذخيره 68و81 4تن در رده RAR و EAR كشف شده است اورانيومي كه از معدن بدست مي ايد يك دست نيستند. به عبارت ديگر همه اتم هاي اورانيوم داراي يك وزن نيستند.بعضي از آن ها سبك تر و بعضي از آن ها سنگين ترند.
همه اتم هاي اورانيوم يعني چه اورانيوم سنگين و چه اورانيوم نيمه سنگين وچه اورانيومي سبك در درون هسته خود داراي 92 پروتون مي باشند. اما تعداد نوترون هاي آن ها متفاوت است. اورانيوم سنگين در هسته خود تعداد 146 نوترون دارد. در حالي كه اورانيوم نيمه سنگين تعداد 143 نوترون واورانيوم سبك تعداد 142 نوترون دارد. براي نام گذاري اين 3 نوع اورانيوم دانشمندان تعداد پروتون ها ونوترونهاي آن ها را به اسم اورانيوم اضافه مي كنند. به عنوان مثال اورانيوم سنگين را به نام اورانيوم 238 اورانيوم نيمه سنگين را به نام اورانيوم 235 واورانيوم سبك را به نام اورانيوم 234 مي نامند.
براي سوخت راكتورهاي هسته اي و بمب اتم اورانيوم نيمه سنگين به مقدار زياد يعني حدود 3/99 درصد واورانيوم نيمه سنگين به مقدار بسيار كم يعني حدود 7/0 درصد اورانيوم سبك به مقدار فوق العاده جزيي يعني به مقدار 1% درصد به طور طبيعي در معدن اورانيوم وجوددارد.
اورانيوم نيمه سنگين عنصر اصلي براي راه انداختن وادامه يافتن چرخه سوخت درراكتوراتمي است. اما مقدار طبيعي آن يعني مقدار 7/0 درصد كافي نيست و بايد غلظت اورانيوم نيمه سنگين از 7/0 درصد به 5 درصد افزايش يابد. عمليات مربوط به افزايش غلظت اورانيوم نيمه سنگين از 7/0 درصد به 5 درصد اصطلاحا عمل غني سازي اورانيوم مي نامند. براي اين كار از دستگاهي به نام دسانتريفيوژ استفاده مي كنند.
ميزان مصرف سالانه اورانيوم در كشورهاي مختلف بالغ بر 65 تن مي شود. انتظار مي رود مقدار مصرف تا سال 2020 ميلادي به 7500 تن درسال فزوني يابد.
مهمترين كشور هاي داراي منابع اورانيوم عبارتند از: كانادا، استراليا، آفريقاي جنوبي، برزيل.قزاقزيستان ،ازبكستان ،روسيه ،نيجريه . نامبيا،معدن هاي اورانيوم داراي 10 هزار تن از بزرگترين معدن ها كوچكترين آن با ذخيره حدود 500 تن به شمار مي رود.
گر چه انواع مختلفي از معادن اورانيوم كشف گرديده و در دست بهره برداري است اما معادن جاي گرفته در ماسه سنگي كه مناسب استعمال هستند.از انواع اوزان و اقتصادي در بازار جهان تلقي مي شوند.