غنی سازی اورانيوم

غنی سازی اورانيوم فرايندی است که در آن ايزوتوپ ۲۳۵ که بصورت طبيعی ۰.۷ درصد از اورانيوم را شامل ميشود به مقدار بيشتری افزايش ميابد. به منظور استفاده از اورانيوم به عنوان سوخت در بيشتر انواع نيروگاههای هسته ای غنی سازی اورانيوم تا حداقل ۳ درصد ضروريست. برای مثال برای تامين سوخت نيروگاه اتمی بوشهر به غنی سازی اورانيوم تا سه درصد نياز است و نيروگاه تحقيقاتی آب سبک دانشگاه تهران نيازمند اورانيوم غنی شده تا حدود ۲۰ درصد است. روشهای مختلفی برای غنی سازی وجود دارد. که در ادامه برخی از مهمترين آنها پرداخته ميشود:

- ديفيوژن گازی

در جريان جنگ جهانی دوم آمريکا از اين روش برای غنی سازی اورانيوم استفاده کرد و بعدها آنرا به شکل تجاری توسعه داد. اکنون تنها روش تجاری غنی سازی اورانيوم در آمريکا روش ديفيوژن گازی است ولی مجوزهايی برای ايجاد دو مرکز غنی سازی به روش سانتريفيوژ صادر گرديده است.در چين و فر انسه مراکز غنی سازی با اين روش مشغول بکار است. روسيه مراکز غنی سازی خود را تغيير داده است و اکنون از روش سانتريفيوژ استفاده ميکند و انگليس مراکز غنی سازی به اين روش را تعطيل کرده است. 
غنی سازی اورانيوممولکولهای گاز در عبور از حفره های کوچک بطور متفاوت عمل ميکنند. مولکولهای سبکتر علاقه بيشتری در نفوذ دارند بر اين اساس روش جداسازی ايزوتوپها شکل گرفته است. در مورد UF6 اختلاف سرعت بين اورانيوم ۲۳۵ و ۲۳۸ حدود ۰.۴ درصد است. به اين ترتيب ميزان غنی سازی در يک واحد بسيار پايين است بنابر اين نياز به قرار دادن واحد های متعدد بشکل آبشاری است.
به منظور غنی سازی  UF6  که در دمای اتاق بصورت جامد است حرارت داده ميشود تا بشکل گار درآيد سپس اين گاز با فشار از داخل تعداد زيادی محفظه که بصورت سری با هم قرار گرفته و دارای حفره های ميکروسکوپی هستند عبور داده ميشود. با توجه به سبکتر بودن اورانيوم ۲۳۵ گازی حاوی اسن ايزوتوپ راحتتر از حفره ها عبور مينمايد و در انتها غنای اين گاز به نسبت اورانيوم ۲۳۸ افزايش ميابد.  
با توجه به هزينه بالا ، اين روش غنی سازی در حال منسوخ شدن است. در اين روش برای هر واحد کار جداسازی ( SWU ) نياز به ۲۵۰۰  کيلو وات ساعت انرژی الکتريکی است در حالی مراکز پيشرفته غنی سازی به روش سانتريفيوژ گازی نياز به ۵۰ کيلو وات ساعت انرژی الکتريکی برای هر واحد دارند.

- سانتريفيوژ گازی

اولين بار اين روش در سال ۱۹۱۹ پيشنهاد شد ولی تلاشها در اين زمينه تا سال ۱۹۳۴ ناموفق بود. در اين سال در دانشگاه ويرجينيا بيمز و همکارانش توانستند با يک دستگاه سانتريفيوژ پر سرعت ايزوتوپهای کلرين را جداسازی نمايند. اين روش بر ای غنی سازی اورانيوم اولين بار در سال ۱۹۴۰ به نمايش درآمد. در اروپا بيش از ۳۰ سال است که با استفاده از اين روش غنی سازی در حال انجام است.با توجه به هزينه پايين تر و سرعت بالاتر غنی سازی اين روش در حال گسترش است. گروه صنعتی  يورنکو که توسط انگليس ، آلمان و هلند تاسيس گرديده است تاسيسات غنی سازی متعددی را در روسيه و اروپا ساخته است. چهار واحد ساخته شده در روسيه ۴۰ درصد ظرفيت دنيا را شامل ميشوند.همچنين تاسيساتی در کشورهای انگليس ، آلمان و هلند توسط اين گروه ساخته شده و ممکن است يک واحد هم در آمريکا توسط اين گروه ساخته شود. در ژاپن ، چين ، پاکستان ، برزيل و کره شمالی هم واحدهای غنی سازی با روش سانتيریفيوژ گازی ساخته شده اند. تاسيسات غنی سازی اورانيوم ايران در نطنز نيز واحد پيشرفته ای از اين نوع است که از سال ۲۰۰۳ به حالت تعليق قرار دارد. اکنون آمريکا و فرانسه هم در فکر تغيير روش و استفاده از سانتريفيوژ گازی هستند.
مشابه با روش ديفيوژن در اين روش نيز از گاز UF6  استفاده ميشود. اين روش مبتنی بر جرم کمتر ايزوتوپ ۲۳۵ در مقايسه با ۲۳۸  است. گاز UF6  به سانتريفيوژهايی که با سرعت ۵۰۰۰۰ تا ۷۰۰۰۰ دور در دقيقه در حال گردش هستند وارد ميشود. ايزوتوپ ۲۳۸ با توجه به جرم بيشتر است متمايل به خارج و ايزوتوپ ۲۳۵ متمايل به  مرکز سيلندر  ميگردد. قسمت غنی شده گاز به سيلندر بعدی برای ادامه غنی سازی تزريق ميگردد و اين عمل بتور متوالی در تعداد زيادی از سانتريفيوژ های تکرار ميگردد تا به غنای بالاتر اورانيوم دست يابيم.
 سرعت حرکت لبه های بيرونی سانتريفيوژ به حدود ۱۴۰۰ تا ۱۸۰۰ کيلومتر در ساعت ميرسد تا نيروی گرانشی حدود يک ميليون بار بيشتر از جاذبه زمين ايجاد نمايد با اين حال جداسازی ايزوتوپها با استفاده از يک دستگاه سانتريفيوژ به اندازه کافی صورت نميگيرد و چندين ( چند صد تا چند هزار ) دستگاه به هم متصل به منظور رسيدن به غنای لازم برای توليد سوخت هسته ای مورد نياز است.

- فرايند آيرو ديناميک

اين روش توسط بکر و همکارانش در مرکز تحقيقات اتمی کارلسروهه آلمان ابداع گرديد و مشابه با روش سانتريفيوژ از اختلاف جرم ايزوتوپها استفاده ميکند. در آفريقای جنوبی به منظور غنی سازی اورانيوم اين روش مورد استفاده قرار گرفته است.به منظور جداسازی مخلوط گاز UF6  و هيدروژن يا هليوم با سرعتی نزديک به صوت به داخل يک محفظه منحنی شکل تزريق ميگردد ايزوتوپ ۲۳۸ با توجه به جرم بيشتر به ديواره نزديکتر ميگردد و يک چاقوی جت گازهای غنی شده و غنی نشده را از هم جدا ميکند.آفريقای جنوبی فناوری خاص خود را توسعه داده است که آنرا تيوپ پيشرفته ورتکس ناميده است.

- جداسازی ليزری

در اوايل سال ۱۹۷۰ تلاشهای زيادی برای توسعه فناوری جداسازی ايزوتوپها با استفاده از اشعه ليزر صورت گرفت.دور روش بر اين اساس يکی با اسبفاده از بخار اتم اورانيوم و ديگری با استفاده از بخار ترکيبات اورانيوم ابداع گرديده است. متداولترين روش مبتنی بر نوع اول يعنی استفاده از بخار اتم اورانيوم است و به اختصار AVLIS  يا SILVA ناميده ميشود. روش ديگر به اختصار يا  ناميده ميشود. روش دوم به اختصار MLIS يا MOLIS ناميده ميشود.هر دو اين روشها مبتنی بر اين نکته هستند که ايزوتوپهای ۲۳۵ و ۲۳۸ فرکانسهای ( رنگهای ) متفاوتی را جذب مينمايند.
 در AVLIS  يک اشعه ليزر که ميتواند توسط ايزوتوپ ۲۳۵ جذب گردد با عث تحريک اتم اين ايزوتوپ گرديده و در اثر آن اتمها الکترون از دست داده و تبديل به يون ميگردند سپس اين يونها توسط يک ميدان الکترواستاتيک جذب و جدا ميگردند.
در MOLIS اشعه ليزر بر گاز UF6 تابانده ميشود و به شکل مشابه گاز حاوی ايزوتوپ ۲۳۵ را يونيزه ميکند ، تابش ليزر ديگر بر اين يونها يک اتم فلور را از آن جدا و آنرا تبديل به UF5  مينمايد که بصورت پودر از گاز UF6  جدا ميگردد.
هيچيک از اين روشها بصورت تجاری مورد استفاده قرار نگرفته است و تلاشها در سطح آزمايشگاهی و تحقيقاتی باقی مانده است ليکن با توجه به هزينه بسيار پايين آن هنوز تلاش برای رسيدن به يک طرح صنعتی ادامه دارد.

روشهای ديگر که فقط از آنها نام خواهم برد عبارتند از روش تبادل يون و شيميای روش جداسازی پلاسما  و روش جداسازی الکترومغناطيسی.

تبديل اورانيوم

همانطور که گفته شد کيک زرد دارای خلوص کافی در استفاده صنعتی از اورانيوم نيست به اين لحاظ نياز به تاسيساتی برای تبديل آن به منظور استفاده صنعتی از اورانيوم است.اين تاسيسات که يک نمونه از آن در اصفهان راه اندازی گرديده است کار تبديل کيک زرد به محصولات قابل استفاده در صنعت را انجام ميدهد. 
بسته به نوع استفاده و روش بکارگرفته شده عمليات متفاوتی بر روی کيک زرد صورت ميگيرد. يکی از اين روشها مبتنی بر تبديل ترکيبات معدنی اورانيوم به ترکيبات آلی و سپس تبديل مجدد آن به ترکيبات معدنی است. با اين فرآيند خلوص اورانيوم افزايش پيدا ميکند.سپس به روشهای مختلف UO3  و با احياء آن  UO2  توليد ميشود. در ادامه UO2 با HF  در دمای بالا به UF4  تبدیل می شود.در اين مرحله ميتوان با احياء  UF4  توسط منيزيم فلز اورانيوم توليد کرد. در صورتی که توليد اورانيوم غنی شده ( مثلا برای استفاده در نيروگاههايی که سوخت آنها نياز به غنی سازی اورانيوم ندارد نظير راکتورهای آب سنگين ) مد نظر نباشد هر يک از ترکيبات U UO2 UO3   ميتواند مورد استفاده قرار گيرد ليکن به منظور غنی سازی توليد UF6  ضروريست که از فلوريته کردن UF4  بدست ميآيد. توليد UF6  برای غنی سازی از آن جهت ضرورت داردکه اين ماده در دمای زير ۵۶.۶ درجه سانتيگراد به حالت جامد قرار دارد که نگهداری آنرا ساده ميکند و در دمای بالاتر به گاز تسعيد ميشود که امکان غنی سازی با روشهای مختلف را فراهم مينمايد. علاوه بر اين با توجه به عدم وجود ايزوتوپ پايدار برای فلور درجداسازی ايزوتوپهای سبکتر ايجاد مشکل نمی نمايد.

گردآورنده : دنیاها،دانشنامهٔ فارسی | www.donyaha.ir

دیدگاه تان را بنویسید !

تصویر تصادفی