غنی‌سازی اورانيوم فرايندی است که در آن ايزوتوپ ۲۳۵ که بصورت طبيعی ۰.۷ درصد از اورانيوم را شامل می‌شود به مقدار بيشتری افزايش مي‌آبد. به منظور استفاده از اورانيوم به عنوان سوخت در بيشتر انواع نيروگاه‌های هسته‌ای غنی‌سازی اورانيوم تا حداقل ۳ درصد ضروريست. برای مثال برای تامين سوخت نيروگاه اتمی بوشهر به غنی‌سازی اورانيوم تا سه درصد نياز است و نيروگاه تحقيقاتی آب سبک دانشگاه تهران نيازمند اورانيوم غنی‌شده تا حدود ۲۰ درصد است.
روش‌های مختلفی برای غنی‌سازی وجود دارد. که در ادامه برخی از مهمترين آنها پرداخته مي‌شود:
ديفيوژن گازی
در جريان جنگ جهانی دوم آمريکا از اين روش برای غنی‌سازی اورانيوم استفاده کرد و بعدها آنرا به شکل تجاری توسعه داد. اکنون تنها روش تجاری غنی‌سازی اورانيوم در آمريکا روش ديفيوژن گازی است ولی مجوزهايی برای ايجاد دو مرکز غنی‌سازی به روش سانتريفيوژ صادر گرديده است. در چين و فرانسه مراکز غنی‌سازی با اين روش مشغول بکار است. روسيه مراکز غنی‌سازی خود را تغيير داده است و اکنون از روش سانتريفيوژ استفاده مي‌کند و انگليس مراکز غنی‌سازی به اين روش را تعطيل کرده است. 
مولکول‌های گاز در عبور از حفره‌های 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 غنی‌سازی در يک واحد بسيار پايين است بنابر اين نياز به قرار دادن واحدهای متعدد بشکل آبشاری است.
به منظور غنی‌سازی 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 حفره‌های ميکروسکوپی هستند عبور داده مي‌شود. با توجه به سبکتر بودن اورانيوم ۲۳۵ گازی حاوی اسن ايزوتوپ راحتتر از حفره‌ها عبور مي‌نمايد و در انتها غنای اين گاز به نسبت اورانيوم ۲۳۸ افزايش مي‌آید.
با توجه به هزينه بالا، اين روش غنی‌سازی 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 غنی‌سازی 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 غنی‌سازی اورانيوم اولين بار در سال ۱۹۴۰ به نمايش درآمد. در اروپا بيش از ۳۰ سال است که با استفاده از اين روش غنی‌سازی در حال انجام است.با توجه به هزينه پايين‌تر و سرعت بالاتر غنی‌سازی اين روش در حال گسترش است.
گروه صنعتی يورنکو که توسط انگليس، آلمان و هلند تاسيس گرديده است تاسيسات غنی‌سازی 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 غنی‌سازی با روش سانتيریفيوژ گازی ساخته شده‌اند.
تاسيسات غنی‌سازی اورانيوم ايران در نطنز نيز واحد پيشرفته‌ای 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 غنی‌سازی تزريق مي‌گردد و اين عمل بتور متوالی در تعداد زيادی از سانتريفيوژ های تکرار مي‌گردد تا به غنای بالاتر اورانيوم دست يابيم.
سرعت حرکت لبه‌های 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 هسته‌ای 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 غنی‌سازی 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. این روش یکی با استفاده 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 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:
- روش تبادل يون و شيميایی
- روش جداسازی پلاسما
- 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 راه‌اندازی 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 می‌شود.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 غنی‌سازی اورانيوم ندارد نظير راکتورهای آب سنگين) مد نظر نباشد هر يک از ترکيبات U UO2 UO3 مي‌تواند مورد استفاده قرار گيرد؛ ولی به منظور غنی‌سازی توليد UF6 ضروريست که از فلوريته کردن UF4 بدست مي‌آيد. توليد UF6 برای غنی‌سازی از آن جهت ضرورت دارد که 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 غنی‌سازی با روش‌های مختلف را فراهم مي‌نمايد. علاوه بر اين با توجه به عدم وجود ايزوتوپ پايدار برای فلور درجداسازی ايزوتوپهای سبکتر ايجاد مشکل نمی‌نمايد.
گردآورنده: دنیاها، دانشنامۀ فارسی | www.donyaha.ir
