آشنایی با غنی سازی اورانیوم ، انواع و کمیت ها

غنی‌سازی اورانیوم عملی است که به‌واسطهٔ آن در یک تودهٔ اورانیوم طبیعی مقدار ایزوتوپ ۲۳۵U بیش تر شود و مقدار ایزوتوپ ۲۳۸U کم‌تر گردد. غنی‌سازی اورانیوم یکی از مراحل چرخهٔ سوخت هسته‌ای است. اورانیوم طبیعی (که به‌شکل اکسید اورانیوم است) شامل ۹۹٫۳‎٪ از ایزوتوپ ۲۳۸U و ۰٫۷‎٪ از ۲۳۵U است. ایزوتوپ ۲۳۵U اورانیوم قابل شکافت و مناسب برای بمب‌ها و نیروگاه‌های هسته‌ای است. ۲۳۸U باقی‌مانده را اورانیوم ضعیف‌ شده می‌نامند و نوعی زباله اتمی است. به‌خاطر سختی زیاد و آتش‌گیری و ویژگی‌های دیگر از آن در ساختن گلوله‌های ضد زره استفاده می‌کنند. اورانیوم ضعیف‌ شده نیز هم‌چنان پرتوزا است.

انواع اورانیوم

«اورانیوم با غنای پایین» که میزان ۲۳۵U آن کم‌تر از ۲۰٪ ولی بیش تر از ۰/۷‎٪ است. سوخت بیشتر نیروگاه‌های هسته‌ای بین ۳ تا ۵ درصد ۲۳۵U است. «اورانیوم با غنای بالا» که ۲۳۵U در آن بیش تر از ۲۰٪ و حتی در مواردی بیش از ۹۸٪ است و مناسب برای کاربردهای دارویی و نظامی و ساخت بمب‌های هسته‌ای است.

گستردگی در جهان

براساس گزارش آژانس انرژی اتمی، کشورهای ایالات متحده آمریکا، روسیه، چین، فرانسه، ایتالیا، بلژیک، اسپانیا، آلمان، هلند، انگلستان، ژاپن در قالب شش سازمان قادر به غنی‌سازی اورانیوم در حدّ تجاری هستند. هند و پاکستان با درصد غنی‌سازی پایین‌تر، آرژانتین به‌صورت غیرفعال و هم‌چنین برزیل و ایران قادر به غنی‌سازی اورانیوم هستند.[۱] گمانه زنی‌هایی در مورد توانایی غنی‌سازی اورانیوم دراسرائیل و کره شمالی نیز وجود دارد. لیبی درسال ۲۰۰۳ پس از یک دهه، غنی‌سازی را متوقف کرد.[۲]

غنی‌سازی اورانیوم

ایزوتوپ های اورانیوم می‌توانند از هم جدا شوند تا تمرکز یک ایزوتوپ بر دیگری را افزایش دهند. این فرایند غنی‌سازی نام دارد. اورانیوم به رنگ سفید مایل به نقره‌ای، سنگین، فلزی و رادیواکتیو است و به رغم تصور عام، فراوانی آن در طبیعت حتی از عناصری از قبیل جیوه، طلا و نقره نیز بیش تر است. عنصر اورانیوم در طبیعت دارای ایزوتوپ های مختلف از جمله دو ایزوتوپ مهم و پایدار اورانیوم ۲۳۵ و اورانیوم ۲۳۸ است. اورانیوم ۲۳۵ مهمترین ماده مورد نیاز رآکتور هسته‌ای (برای شکافته شدن و تولید انرژی) است اما مشکل کار اینجاست که اورانیوم استخراج شده از معدن ترکیبی از ایزوتوپهای مخلوط اورانیوم ۲۳۵ می‌باشد. بطوری که از این مخلوط سهم ایزوتوپ۲۳۵ حدود هفت دهم درصد است و برای کاربردی شدن آن در صنعت هسته‌ای باید غلظت ان بین ۲ تا ۵ درصد باشد و در واقع باید غنی‌سازی صورت گیرد. فراوری کیک زرد و تولید هگزافلورید اورانیوم و آغاز غنی‌سازی (مرحله تبدیل و غنی‌سازی) کیک زرد در این مرحله هنوز دارای ناخالصی‌هایی است که توسط روشهای مختلف این ناخالصی‌ها کاسته شده‌است. استخراج اورانیوم از معدن و تهیه کیک زرد (مرحله فراوری سنگ معدن اورانیوم) عنصر اورانیوم در طبیعت به صورت ترکیبات شیمیایی مختلف از جمله اکسید اورانیوم، سیلیکات اورانیوم و یا فسفات اورانیوم و به صورت مخلوط با ترکیباتی از عناصر دیگر یافت می‌شود. در میان کشورهای مختلف جهان، استرالیا دارای بزرگترین معادن اورانیوم است و کشورهای قزاقستان، کانادا، آفریقای جنوبی، نامیبیا، برزیل و روسیه نیز از معادن بزرگی برخوردارند. مواد معدنی حاوی اورانیوم با استفاده از روشهای معدن‌کاوی زیرزمینی و یا روزمینی استخراج شده و سپس طی فرایندهای مکانیکی و شیمیایی موسوم به «آسیاب کردن» و «کوبیدن» از دیگر عناصر جدا می‌شوند. اورانیوم پس از استخراج تفکیک، کوبیده، خرد و به شکل پودر درآمده و سپس برای تولید ماده موسوم به کیک زرد استفاده قرار می‌گیرد. کیک زرد در واقع محصول فراوری سنگ معدن ارونیوم است و به ترکیباتی از اورانیوم گفته می‌شود که ناخالصی‌های معدنی آن به میزان زیادی گرفته شده و است. حدود نیم کیلوگرم اورانیوم غنی شدهٔ به کار رفته در یک بمب هسته‌ای، برابر با چندین میلیون گالن بنزین است.

غنی‌سازی با دستگاه سانتریفیوژ

غنی‌سازی با لیزر

در این روش، با استفاده از لیزر، اورانیوم‌های ۲۳۵ را باردار کرده و با میدان مغناطیسی از هم جدا می‌کنند. روش لیزر جهت جداسازی ایزوتوپ‌ها ابتدا در دوران جنگ جهانی دوم مورد استفاده قرار گرفت. اگر بخواهیم در بین همه روشهای غنی‌سازی، این روش را مورد مقایسه قرار دهیم، باید اذعان نمود که نسبت به دیگر روش ها توفیق زیادی بدست نیاورده‌ است. قابلیت تنظیم طول موج در لیزرهای رنگی، امکان استفاده از این روش را برای جداسازی ایزوتوپ‌های مختلف یک عنصر ایجاد کرده‌ است. جابجایی بینابی ایزوتوپ‌های هر عنصری از جمله اورانیوم، اساس جداسازی در روش لیزر را تشکیل می‌دهد. دو نوع متفاوت جداسازی با لیزر وجود دارد یکی جداسازی اتمی و دیگری جداسازی مولکولی. برای جداسازی در روش اتمی، فرایند یونش فوتونی چند مرحله‌ای بکار گرفته شده و در حین این مراحل، بخار اورانیوم با لیزرهای با طول موج متفاوت یونیزه می‌شود و سپس اتمهای مورد نظر به روش الکترومغناطیسی جذب خواهند گردید. علت استفاده چند مرحله‌ای در فرایند جداسازی اتمی، محدودیت بازده لیزرهای رنگی قابل تنظیم می‌باشد. در روش جداسازی مولکولی از فرایندهای فاز گازی استفاده شده و از فازهای مایع و جامد که در آنها اثر ایزوتوپی تحت تأثیر گستردگی خطوط انرژی بیناب قرار می‌گیرد اجتناب گردیده‌است.

واحد کار جداسازی

«کار جداسازی» یا سو-Separative work unit- میزان جداسازی که در یک فرایند غنی‌سازی را گویند؛ که تابعی از غلظت مادهٔ غنی نشده، غنی شده و تفاله است؛ و با واحدهایی متناسب با ورودی کل (انرژی/ زمان عملکرد ماشین) و جرم بیان می‌شود. کار جداسازی همان انرژی نیست؛ و برای یک مقدار مشابه واحد کار بسته به کارایی روش جداسازی انرژی متفاوتی نیاز دارد. واحدهای کار جداسازی: SWU و kg SW و یا kg UTA (از واژهٔ آلمانیِ Urantrennarbeit؛ تحت‌اللفظی به معنی کار جداسازی اورانیوم)