آشنایی با غنی سازی اورانیوم ، انواع و کمیت ها
غنیسازی اورانیوم
غنیسازی اورانیوم فرآیندی است که طی آن سهم ایزوتوپ ۲۳۵U در یک توده اورانیوم طبیعی افزایش و مقدار ایزوتوپ ۲۳۸U کاهش مییابد. این عمل یکی از مراحل حیاتی در چرخه سوخت هستهای به شمار میرود.
فهرست مطالب
انواع اورانیوم
اورانیوم طبیعی که به صورت اکسید اورانیوم (U₃O₈) یافت میشود، حاوی ۹۹٫۳٪ ایزوتوپ ۲۳۸U و تنها ۰٫۷٪ ایزوتوپ ۲۳۵U است. ایزوتوپ ۲۳۵U به دلیل قابلیت شکافت پذیری، سوخت مناسب راکتورهای هستهای و همچنین کاربرد در تسلیحات اتمی تشکیل میدهد. بخش باقیمانده (۲۳۸U) که «اورانیوم ضعیفشده» نامیده میشود، نوعی زباله پرتوزا است. از این ماده به دلیل ویژگیهایی مانند چگالی بالا، سختی و آتشگیری، در ساخت گلولههای ضدزره استفاده میشود.
اورانیوم بر اساس میزان غنای ایزوتوپ ۲۳۵U به دو دسته اصلی تقسیم میشود:
-
اورانیوم با غنای پایین (LEU): میزان ۲۳۵U در آن کمتر از ۲۰٪ اما بیشتر از ۰٫۷٪ است. سوخت اکثر نیروگاههای هستهای تجاری دارای غنای ۳ تا ۵ درصد است.
-
اورانیوم با غنای بالا (HEU): میزان ۲۳۵U در آن بیش از ۲۰٪ است و در مواردی برای کاربردهای خاص (مانند بمبهای هستهای) به بیش از ۹۰٪ نیز میرسد. این نوع اورانیوم برای مصارف پزشکی و نظامی کاربرد دارد.
گستردگی در جهان
بر اساس گزارشهای آژانس بینالمللی انرژی اتمی، کشورهای محدودی توانایی غنیسازی اورانیوم در مقیاس تجاری را دارند. ایالات متحده آمریکا، روسیه، چین، فرانسه، آلمان، بریتانیا، هلند و ژاپن در قالب اتحادیهها و سازمانهای مختلف از جمله این کشورها هستند. علاوه بر این، هند، پاکستان، آرژانتین، برزیل و ایران نیز توانایی غنیسازی اورانیوم را دارا هستند. درباره توانایی اسرائیل و کره شمالی در این زمینه گمانهزنیهایی وجود دارد. لیبی نیز در سال ۲۰۰۳ و پس از یک دهه، برنامه غنیسازی خود را متوقف کرد.
فرآیند غنیسازی اورانیوم
اورانیوم فلزی سنگین، به رنگ سفید نقرهای و رادیواکتیو است که فراوانی آن در پوسته زمین حتی از عناصری مانند طلا و نقره بیشتر است. برای استفاده در صنعت هستهای، باید سهم ایزوتوپ ۲۳۵U از ۰٫۷٪ به ۳ تا ۵ درصد افزایش یابد. این فرآیند شامل مراحل زیر است:
-
استخراج و تولید کیک زرد: اورانیوم از معادن استخراج و طی فرآیندهای مکانیکی و شیمیایی به مادهای به نام «کیک زرد» (U₃O₈) تبدیل میشود که هنوز دارای ناخالصی است.
-
تبدیل به هگزافلورید اورانیوم (UF₆): کیک زرد تصفیه شده و به گاز هگزافلورید اورانیوم تبدیل میشود. این گاز به دلیل پایداری در دمای اتاق و قابلیت تبخیر، ماده اولیه مناسبی برای فرآیند غنیسازی است.
روشهای غنیسازی
۱. غنیسازی با سانتریفیوژ گازی
این رایجترین روش غنیسازی اورانیوم در جهان است. در این روش، گاز UF₆ به داخل سیلندرهای دوار بسیار سریعی به نام سانتریفیوژ تزریق میشود. چرخش با سرعت بالا (بیش از ۱۰۰,۰۰۰ دور در دقیقه) نیروی گریز از مرکز شدیدی ایجاد میکند. تحت این نیرو، مولکولهای حاوی ایزوتوپ سنگینتر (۲۳۸U) به دیواره خارجی و مولکولهای حاوی ایزوتوپ سبکتر (۲۳۵U) در مرکز سیلندر متمرکز میشوند. با قرار دادن هزاران سانتریفیوژ به صورت سری و موازی، غلظت ۲۳۵U به تدریج افزایش مییابد. پیش از این، از فناوری قدیمیتر «پخش گازی» برای این منظور استفاده میشد.
۲. غنیسازی با لیزر
در این روش از لیزر برای جداسازی ایزوتوپها استفاده میشود. اساس کار، تفاوت در طیف جذب ایزوتوپهای مختلف اورانیوم است. دو روش اصلی وجود دارد:
-
جداسازی اتمی با لیزر (AVLIS): در این روش، اورانیوم فلزی تبخیر شده و به صورت اتمی درمیآید. سپس با تابش لیزرهای با طول موج مشخص، اتمهای ۲۳۵U برانگیخته و یونیزه میشوند تا در ادامه توسط یک میدان الکترومغناطیسی جمعآوری شوند.
-
جداسازی مولکولی با لیزر (MLIS): در این روش، از تفاوت در جذب نور لیزر توسط مولکولهای حاوی ایزوتوپهای مختلف اورانیوم (مانند UF₆) استفاده میشود.
اگرچه این روش از نظر تئوری کارآمد است، اما در مقایسه با روش سانتریفیوژ، موفقیت تجاری و صنعتی کمتری داشته است.
واحد کار جداسازی (SWU)
«واحد کار جداسازی» (Separative Work Unit) معیاری برای سنجش میزان effort یا «کار» انجام شده در فرآیند غنیسازی است. این واحد بر اساس جرم و غلظت مواد ورودی (اورانیوم طبیعی)، محصول (اورانیوم غنیشده) و ضایعات (اورانیوم ضعیفشده) محاسبه میشود. SWU یکای انرژی نیست، اما برای انجام یک مقدار مشخص SWU، بسته به بازدهی روش غنیسازی، انرژی متفاوتی مصرف میشود.
-
۱ SWU = ۱ kg SW = ۱ kg UTA (مخفف آلمانی Urantrennarbeit)
-
۱ kSWU = ۱۰۰۰ kg SW
-
۱ MSWU = ۱,۰۰۰,۰۰۰ kg SW
