اورانیوم طبیعی از ۳ ایزوتوپ U-235 ,U-234 و U-238 تشکیل شده است که U-238 فراوانترین آنها می باشد. این سه ایزوتوپ رادیو اکتیو بوده که نیمه عمر ۲۳۵U برابر است با ۴/۵x109 سال که پایدارترین ایزوتوپ می باشد. دو ایزوتوپ مهم آن U-238 و U-235 می‌باشند که U-235 مهمترین ایزوتوپ برای راکتورها و سلاحهای هسته‌ای است چرا که این ایزوتوپ تنها ایزوتوپی است که در طبیعت وجود دارد و در هر مقدار ممکن توسط نوترونهای حرارتی شکافته می‌شود.

ایزوتوپ U-238 نیز از این جهت مهم است که نوترونها را برای تولید ایزوتوپ رادیواکتیو جذب کرده و آن را به ایزوتوپ ۲۳۹Pu پلوتونیوم تجزیه می‌کند. اورانیوم اولین عنصر یافته شده بود که می‌توانست شکافته شود. برای نمونه با بمباران آرام نوترونی ایزوتوپ ۲۳۵U آن به ایزوتوپ کوتاه عمر U-236 تبدیل شده و بلافاصله به دو هسته کوچکتر تقسیم می‌شود که این عمل انرژی آزاد کرده و نوترونهای بیشتری تولید می‌کند. اگر این نوترونها توسط هسته U-235 دیگری جذب شوند، عملکرد حلقه هسته‌ای دوباره اتفاق می‌افتد و اگر چیزی برای جذب نوترونها وجود نداشته باشد، به حالت انفجاری در می‌آیند. اولین بمب اتمی با این اصل جواب داد.

کاربردهای فلز اورانیوم

فلز اورانیوم بسیار سنگین و پرچگالی می‌باشد. اورانیوم خالی توسط بعضی از ارتشها برای ساخت محافظ برای تانکها و ساخت قسمتهایی از موشکها و ادوات جنگی استفاده می‌شود. ارتشها همچنین از اورانیوم غنی‌شده برای سوخت ناوگان خود و زیردریایی‌ها و همچنین سلاحهای هسته‌ای استفاده می‌کنند. اورانیوم موجود در سلاحهای هسته‌ای بشدت غنی می‌شوند که این مقدار بصورت تقریبی ۹۰% می‌باشد. مهمترین کاربرد اورانیوم در بخش غیر نظامی تامین سوخت دستگاه های تولید نیروی هسته‌ای است که در آنها سوخت U-235 به میزان حدود ۵% غنی می‌شود. لعاب ظروف سفالی از مقدار کمی اورانیوم طبیعی تشکیل شده است ( که داخل فرایند غنی سازی نمی‌شود ) که این عنصر برای اضافه کردن رنگ با آن اضافه می‌شود. نیمه عمر طولانی ایزوتوپ اورانیوم ۲۳۸ آن را برای تخمین سن سنگهای آتشفشانی مناسب می سازد.

تولید و توزیع

اورانیوم اقتصادی از طریق کاهش هالیدهای اورانیوم با خاک فلزات قلیایی تولید می‌شود. همچنین فلز اورانیوم می‌تواند از طریق عمل الکترولیز _۵KUF یا _۴Uf که در _۲CaCl و NaCl حل شده است، بدست آید. اورانیوم خالص نیز از طریق تجزیه حرارتی هالیدهای اورانیوم حاصل می‌شود. معمولا کشورهای بزرگتر اورانیوم بیشتری در مقایسه با کشورهای کوچکتر تولید می‌کنند، چرا که گسترش و توزیع اورانیوم در جهان یک شکل و یکنواخت است. کشور استرالیا ذخایر بسیار زیادی از این عنصر دارد که تقریبا ۳۰% ذخایر دنیا را شامل می‌شود.

هشدارها

تمام ترکیبات اورانیوم سمی و رادیو اکتیو هستند. سمی بودن این عنصر می‌تواند کشنده باشد. در مقادیر بسیار کم خاصیت سمی بودن این عنصر به کلیه آسیب می‌رساند. ویژگی رادیواکتیوی این عنصر نیز سیستماتیک و نظام مند است. در کل ترکیبات اورانیوم به‌سختی جذب روده و ریه می‌شوند و خطرات رادیولوژیکی آن باقی می‌ماند. فلز خالص اورانیوم نیز خطر آتش‌سوزی به همراه دارد. فرد ممکن است با تنفس غبار اورانیوم در هوا یا خوردن و آشامیدن آب و غذا در معرض این عنصر قرار بگیرد. البته بیشتر این عمل از طریق خوردن آب و غذا صورت می‌گیرد. جذب روزانه اورانیوم در غذا ۰۷/۰ تا ۱/۱ میکروگرم می‌باشد. مقدار اورانیوم در هوا معمولا بسیار ناچیز است. افرادی که در کنار تاسیسات هسته‌ای و یا معادن استخراج اورانیوم زندگی می‌کنند، بیشتر در معرض این عنصر قرار می‌گیرند. اورانیوم ممکن است که از طریق تنفس یا بلع و یا در موارد استثنایی از طریق شکافی روی پوست وارد بدن شود. اورانیوم توسط پوست جذب نمی‌شود و ذرات آلفای ساطع شده از این عنصر نمی‌تواند به پوست نفوذ کند. بنابراین اورانیومی که خارج از بدن باشد، نمی‌تواند به اندازه اورانیوم داخل بدن مضر و خطرناک باشد. اگر اورانیوم به بدن وارد شود، ممکن است موجب سرطان شده یا به کلیه‌ها آسیب برساند.

هگزافلوراید اورانیوم^[۷]

هگزافلوراید اورانیوم، ترکیب شیمیایی است که حاوی یک اتم اورانیوم و ۶ اتم فلوئور است، این ترکیب در فرایند غنی سازی اورانیوم مورد استفاده قرار می گیرد و دلیل انتخاب آن اینست که اتم فلوئور تنها دارای یک ایزوتوپ می باشد و در اختلاف وزن مولکولی دو گونه ترکیب UF₆ تفاوت تنها مربوط به ماده اورانیوم می باشد و بدین دلیل به راحتی میتوان با کمک روش های موجود ایزوتوپ U-235 را غنی سازی کرد. تحت شرایط دما و فشار مناسب این ترکیب می تواند به صورت جامد، مایع و یا گاز باشد. UF₆ جامد، ماده ای سفید، چگال و بلوری است (مثل سنگ نمک). UF₆ در فاز مایع، بیرنگ، چگال و دارای و یسکوزیته پایین می باشد و میتواند آزادانه جریان یابد و سطح مخزنش را کاملاً مرطوب کند.
با کاهش دما UF₆ در فشار های کمتر از ۵/۱ اتمسفر بدون عبور از فاز مایع از فاز گاز وارد فاز جامد می شود.UF₆ مایع فقط زمانی به دست میآید که دما بیش از ۱۴۷ ^۰F یا ۶۴ ^۰C و فشار نیز ۱/۵برابر فشار جو و حدود ۲۲ psi باشد. این دما و فشار نقطه­ی سه گانه UF6 را نشان می دهد. در فشار جو وقتی دما به ۵۷ ^۰C برسد، UF₆ جامد بدون عبور از فاز مایع مستقیماً به گاز تبدیل می­ شود.
هگزا فلوراید اورانیوم با اکسیژن، نیتروژن، دی اکسید کربن و یا هوای خشک واکنش نمی­دهد اگر چه هر یک از این گازها در فاز مایع UF₆ محلول می باشند.UF₆ با آب یا بخار آب واکنش می­دهد به همین دلیل UF₆ در مخازن ایزوله و یا وسایل فراوری ضد نشت نگهداری و به کار برده می­ شود. UF₆ میتواند با بیشتر فلزات وارد واکنش شود و فلوراید آن فلز را همراه با مقدار کمی فلوراید اورانیوم با ظرفیت کم تولید نماید. نیکل یا فولاد پوشیده شده با آن، مونل، مس و بعضی از آلیاژهای آلومینیوم به دلیل مقاومتشان در برابر UF₆ در ساخت تجهیزات کاربرد دارند.

روش های تولید انرژی هسته ای

اساساً دو شیوه ی بنیادی برای آزاد سازی انرژی یک «اتم» وجود دارد:
۱- شکافت هسته ای: می توان هسته ی یک «اتم» را با یک «نوترون» به دو جزء کوچک تر تقسیم کرد. این همان شیوه‌ای است که در مورد ایزوتوپ های اورانیوم (یعنی اورانیوم ۲۳۵ و ۲۳۳) به کار می‌رود. در این روش هسته یک اتم توسط یک نوترون به دو بخش کوچکتر تقسیم می‌شود. در این روش غالباً از عنصر اورانیوم استفاده می‌شود.
۲- گداخت هسته ای: می توان با بهره گرفتن از دو اتم کوچک تر که معمولاً هیدورژن یا ایزوتوپ های هیدورژن (مانند دوتریوم و تریتیوم) هستند، یک اتم بزرگ مثل هلیوم یا ایزوتوپ های آن را تشکیل داد. این همان شیوه‌ای است که در خورشید برای تولید انرژی به کار می‌رود.
فرایند هر دو شیوه، دست یافتن به میزان عظیمی از انرژی گرمایی و تشعشع است.

غنی سازی^[۸]

همانگونه که بیان شد سنگ معدن اورانیوم موجود در طبیعت از دو ایزوتوپ اورانیوم ۲۳۵ به مقدار ۷/۰ درصد و اورانیوم ۲۳۸ ‏به مقدار ۳/۹۹ درصد و مقدار کمی اورانیوم ۲۳۴ تشکیل شده است. اگر ما بخواهیم از اورانیوم ۲۳۵ بعنوان سوخت در نیروگاههای حرارتی، استفاده کنیم اورانیوم به شکل طبیعی قابل استفاده نیست و باید درصد اورانیوم ۲۳۵ را در سوخت تا حدود ۵ درصد بالا ببریم زیرا فقط اورانیوم ۲۳۵ با نوترونهای گرمایی واکنش شکافت انجام می دهد. به این کار اصطلاحا غنی سازی اورانیوم می گویند، که از عهده هر کشوری بر نمی آید زیرا این عمل بسیار پرهزینه و گران است و نیاز به تخصص فوق العاده زیادی دارد.
مراحل غنی سازی، به اختصار به این صورت است که ابتدا سنگ معدن اورانیوم استخراج شده را آسیاب کرده و به صورت پودر در می‌آورند.( معدن اورانیوم صخره ای است که در هر تن دارای حدود نیم تا دو کیلوگرم اکسید اورانیوم می باشد که معادل ۰۵/۰ تا ۲/۰درصد اکسید اورانیوم است. از هر هزاران کیلو سنگ معدن اورانیوم ‏‏۱۴۰ کیلوگرم اورانیوم طبیعی به دست می آید که فقط یک کیلوگرم اورانیوم ۲۳۵ ‏خالص در آن وجود دارد). ‏ سپس به این پودر، اسید سولفوریک اضافه می‌کنند و پس ازطی فرایند شیمیایی خاصی و تخلیص سازی، اکسید اورانیوم را با اسید سولفوریک ترکیب کرده و به سولفات اورانیل تبدیل می کنند ودر آخر با افزودن حلال‌های مخصوصی به سولفات اورانیل، ماده‌ای جامدی به نام اکسید اورانیوم‌U₃O₈ (کیک زرد) به وجود می اید که شامل ۷۰ درصد اورانیوم بوده و دارای ویژگی پرتوزایی می باشد. کیک زرد اورانیوم غلیظ شده است. نام این عنصر بدلیل رنگ و شکل آن در هنگام تولید می‌باشد اگرچه تولید امروزه کیک زرد بیشتر به رنگ سبز مایل به سیاه می گراید تا زرد. برای غنی سازی اورانیوم، باید ابتدا کیک زرد را با اتم فلئور (F-9)، ترکیب کرده و به صورت گاز هگزا فلوراید اورانیوم (UF₆) در بیاوریم. هگزا فلورید اورانیوم UF₆ جامد است که در دمای بالای ۵۶ درجه سانتیگراد بخار می شود. از این مرحله به بعد برای غنی سازی اورانیوم می توان از روش های زیر استفاده نمود.
روش انتشار (پخش) حرارتی
روش انتشار (پخش) گازها
روش الکترومغناطیسی
روش مرکزگریز گازی
روش مرکزگریز گازی زیپه
روش‌های لیزری
روش شیمیایی
روش پلاسمایی
از بین تمامی این روشها هم‌اکنون تنها دو روش “سانتریفوژ گازی” و “پخش گازی” است که در مقیاس تجاری اهمیت داشته و کاربردهای عملی وسیع پیدا کرده‌اند.

غنی سازی با دستگاه سانتریفیوژ^[۹]

سانتریفیوژ دستگاهی است که برای جدا سازی مواد از یکدیگر بر اساس وزن آنها استفاده می‌شود. این دستگاه مواد را با سرعت زیاد حول یک محور به گردش در می آورد. در واقع در این روش برای جدا سازی مواد از یکدیگر از شتاب ناشی از نیروی گریز از مرکز استفاده می‌گردد. کاربرد عمومی این دستگاه برای جداسازی مایع از مایع و یا مایع از جامد است. سانتریفیوژهایی که برای غنی سازی اورانیوم استفاده می‌شود حالت خاصی دارند که برای گاز تهیه شده‌اند که به آنها هایپر سانتریفیوژ^[۱۰] گفته می‌شود. پیش از آنکه دانشمندان از این روش برای غنی سازی اورانیوم استفاده کنند از تکنولوژی خاصی بنام پخش و توزیع گازی^[۱۱] استفاده می‌کردند.
گردش سریع روتور، نیروی گریز از مرکز بسیار قوی تولید می‌کند و طی آن مولکولهای سنگین تر (آنهایی که شامل ایزوتوپ اورانیوم ۲۳۸ هستند) از مرکز محور گردش دورتر می‌گردند و مولکولهای سبکتر (اورانیوم ۲۳۵) بیشتر حول محور سانتریفیوژ قرار می‌گیرند. در غنی سازی اورانیوم با روش سانتریفوژ گازی، از تعداد زیادی سیلندر دوار که به صورت موازی و سری کنارهم قرار داده شده‌اند، استفاده می‌شود. باید هزاران سانتریفیوژ در کنار هم قرار بگیرند تا ما بتوانیم اورانیوم را غنی کنیم یعنی با یک یا چند سانتریفیوژ نمی‌توان اورانیوم را غنی کرد.

غنی سازی اورانیوم از طریق میدان مغناطیسی بسیار قوی

در این روش هگزا فلوئورید اورانیوم را حرارت می دهند تا تبخیر شود و اتم های اورانیوم و فلوئورید از هم جدا شوند. سپس، اتم های اورانیوم را به میدان مغناطیسی بسیار قوی هدایت می کنند، میدان مغناطیسی بر هسته های باردار اورانیوم نیرو وارد کرده و از مسیر مستقیم خود منحرف می کند. اما هسته های سنگین اورانیوم (اورانیوم۲۳۸) نسبت به هسته های سبک تر(اورانیوم ۲۳۵) انحراف کمتری دارند، و درنتیجه از این طریق می توان اورانیوم ۲۳۵ را از اورانیوم طبیعی تفکیک کرد.

تله شیمیایی

در واحد غنی سازی اورانیوم بوسیله سانتریفیوژ، گاز UF₆ پس از عبور از سانتریفیوژ و انجام فرایند غنی سازی، وارد تله سرد شده و در دمای پایین جامد و جمع آوری می گردد. بعد از رسیدن فشار داخل تله سرد به مقدار مشخصی، شیر خروجی تله سرد را باز می کنند و گازهای جمع شده داخل تله به همراه میزان کمی گاز UF₆ که مقدار آن برابر فشار بخار UF₆ در دمای تله سرد می باشد از تله سرد خارج می شوند. گاز UF₆ و HF بسیار سمی و خورنده می باشند و صدمات جبران ناپذیری را به پمپ ها و محیط زیست وارد می کند. جهت جلوگیری از آلودگی محیط زیست و همچنین صدمه دیدن پمپ ها باید این مقادیر کم گاز های UF₆ و HF موجود در گاز خروجی از تله سرد حذف شوند. بنابراین جریان گاز قبل از ورود به پمپ وارد تله های شیمیایی می شود تا در آنجا در اثر جذب سطحی، گازهای مورد نظر حذف گردند.
تله های شیمیایی معمولا در صنایع غنی سازی استفاده می شوند تا مقادیر کم باقیمانده­ی هگزا فلورید اورانیوم و فلورید هیدروژن را از جریان های گازی، خارج کند. سودمندی تله های شیمیایی به طور وسیعی بستگی به ماده جاذب ویژه ای دارد که استفاده می شود. متاسفانه انتخاب جاذب مناسب به راحتی امکان پذیر نیست و بایستی توسط مقایسه چند عامل عملکرد، انتخاب کرد. افت فشار، ظرفیت جاذب، سرعت واکنش، احیا جاذب و تاثیر اجزا جاذب از قبیل مهمترین پارامترهایی هستند که ممکن است تاثیر یکی یا دو تا از آن ها در مقایسه کلی اهمیت بیشتری داشته باشند. برای مثال، کاهش فشار ممکن است مهمترین عامل در انتخاب سیستم هایی باشد که در شرایط عملیاتی فشار کم کار می کنند و یا بازیافت ماده جذب شده در سیستم هایی که در آن مقدار زیادی اورانیوم مجبور است در تله ها به دام بیافتد.

بررسی انواع جاذب مورد استفاده در سیستم غنی سازی اورانیوم

در صنعت غنی سازی جهت جذب مقدار کم هگزا فلورید اورانیوم و فلورید هیدروژن خروجی از تله سرد از جاذب هایی مانند کربن فعال، سدیم فلوراید (NaF) و آلومینا(Al₂O₃) استفاده می شود. در این قسمت به اختصار مزایا و معایب این جاذب ها مورد بررسی قرار میگیرد.
در مجموعه غنی سازی NEF^[12] کربن­اکتیو و آلومینا در تله­های شیمیائی بین تله­های سرد و پمپ­های خلا استفاده می­ شود، در حالی که در تله­های شیمیائی دامپ اضطراری از قرص­های NaF استفاده می­گردد. علی رغم مزیت های بارز کربن اکتیو و آلومینا نسبت به سدیم فلوراید، به دلیل ویژگی های خاص این ماده و نیز وظایف خط دامپ به عنوان یک مسیر اضطراری در زنجیره های غنی سازی، در این خطوط تنها می توان از سدیم فلوراید به عنوان جاذب استفاده کرد. دلیل اصلی انتخاب سدیم فلوراید اینست که گرمای جذب UF₆ بدلیل جذب فیزیکی در حد گرمای چگالش می باشد و می توان حجم زیادی از اورانیوم را در معرض آن قرار داد و چون در دامپ مجموعه غنی سازی احتمال وجود ناگهانی حجم زیادی از UF₆ وجود دارد از جاذب NaF استفاده می گردد. جاذب فلورید سدیم در صنعت به صورت قرص های سفید وجود دارد و می توان با افزایش دما تا ۶۵۰ ^۰F جاذب را احیا کرده و UF₆ را از سطح آن جدا کرد. NaF تا ۵۰ مرتبه قابلیت احیاء و استفاده دوباره را دارد. دمای مناسب جذب UF₆ روی فلورید سدیم حدود ۲۰۰ ^۰F می باشد زیرا در دماهای کمتر تشکیل بای فلورید مانع از جذب مناسب اورانیوم می شود.
از معایب جاذب NaF اینست که پس از جذب UF₆، پودر می شود و همراه جریان خروجی از تله شیمیایی خارج شده و علاوه بر خارج کردن اورانیوم، ذرات NaF که سمی نیز می باشند از مجموعه خارج شده و باعث آلودگی محیط زیست می شوند.
جاذب آلومینا (Al₂O₃) نیز به دلیل جذب خوب HF در تله های شیمیایی کاربرد دارد. جذب UF₆ روی آلومینا به صورت شیمیایی بوده و احیاء جاذب مشکل تر از فلورید سدیم می باشد. در جذب ترکیب HF و UF₆روی آلومینا ابتدا HF با آلومینا واکنش داده و تولید آب و AlF₃ می کند. AlF₃ تولید شده خرد می­ شود و باعث تخریب جاذب می گردد. آب تولیدی با UF₆ واکنش داده و تولید UO₂F₂ جامد می کند که روی آلومینا می نشیند و از تخریب آن جلوگیری می کند. وجود مقدار زیادی آب باعث انجام سریع واکنش شده و حفره ها به سرعت توسط UO₂F₂ مسدود می­شوند و بازدهی جاذب به شدت کاهش می یابد. مقدار مناسب آب حدود ۴-۳ درصد می باشد. از معایب جاذب آلومینا در تله های شیمیایی جذب ضعیف UF₆ نسبت به جاذب های کربن فعال و فلورید سدیم می باشد.
کربن فعال و فلورید سدیم جاذب های مناسبی برای جذب UF₆ بوده و در ادامه به توضیحات بیشتری در مورد این دو جاذب پرداخته می شود.

کربن فعال^[۱۳]

کربن فعال یک نوع جاذب قوی با جذب سطحی فوق العاده می باشد و در هیچ حلال شناخته شده ای حل نمی شود و برجسته ترین ویژگی های آن حذف انتخابی آلاینده­هاست و در برخی موارد برای بازیافت مواد نیز بکار می رود. میزان جذب زغال فعال به اندازه ساختار منافذ کربن و توزیع اندازه منافذ و همچنین اندازه و شکل مولکولهای آلاینده بستگی دارد. کربن های فعال شده محصولات پیچیده ای می باشند و طبقه بندی بر اساس رفتار، مشخصات سطح و روش آماده سازی آن مشکل می باشد. هرچند یک سری طبقه بندی براساس مشخصات فیزیکی به صورت زیر انجام شده است:
کربن فعال پودری (دارای اندازه کمتراز ۱۰۰ نانومتر و میانگین قطری بین ۱۵ تا۲۵ میکرومتر می باشد)
کربن فعال گرانولی (دارای اندازه ای بزرگتر از کربن فعال پودری می باشد)
کربن فعال کروی
کربن فعال تزریق شده
کربن روکش شده با پلیمرها
استاندارد جذب برای کربن فعال مورد استفاده اینست که بتواند تا حدود ۲۰% وزنی گاز سیانوژن کلراید را جذب نماید. اگر کربن فعال تازه باشد و در معرض رطوبت قرار نگرفته باشد خواهد توانست تا ۴۰% وزنی سیانوژن کلراید را جذب نماید. تعداد زیادی از گازهای سمی را میتوان با گذراندن از کربن فعال از هوا جدا کرد. این خاصیت برای مواد شیمیایی با وزن مولکولی بالا موثر می باشد. مواد سبک مانند مونوکسید کربن را نمی توان به راحتی به کمک کربن فعال جدا نمود اما میتوان با تزریق یک سری مواد شیمیایی مانند نمک های نقره، مس و کروم به کربن فعال قابلیت جذب اینگونه مواد را در کربن فعال ایجاد نمود و قدرت بازدارندگی کربن فعال را بالا برد.

مراحل تولید