فرآیند غنی سازی اورانیوم

به طور حتم افراد علاقه مند ی كه اخبار و مسائل علمی را پیگیری می كنند بارها واژه غنی سازی اورانیوم (uranium enrichment) را شنیده اند ولی هنوز درك ملموسی از این پروسه نداشته به طوری كه مایلند به دانسته های خود بیافزایند.باید بگوییم كه واقعاً یكی از تكنولوژیهای پیچیده در صنعت عظیم هسته ای فرایند غنی سازی اورانیوم می باشد. در جهان فعلی كشورهای انگشت شماری هستند كه صاحب این تكنولوژی بوده و خدمات به كشورهایی كه عضو باشگاهای هسته ای دنیا می باشند ارائه می دهند. غنی سازی درواقع افزایش درصد ایزوتوپ اورانیوم ۲۳۵ (U ۲۳۵) از ۷/۰ درصد به حدود ۴ الی ۵ درصد در مخلوط طبیعی اورانیوم است.(۱) تاریخ غنی سازی اورانیوم از جنگ جهانی دوم آغاز می شود، به عنوان مثال غنی سازی به وسیله سانتریفوژ حدوداً ۴۰ سال پیش توسط فردی آلمانی به نام زیپه(۲) طراحی شد. البته از فرایندهای دیگری مانند الكترومغناطیسی، پخش گازی، شیمیایی و فتوشیمیایی هم برای غنی سازی استفاده شد و بعضی از این روشها خیلی سریع توسعه پیدا كردند. حال باید دید چرا بحث غنی سازی اورانیوم در صنعت هسته ای مطرح شده و اكنون به عنوان یكی از تكنولوژیهای اساسی و موردنیاز در صنعت هسته ای جهان مطرح است. در پاسخ این سؤال باید گفت كه شركتهای تولید كننده انرژی برق برای تهیه سوخت راكتورهای نیروگاههای هسته ای بخصوص راكتورهای آب سبك(۳) PWR و(۴) BWR نیاز به اورانیوم غنی شده دارند زیرا در محفظه راكتور(۵) این نیروگاه ها احتمال شكافت اتم اورانیوم ۲۳۵ به وسیله نوترونهای حرارتی بسیار زیادتر از احتمال ایزوتوپ اورانیوم ۲۳۸ می باشد، بنابراین اگر مقدار اورانیوم ۲۳۵به مقدار طبیعی آن یعنی ۷۵/۰ درصد باشد نمی تواند واكنش خودنگهدار زنجیره ای به وجود آورد پس باید با غنی سازی اورانیوم به عنوان سوخت نیروگاههای هسته ای درصد مقدار ایزوتوپ اورانیوم ۲۳۵ را به حدود ۴ الی ۵ درصد برسانیم تا احتمال شكافت به وسیله نوترون را افزایش داده و در نتیجه مقدار انرژی كه از هرشكافت آزاد می شود را به وسیله خنك كننده كه در این راكتورها آب معمولی(۶) می باشد برداشت كنیم.حال با توضیحات فوق پروسه غنی سازی به صورت مختصر شرح داده می شود. دو روش سانتریفوژ و پخش گازی پایه صنعتی غنی سازی در كل جهان می باشند كه البته با توجه به گسترش موضوع سعی شده كه در این مقاله در مورد روش سانتریفوژ صحبت شود.روش سانتریفوژ در مقیاس صنعتی ابتدا در هلند دردهه ۶۰ میلادی مورد استفاده قرار گرفت، برای این منظور توسعه مواد با استقامت و خواص ویژه و ساخت یاطاقان های پیشرفته برای سانتریفوژهای با سرعت دورانی زیاد لازم می بود. در آلمان وانگلستان نیز این روش توسعه یافت و در سال ،۱۹۷۰ سه كشور آلمان، هلند و انگلستان شركت URENCO را برای توسعه این فرآیند و عرضه سرویس غنی سازی به بازار بین المللی تشكیل دادند. این فرآیند در دهه ۸۰ در كشورهای آمریكا، فرانسه، ژاپن، استرالیا و چند كشور دیگر نیز به كار گرفته شده است. البته باید یادآوری كرد كه استفاده از سانتریفوژ برای جداسازی مواد با جرم های ویژه مختلف از صد سال پیش شروع شده است ولی در آن زمان بحث غنی سازی اصلاً مطرح نبود، به طوری كه از سال ۱۹۱۹ میلادی این روش برای جداسازی ایزوتوپ گازها مورد استفاده قرار گرفت؛ تا اینكه در جنگ جهانی دوم از دستگاه سانتریفوژ برای غنی سازی اورانیوم استفاده به عمل آمد. لازم به ذكر است كه غنی سازی اورانیوم یكی از مراحل ۱۵ گانه چرخه سوخت هسته ای می باشد. پس قبل از آنكه اورانیوم به مرحله غنی سازی كه جزو پنجمین مرحله از چرخه سوخت هسته ای است بخواهد برسد باید مراحلی طی شود تاگاز مورد نظر به عنوان خوراك وارد سیستم سانتریفوژ شود كه جهت روشن شدن موضوع چهار مرحله قبلی و فرآیندهای انجام شده شرح داده می شود.اولین مرحله از چهار مرحله قبل از غنی سازی اكتشاف معادن اورانیوم می باشد. اورانیوم در طبیعت به صورت تركیباتی كه تعداد آنها به ۱۰۰ می رسد و از ملكولهای ساده تا كمپكس تشكیل شده است وجود دارد. باید یادآوری كرد كه اورانیوم همیشه در تركیب با اكسیژن در طبیعت یافت می شود. بزرگترین ذخایر رگه ای اورانیوم در كانادا و استرالیا وجود دارد، البته كشورهای بسیاری مانند آمریكا، آفریقای جنوبی، مراكش و من جمله ایران دارای معادن اورانیوم می باشند كه ازمعادن بالفعل اورانیوم ایران ساغند یزد می باشد. پس از اكتشاف و استخراج كانی های اورانیوم كانه آرایی و تغلیظ برای تهیه كنسانتره(۷) ۸ U ۳ O (كیك زرد)(۸) در چند مرحله انجام می شود، كیك زرد به دست آمده شامل بیش از ۷۰ درصد اورانیوم می باشد.روی این كیك زرد كنترل كیفیت اندازه ذرات كنسانتره و سیالیت آن انجام می شود. سپس جهت تولید پودر UO۲ ازكیك زرد (U۳O۸) عملیات انحلال، استخراج، رسوب گیری UC(۹) و احیاء انجام می شود و برای تبدیل UO۲ به UF۶ (نمك سبز) با اسید فلورئید ریك (HF) آن را تركیب می كنند تا UF۴ به دست آید. سپس UF۴ را با گاز فلوئور فلوریناسیون می كنند تا UF۶ به دست آید. UF۶ به دست آمده در دمای پایین گازی شكل است كه خوراك دستگاه سانتریفوژ گازی است تا بدین وسیله گاز UF۶ غنی شود.در سال ۱۹۳۰ سانتریفوژ با جریان همسو(Concurrent)كه در آن ماده تغذیه از درون لوله ای كه در مركز درپوش بالایی سانتریفوژ قرار دارد، وارد می شد. مولكولهای سبك بیشتر به اطراف محور مركزی ومولكولهای سنگین بیشتر به طرف دیواره سوق پیدا كرده و به وسیله مجراهایی از سانتریفوژ خارج می شوند. در جنگ جهانی دوم از این سانتریفوژ برای غنی سازی اورانیوم استفاده به عمل آمد ولی بازده كم آن موجب كنار گذاشتن این روش شد. سانتریفوژ با جریانهای همسو دو نقص بزرگ داشت: یكی اینكه فشار در نزدیك محور مركزی پایین بود و خارج كردن مولكولهای سبك تر (U ۲۳۵) با اشكال مواجه می شد و دیگر اینكه بازده جداسازی این سانتریفوژ بسیار كم بود. این مشكلات موجب شد كه سانتریفوژ با جریانات مخالف توسعه یابد. در این سانتریفوژ ماده تغذیه كه همان UF۶ می باشد از وسط محور چرخشی وارد شده و با حركت در طول محور و جداره در دو جهت مختلف موجب ایجاد اختلاف غلظت ایزوتوپی در طول محور می شود. در نتیجه می توان ایزوتوپ های سبك (اورانیوم ۲۳۵) و سنگین (اورانیوم ۲۳۸) را در دو انتهای محور و در نزدیك جداره سانتریفوژ برداشت كرد. چون فشار در كنار جداره زیاد است بنابراین برداشت ایزوتوپ سبك تر (اورانیوم ۲۳۵) مشكلی ایجاد نمی كند. با این نوع سانتریفوژ بازده جداسازی افزایش پیدا كرده و با ارتفاع سانتریفوژ متناسب است. این سانتریفوژ هنوز اهمیت خود را حفظ كرده و با به كار گرفتن مواد با استقامت و خواص بهتر افزایش بازده و رقابت اقتصادی آن در سطح وسیع ممكن شده است. چونكه تفاوت جرمی اورانیوم ۲۳۵ (U ۲۳۵) اورانیوم ۲۳۸ (U ۲۳۸) فقط سه نوترون می باشد و باتوجه به اینكه وزن یك نوترون از مرتبه ۲۴- ۱۰ گرم بوده متوجه می شویم كه تفاوت جرمی اورانیوم ۲۳۵ و اورانیوم ۲۳۸ بسیار جزئی است، به طوری كه یك دستگاه سانتریفوژ به هیچ عنوان قادر نیست تا ۴ الی ۵ درصد غنی سازی انجام دهد، پس باید فرآیند غنی سازی در مراحل زیادی به صورت پشت سر هم كه آبشار (casade)نامیده می شود انجام پذیرد تا بتوان به غنای ۴الی ۵درصد رسید. به عنوان مثال اگر دستگاه سانتریفوژ جریان مخالفی داشته باشیم كه در هر ثانیه ۱۰۰۰ دور بتواند بزند باید در حدود شاید ۶۰۰۰۰ (شصت هزار) دستگاه پشت سر هم كه آبشار نامیده می شود كنار هم قرار داد تا بتوان ۴ الی ۵ درصد اورانیوم گازی شكل UF۶ را غنی كرد. راه اندازی یك سایت صنعتی غنی سازی اورانیوم به ده ها مگاوات نیروی برق نیاز دارد. تصور كنید كه اگر استوانه چرخنده هر دستگاه سانتریفوژ بخواهد ۱۰۰۰ دور در ثانیه بزند چه مقدار باید برق مصرف كند و همچنین خلاء داخل آن باید بسیار مقدار بالایی داشته باشد تا تحقق چنین شرایطی فراهم شود با در نظر گرفتن این شرایط تصور كنید به عنوان مثال ۶۰هزار دستگاه سانتریفوژ را در كنار هم قرار دادن جهت جداسازی ایزوتوپی اورانیوم چه تكنولوژی بالایی را طلب می كند.شاید عده ای تصور كنند حالا اگر كشوری مثلاً توانست اورانیوم را تا ۵ درصد غنی كند كه مورد استفاده در راكتور نیروگاههای هسته ای است حتماً خواهد توانست اورانیوم با غنای بالاتر مثلاً بالاتر از ۷۰ درصد (كه مورد استفاده در تسلیحات هسته ای است) تولید كند در پاسخ به این افراد باید گفت كه مثال این قضیه مانند بحث خودرو است. اگر كشوری بخواهد خودرویی با سرعت ۳۰۰ كیلومتر در ساعت تولید كند، برای این كار، نسبت به خودرویی كه با سرعت معمولی حركت می كند، طراحی جدیدی نیاز دارد. یعنی نحوه اتصال سانتریفوژها تغییر می كند و بسته به نوع و درصد غنی سازی شرایط كار تغییر می كند. در مورد ایران به فرض بپذیریم كه ایران توانسته ماشین بسازد اما اگر بخواهد ماشین با مشخصات جدیدی بسازد نیاز به تكنولوژی متفاوتی نسبت به قبل دارد. در مورد غنی سازی ۵ درصد و بالای آن هم به همین صورت است و ما به یك دانش فنی اضافه نیاز داریم؛ یعنی چیز جدیدی ساخته نمی شود، ولی باید به آن موارد قبلی، بخش های جدید خاصی اضافه شود. باید این نكته یادآوری شود كه غنی سازی با درصد بالا یك غنی سازی ۳ تا ۵ درصدی یا بخشی از آن نیست بلكه بحث دیگری است و باید از صفر آغاز كرد چرا كه طراحی و اتصال قطعات آن فرق دارد. شاید مثال تولید خودرو تراكتور بهتر باشد. الان داریم خودرو تولید می كنیم و آن موقع می خواهیم تراكتور بسازیم هرچند تولید این دو شباهت های زیادی با هم دارد ولی در هر حال تراكتور با خودرو دو نوع متفاوت اند. شاید افرادی فكر می كنند كه همه كشورهای دارای نیروگاه هسته ای خودشان تولیدكننده سوخت هسته ای می باشند در حالی كه اصلاً این طور نیست و داشتن نیروگاه هسته ای با داشتن تكنولوژی غنی سازی دو مقوله جدا از هم می باشند زیرا با داشتن نیروگاه هسته ای می توان سوخت را از كشورهای تولید كننده دریافت كرد و درواقع غنی سازی یك اهرم چانه زنی است البته ازنظر اقتصادی هم می تواند دارای صرفه باشد.
رامتین راوندی
پی نوشتها:
۱-natural uranium
۲-ZIPPE
۳-Pressure Water Reactor
۴-boil water Reactor
۵- دستگاهی كه در آن یك واكنش زنجیره ای شكافت هسته ای خودنگهدار بتواند حفظ و كنترل شود.
۶- آب معمولی یا همان آب سبك، آبی می باشد كه ئیدروژن آن دارای ایزوتوپ H ۱است.
۷- پرعیار كردن (پرعیار شدن)
۸- نوعی اكسید اورانیوم تغلیظ شده كه از آسیا كردن (تغلیظ) كانه اورانیوم به دست می آید. این محصول معمولاً دارای ۸۰ تا ۹۰ درصد U۳O۸ است.
۹- آمونیوم اورانیل كربنات

منبع : مجله پرواز