غنی سازی اورانیوم

[*مینا*]

مقدمه


سنگ معدن اورانیوم موجود در طبیعت از دو ایزوتوپ 235U به مقدار 0.7 درصد و 238U اورانیوم را بصورت ترکیب با اتم فلوئور (9F ) و بصورت مولکول ‏اورانیوم هگزا فلوراید تبدیل می‌کنند که به حالت گازی است. سرعت متوسط ‏مولکولهای گازی با جرم مولکولی گاز نسبت عکس دارد.
‏به مقدار 3.99 درصد تشکیل شده است. سنگ معدن را ابتدا در اسید حل کرده و ‏بعد از تخلیص فلز ،
غنی سازی با دستگاه سانتریفیوژ


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 می‌آورد و مواد متناسب با وزنی که دارند از محور فاصله می‌گیرند. 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 Hyper-Centrifuge گفته می‌شود. پیش از آنکه دانشمندان از این روش برای غنی سازی اورانیوم استفاده کنند از تکنولوژی خاصی بنام Gaseous Diffusion به معنی پخش و توزیع گازی استفاده می‌کردند.




http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/img/daneshnameh_up/0/0c/200px-Nuclear_Fuel_Cycle.JPG


غنی سازی با دیفوزیون گازی Gaseous Diffusion


گراهان در سال 1864 پدیده‌ای را کشف کرد که در آن سرعت متوسط مولکولهای ‏گاز با معکوس جرم مولکولی گاز متناسب بود. از این پدیده که به نام دیفوزیون ‏گازی7-

ضریب جداسازی متناسب با اختلاف جرم مولکولها است. روش غنی سازی ‏اورانیوم تقریبا مطابق همین اصولی است که در اینجا گفته شد. با وجود این ‏می‌توان به خوبی حدس زد که پرخرج ترین مرحله تهیه سوخت اتمی همین ‏مرحله غنی سازی ایزوتوپها است، زیرا از هر هزاران کیلو سنگ معدن اورانیوم ‏‏140 کیلوگرم اورانیوم طبیعی بدست می‌آید که فقط یک کیلوگرم 235U منهتن (Manhattan) برای ساخت بمب هسته‌ای

در این روش با تکرار استفاده از این صفحات فیلتر مانند ، بصورت آبشاری (Cascade) ، میزان 235U را به مقدار دلخواه بالا می‌بردند. این روش اولین راهکارهای صنعتی برای غنی سازی اورانیوم بود که کابرد عملی پیدا کرد. نمونه‌ای از سانتریفیوژهای گازی آبشاری که برای غنی سازی اورانیوم از آنها استفاده می‌شود. Hyper-Centrifuge اما در روش استفاده از سانتریفیوژ برای غنی سازی اورانیوم ، تعداد بسیار زیادی از این دستگاهها بصورت سری و موازی بکار می‌برند تا با کمک آن بتوانند غلظت 235U را افزایش دهند.



مشهور است برای غنی سازی اورانیوم استفاده می‌کنند. در عمل اورانیوم ‏هگزا فلوراید طبیعی گازی شکل را از ستونهایی که جدار آنها از اجسام متخلخل ‏‏(خلل و فرج دار) درست شده است عبور می‌دهند. سوراخهای موجود در جسم ‏متخلخل باید قدری بیشتر از شعاع اتمی یعنی در حدود 2.5 آنگسترم ( ‏خالص در آن وجود دارد. Gaseous Diffusion از جمله تکنولوژیهایی بود که ایالات متحده طی جنگ جهانی دوم در پروژه‌ای بنام ، با کمک انگلیس و کانادا به آن دست پیدا کرد.‏25x10 سانتیمتر) باشد.
http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/img/daneshnameh_up/e/ed/chp_nuclearfuelcycle1.jpg




گاز هگزافلوراید اورانیوم (UF6) در داخل سیلندرهای سانتریفیوژ تزریق می‌شود و با سرعت زیاد به گردش در آورده می‌گردد. گردش سریع سیلندر ، نیروی گریز از مرکز بسیار قوی تولید می‌کند و طی آن مولکولهای سنگینتر (آنهایی که شامل ایزوتوپ 238U هستند) از مرکز محور گردش دورتر می‌گردند و برعکس آنها که مولکولهای سبکتری دارند (حاوی ایزوتوپ 235U ) بیشتر حول محور سانتریفیوژ قرار می‌گیرند.

در این هنگام با استفاده از روشهای خاص گازی که حول محور جمع شده است جمع آوری شده به مرحله دیگر یعنی دستگاه سانتریفیوژ بعدی هدایت می‌گردد. میزان گاز هگزافلوراید اورانیوم شامل 235U که در این روش از یک واحد جداسازی بدست می‌آید به مراتب بیشتر از مقداری است که در روش قبلی (Gaseous Diffusion) بدست می‌آید، به همین علت است که امروزه در بیشتر نقاط جهان برای غنی سازی اورانیوم از این روش استفاده می‌کنند.

بزرگترین دستگاههای آبشاری سانتریفیوژ در کشورهایی مانند فرانسه ، آلمان ، انگلستان و چین در حال غنی سازی اورانیوم هستد. این کشورها علاوه بر مصرف داخلی به صادرات اورانیوم غنی شده نیز می‌پردازند. کشور ژاپن هم دارای دستگاههای بزرگ سانتریفیوژ است، اما تنها برای مصرف داخلی اورانیوم غنی شده تولید می‌کند.

غنی سازی اورانیم از طریق میدان مغناطیسی


یکی از روشهای غنی سازی اورانیوم استفاده از میدان مغناطیسی بسیار قوی می‌باشد. در این روش ابتدا اورانیوم هگزا فلوئورید را حرارت می‌دهند تا تبخیر شود. از طریق تبخیر ، اتمهای اورانیوم و فلوئورید از هم تفکیک می‌شوند. در این حالت ، اتمهای اورانیوم را به میدان مغناطیسی بسیار قوی هدایت می‌کنند. میدان مغناطیسی بر هسته‌های باردار اورانیم نیرو وارد می‌کند ( این نیرو به نیروی لورنتس معروف می‌باشد) و اتمهای اورانیوم را از مسیر مستقیم خود منحرف می‌کند. اما هسته‌های سنگین اورانیم (238U ) نسبت به هسته‌های سبکتر (235U ) انحراف کمتری دارند و درنتیجه از این طریق می‌توان 235U را از اورانیوم طبیعی تفکیک کرد.




http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/img/daneshnameh_up/e/e9/fuel_cycle.JPG


کاربردهای اورانیوم غنی شده




شرایطی ایجاد کرده اند که نسبت 235U به 238U سانتریفوژهای بسیار قوی استفاده ‏می‌کنند.

را به 5 درصد می‌‏رساند. برای این کار و تخلیص کامل اورانیوم از
برای ساختن نیروگاه اتمی ، اورانیوم طبیعی و یا اورانیوم غنی شده بین 1 تا 5 ‏درصد کافی است.


برای تهیه بمب اتمی235U صد درصد خالص نیاز ‏است. در صنایع نظامی از این روش استفاده نمی‌شود و بمبهای اتمی را از 239Pu سنتز و تخلیص شیمیایی آن بسیار ساده‌تر است تهیه ‏می‌کنند. حداقل 5 تا 6 کیلوگرم که


نحوه تولید سوخت پلوتونیوم رادیو اکتیو


این عنصر ناپایدار را در نیروگاههای بسیار قوی می‌سازند که تعداد نوترونهای ‏موجود در آنها از صدها هزار میلیارد نوترون در ثانیه در سانتیمتر مربع تجاوز ‏می‌کند. عملا کلیه بمبهای اتمی موجود در زراد خانه‌های جهان از این عنصر ‏درست می‌شود.‏ روش ساخت این عنصر در داخل نیروگاههای هسته‌ای به این صورت که ‏ایزوتوپهای 238U شکست پذیر نیستند، ولی جاذب نوترون کم انرژی هستند. تعدادی از نوترونهای حاصل از شکست 235U را ‏جذب می‌کنند و تبدیل به 239U می‌شوند. این ایزوتوپ از اورانیوم بسیار ‏ناپایدار است و در کمتر از ده ساعت تمام اتمهای بوجود آمده تخریب ‏می‌شوند.

در درون هسته پایدار 239U یکی از نوترونها خود به خود به ‏پروتون و یک الکترون تبدیل می‌شود. بنابراین تعداد پروتونها یکی اضافه شده و عنصر جدید را که 93 پروتون دارد ‏نپتونیوم می‌نامند که این عنصر نیز ناپایدار است و یکی از نوترونهای آن خود به ‏خود به پروتون تبدیل شده و در نتیجه به تعداد پروتونها یکی اضافه شده و عنصر ‏جدید پلوتونیم را که 94 پروتون دارد ایجاد می‌کنند. این کار حدودا در مدت یک هفته ‏صورت می‌گیرد.

منبع : دانشنامه ی رشد

[*مینا*]

کاربرد و شيوه هاي مختلف جداسازي يا غني سازي اورانيوم 235
در طبيعت اورانيوم شامل کمتر از يک درصد ايزوتوپ اورانيوم 235 است. مواد انفجاري هسته اي به اورانيومي که حداقل داراي 20 درصد اورانيوم 235 غني شده است نياز دارند. بطور ايده آل اورانيوم 235 نود درصدي بکار مي رود. براي افزايش درصد اورانيوم 235 به اورانيوم 238، اورانيوم بايد "غني سازي" شود.
چرخه سوخت اورانيوم با استخراج و آسياب کانسنگ اورانيوم جهت توليد "کيک زرد" شروع شده و سپس به هگزافلورايد اورانيوم (UF6) تبديل مي شود. ماده اخير پس از آن غني سازي مي شود تا به سوخت هسته اي مبدل گردد.
فرايندهاي جداسازي و غني سازي ايزوتوپ اورانيوم:
اين روشها عبارتند از:
1) جداسازي ايزوتوپي الکترومغناطيسي
2) ديفوزيون گرمايي
3) پخش ديفوزيون گازي
4) سانتريفوژ گازي
5) فرايندهاي آئروديناميکي
6) جداسازي ايزوتوپي ليزري – که شامل دو روش زير است

الف) جداسازي ايزوتوپي ليزري با بخار گازي (AVLIS) (atomic vapor laser isotope separation)
ب) جداسازي ايزوتوپي ليزري مولکولي (MLIS) (molecular laser isotope separation)
7) تبادل يوني و شيميايي
8) فرايند جداسازي پلاسمايي (PSP)
در تمام صنعت هسته اي دنيا، اورانيوم بوسيله يکي از دو روش: پخش گازي و سانتريفوژ گازي غني مي شود.





ظرفيت توليد در سال 2002
x 1000 kg SWU/yr


روش غني سازي



10,800

پخش گازي

فرانسه

5,850

سانتريفوژ گازي

آلمان – هلند – بريتانيا

900

سانتريفوژ گازي

ژاپن

8,000

پخش گازي

آمريکا

20,000

سانتريفوژ گازي

روسيه

1,000-1,300

بيشتر سانتريفوژ گازي

چين

5

سانتريفوژ گازي

پاکستان

47,000 تقريباً



مجموع


http://www.knowclub.com/paper/images/850331.jpgاز آنجايي که فرايند کاربردي در ايران، روش سانتريفوژ گازي است در باره روند پخش گازي تنها به ذکر اين توصيف اکتفا مي شود که در روش پخش گازي، هگزافلورايد اورانيوم تحت فشار از ميان يک سري ديافراگم ها يا غشاهاي متخلخل گذر کرده از آنجايي که مولکولهاي اورانيوم 235 سبکتر از مولکولهاي اورانيوم 238 است آنها سريعتر حرکت کرده و امکان کمي بيشتري براي عبور از سوراخهاي موجود در غشا را دارند. گاز UF6 که از طريق غشا پخش مي شود اندکي غني بوده ضمن اينکه آنچه که نمي تواند گذر کند تهي از اورانيوم 235 است.

سانتريفوژ گازي
سانتريفوژ گازي نوعي هيپرسانتريفوژ است که براي توليد اورانيوم غني شده استفاده مي شود. اين روش در آلمان در طي جنگ جهاني دوم توسعه يافت اما موارد کاربرد واقعي آن تنها در دهه پنجاه و شصت ميلادي بود.http://www.knowclub.com/paper/images/85033101.jpg

در اين روش از اثر سانتريفوژ که دوران سريع ماده سبب مي شود تا ايزوتوپهاي سنگين تر به طرف ديواره خارجي حرکت کنند استفاده شده و غالبا با استفاده از سانتريفوژ نوع زيپ (Zippe-type centrifuge) در شکل گازي انجام مي شود. عامل جداسازي در اين روش به تفاوت جرمي ايزوتوپهايي که بايد جداسازي شوند بستگي دارد.
نمونه نيروگاه هاي غني سازي اورانيوم که از اين روش استفاده مي کنند در Gronau/Wesphalia (آلمان) و بوسيله URENCO (اورنکو يک گروه صنعتي است که متشکل از شرکتهاي انگليسي، آلماني و هلندي مي باشد) در Capenhurst (بريتانيا) هستند. http://www.knowclub.com/paper/images/85033102.jpg
علاوه بر نيروگاههاي اورنکو در بريتانيا، هلند و آلمان، چهار نيروگاه روسيه که چهل درصد ظرفيت جهان را بالغ مي شوند از اين شيوه استفاده مي کنند. ژاپن، چين و برزيل نيز نيروگاههاي سانتريفوژ را مي گردانند. پاکستان تکنولوژي غني سازي سانتريفوژ را توسعه داده و بنظر مي رسد که آن را به کره شمالي فروخته است ايران نيز داراي تکنولوژي سانتريفوژ پيچيده اي است.
در ايالات متحده آمريکا هيچ نيروگاه سانتريفوژ گازي فعاليت ندارد اما بتازگي آمريکا و فرانسه نيز درحال جايگزيني تکنولوژي سانتريفوژ بجاي نيروگاههاي پخش گازي قديمي هستند. اين روش نسبت به روش پخش گازي به انرژي کمتري براي رسيدن به جداسازي مشابه نياز داشته و از اين جهت غالبا اين شيوه که با استفاده از هگزافلورايد اورانيوم انجام مي شود جايگزين شيوه پخش گازي شده و بجاي آن استفاده مي گردد.
در غني سازي اورانيوم با روش سانتريفوژ گازي، از تعداد زيادي سيلندر دوار که به صورت موازي و سري کنارهم قرار داده شده اند استفاده مي شود. ماشينهاي سانتريفوژ جهت تشکيل "ترين ها" (trains) يا "مجموعه آبشارها يا کاسکادها" (سيستمهاي غني سازي دنباله اي) بهم مرتبط هستند.
http://www.knowclub.com/paper/images/85033103.jpgاين دوران باعث ايجاد يک نيرو مرکزگريز مي شود بطوري که مولکولهاي گازي سنگين تر (که شامل اورانيوم 238 هستند) بطرف خارج سيلندر حرکت کرده و مولکولهاي گازي سبکتر (که شامل اورانيوم 235 است) در قسمت مرکزي (محور گردنده) جمع مي شوند.
گاز به داخل يک سري لوله هاي خلا تغذيه شده که هر يک شامل يک گردنده با بيش از دو متر طول و 20-15 سانتيمتر قطر هستند. وقتي که گردنده ها با سرعت بالا مي چرخند (rmpا 70000-50000) مولکولهاي سنگين تر حاوي اورانيوم 238 در لبه خارجي سيلندر متمرکز مي شوند. افزايش اورانيوم 235 نيز در نزديک مرکز وجود دارد. براي رسيدن به جداسازي موثر، به سانتريفوژهاي با سرعتهاي بالا نياز است. مراحل سانتريفوژ معمولاٌ شامل تعداد زيادي سانتريفوژ به صورت موازي است.
اين جريان گازي که کمي از اورانيوم 235 غني شده است بازگيري شده و به داخل مرحله بالاتر بعدي تغذيه مي شود ضمن اينکه جريان گازي کم تهي شده به مرحله پايين تر قبلي مجددا بازيابي مي شود. ميزان غني سازي اورانيوم 235 حاصل از يک مرحله تک واحدي سانتريفوژ گازي، بسيار بيشتر از ميزان آن در يک مرحله تک واحدي غني سازي پخش گازي است اما به تکنولوژي توسعه يافته اي براي توليد ماشينهاي سانتريفوژ نياز مي باشد. اين ماشينها بدليل سرعتهاي دوران مورد نياز در آنها، به مهندسي متالورژي پيچيده با دقت بالا و نياز دارند.
بخاطر ماهيت خورندگي UF6، تمام اجزايي که در تماس با اين ماده هستند بايد از مواد مقاوم در برابر خوردگي ساخته شوند. ظرفيت جداسازي يک سانتريفوژ تک واحدي، با طول گردنده و سرعت ديواره گردنده افزايش مي يابد. درنتيجه سانتريفوژهايي که داراي گردنده هاي يا روتورهاي پرسرعت و بلند باشند اهداف برنامه هاي توسعه سانتريفوژ هستند. http://www.knowclub.com/paper/images/85033104.jpg
مواد مناسب براي گردنده ها شامل آلياژهاي آلومينيم، تيتانيم، فولاد ماراژين (maraging steel) يا ترکيباتي که با برخي شيشه هاي خاصي تقويت مي شوند، فيبرهاي کربني هستند. درحال حاضر فولاد ماراژين متداول ترين ماده گردنه است.
براي مصارف غيرنظامي، اورانيوم طبيعي که شامل 0.7 درصد اورانيوم 235 است به حدود 5-3 درصد اورانيوم 235 غني شده و اورانيوم تهي شده شامل 0.3-0.2 درصد اورانيوم 235 مي باشد. اما براي کاربردهاي نظامي، اورانيوم بسيار غني شده (HEU) که شامل بيش از 20 درصد اورانيوم 235 است معمولاٌ توليد مي شود.
از زمان راه اندازي، يک سانتريفوژ مدرن بمدت بيش از 10 سال بدون نگهداري به کار خود ادامه مي دهد.
مجموعه آبشارها يا کاسکادهاي بزرگ سانتريفوژ گازي که در کشورهاي فرانسه، آلمان، بريتانيا، و چين مورد استفاده قرار مي گيرند براي توليد اورانيومي است که براي مصارف داخلي و نيز صادرات است. اما در مورد ژاپن اين موارد صرفا جهت مصرف داخلي است. يک نيروگاه سانتريفوژ گازي مهم، در پيکتون اوهايوي آمريکا واقع است.http://www.knowclub.com/paper/images/85033105.jpg

اين روش علاوه بر انرژي کمتر، به نيروگاه هاي با مقياس بمراتب کوچکتري نياز داشته و از اين جهت براي کشورهاي کوچکي که مبادرت به توليد سلاحهاي هسته اي مي نمايند داراي امکان پذيري اقتصادي است.
روسيه صنعت عظيم سانتريفوژ را از اتحاد جماهير سابق به ميراث برده است. گفته مي شد که عراق نيز اين روش را براي دستيابي به سلاحهاي هسته اي بکار گرفته بود. تصور مي شود که پاکستان بااستفاده از اين روش درحال ساخت يک کاسکاد کوچکتر جهت اهداف نظامي و توسعه سلاحهاي هسته اي خود است.
بايد توجه کرد که براي توليد تنها يک سلاح هسته اي در سال، به چندين هزار سانتريفوژ نياز مي باشد.





منبع : مجله اينترنتي ويژه انرژي هسته اي در ايران (http://www.w3-i.com/plasma/index.htm)