غني سازي اورانيوم : چرایی و چگونگی؟

غني سازي اورانيوم : چرایی و چگونگی؟


دریچه خبر / 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

از 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.

http://www.w3-i.com/plasma/ur1.jpg

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.w3-i.com/plasma/ur6.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.w3-i.com/plasma/ur4.jpg
بانک سانتريفوژهاي کازي در نيروگاه اورنکو (Urenco)

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.
اين 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.

http://www.w3-i.com/plasma/ur2.jpg
اصول کلي روش سانتريفوژ گازي براي غني سازي اورانيوم

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 (rmpا70000-50000) 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.
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.

http://www.w3-i.com/plasma/ur3.jpg
در داخل يک سانتريفوژ گازي

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.w3-i.com/plasma/ur5.jpg
نمونه يک کاسکاد سانتريفوژ گازي واقع در آوک ريج (Oak Ridge) آمريکا

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 دریچه