آشنایی با غنی سازی اورانیوم
آشنایی با غنی سازی اورانیوم
http://img.tebyan.net/big/1388/07/22...8768166252.jpg
در طبیعت اورانیوم شامل کمتر از یک درصد ایزوتوپ اورانیوم 235 است. مواد انفجاری هسته ای به اورانیومی که حداقل دارای 20 درصد اورانیوم 235 غنی شده است نیاز دارند. بطور ایده آل اورانیوم 235 نود درصدی بکار می رود. برای افزایش درصد اورانیوم 235 به اورانیوم 238، اورانیوم باید "غنی سازی" شود.
چرخه سوخت اورانیوم با استخراج و آسیاب کانسنگ اورانیوم جهت تولید "کیک زرد" شروع شده و سپس به هگزافلوراید اورانیوم (UF6) تبدیل می شود. ماده اخیر پس از آن غنی سازی می شود تا به سوخت هسته ای مبدل گردد.
فرایندهای جداسازی و غنی سازی ایزوتوپ اورانیوم به روشهای زیر انجام می شود:
1) جداسازی ایزوتوپی الکترومغناطیسی
2) دیفوزیون گرمایی
3) پخش دیفوزیون گازی
4) سانتریفوژ گازی
5) فرایندهای آئرودینامیکی
6) جداسازی ایزوتوپی لیزری
7) تبادل یونی و شیمیایی
8) فرایند جداسازی پلاسمایی (PSP)
در تمام صنعت هسته ای دنیا، اورانیوم بوسیله یکی ازسه روش: پخش گازی، سانتریفوژ گازی و میدان مغناطیسی غنی می شود.
غنی سازی بوسیله 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.
گردش سریع سیلندر ، نیروی گریز از مرکز بسیار قوی تولید می‌کند و طی آن مولکولهای سنگینتر (آنهایی که شامل ایزوتوپ اورانیوم 238 هستند.) از مرکز محور گردش دورتر می‌گردند و برعکس آنها که مولکولهای سبکتری دارند (حاوی ایزوتوپ (اورانیوم 238 ) 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.
سانترفیوز دستگاه استوانه‌ای شکلی است که درست مثل توربین هواپیما پره‌هایی در وسط آن وجود دارد این پره‌ها در هر دقیقه بیش از یک صد هزار گردش دارند در نتیجه این چرخش اورانیوم سنگین روی دیواره آخری سانترفیوژ قرار می‌گیرد و اورانیوم ??? در کنار آن می‌نشیند باید هزاران سانترفیوژ در کنار هم قرار بگیرند تا ما بتوانیم اورانیوم را غنی کنیم یعنی با یک یا چند سانترفیوژ نمی‌توان اورانیوم را غنی کرد.
http://img.tebyan.net/big/1388/07/24...1470208123.jpg
غنی سازی با دیفوزیون گازی Gaseous Diffusion
گراهان در سال 1864 پدیده ای را کشف کرد که در آن سرعت متوسط مولکولهای گاز با معکوس جرم مولکولی گاز متناسب بود. از این پدیده که به نام دیفوزیون گازی مشهور است برای غنی سازی اورانیوم استفاده می کنند. 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 می دهند. سوراخهای موجود در جسم متخلخل باید قدری بیشتر از شعاع اتمی یعنی در حدود 5.2 آنگسترم (7-10x25 سانتیمتر) باشد.
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 می توان 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 می آید که فقط یک کیلوگرم U235 خالص در آن وجود دارد. Gaseous Diffusion از جمله تکنولوژیهایی بود که ایالات متحده طی جنگ جهانی دوم در پروژه ای بنام منهتن برای ساخت بمب هسته ای ، با کمک انگلیس و کانادا به آن دست پیدا کرد.
در این روش با تکرار استفاده از این صفحات فیلتر مانند ، بصورت آبشاری، میزان U235 را به مقدار دلخواه بالامی بردند. این روش اولین راهکارهای صنعتی برای غنی سازی اورانیوم بود که کابرد عملی پیدا کرد. نمونه ای از سانتریفیوژهای گازی آبشاری که برای غنی سازی اورانیوم از آنها استفاده می شود. Centrifuge-Hyper اما در روش استفاده از سانتریفیوژ برای غنی سازی اورانیوم ، تعداد بسیار زیادی از این دستگاهها بصورت سری و موازی بکار می برند تا با کمک آن بتوانند غلظت U235 را افزایش دهند.
گاز هگزافلوراید اورانیوم (6)UF در داخل سیلندرهای سانتریفیوژ تزریق می شود و با سرعت زیاد به گردش در آورده می گردد. گردش سریع سیلندر ، نیروی گریز از مرکز بسیار قوی تولید می کند و طی آن مولکولهای سنگینتر (آنهایی که شامل ایزوتوپ U238 هستند) از مرکز محور گردش دورتر می گردند و برعکس آنها که مولکولهای سبکتری دارند (حاوی ایزوتوپ U235 ) بیشتر حول محور سانتریفیوژ قرار می گیرند.
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 می گردد. میزان گاز هگزافلوراید اورانیوم شامل U235 که در این روش از یک واحد جداسازی بدست می آید به مراتب بیشتر از مقداری است که در روش قبلی بدست می آید، به همین علت است که امروزه در بیشتر نقاط جهان برای غنی سازی اورانیوم از این روش استفاده می کنند.
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 می پردازند. کشور ژاپن هم دارای دستگاههای بزرگ سانتریفیوژ است، اما تنها برای مصرف داخلی اورانیوم غنی شده تولید می کند.
غنی سازی اورانیوم از طریق میدان مغناطیسی
یکی از روشهای غنی سازی اورانیوم استفاده از میدان مغناطیسی بسیار قوی می باشد. در این روش ابتدا اورانیوم هگزا فلوئورید را حرارت می دهند تا تبخیر شود. از طریق تبخیر ، اتمهای اورانیوم و فلوئورید از هم تفکیک می شوند. در این حالت ، اتمهای اورانیوم را به میدان مغناطیسی بسیار قوی هدایت می کنند. میدان مغناطیسی بر هسته های باردار اورانیم نیرو وارد می کند ( این نیرو به نیروی لورنتس معروف می باشد) و اتمهای اورانیوم را از مسیر مستقیم خود منحرف می کند. اما هسته های سنگین اورانیم U238 نسبت به هسته های سبکتر U235 انحراف کمتری دارند و درنتیجه از این طریق می توان U235 را از اورانیوم طبیعی تفکیک کرد.
کاربردهای اورانیوم غنی شده
اورانیوم غنی شده در ساخت نیروگاه هسته ای و بمب هسته ای نقشی اساسی دارد.
مژده اصولی(www.tebyan.net)
پاسخ : آشنایی با غنی سازی اورانیوم
غنی‌سازی اورانیوم
از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
http://upload.wikimedia.org/wikipedi...x-Uranium2.jpg
کانسنگ اورانیوم
غنی‌سازی اورانیوم عملی است که به‌واسطهٔ آن در یک تودهٔ اورانیوم طبیعی مقدار ایزوتوپ ۲۳۵U بیشتر شود و مقدار ایزوتوپ ۲۳۸U کمتر گردد. غنی‌سازی اورانیوم یکی از مراحل چرخه سوخت هسته‌ای است.
اورانیوم طبیعی (که به‌شکل اکسید اورانیوم است) شامل ٪۳٫۹۹ از ایزوتوپ ۲۳۸U و ۰٫۷٪ از ۲۳۵U است. ایزوتوپ ۲۳۵U اورانیوم قابل شکافت و مناسب برای بمب‌ها و نیروگاه‌های هسته‌ای است.
۲۳۸U باقی‌مانده را اورانیوم ضعیف‌شده می‌نامند و نوعی زباله اتمی است. به‌خاطر سختی زیاد و آتش‌گیری و ویژگی‌های دیگر از آن در ساختن گلوله‌های ضد زره استفاده می‌کنند. اورانیوم ضعیف‌شده نیز هم‌چنان پرتوزا است.
انواع اورانیوم
«اورانیوم با غنای پایین» که میزان ۲۳۵U آن کمتر از ۲۵٪ ولی بیشتر از ۰/۷٪ است. سوخت بیشتر نیروگاه‌های هسته‌ای بین ۳ تا ۵ درصد ۲۳۵U است.
«اورانیوم با غنای بالا» که ۲۳۵U در آن بیشتر از ۲۵٪ و حتی در مواردی بیش از ۹۸٪ است و مناسب برای کاربردهای نظامی و ساخت بمب‌های هسته‌ای است.
گستردگی در جهان
براساس گزارش آژانس انرژی اتمی، کشورهای ایالات متحده آمریکا، روسیه، چین، فرانسه، ایتالیا، بلژیک، اسپانیا، آلمان، هلند، انگلستان، ژاپن در غالب شش سازمان قادر به غنی‌سازی اورانیوم در حدّ تجاری هستند. هند و پاکستان با درصد غنی‌سازی پایین‌تر، آرژانتین به‌صورت غیرفعال و هم‌چنین برزیل و ایران قادر به غنی‌سازی اورانیوم هستند. گمانه زنی‌هایی در مورد توانایی غنی سازی اورانیوم دراسرائیل و کره شمالی نیز وجود دارد.لیبی درسال ۲۰۰۳ پس از یک دهه، غنی سازی را متوقف کرد.
غنی سازی اورانیوم
ایزوتوپهای اورانیوم می‌توانند از هم جدا شوند تا تمرکز یک ایزوتوپ بر دیگری را افزایش دهند. این فرایند غنی سازی نام دارد.
اورانیوم به رنگ سفید مایل به نقره‌ای، سنگین، فلزی و رادیواکتیو است و به رغم تصور عام، فراوانی آن در طبیعت حتی از عناصری از قبیل جیوه، طلا و نقره نیز بیشتر است. عنصر اورانیوم در طبیعت دارای ایزوتوپهای مختلف از جمله دو ایزوتوپ مهم و پایدار اورانیوم ۲۳۵ و اورانیوم ۲۳۸ است.
اورانیوم ۲۳۵ مهمترین ماده مورد نیاز راکتورهای هسته‌ای (برای شکافته شدن و تولید انرژی) است اما مشکل کار اینجاست که اورانیوم استخراج شده از معدن ترکیبی از ایزوتوپهای ۲۳۸و ۲۳۵بوده که در این میان سهم ایزوتوپ ۲۳۵بسیار اندک(حدود ۰٫۷درصد) است و به همین علت باید برای تهیه سوخت راکتورهای هسته‌ای به روشهای مختلف درصد اوانیوم ۲۳۵را در مقایسه با اورانیوم ۲۳۸بالا برده و بسته به نوع راکتور هسته‌ای به ۲ تا ۵٪ رساند و به اصطلاح اورانیوم را غنی‌سازی کرد.
فراوری کیک زرد و تولید هگزافلورید اورانیوم و آغاز غنی‌سازی (مرحله تبدیل و غنی‌سازی ) کیک زرد در این مرحله هنوز دارای ناخالصی‌هایی است که توسط روشهای مختلف این ناخالصی‌ها کاسته شده‌است. استخراج اوانیوم از معدن و تهیه کیک زرد(مرحله فراوری سنگ معدن اورانیوم) عنصر اورانیوم در طبیعت به صورت ترکیبات شیمیایی مختلف از جمله اکسید اورانیوم، سیلیکات اورانیوم و یا فسفات اورانیوم و به صورت مخلوط با ترکیباتی از عناصر دیگر یافت می‌شود.در میان کشورهای مختلف جهان، استرالیا دارای بزرگترین معادن اورانیوم است و کشورهای قزاقستان، کانادا، آفریقای جنوبی، نامیبیا، برزیل و روسیه نیز از معادن بزرگی برخوردارند.
مواد معدنی حاوی اورانیوم با استفاده از روشهای معدن‌کاوی زیرزمینی و یا روزمینی استخراج شده و سپس طی فرایندهای مکانیکی و شیمیایی موسوم به “آسیاب کردن” و “کوبیدن” از دیگر عناصر جدا می‌شوند. اورانیوم پس از استخراج تفکیک، کوبیده، خرد و به شکل پودر درآمده و سپس برای تولید ماده موسوم به “کیک زرد” استفاده قرار می‌گیرد. کیک زرد در واقع محصول فراوری سنگ معدن ارونیوم است و به ترکیباتی از اورانیوم گفته می‌شود که ناخالصی‌های معدنی آن به میزان زیادی گرفته شده و است.
حدود نیم کیلوگرم اورانیوم غنی شدهٔ به کار رفته در یک بمب هسته‌ای، برابر با چندین میلیون گالن بنزین است.
روشهای غنی‌سازی اورانیوم
غنی سازی با دستگاه سانتریفیوژ
http://upload.wikimedia.org/wikipedi...ge_cascade.jpg
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 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.
گردش سریع سیلندر ، نیروی گریز از مرکز بسیار قوی تولید می‌کند و طی آن مولکولهای سنگینتر (آنهایی که شامل ایزوتوپ اورانیوم ۲۳۸ هستند.) از مرکز محور گردش دورتر می‌گردند و با بستی سازهای ساخت قم(فردو)(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.
سانترفیوز دستگاه استوانه‌ای شکلی است که درست مثل توربین هواپیما پره‌هایی در وسط آن وجود دارد این پره‌ها در هر دقیقه بیش از یک صد هزار گردش دارند در نتیجه این چرخش اورانیوم سنگین روی دیواره آخری سانترفیوژ قرار می‌گیرد و اورانیوم ۲۳۵ در کنار آن می‌نشیند باید هزاران سانترفیوژ در کنار هم قرار بگیرند تا ما بتوانیم اورانیوم را غنی کنیم یعنی با یک یا چند سانترفیوژ نمی‌توان اورانیوم را غنی کرد.
غنی سازی اورانیم از طریق میدان مغناطیسی
http://upload.wikimedia.org/wikipedi...ration.svg.png
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 کوفتی معروف می‌باشد) و اتمهای اورانیوم را از مسیر مستقیم خود منحرف می‌کند. اما هسته‌های سنگین اورانیوم ۲۳۸ نسبت به هسته‌های سبکتر (اورانیوم ۲۳۵) انحراف کمتری دارند و درنتیجه از این طریق می‌توان اورانیوم ۲۳۵ را از اورانیوم طبیعی تفکیک کرد.
منابع
- ↑ “Q&A: Uranium enrichment(انگلیسی)”. BBC. Retrieved on 2009-04-09.
- ↑ “Nuclear Overview(انگلیسی)”. NTI. Retrieved on 2009-04-09.
پاسخ : آشنایی با غنی سازی اورانیوم
