چرخه سوخت هسته ای: از استخراج اورانیوم تا تولید انرژی

Related Articles

اشتباهاتی که موجب ریزش مو می‌شوند

خرداد ۳۰, ۱۳۹۹

ارتباط “قهوه و شکلات” با هوش انسان

دی ۲۹, ۱۳۹۸

برترین رهبران و مدیران، این ۱۷ چیز را قربانی می‌کنند تا تیم‌شان موفق شود

دی ۲۸, ۱۳۹۸

استخراج اورانیوم از معدن

اورانیوم که ماده خام اصلی مورد نیاز برای تولید انرژی در برنامه های صلح آمیز یا نظامی هسته ای است، از طریق استخراج از معادن زیرزمینی یا سر باز به دست می آید. اگر چه این عنصر به طور طبیعی در سرتاسر جهان یافت می شود اما تنها حجم کوچکی از آن به صورت متراکم در معادن موجود است.

هنگامی که هسته اتم اورانیوم در یک واکنش زنجیره ای شکافته شود مقداری انرژی آزاد خواهد شد.

برای شکافت هسته اتم اورانیوم،

یک نوترون به هسته آن شلیک می شود و در نتیجه این فرایند، اتم مذکور به دو اتم کوچکتر تجزیه شده و تعدادی نوترون جدید نیز آزاد می شود که هرکدام به نوبه خود می توانند هسته های جدیدی را در یک فرایند زنجیره ای تجزیه کنند.

مجموع جرم اتمهای کوچکتری که از تجزیه اتم اورانیوم به دست می آید از کل جرم اولیه این اتم کمتر است و این بدان معناست که مقداری از جرم اولیه که ظاهرا ناپدید شده در واقع به انرژی تبدیل شده است، و این انرژی با استفاده از رابطه E=MC۲ یعنی رابطه جرم و انرژی که آلبرت اینشتین نخستین بار آنرا کشف کرد قابل محاسبه است.

اورانیوم به صورت سه ایزوتوپ مختلف در طبیعت یافت می شود. دو گونه اصلی آن اورانیوم U۲۳۵ و U۲۳۸ است که هر دو دارای تعداد پروتون یکسانی بوده و تنها تفاوتشان در سه نوترون اضافه ای است که در هسته U۲۳۸ وجود دارد. اعداد ۲۳۵ و ۲۳۸ بیانگر مجموع تعداد پروتونها و نوترونها در هسته هر کدام از این دو ایزوتوپ است.

برای به دست آوردن بالاترین بازدهی در فرایند زنجیره ای شکافت هسته باید از اورانیوم ۲۳۵ استفاده کرد که هسته آن به سادگی شکافته می شود. هنگامی که این نوع اورانیوم به اتمهای کوچکتر تجزیه می شود علاوه بر آزاد شدن مقداری انرژی حرارتی دو یا سه نوترون جدید نیز رها می شود که در صورت برخورد با اتمهای جدید اورانیوم بازهم انرژی حرارتی بیشتر و نوترونهای جدید آزاد می شود.

اما به دلیل “نیمه عمر” کوتاه اورانیوم ۲۳۵ و فروپاشی سریع آن، این ایزوتوپ در طبیعت بسیار نادر است بطوری که از هر ۱۰۰۰ اتم اورانیوم موجود در طبیعت تنها هفت اتم از نوع U۲۳۵ بوده و مابقی از نوع سنگینتر U۲۳۸ است.

فرآوری:

سنگ معدن اورانیوم بعد از استخراج، در آسیابهایی خرد و به گردی نرم تبدیل می شود. گرد به دست آمده سپس در یک فرایند شیمیائی به ماده جامد زرد رنگی تبدیل میشود که به کیک زرد موسوم است. کیک زرد دارای خاصیت رادیو اکتیویته است و ۶۰ تا ۷۰ درصد آنرا اورانیوم تشکیل می دهد.

دانشمندان هسته ای برای دستیابی هرچه بیشتر به ایزوتوپ نادر U۲۳۵ که در تولید انرژی هسته ای نقشی کلیدی دارد، از روشی موسوم به غنی سازی استفاده می کنند. برای این کار، دانشمندان ابتدا کیک زرد را طی فرایندی شیمیائی به ماده جامدی به نام هگزافلوئورید اورانیوم تبدیل می کنند که بعد از حرارت داده شدن در دمای حدود ۶۴ درجه سانتیگراد به گاز تبدیل می شود.

هگزافلوئورید اورانیوم که در صنعت با نام ساده هگز شناخته می شود ماده شیمیایی خورنده ایست که باید آن را با احتیاط نگهداری و جابجا کرد. به همین دلیل پمپها و لوله هایی که برای انتقال این گاز در تاسیسات فرآوری اورانیوم بکار می روند باید از آلومینیوم و آلیاژهای نیکل ساخته شوند. همچنین به منظور پیشگیری از هرگونه واکنش شیمیایی برگشت ناپذیر باید این گاز را دور از معرض روغن و مواد چرب کننده دیگر نگهداری کرد.

غنی سازی:

هدف از غنی سازی تولید اورانیومی است که دارای درصد بالایی از ایزوتوپ U۲۳۵ باشد.

اورانیوم مورد استفاده در رآکتورهای اتمی باید به حدی غنی شود که حاوی ۲ تا ۳ درصد اورانیوم ۲۳۵ باشد، در حالی که اورانیومی که در ساخت بمب اتمی بکار می رود حداقل باید حاوی ۹۰ درصد اورانیوم ۲۳۵ باشد.

یکی از روشهای معمول غنی سازی استفاده از دستگاههای سانتریفوژ گاز است.

سانتریفوژ از اتاقکی سیلندری شکل تشکیل شده که با سرعت بسیار زیاد حول محور خود می چرخد. هنگامی که گاز هگزا فلوئورید اورانیوم به داخل این سیلندر دمیده شود نیروی گریز از مرکز ناشی از چرخش آن باعث می شود که مولکولهای سبکتری که حاوی اورانیوم ۲۳۵ است در مرکز سیلندر متمرکز شوند و مولکولهای سنگینتری که حاوی اورانیوم ۲۳۸ هستند در پایین سیلندر انباشته شوند.

اورانیوم ۲۳۵ غنی شده ای که از این طریق به دست می آید سپس به داخل سانتریفوژ دیگری دمیده می شود تا درجه خلوص آن باز هم بالاتر رود. این عمل بارها و بارها توسط سانتریفوژهای متعددی که به طور زنجیره ای به یکدیگر متصل می شوند تکرار میشود تا جایی که اورانیوم ۲۳۵ با درصد خلوص مورد نیاز به دست آید.

آنچه که پس از جدا سازی اورانیوم ۲۳۵ باقی می ماند به نام اورانیوم خالی یا فقیر شده شناخته می شود که اساسا از اورانیوم ۲۳۸ تشکیل یافته است. اورانیوم خالی فلز بسیار سنگینی است که اندکی خاصیت رادیو اکتیویته دارد و از آن برای ساخت گلوله های توپ ضد زره پوش و اجزای برخی جنگ افزار های دیگر از جمله منعکس کننده نوترونی در بمب اتمی استفاده می شود.

یک شیوه دیگر غنی سازی روشی موسوم به دیفیوژن یا روش انتشاری است.

در این روش گاز هگزافلوئورید اورانیوم به داخل ستونهایی که جدار آنها از اجسام متخلخل تشکیل شده دمیده می شود. سوراخهای موجود در جسم متخلخل باید قدری از قطر مولکول هگزافلوئورید اورانیوم بزرگتر باشد.

در نتیجه این کار مولکولهای سبکتر حاوی اورانیوم ۲۳۵ با سرعت بیشتری در این ستونها منتشر شده و تفکیک می شوند. این روش غنی سازی نیز باید مانند روش سانتریفوژ بارها و بارها تکرار شود.

رآکتور هسته ای:

رآکتور هسته ای وسیله ایست که در آن فرایند شکافت هسته ای بصورت کنترل شده انجام می گیرد. انرژی حرارتی بدست آمده از این طریق را می توان برای بخار کردن آب و به گردش درآوردن توربین های بخار ژنراتورهای الکتریکی مورد استفاده قرار داد.

اورانیوم غنی شده، معمولا به صورت قرصهایی که سطح مقطعشان به اندازه یک سکه معمولی و ضخامتشان در حدود دو و نیم سانتیمتر است در رآکتورها به مصرف می رسند. این قرصها روی هم قرار داده شده و میله هایی را تشکیل میدهند که به میله سوخت موسوم است. میله های سوخت سپس در بسته های چندتایی دسته بندی شده و تحت فشار و در محیطی عایقبندی شده نگهداری می شوند.

در بسیاری از نیروگاهها برای جلوگیری از گرم شدن بسته های سوخت در داخل رآکتور، این بسته ها را داخل آب سرد فرو می برند. در نیروگاههای دیگر برای خنک نگه داشتن هسته رآکتور، یعنی جایی که فرایند شکافت هسته ای در آن رخ می دهد، از فلز مایع (سدیم) یا گاز دی اکسید کربن استفاده می شود.

برای تولید انرژی گرمایی از طریق فرایند شکافت هسته ای، اورانیومی که در هسته رآکتور قرار داده می شود باید از جرم بحرانی بیشتر (فوق بحرانی) باشد. یعنی اورانیوم مورد استفاده باید به حدی غنی شده باشد که امکان آغاز یک واکنش زنجیره ای مداوم وجود داشته باشد.

برای تنظیم و کنترل فرایند شکافت هسته ای در یک رآکتور از میله های کنترلی که معمولا از جنس کادمیوم است استفاده می شود. این میله ها با جذب نوترونهای آزاد در داخل رآکتور از تسریع واکنشهای زنجیره ای جلوگیری می کند، زیرا با کاهش تعداد نوترونها، تعداد واکنشهای زنجیره ای نیز کاهش می یابد.

حدودا ۴۰۰ نیروگاه هسته ای در سرتاسر جهان فعال هستند که تقریبا ۱۷ درصد کل برق مصرفی در جهان را تامین می کنند. از جمله کاربردهای دیگر رآکتورهای هسته ای، تولید نیروی محرکه لازم برای جابجایی ناوها و زیردریایی های اتمی است.

بازفرآوری:

برای بازیافت اورانیوم از سوخت هسته ای مصرف شده در رآکتور از عملیات شیمیایی موسوم به بازفرآوری استفاده می شود. در این عملیات، ابتدا پوسته فلزی میله های سوخت مصرف شده را جدا می سازند و سپس آنها را در داخل اسید نیتریک داغ حل می کنند.

در نتیجه این عملیات، ۱٪ پلوتونیوم، ۳٪ مواد زائد به شدت رادیو اکتیو و ۹۶٪ اورانیوم به دست می آید که دوباره می توان آنرا در رآکتور به مصرف رساند.

رآکتورهای نظامی این کار را به طور بسیار موثرتری انجام می دهند. رآکتور و تاسیسات باز فرآوری مورد نیاز برای تولید پلوتونیوم را می توان به طور پنهانی در داخل ساختمانهای معمولی جاسازی کرد. به همین دلیل، تولید پلوتونیوم به این طریق، برای هر کشوری که بخواهد بطور مخفیانه تسلیحات اتمی تولید کند گزینه جذابی خواهد بود.

بمب پلوتونیومی:

استفاده از پلوتونیوم به جای اورانیوم در ساخت بمب اتمی مزایای بسیاری دارد. تنها چهار کیلوگرم پلوتونیوم برای ساخت بمب اتمی با قدرت انفجار ۲۰ کیلو تن کافی است. در عین حال با تاسیسات بازفرآوری نسبتا کوچکی می توان چیزی حدود ۱۲ کیلوگرم پلوتونیوم در سال تولید کرد.

کلاهک هسته ای شامل گوی پلوتونیومی است که اطراف آن را پوسته ای موسوم به منعکس کننده نوترونی فرا گرفته است. این پوسته که معمولا از ترکیب بریلیوم و پلونیوم ساخته می شود، نوترونهای آزادی را که از فرایند شکافت هسته ای به بیرون می گریزند، به داخل این فرایند بازمی تاباند.

استفاده از منعکس کننده نوترونی عملا جرم بحرانی را کاهش می دهد و باعث میشود که برای ایجاد واکنش زنجیره ای مداوم به پلوتونیوم کمتری نیاز باشد.

برای کشور یا گروه تروریستی که بخواهد بمب اتمی بسازد، تولید پلوتونیوم با کمک رآکتورهای هسته ای غیرنظامی از تهیه اورانیوم غنی شده آسانتر خواهد بود. کارشناسان معتقدند که دانش و فناوری لازم برای طراحی و ساخت یک بمب پلوتونیومی ابتدایی، از دانش و فنآوری که حمله کنندگان با گاز اعصاب به شبکه متروی توکیو در سال ۱۹۹۵ در اختیار داشتند پیشرفته تر نیست.

چنین بمب پلوتونیومی می تواند با قدرتی معادل ۱۰۰ تن تی ان تی منفجر شود، یعنی ۲۰ مرتبه قویتر از قدرتمندترین بمبگذاری تروریستی که تاکنون در جهان رخ داده است.

بمب اورانیومی:

هدف طراحان بمبهای اتمی ایجاد یک جرم فوق بحرانی ( از اورانیوم یا پلوتونیوم) است که بتواند طی یک واکنش زنجیره ای مداوم و کنترل نشده، مقادیر متنابهی انرژی حرارتی آزاد کند.

یکی از ساده ترین شیوه های ساخت بمب اتمی استفاده از طرحی موسوم به “تفنگی” است که در آن گلوله کوچکی از اورانیوم که از جرم بحرانی کمتر بوده به سمت جرم بزرگتری از اورانیوم شلیک می شود به گونه ای که در اثر برخورد این دو قطعه، جرم کلی فوق بحرانی شده و باعث آغاز واکنش زنجیره ای و انفجار هسته ای می شود.

کل این فرایند در کسر کوچکی از ثانیه رخ می دهد.

جهت تولید سوخت مورد نیاز بمب اتمی، هگزا فلوئورید اورانیوم غنی شده را ابتدا به اکسید اورانیوم و سپس به شمش فلزی اورانیوم تبدیل می کنند. انجام این کار از طریق فرایندهای شیمیایی و مهندسی نسبتا ساده ای امکان پذیر است.

قدرت انفجار یک بمب اتمی معمولی حداکثر ۵۰ کیلو تن است، اما با کمک روش خاصی که متکی بر مهار خصوصیات جوش یا گداز هسته ای است می توان قدرت بمب را افزایش داد.

در فرایند گداز هسته ای، هسته های ایزوتوپهای هیدروژن به یکدیگر جوش خورده و هسته اتم هلیوم را ایجاد می کنند. این فرایند هنگامی رخ می دهد که هسته های اتمهای هیدروژن در معرض گرما و فشار شدید قرار بگیرند. انفجار بمب اتمی گرما و فشار شدید مورد نیاز برای آغاز این فرایند را فراهم می کند.

طی فرایند گداز هسته ای نوترونهای بیشتری رها می شوند که با تغذیه واکنش زنجیره ای، انفجار شدیدتری را به دنبال می آورند. اینگونه بمبهای اتمی تقویت شده به بمبهای هیدروژنی یا بمبهای اتمی حرارتی موسومند.