در این مقاله با غنی سازی اورانیم و تبدیل آن به انرژی به همراه نیکل بسیار مفید در این زمینه به زبان ساده آشنا می شوید.ضمن اینکه از این به بیان کلام جذاب یک عکس زیبابینی در متن نوشتارب به شمار می شود.
استفاده اصلی از انرژی هسته ای تقلید انرژی الکتریسیته است.
این راهی ساده و کارآمد برای جوشاندن آب و ایجاد بخار برای راه اندازی دوربین های مواد است بدن راکتورهای موجود در نیروگاههای هسته ای این نیروگاه ها شبیه دیگر نیروگاه ها زغال سنگی و سوختی می شود.انرژی هسته ای بهترین کاربرد برای تولید مقیاس متوسط یا از انرژی الکترییکی به طور مداوم است سوخت این گونه ایستگاه ها را اورانیم تشکیل می دهد.
چرخه سوخت هسته ای تعدادی عملیات صنعتی است که تولید الکتریسته را با اورانیوم درراکتورهای هسته ای ممکن می کند اورانیوم عصری نسبتا معمولی وعادی است که در تمام دنیایافت می شود.
این جنس به صورت معدنی در بعضی از کشورها موجود دارد که حتما باید قبل از مصرف به صوت روخت در راکتورهای هسته ای فرگری شود.
الکتریسته با استفاده از گرمای تولید شده در راکتورهای هسته ای و با ایجاد بخار برای به کار انداختن توربین هایی که مواد متصل ارز تولید می شود.
سوختی که از راکتور خارج شده بعد از این که به پایان عمر مفید خود رسید میتواند به عنوان سوختی جدید استفاده شود.
فعالیت های مختلفی که با تولید الکتریسته از واکنش های هسته ای هم راهند مرتبط به چرخه سوخت هسته ای هستند چرخه سوختی انرژی هسته ای با اورانیوم آغاز می شود و با انهدام پسمانده های هسته ای پایان می یابد.
دوبار عمل آوری سوخت های خرج شده به مرحله ای چرخه سوخت هسته ای شکلی صحیح می دهد.
اورانیوم اورانیوم فلزی رادیواکتیو و پرتور است که در سراسر پوسته سخت زمین موجوداست.
این فلز حدودا 500 بار از طلا فراوان تر و به اندازه قوطی حلبی معمولی وعادی است.
اورانیوم اکنون به اندازه ای در صخره ها وخاک و زمین وجود دارد که در آب رودخانه ها و دریاها واقیانوس ها موجود است.
برای مثال این فلزپا غلظتی در حدود4 قسمت در هر میلیون (ppm4) که گرانیت وجوددارد که ما درصد از کره زمین را عالم می شود رکوردها با غلظتی باید بر 400 ppm و در ته مانده زغال سنگ با غلظتی بیش از 100ppm موجود است.
اکثر رادیوالکتریسته مربوط به اورانیوم در طبیعت در حقیقت ناشی از معدن های دیگری است که با عملیات رادیواکتیو به وجود آمده اند و در هنگام استخراج از معدن و آسیاب کردن به جا مانده اند.
چند منطقه در سراسر دنیا وجوددارد که غلظت اورانیوم موجود در آن ها به قدر کافی است که آن برای استفادها ز نظر اقتصادی به صرفه وامکان پذیر است این مواد غلیظ سنگ معدن یا کاله نامیده میشود.
استخراج اورانیوم هر دو نوع حفاری و تکنیک های موهبتی برای کشف کردن اورانیوم به کار می روند، حفاری ممکن است به صورت زیر زمینی یا چاله های باز وروی زمین انجام شود.
موکل، حفاری های روزمینی در جاهایی استفاده شود که ذخیره معدنی نزدیک به سطح زمین و حفاری های زیرزمینی برای ذخیره های معدنی عمیق تر به کار میرود.
به طرو برای حفاری روزمینی بیش از 120 متر عمق، نیاز به گودال های بزرگ بر سطح زمین است اندازه گودال باید بزرگتر از اندازه ذخیره معدنی باشد تا زمانی که دیواره های گودال محکم شوند تا مانع روش آنها شود.
در نتیجه تعداد موادی که باید بیرون از معدن انتقال داده شود تا به کانه دسترسی پیدا کند زیاد است.
حفاری های زیرزمینی دارای خرابی واخلال های کمتری در سطح زمین هستند وتعداد موادی که باید برای دسترسی به سنگ معدن یا کانه بدبین و از معدن انتقال داده شوند به طور قابل ملاحظه ای کمتر از حفاری نوع روزمینی است.
مقداری زیادی اورانیوم جهانی از (ISL) می آید.
جایی که آب های اکسیژنه زیر زمینی در معدن های کانه ای پرسنتز به گردش می افتد تا اورانیوم موجود در معدن رادر خود حل کننده آن را به سطح زمین آورند.
(ISL) شاید با اسید رقیق یابا محلول های قلیایی همراه باشد تا اورانیوم را محلول نگهدارد.
سپس اورانیوم در کارخانه ای آسیاب سازی اورانیوم، از محلول خود جدا می شود.
درنتیجه انتخاب روش حفاری برای ته نشین کردن اورانیوم بستگی به جنس دیواره معدن کان دسنگ، امنیت وملاحظات اقتصادی دارد.
در غالب معدن های زیرزمینی اورانیوم، پیشگیری مخصوصی که شامل افزایش تهویه ها میشود، لازم است تا از پرتو افشانی جلوگیری شود.
آسیاب کردن اورانیوم محل آسیاب کردن معمولا به معدن استخراج اورانیوم م نزدیک است.
بیشتر امکانات استخراجی شامل یک آسیاب می شود.
هر چه جایی که معدن ها قرا ردارند به هم نزدیک تر باشند یک آسیاب میتواند عمل آسیاب سازی چندمعدنی را انجام دهد.
عمل آسیاب سازی اکسید اورانیوم غلیظی تولید می کرد که از آسیاب حمل می شود.
گاهی اوقات به این اکسیدها کیک زرد میگویند که شامل 80درصد اورانیوم میب اشد.
سنگ معدن اصل شاید دارای چیزی در حدود 1/0 درصد اورانیوم باشد.
اسیاب اورانیوم باعمل سنگ شویی از سنگ های معدنی خرد شده جداری شود که با اسید قوی و یا با محلول قلیایی قوی حل می شود و به صورت محلول در می آید.
سپس اورانیوم با ته نشین کرد و از محلول جدا می شود و بعد از خشک کمی ومعمولا حرارت دادن به صورت اشباع شده وغلیظ در استوانه ای 200 لیتری بسته بندی می شود.
باقیمانده سنگ معدن که بیشتر شامل مواد پرتوزا وسنگ معدن می شود در محلی معین به دور از محیط معدن در امکانات مهندسی نگه داری می شود.(معمولا در گودال هایی روی زمین) پس مانده های دارای مواد رادیواکتیو عمری طولانی دارند وغلظت آن ها کم خاصیتی سمی دارند.
هر چند مقدار کلی عناصر پرتوزا کمتر از سنگ معدن اصلی است ضمیمه عمر آنها کوتاه خواهد بود این مواد باید از محیط زیست دور بماند.
تبدیل وتغییر محلول آسیباب شده اورانیوم مستقیما قابل استفاده به عنوان سوخت در راکتور های هسته ای نیست.
پردازش اضافی به غنی سازی اورانیوم ول است که برای تمام راکتورها لازم است این عمل اورانیوم را به نوع گازی تبدیل می کند وراه بدست آوردن آن تبدیل کردنه به هگزا فلورید که در دمای نسبتا پایین گاز است.
در وسیله ای تبدیل کن اورانیوم به اورانیوم دی اکسید تبدیل می شود که در راکتورهایی که نیاز به اورانیوم غنی شده ندارد استفاده میشود.
بیشتر آن ها بعد از ان که به هگزا فلورید تبدیل شد برای غنی سازی در کارخانه آماده هستند ودر کانتینرهایی که از جنس فلز مقاوم ومحکم است حمل میشود.
خطر اصلی این طبقه از چرخه سوختی هیدروژن فلورید است.
چگونه اورانیوم به انرژی تبدیل می شود؟
غنی سازی: اورانیوم طبیعی اصولا شالم مخلوطی از دو ایزوتوپ (نوع اتمی) اورانیوم است.
تنها 7/0 درصد از اورانیوم طبیعی شکاف پذیر و یا دارای قابلیت شکاف پذیری است که با شکافته شدن ریال در راکتورهای هسته ای انرژی تولید می کنند.
ایزوتوپ اورانیوم شکاف پذیر اورانیوم نوع 235 است وپس مانده آن اورانیوم 238 است.
در بیشتر انواع راکتورهای معمولی هسته ای به اورانیوم 235 نیاز دارند.
عملیات غنی سازی، غلظت اورانیوم را بیشتر می کند.
عموما بین 5/3تا 5 درصد اورانیوم 235 با بیرون آوردن 8درصد از اورانیوم 238.این عمل با جداسازی گازی هگزا فلورید اورانیوم و دد وجریان انجام می گیرد.یکی به اندازه لازم غنی سازی می شود و اورانیوم غنی شده ضعیف نامیده می شود و دیگری به اورانیوم 235 منتهی می شود که به پس مانده معروف است.
در عملیات غنی سازی در مقیاس های بزرگ تجاری وجود دارد که هر کدام هگزا فلورید اورانیوم را به عنوان منبع استفاده می کنند.
نفوذ گازی و تفکیک گازی وهر دوی آنان از خواص فیزیکی مولکولی استفاده می کنند.
مخصوصا با 10 درصد اختلاف جرم، برای جداسازی ایزوتوپ ها محصول این مرحله از چرخه سوختی هسته ای، اورانیوم هگزافلورید غنی شده است که برای تولید اورانیوم اکسید غنی شده تغییر حال مجدد می یابد.
تولید وساخت سوخت سوخت راکتور غالبا به شکل گلوله ای سرامیکی است.
این گلوله ها از اورانیوم اکسید که در دمایی بسیار بالا( بیش از 1400 درجه سانتی گراد) پخته شده است شکل می گیرد.
سپس گلوله ها در لوله های فلزی از میله سوختی پوشانده می شوند که در مجتمع های سوختی برای استفاده در راکتورها آماده هستند دیماستیون گلوله های سوختی واجرای دیگر مجتمع سوختی به دقت کنترل می شوند تا از پایداری ودارا بودن آنان از خصوصیات دسته های سوختی اطمینان حاصل می شود.
در تاسیسات تولید ساخت درجه زیادی به شکل مخزن های عملیاتی شود تا از اتفاقات خطرناکی جلوگیری شود.
با سوخت غنی شده ضعیف امکان اتفاق افتادن این حوادث بعید به نر می رسد.
اما در تاسیسات هسته ای بررسی سوخت های مخصوصی برای تحقیقات راکتورها عملی حیاتی است.
تولید نیرو درون یک راکتور هسته ای اتم های اورانیوم 235 شکافته میشود و در جریان عملیات پردازش انرژی آزاد می کنند.
این انرژی اغلب برای حرارت دادن آب و تبدیل کردن آن به بخار استفاده میشود.
بخار توربینی که به ژنراتور متصل است به حرکت می اندازد و باعث تولید الکتریسیته می شود.
شکافتن اورانیوم به عنوان منبع حرارت در راکتورها استفاده می شود.
پس مانده ها پس مانده های حاصل از چرخه سوختی هسته ای در رده های :شدید، متوسط و کم دسته بندی می شوند و این تقسیم بندی براساس تشعشعات رادیواکتیوی که از خود ساطع کننده است.
کیک زرد ترکیب بر معیار اورانیومی که قابل عرضه به بازارباشد را کیک زرد می گویند.
این مادهاز اجزای مهم تشکیل دهنده چرخه سوخت هسته ای است.کیک زرد در واقع اکسید اورانیوم آسیاب شده است که برای شیمی دانان با فرمول U3O18 شناخته می شود.
کیک زرد اولین قدم به سوی اورانیوم غنی شده است.
هر چند راه زیادی تا تبدیل شدن به یک سلاح هسته ای در پیش رو دارد.
این پودر قبل از اینکه غنی شود باید به گاز هگزا اورانیوم تبدیل شود.
پروسه ای که نوعی اورانیوم مورد استفاده در نیروگاه های هسته بمب اتمی ایجاد می کند.
تهیه کیک زرد به این مورت است که سنگ معدن اورانیوم استخراج شده و آسیاب و آن را به صورت پودر در می آورد.
سپس به این پودر، اسید سولفوریک اضافه می کنند، پس از آن طی فرآیند شیمیایی خاصی،اکسید اورانیوم موجود در پودر اورانیوم با اسید سولفوریک ترکیب می شود و تبدیل به سولفات اورانیوم میشود.
به این سولفات اورانیل حلال مخصوصی اضافه می کنند تا سرانجام آن را به ماده ای جاد به هم پیوسته به نام کیک زرد تبدیل شود.
این محصول نهایی یک پورد خشن اکسید شده است که گاهی اوقات رنگ زردی دارد اما به رنگ های قرمز وخاکستری نیز دیده می شود که رنگ آن به نوعی ومقدار ناخالص های آن بستگی دارد.
کیک زرد شامل 70 درصد اورانیوم بوده ودارای خواص پرتو زایی( رادیواکتیو) است.
این ماده از نظر شیمیایی به مولکول اورانیوم وهشت مولکول اکسیژن درست شده است.
از این کیک زرد برای تولید گاز هگزا فلوراید استفاده می کند راکتورهای هسته ای راکتورها دارای کاربرد های کاملا دو گانه هستند.
در مصارف صلح آمینی با بهره گریی از حرارت تولیدی در شکاف هسته ای کار می کنند.
این حرارت جهت گرم کردن آب تبدیل آن به بخار استفاده از بخار برای حرکت توربین بهره گرفته می شود.
هم چنین اگر قصد ساخت پلوتونیومی در کار باشد نیز اورانیوم غنی شده را به راکتورهای هسته ای منتقل می کنند.
در نوع خاصی از راکتورهای هسته از اورانیوم غنی شده به شکل قرض های به اندازه یک سکه وارتفاع یک اینچ بهره می گیرند.
این قرص ها به صورت کپسول های میله ای شکل صورت نیروی شده و درون یک محفظه عایق تحت فشار قرارداده می شود.
اورانیوم تهی شده اورانیوم عنصری است با جرم اتمی 238 و عدد اتمی 92 او چگالی آن بسیار بال می باشد اولین بار در سال 1841 میلادی این عنصر به صورت فلزی سنگین ونقره ای رنگ به دست آمد.پوسته زمین به طور متوسط حاوی 3 اورانیوم است و میزان آن در آب دریا حدود 13 است.
این عنصر دارای 3 ایزوتوپ پرتو زا است که مهمترین آن 238 با درصد فراوانی 28/99 است.
درصد فراوانی 0/23571 و 234 دارای درصد فراوانی بسیار ناچیز است.اورانیوم عنصر ساطح کننده ذرات آلفا و پرتوهای گاما می باشد ونیمه عمر آن یعین مدت زمانی که پرتوزایی آن به میزان نصف اولیه کاهش می یابد بسیار بالا است.
اورانیوم غنی شده به عنوان سوخت هسته ای کاربرد فروانی در نیروگاه های اتمی دارد واورانیوم تهی شده که معمولا از فرآیند غنی سازی اورانیوم به عنوان سیمان هسته ای به دست می آید اورانیومی است که درصد اورانیوم 235 آن تا حدود 2/0 کاهش یافته است در مقایسه با میزان 7/0 درصد اورانیومی 235 در اورانیومی طبیعی که می تواند به صورت فلز و یا اکسید اورانیوم U3O8 یا UO2 می باشد.
ایزوتوپ های اورانیوم: تعداد نوترون ها در اتم های مختلف یک عنصر همواره یکسان نیست که برای مشخص کردن آن ها از ایزوتوپ استفاده می شود.
بنابراین اتم های مختلف یک عنصر و ایزوتوپ می گویند.
مثلا عنصر هیدروژن در ایزوتوپ دارد هیدورژن معمولی که فقط یک پروتون دارد وفاقد نوترون است.هیدروژن سنگین یک پروتون و یک نوترون دارد که به آن دو تریم گویند ونهایتا تریتیم که از دو نوترون و یک پروتون تشکیل شده و ناپایدار است و طی زمان تجزیه می شود.
ایزوتوپ سنگین هیدروژن یعنی دو تریم در لیتر و گازه های اتمی کاربرد دارد واز الکترولی آب بدست می آید.
جنگ جهانی دوم آلمانی ها برای ساختن نیروگاه اتمی وتهیه بمب اتمی در سوئد ونروژ مقادیر بسیار زیادی آب سنگین تهیه کرده بودند که انگلیسی ها متوجه منظور آلمانی ها شده ومخازن ودستگاه های الکترونیل آن را نابود کردند.
آب سبک آب سبک در واقع همان آب معمولی است راکتورهای آب سبک نسبت به راکتورهای نرمال ساده تر و ارزان تر هستند وعلی رغم اینکه توانایی تولید انرژی یکسانی دارند توانایی آنها در تولید پلوتونیوم قابل قیاس نیست.
آب سبک نیز به عنوان کند کننده عمل می کند.
اما چون نوترون جذب می کند یا قابلیت جذب نوترون دارد راکتورهایی که با اب سبک مصرف می کنند باید از اورانیوم غنی شده به جای اورانیوم طبیعی استفاده کنند.
آب سنگین نوعی از راکتورهای اتمی با آب سنگین کار می کنند.
آب سنگین از نظر شیمیایی شبیه آب معمولی است اما به جای دو اتم هیدروژن H2O درفرمول آن دواتم دئوتریم D2O جایگزین شده است.
دئویزدم ایزوتوپی سنگین تر از هیدروژن است با یک نوترون اضافی بنابراین اتم دئوتریم شامل یک پروتون یک نوترون در هسته اتمی و یک الکترون اوریبال می شود.
این یک نوترون اضافی است که آب سنگین می سازد.
در واقع آب سنگین نزدیک به ده درصد سنگین تر از آب معمولی است.یعنی اگر یک لیتر آب سنگین حدود یک کیلو وصدگرم وزن دارد.
نقش آب سنگین در طبیعت به مقدار تقریبا یک دهم دردص وجوددارد.99/99 درصد آب رودخانه ها ودریاها از آب معمولی فقط مقدار بسیار نایزی از آن از آب سنگین درست شده است.
برای تهیه آب سنگین دو راه وجود دارد.
یا باید آب سنگین را از کشورهای تولید کننده خریداری کرده یا باید آب را در داخل تولید نمود.
چهار کشور یعنی آرژانتین ،کانادا، هندونروژ از بزرگترین صادرکنندگان آب سنگین در جهان می باشند ، اما خل ید آب سنگین از این کشورها احتیاج به اخذ مجوز ویژه از آژانس بین المللی انرژی اتمی دارد، که به آسانی به دست نمی آید.
برای تولید آب سنگین معولا از روش تبخیر وتقطیر استفاده می کنند.
چون نقطه جوش آب سنگین بالاتر از نقطه جوش آب معمولی است ومیتوان این روش آن را از آب معمولی جدا ساخت .
آب سنگین ماده سمی و آلود به شمار نمی رود.
از واکنش های سوخت و ساخت نیازمند آب سبک است بنابراین مصرف بیش از حد آب سنگین ممکن است موجب بیماری شود.
کاربرد آب سنگین: تشدید مغناطیسی هسته (رزونانس مغناطیسی هسته) کندکننده نوترون ردیاب توترینو اورانیوم اورانیوم عنصری فلزی با علامت اختصاری U وعدد اتمی 92 است که میتواند هم به عنوان سوخت برای نیروگاه های هسته ای وهم برای بمب اتم بکار برود.
اورانیوم در سال 1982 توسط کلاپروت، شیمیدان المانی در معدن سنگ از معدن ساکوتی کشف شده پرتوزایی در سال 1986 توسط فیزیکدان فرانسوی بنام هنری پکول کشف گردید.اما توسط خواهران کوری زمانی که آنان ار دیدم وپلوتونیوم همراه اورانیوم وشناسایی کرد فرمول بندی شد.
استحصال اورانیوم از معدن سنگ در سال 1914 انجام گرفت ودر سال 1939 داینگ پدیده فیسیون طبیعی را برای عناصر پرتوزایی استحصال اورانیوم از معدن سنگ در سال 1942 با کشف پدیده تبدیل ساده به انارژی اورانیوم به عنوان ماده قدرتمند برای تولید انرژی وارد میدان گردید و از آن زمان به بعد انرژی هسته ای یکی از اقلام مهم انرژی مطرح شد.
امروزه محدود 582 معدن اورانیوم با ذخیره 68و81 4تن در رده RAR و EAR کشف شده است اورانیومی که از معدن بدست می اید یک دست نیستند.
به عبارت دیگر همه اتم های اورانیوم دارای یک وزن نیستند.بعضی از آن ها سبک تر و بعضی از آن ها سنگین ترند.
همه اتم های اورانیوم یعنی چه اورانیوم سنگین و چه اورانیوم نیمه سنگین وچه اورانیومی سبک در درون هسته خود دارای 92 پروتون می باشند.
اما تعداد نوترون های آن ها متفاوت است.
اورانیوم سنگین در هسته خود تعداد 146 نوترون دارد.
در حالی که اورانیوم نیمه سنگین تعداد 143 نوترون واورانیوم سبک تعداد 142 نوترون دارد.
برای نام گذاری این 3 نوع اورانیوم دانشمندان تعداد پروتون ها ونوترونهای آن ها را به اسم اورانیوم اضافه می کنند.
به عنوان مثال اورانیوم سنگین را به نام اورانیوم 238 اورانیوم نیمه سنگین را به نام اورانیوم 235 واورانیوم سبک را به نام اورانیوم 234 می نامند.
برای سوخت راکتورهای هسته ای و بمب اتم اورانیوم نیمه سنگین به مقدار زیاد یعنی حدود 3/99 درصد واورانیوم نیمه سنگین به مقدار بسیار کم یعنی حدود 7/0 درصد اورانیوم سبک به مقدار فوق العاده جزیی یعنی به مقدار 1% درصد به طور طبیعی در معدن اورانیوم وجوددارد.
اورانیوم نیمه سنگین عنصر اصلی برای راه انداختن وادامه یافتن چرخه سوخت درراکتوراتمی است.
اما مقدار طبیعی آن یعنی مقدار 7/0 درصد کافی نیست و باید غلظت اورانیوم نیمه سنگین از 7/0 درصد به 5 درصد افزایش یابد.
عملیات مربوط به افزایش غلظت اورانیوم نیمه سنگین از 7/0 درصد به 5 درصد اصطلاحا عمل غنی سازی اورانیوم می نامند.
برای این کار از دستگاهی به نام دسانتریفیوژ استفاده می کنند.
میزان مصرف سالانه اورانیوم در کشورهای مختلف بالغ بر 65 تن می شود.
انتظار می رود مقدار مصرف تا سال 2020 میلادی به 7500 تن درسال فزونی یابد.
مهمترین کشور های دارای منابع اورانیوم عبارتند از: کانادا، استرالیا، آفریقای جنوبی، برزیل.قزاقزیستان ،ازبکستان ،روسیه ،نیجریه .
نامبیا،معدن های اورانیوم دارای 10 هزار تن از بزرگترین معدن ها کوچکترین آن با ذخیره حدود 500 تن به شمار می رود.
گر چه انواع مختلفی از معادن اورانیوم کشف گردیده و در دست بهره برداری است اما معادن جای گرفته در ماسه سنگی که مناسب استعمال هستند.از انواع اوزان و اقتصادی در بازار جهان تلقی می شوند.