کاربرد و شیوه های مختلف جداسازی یا غنی سازی اورانیوم 235

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:
این روشها عبارتند از:

1) جداسازی ایزوتوپی الکترومغناطیسی

2) دیفوزیون گرمایی

3) پخش دیفوزیون گازی

4) سانتریفوژ گازی

5) فرایندهای آئرودینامیکی

6) جداسازی ایزوتوپی لیزری – که شامل دو روش زیر است

الف) جداسازی ایزوتوپی لیزری با بخار گازی (AVLIS) (atomic vapor laser isotope separation)

ب) جداسازی ایزوتوپی لیزری مولکولی (MLIS) (molecular laser isotope separation)

7) تبادل یونی و شیمیایی

8) فرایند جداسازی پلاسمایی (PSP)

در تمام صنعت هسته ای دنیا، اورانیوم بوسیله یکی از دو روش: پخش گازی و سانتریفوژ گازی غنی می شود.

از آنجایی که فرایند کاربردی در ایران، روش سانتریفوژ گازی است در باره روند پخش گازی تنها به ذکر این توصیف اکتفا می شود که در روش پخش گازی، هگزافلوراید اورانیوم تحت فشار از میان یک سری دیافراگم ها یا غشاهای متخلخل گذر کرده از آنجایی که مولکولهای اورانیوم 235 سبکتر از مولکولهای اورانیوم 238 است آنها سریعتر حرکت کرده و امکان کمی بیشتری برای عبور از سوراخهای موجود در غشا را دارند. گاز UF6 که از طریق غشا پخش می شود اندکی غنی بوده ضمن اینکه آنچه که نمی تواند گذر کند تهی از اورانیوم 235 است.

سانتریفوژ گازی

سانتریفوژ گازی نوعی هیپرسانتریفوژ است که برای تولید اورانیوم غنی شده استفاده می شود. این روش در آلمان در طی جنگ جهانی دوم توسعه یافت اما موارد کاربرد واقعی آن تنها در دهه پنجاه و شصت میلادی بود.

در این روش از اثر سانتریفوژ که دوران سریع ماده سبب می شود تا ایزوتوپهای سنگین تر به طرف دیواره خارجی حرکت کنند استفاده شده و غالبا با استفاده از سانتریفوژ نوع زیپ (Zippe-type centrifuge) در شکل گازی انجام می شود. عامل جداسازی در این روش به تفاوت جرمی ایزوتوپهایی که باید جداسازی شوند بستگی دارد.

نمونه نیروگاه های غنی سازی اورانیوم که از این روش استفاده می کنند در Gronau/Wesphalia (آلمان) و بوسیله URENCO (اورنکو یک گروه صنعتی است که متشکل از شرکتهای انگلیسی، آلمانی و هلندی می باشد) در Capenhurst (بریتانیا) هستند.

علاوه بر نیروگاههای اورنکو در بریتانیا، هلند و آلمان، چهار نیروگاه روسیه که چهل درصد ظرفیت جهان را بالغ می شوند از این شیوه استفاده می کنند. ژاپن، چین و برزیل نیز نیروگاههای سانتریفوژ را می گردانند. پاکستان تکنولوژی غنی سازی سانتریفوژ را توسعه داده و بنظر می رسد که آن را به کره شمالی فروخته است ایران نیز دارای تکنولوژی سانتریفوژ پیچیده ای است.

در ایالات متحده آمریکا هیچ نیروگاه سانتریفوژ گازی فعالیت ندارد اما بتازگی آمریکا و فرانسه نیز درحال جایگزینی تکنولوژی سانتریفوژ بجای نیروگاههای پخش گازی قدیمی هستند. این روش نسبت به روش پخش گازی به انرژی کمتری برای رسیدن به جداسازی مشابه نیاز داشته و از این جهت غالبا این شیوه که با استفاده از هگزافلوراید اورانیوم انجام می شود جایگزین شیوه پخش گازی شده و بجای آن استفاده می گردد.

در غنی سازی اورانیوم با روش سانتریفوژ گازی، از تعداد زیادی سیلندر دوار که به صورت موازی و سری کنارهم قرار داده شده اند استفاده می شود. ماشینهای سانتریفوژ جهت تشکیل "ترین ها" (trains) یا "مجموعه آبشارها یا کاسکادها" (سیستمهای غنی سازی دنباله ای) بهم مرتبط هستند.

این دوران باعث ایجاد یک نیرو مرکزگریز می شود بطوری که مولکولهای گازی سنگین تر (که شامل اورانیوم 238 هستند) بطرف خارج سیلندر حرکت کرده و مولکولهای گازی سبکتر (که شامل اورانیوم 235 است) در قسمت مرکزی (محور گردنده) جمع می شوند.

گاز به داخل یک سری لوله های خلا تغذیه شده که هر یک شامل یک گردنده با بیش از دو متر طول و 20-15 سانتیمتر قطر هستند. وقتی که گردنده ها با سرعت بالا می چرخند (rmpا 70000-50000) مولکولهای سنگین تر حاوی اورانیوم 238 در لبه خارجی سیلندر متمرکز می شوند. افزایش اورانیوم 235 نیز در نزدیک مرکز وجود دارد. برای رسیدن به جداسازی موثر، به سانتریفوژهای با سرعتهای بالا نیاز است. مراحل سانتریفوژ معمولاٌ شامل تعداد زیادی سانتریفوژ به صورت موازی است.

این جریان گازی که کمی از اورانیوم 235 غنی شده است بازگیری شده و به داخل مرحله بالاتر بعدی تغذیه می شود ضمن اینکه جریان گازی کم تهی شده به مرحله پایین تر قبلی مجددا بازیابی می شود. میزان غنی سازی اورانیوم 235 حاصل از یک مرحله تک واحدی سانتریفوژ گازی، بسیار بیشتر از میزان آن در یک مرحله تک واحدی غنی سازی پخش گازی است اما به تکنولوژی توسعه یافته ای برای تولید ماشینهای سانتریفوژ نیاز می باشد. این ماشینها بدلیل سرعتهای دوران مورد نیاز در آنها، به مهندسی متالورژی پیچیده با دقت بالا و نیاز دارند.

بخاطر ماهیت خورندگی UF6، تمام اجزایی که در تماس با این ماده هستند باید از مواد مقاوم در برابر خوردگی ساخته شوند. ظرفیت جداسازی یک سانتریفوژ تک واحدی، با طول گردنده و سرعت دیواره گردنده افزایش می یابد. درنتیجه سانتریفوژهایی که دارای گردنده های یا روتورهای پرسرعت و بلند باشند اهداف برنامه های توسعه سانتریفوژ هستند.

مواد مناسب برای گردنده ها شامل آلیاژهای آلومینیم، تیتانیم، فولاد ماراژین (maraging steel) یا ترکیباتی که با برخی شیشه های خاصی تقویت می شوند، فیبرهای کربنی هستند. درحال حاضر فولاد ماراژین متداول ترین ماده گردنه است.

برای مصارف غیرنظامی، اورانیوم طبیعی که شامل 0.7 درصد اورانیوم 235 است به حدود 5-3 درصد اورانیوم 235 غنی شده و اورانیوم تهی شده شامل 0.3-0.2 درصد اورانیوم 235 می باشد. اما برای کاربردهای نظامی، اورانیوم بسیار غنی شده (HEU) که شامل بیش از 20 درصد اورانیوم 235 است معمولاٌ تولید می شود.

از زمان راه اندازی، یک سانتریفوژ مدرن بمدت بیش از 10 سال بدون نگهداری به کار خود ادامه می دهد.

مجموعه آبشارها یا کاسکادهای بزرگ سانتریفوژ گازی که در کشورهای فرانسه، آلمان، بریتانیا، و چین مورد استفاده قرار می گیرند برای تولید اورانیومی است که برای مصارف داخلی و نیز صادرات است. اما در مورد ژاپن این موارد صرفا جهت مصرف داخلی است. یک نیروگاه سانتریفوژ گازی مهم، در پیکتون اوهایوی آمریکا واقع است.

این روش علاوه بر انرژی کمتر، به نیروگاه های با مقیاس بمراتب کوچکتری نیاز داشته و از این جهت برای کشورهای کوچکی که مبادرت به تولید سلاحهای هسته ای می نمایند دارای امکان پذیری اقتصادی است.

روسیه صنعت عظیم سانتریفوژ را از اتحاد جماهیر سابق به میراث برده است. گفته می شد که عراق نیز این روش را برای دستیابی به سلاحهای هسته ای بکار گرفته بود. تصور می شود که پاکستان بااستفاده از این روش درحال ساخت یک کاسکاد کوچکتر جهت اهداف نظامی و توسعه سلاحهای هسته ای خود است.

باید توجه کرد که برای تولید تنها یک سلاح هسته ای در سال، به چندین هزار سانتریفوژ نیاز می باشد.

منبع : مجله اینترنتی ویژه انرژی هسته ای در ایران