-
غنی سازی اورانیوم
سنگ معدن اورانیوم موجود در طبیعت از دو ایزوتوپ 235U به مقدار 0.7 درصد و238U به مقدار 3.99درصد تشکیل شده است. سنگ معدن را ابتدا در اسید حل کرده و بعد از تخلیص فلز ،اورانیوم را بصورت ترکیب با اتم فلوئور (9F ) و بصورت مولکول اورانیوم هگزا فلوراید تبدیل می‌کنند که به حالت گازی است. سرعت متوسط مولکولهایگازی باجرم مولکولی گاز نسبت عکس دارد.
غنی سازی با دستگاه سانتریفیوژ
سانتریفیوژدستگاهی است که برای جدا سازیمواد از یکدیگر بر اساس وزن آنها استفاده می‌شود. این دستگاه مواد را با سرعت زیادحول یک محور به گردش در می‌آورد و مواد متناسب با وزنی که دارند از محور فاصلهمی‌گیرند. در واقع در این روش برای جدا سازی مواد از یکدیگر از شتاب ناشی از نیرویگریز از مرکز استفاده می‌گردد، کاربرد عمومی این دستگاه برای جداسازی مایع از مایعو یا مایع از جامد است. سانتریفیوژهایی که برای غنی سازی اورانیوم استفاده می‌شودحالت خاصی دارند که برای گاز تهیه شده‌اند که به آنها Hyper-Centrifuge گفتهمی‌شود. پیش از آنکه دانشمندان از این روش برای غنی سازی اورانیوم استفاده کنند ازتکنولوژی خاصی بنام Gaseous Diffusion به معنی پخش و توزیع گازی استفاده می‌کردند.
غنی سازی با دیفوزیون گازی Gaseous Diffusion
گراهان در سال 1864 پدیده‌ایرا کشف کرد که در آنسرعت متوسط مولکولهای گاز با معکوس جرم مولکولی گاز متناسب بود. از این پدیده که بهنام دیفوزیون گازی مشهور است برای غنی سازی اورانیوم استفاده می‌کنند. در عمل اورانیوم هگزا فلوراید طبیعی گازی شکل را ازستونهایی که جدار آنها از اجسام متخلخل (خلل و فرج دار) درست شده است عبورمی‌دهند. سوراخهای موجود در جسم متخلخل باید قدری بیشتر از شعاع اتمی یعنی در حدود 2.5 آنگسترم (7-25x10 سانتیمتر) باشد.
ضریب جداسازی متناسب بااختلاف جرم مولکولها است. روش غنی سازی اورانیوم تقریبا مطابق همین اصولی است کهدر اینجا گفته شد. با وجود این می‌توان به خوبی حدس زد که پرخرج ترین مرحله تهیه سوخت اتمی همین مرحله غنی سازی ایزوتوپها است، زیرا از هر هزاران کیلو سنگ معدناورانیوم 140 کیلوگرم اورانیوم طبیعی بدست می‌آید که فقط یک کیلوگرم235U خالص در آن وجود دارد. Gaseous Diffusion از جملهتکنولوژیهایی بود که ایالات متحده طی جنگ جهانی دوم در پروژه‌ای بناممنهتن(Manhattan) برای ساختبم بهسته‌ای ، با کمک انگلیس و کانادا به آن دست پیدا کرد.
در این روش باتکرار استفاده از این صفحات فیلتر مانند ، بصورت آبشاری (Cascade) ، میزان235U را به مقدار دلخواه بالا می‌بردند. این روش اولین راهکارهای صنعتی برای غنی سازی اورانیوم بود که کابرد عملی پیدا کرد. نمونه‌ای ازسانتریفیوژهای گازی آبشاری که برای غنی سازی اورانیوم از آنها استفاده می‌شود. Hyper-Centrifuge اما در روش استفاده از سانتریفیوژ برای غنی سازی اورانیوم ، تعدادبسیار زیادی از این دستگاهها بصورت سری و موازی بکار می‌برند تا با کمک آن بتوانندغلظت235U را افزایش دهند.
گاز هگزافلوراید اورانیوم (UF6) در داخل سیلندرهای سانتریفیوژ تزریق می‌شود و با سرعت زیاد به گردش در آورده می‌گردد. گردش سریع سیلندر ، نیروی گریز از مرکز بسیار قوی تولید می‌کند و طی آن مولکولهای سنگین تر (آنهایی که شامل ایزوتوپ238U هستند) از مرکز محور گردش دورتر می‌گردند و برعکس آنها که مولکولهای سبکتری دارند (حاوی ایزوتوپ235U ) بیشتر حول محور سانتریفیوژ قرار می‌گیرند.
در این هنگام با استفاده از روشهای خاص گازی که حول محور جمع شده است جمع آوری شده بهمرحله دیگر یعنی دستگاه سانتریفیوژ بعدی هدایت می‌گردد. میزان گاز هگزافلورایداورانیوم شامل235U که در این روش از یک واحد جداسازی بدستمی‌آید به مراتب بیشتر از مقداری است که در روش قبلی (Gaseous Diffusion) بدستمی‌آید، به همین علت است که امروزه در بیشتر نقاط جهان برای غنی سازی اورانیوم ازاین روش استفاده می‌کنند.
بزرگترین دستگاههای آبشاری سانتریفیوژ در کشورهایی مانند فرانسه ، آلمان ، انگلستان و چین در حال غنی سازی اورانیوم هستد. این کشورهاعلاوه بر مصرف داخلی به صادرات اورانیوم غنی شده نیز می‌پردازند. کشور ژاپن همدارای دستگاههای بزرگ سانتریفیوژ است، اما تنها برای مصرف داخلی اورانیوم غنی شدهتولید می‌کند.
غنی سازی اورانیم از طریق میدان مغناطیسی
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 رابه میدان مغناطیسی بسیار قوی هدایت می‌کنند. میدان مغناطیسی بر هسته‌های بارداراورانیم نیرو وارد می‌کند ( این نیرو به نیروی لورنتسمعروف می‌باشد) واتمهای اورانیوم را از مسیر مستقیم خود منحرف می‌کند. اما هسته‌های سنگین اورانیم (238U ) نسبت به هسته‌های سبکتر (235U ) انحراف کمتری دارند و درنتیجه از این طریق می‌توان235U را ازاورانیوم طبیعی تفکیک کرد.
کاربردهای اورانیوم غنی شده
·شرایطی ایجاد کرده اند که نسبت235U به238U را به 5 درصد میرساند. برای این کار و تخلیص کامل اورانیوم ازسانتریفوژهای بسیار قوی استفاده می‌کنند.
·برای ساختن نیروگاهاتمی ، اورانیوم طبیعی و یا اورانیوم غنی شده بین 1 تا 5 درصد کافیاست.
·برای تهیه بمباتمی حداقل 5 تا 6 کیلوگرم235U صد درصد خالص نیاز است. درصنایع نظامی از این روش استفاده نمی‌شود و بمبهای اتمی را از239Pu کهسنتز و تخلیص شیمیاییآن بسیار ساده‌تر استتهیه می‌کنند.
نحوه تولید سوخت پلوتونیوم رادیو اکتیو
این عنصر ناپایدار را درنیروگاههای بسیار قوی می‌سازند که تعداد نوترونهای موجود در آنها از صدها هزارمیلیاردنوترون درثانیه در سانتیمتر مربع تجاوز می‌کند. عملا کلیه بمبهای اتمی موجود درزراد خانه‌های جهان از این عنصر درستمی‌شود. روش ساخت این عنصر در داخل نیروگاههای هسته‌ای به این صورت که ایزوتوپهای238U شکست پذیر نیستند،ولی جاذب نوترون کم انرژی هستند. تعدادی از نوترونهای حاصل از شکست235U را جذب می‌کنند و تبدیل به239U می‌شوند. این ایزوتوپ از اورانیوم بسیار ناپایدار است و درکمتر از ده ساعت تمام اتمهای بوجود آمده تخریب می‌شوند.
در درون هسته پایدار239U یکی از نوترونها خود به خود بهپروتون و یک الکترون تبدیل می‌شود. بنابراین تعداد پروتونها یکی اضافه شده و عنصر جدید را که 93 پروتونداردنپتونیوممینامند که این عنصر نیزناپایدار است و یکی از نوترونهای آن خود به خود به پروتون تبدیل شده و در نتیجه به تعداد پروتونها یکی اضافه شده و عنصر جدیدپلوتونیم را که 94 پروتون دارد ایجاد می‌کنند. این کار حدودا در مدت یک هفته صورت می‌گیرد.
