مراحل غني سازي اورانیوم

مراحل غني سازي اورانیوم

سنگ معدن اورانیوم موجود در طبیعت از دو ایزوتوپ اورانیوم 235 به مقدار 0.7 درصد و اورانیوم 238 ‏به مقدار 99.3 درصد تشکیل شده است. اگر ما بخواهيم از اورانيوم 235 بعنوان سوخت در نيروگاههای حرارتی، استفاده كنيم اورانيوم به شكل طبيعي قابل استفاده نيست و بايد درصد اورانيوم 235 را در سوخت بالا ببريم(زيرا فقط اورانيوم 235 با نوترونهاي گرمايي واكنش شكافت انجام مي دهد). به اين كار اصطلاحا غني سازي اورانيوم مي گويند، كه  از عهده هر كشوري بر نمي ايد زيرا اين عمل بسيار پرهزينه و گران است و نيازي به تخصص فوق العاده زيادي دارد.

مراحل غني سازي، به اختصار به اين صورت است كه ابتدا سنگ معدن اورانيوم استخراج شده را آسياب كرده و به صورت پودر در مي‌آورند (معدن اورانيوم صخره اي است كه در هر تن دارای يك تا چهار پوند اكسيد اورانيوم  مي باشد كه تقريبا 0.05 تا 0.20 درصد اكسيد اورانيوم دارد- از هر هزاران کیلو سنگ معدن اورانیوم ‏‏140 کیلوگرم اورانیوم طبیعی به دست می آید که فقط یک کیلوگرم اورانیوم 235 ‏خالص در آن وجود دارد.‏) سپس به اين پودر، اسيد سولفوريك اضافه مي‌كنند و پس ازطي فرآيند شيميايي خاصي و تخلیص سازی، اكسيد اورانيوم را با اسيد سولفوريك تركيب کرده و به سولفات اورانيل تبديل می کنند ودر آخر با افزودن حلال‌هاي مخصوصي به سولفات اورانيل، ماده‌اي جامدي به نام كيك زرد (اكسيد اورانيوم‌U3O8 ) به وجود مي ايد كه شامل 70 درصد اورانيوم بوده و داراي خواص پرتوزاي مي باشد. براي غني سازي اورانيوم، بايد ابتدا كيك زرد را با اتم فلئور (F9)، ترکیب کرده و به صورت گاز هگزا فلورايد اورانيوم (UF6) در بیاوریم. (هگزا فلوريد اورانيوم UF6 جامد است كه در دماي بالاي 56 درجه سانتيگراد بخار ميشود). از این مرحله به بعد برای غنی سازی اورانیوم  می توان از روشهای زیر استفاده نمود:.

1-    غنی سازی اورانیوم با دیفوزیون گازی:

گراهان در سال 1864 پدیده ای را کشف کرد که در آن سرعت متوسط مولکولهای ‏گاز با معکوس جرم مولکولی گاز متناسب بود. چون ضریب جداسازی متناسب با اختلاف جرم مولکول ها است، اگر یک گاز مرکب را از ستونهایی که جدار آنها از اجسام متخلخل با سوراخهای بزرگتر از شعاع  اتمی گاز درست شده است(سانتریفوژ) عبور دهند، مولکولهای این گاز مرکب را می توان از هم جدا نمود. از این پدیده که به نام دیفوزیون ‏گازی مشهور است برای غنی سازی اورانیوم استفاده می کنند. ‏هکزا فلوراید اورانیوم طبیعی گازی شکل را به داخل سانتريفوژ ( سوراخهای دیواره ‏متخلخل باید در حدود 2.5 آنگسترم باشد) كه با سرعت زيادي مي چرخد تزريق ميكنند. حركت دوراني سانتريفوژ باعث مي شود كه اورانيوم 238 كه سنگين تر است در مركز و اورانيوم 235 كه سبكتر است به حاشيه رانده شود حال اگرقسمت مربوط به اورانيوم235 را جمع اوري كنيم اورانيومي خواهيم داشت كه داراي غناي بين 3تا 5 درصد است. حالا اورانيوم را از فلوئور جدا كرده و آن را بصورت قرصهاي در مي آوريم كه همان سوخت هسته اي  مي باشد.

 باید توجه داشت كه اگر اورانيومي كه با غلظت 5/3 در صد استخراج شده را مجددا به داخل سانتريفوژ تزريق كنيم و با افزایش تعداد سانتریفوژها، می توانیم اورانیوم با غلظت بالای 90 درصد که کاربرد نظامی دارد دست یافت.

2-غنی سازی اورانیوم از طریق میدان مغناطیسی بسیار قوی

در این روش اورانیوم هگزا فلوئورید را حرارت می دهند تا تبخیر شود و اتم های اورانیوم و فلوئورید از هم جدا شوند. سپس، اتم های اورانیوم را به میدان مغناطیسی بسیار قوی هدایت می کنند، میدان مغناطیسی بر هسته های باردار اورانیوم نیرو وارد کرده و از مسیر مستقیم خود منحرف می کند. اما هسته های سنگین اورانیوم (اورانیوم238) نسبت به هسته های سبک تر(اورانیوم 235) انحراف کمتری دارند، و درنتیجه از این طریق می توان اورانیوم 235 را از اورانیوم طبیعی تفکیک کرد.

 

 

 

 

 

تاریخچه انرژي هسته اي

 

منصور راشد زاده، كارشناس ارشد فيزيك هسته اي، عضو پیوسته انجمن هسته ای ایران، مدرس فيزيك مراكز آموزش عالي استان بوشهر و دبير دبيرستانهاي شهر  بوشهر

 

در اواخر قرن نوزدهم، بعد از اینکه انیشتین معادله معروف خود را تکمیل کرد، ویلهلم رونتگن، فیزیکدان آلمانی اشعه ایکس، و جی جی تامسون فیزیکدان بریتانیایی، الکترون ، و مارتين هنريچ كلاپرس شيميدان آلماني( در سال1789 ) اورانيوم را کشف کردند. در سال 1896هانري بكرل فيزيكدان فرانسوي نخستين كسي بود كه متوجه پرتودهي عجيب سنگ معدن اورانيم گرديد و  ماری کوری شیمیدان معروف به رادیواکتیویته بودن رادیوم پی برد. بس از ان در سال 1909 ميلادي ارنست رادرفورد فیزیکدان اهل زلاندنو هسته اتم را كشف كرد.

دانشمندان فيزيك که سرگرم تحقيق براي رسيدن به يك منبع انرژي جايگزين سوخت هاي فسيلي بودند، این مسئله که هسته با وجود نيروي دافعه الكتروستاتيكي قوي بين پروتونها، چگونه ممكن است پايدار بماند؟ توجه فیزیک دانان را به خود جلب کرد. و از اينجا پيش بيني كردند كه بايد در داخل هسته نيروي قويتر از هر نيروي شناخته شده اي باشد، و نتيجه گرفتند كه در صورتي كه هسته شكافته  شود انرژي عظيمي آزاد مي گردد.

داستان کشف وگسترش انرژي هسته اي از سال 1932 ميلادي که نوترون توسط چادويک کشف شد آغاز گرديد. دانشمندان که تا اين زمان براي بمباران هسته اتم و ايجاد واکنشهاي مصنوعي از ذرات پروتون و آلفا استفاده مي کردند، دريافتند که نوترون به علت بي بار بودن (برخلاف پروتون و ذره آلفا) آسانتر به درون سد پتانسيل هسته اتم نفوذ کرده و با آن برهمکنش مي کند. در سال1938 ميلادي  دو فيزيكدان الماني بنامهاي اتوهان و فريتس شتراسمن کشف کردند که هسته سنگين اورانيوم در اثر بمباران با نوترون به دو هسته با جرم متوسط تقسيم مي شود. برای توصيف این پدیده،  ليزه ميتنرو اتو فريش پديده شكافت هسته ای در اورانيم را توضيح داد.  کشف شکافت که در سال 1938، درست قبل از شروع جنگ جهاني دوم رخ داد, نمي توانست در زماني حساستر از آن در تاريخ جهان اتفاق بيفتد. اگر هيتلر به اهميت اين کشف پي برده و دانشمندانش را به توسعه آن تشويق کرده بود به احتمال زياد آلمان اولين کشوري بود که سلاح هسته اي توليد مي کرد و تاريخ جهان درشصت سال گذشته تفاوت مي کرد.

دولتهاى درگير در جنگ جهانى دوم به دنبال نوآورى تسليحاتى بودند، که در این بین سه دولت ژاپن، آلمان، آمريكا داراى مراكز تحقيقات استراتژيك و لابراتورهاى عظیم تحقيقاتى بودند. ژاپن به دنبال توسعه سلاح‏هاى شيميايى بود كه در اين زمينه موفقيت چنداني به دست نمى‏آورد.- آلمان‏ها داراى مركز تحقيقاتى «پينامون» بودند كه در تابستان 1940 موفق به اختراع اسلحه ای جدید(موشك) ‏شدند، كه در طول جنگ از خاك فرانسه اشغال شده عليه انگلستان به كار مى‏بردند.

 –آمريكا: هنگامي كه انريكو فرمي دانشمند ايتاليايي (1954- 1901)، تجربيات و تحقيقات خود را در زمينه عملي ساختن فعل و انفعالات زنجيري مداوم دنبال مي كرد، پيش بيني مي شد كه اين فعل و انفعال ممكن است انفجاري باشد(بخاطر تحقيقاتش در سال 1938 موفق به دريافت جايزه نوبل گرديد). در سال 1939 يعني قبل از شروع جنگ جهاني دوم در بين فيزيكدانان اين بيم وجود داشت كه المانيها به كمك فيزيكدانان نابغه اي چون هايزنبرگ ودستيارانش بتوانند بمب اتمي بسازند، به همين دليل از البرت انيشتين خواستند كه نامه اي به فرانكلين روزولت رئيس جمهور وقت امريكا بنويسد در ان نامه تاريخي از امكان ساخت بمبي صحبت شد كه هرگز هايزنبرگ ان را نساخت (اگر این نامه نوشته نمی شد شاید بمب اتمی ساخته نمی شد و شاید ژاپن پیروژ جنگ می شد و سرنوشت جهان اکنون متفاوت بود). شرايط، فوق العاده حساس و اضطراري بود، چرا که مشخص شده بود اولين کشور سازنده بمب اتمي به احتمال قوي برنده جنگ خواهد بود. چنين شد كه دولتمردان امريكا با استفاده از امتيازات دور بودن از صحنه جنگ و مصونيت از بمباران و ويرانى، و همچنین داشتن منابع صنعتي لازم براي انجام شکافت هسته اي، در سال 1943 براي پيشدستي برالمان یک برنامه سری برای تولید بمب اتمی ( پروژه منهتن ) را در صحراى لوس آلاموس(Los Alamos) در ايالت نيومكزيكو واقع در جنوب غربی ایالات متحده، براه انداختند. وتحت عنوان مبارزه ضد فاشيستي در صدد جلب نظر دانشمندان آمریکایی، بریتانیایی، و پناهندگان اروپایی کشورهای زیر سلطه فاشیسم، برای ساختن سلاح هسته ای بر امدند.ریاست علمی این پروژه با پروفسور"اوپن هایمر" بود. ریاست این پروژه با یک ژنرال سه ستاره، به نام "گروز" بود که به طور مرتب، واشنگتن را از پیشرفت کار مطلع می ساخت. يكي از ويژگي هاي پروژه مانهتن، هزينه بسيار بالاي آن بود (25 ميليارد دلار) كه در زمان جنگ هيچ دولتى چنين بودجه‏اى را نداشت. سه سال بعد در دوم دسامبر 1942 در ساعت 3 بعد از ظهر نخستين سيستم کنترل شده واکنش زنجيره اي شکافت هسته اي دنيا (راكتور اتمي) در دانشگاه شيكاگو امريكا زیر نظر انريكو فرمي  (که چند سال پيش از آن ايتاليا را ترک کرده و به آمريکا  مهاجرت کرده بود،) و همكارانش به وضعيت بحراني رسيد ، طي دو سال پس از آن راکتورهاي بزرگتر و قوي تري ساخته شدند، که نقطه اوج آن راکتورهاي عظيم توليد کننده پلوتونيوم هانفورد در واشينگتن بود. تا تابستان 1945 به اندازه کافي اورانيوم 235 و پلوتونيوم توليد شده بود که با استفاده از آنها اولين بمبهاي اتمي ساخته شود. سرانجام در حالى كه در 8 مى 1945 آلمان تسليم ‏شد و جنگ اروپا به پايان مى‏رسد، فاتحين، كنفرانس پوتست دام را به منظور تعيين سرنوشت آلمان تشكيل دادند، (برلين آنقدر ويران شده بود، که حتي یک ساختمان درخور كه در آن اجلاس برگزار شود نبود، از اینرو کنفرانس در پوتست دام که يك منطقه ييلاقى در نزديك  برلين است، برگزار شد). در بين كنفرانس، هرى ترومن، رئيس جمهور آمريكا، تلگراف رمزى تحت عنوان «نوزاد متولد شد»، دال بر به ثمر رسيدن پروژه مانهتن دريافت مى‏كند.   

 اين پروژه موفق به ساخت اولين بمب هسته ای شد كه در 16 ژوئيه 1945 در صحراي الاموگرودو واقع در ايالت نيومكزيكو آزمایش شد. شاهدانی که از فاصله یکصد کیلومتری این رویداد را دیده بودند، مشاهدات خود را اینگونه گزارش کردند که: آنها دیده اند که خورشید ناگهان از سمت مغرب طلوع و بلافاصله غروب نمود. در حقیقت برای این شاهدان انفجار هسته ای همانند طلوع و غروب خورشید  جلوه گر شده بود. اوپن هايمر و ديگران، در بونكرى تجمع كرده بودند و آزمايش را مورد بررسى قرار دادند كه همانجا اوپن هايمر پشيمان شد.

دومین انفجار هسته ای،: سربازان امریکا که در نبرد با ژاپن به زانو در آمده بودند و این امکان بود که در جنگ شکست را بپذیرند. دولت وقت امریکا ژاپن را به بمباران هسته ای تهدید نمود، اما امپراتور ژاپن که قدرت این سلاح مرگ بار را باور نداشت، يا فكر نمي كرد كشور امريكا دست به ﭼنين جنايت هولناكي بزند، زیر بار نرفت. در اواخر جولاى، رئيس جمهور آمريكا، دستور به كار بردن اين سلاح جديد را عليه ژاپن براى تاريخ بعد از 2 اوت صادر کرد؛ 5 شهر توكيو، كيوتو، هيروشيما، ناگويا، ناكازاكى به ترتيب اولويت براى واشنگتن در ليست قرار گرفتند. درپی ان، سه هفته بعد از اولین انفجار آزمایشی، در روز ششم اوت سال 1945 میلادی (پانزدهم مرداد ماه 1324 هجری شمسی) در ساعت هشت و ربع صبح، 3 فروند هواپیمای متفقین، شهر هیروشیما در ژاپن را با یک بمب هسته ای که از ²³⁵U ساخته شده بود، و در آن از تکنیک «چکاندن ماشه» استفاده شده بود، بمباران کردند كه در نتيجه آن، شهر به كلي ويران و چند هزار نفر به هلاكت رسيدند. فقط معدودي از سكنه اطراف شهر از اين بلا جان به در بردند، كه هنوز بازماندگان آنان از اثرات زيان بخش تشعشعات هسته‌اي آن رنج مي برند. این بمب " پسر بچه" نام داشت و قدرت تخریبی آن معادل قدرت 14500 تن TNT و کارآیی ان 1.5 درصد بود یعنی پیش از انفجار تنها 1.5 درصد از ماده مورد نظر شکافت پیدا کرد. در این بمب اتمي، كاهش 1 گرم ماده، كه به انرژي تبديل شد، فاجعه انسانی و مالی وحشتناکی به بار اورد، بطوری که طبق آمار شهرداری هیروشیما که روز دوم فوریه سال 1946 منتشر گردید، تعداد کشته شدگان 270000 نفر و تعداد زخمیهای شدید ده ها هزار نفر گزارش شد. درجه حرارت منطقه انفجار بقدری بود که تا شعاع یک کیلومتری مرکز انفجار، تمام خانه های چوبی و سنگی کاملاًسوختند وقشر خارجی آجرها و سنگ های عمارات ذوب شده بودند. از 75 هزار خانه هیروشیما 55 هزار خانه بکلی سوخت، 2600 خانه نیم سوز شد، 6820 خانه منهدم و 3750 خانه نیمه خراب گردید. در کل 90% شهر تخریب شد. با این همه امپراتوری ژاپن سقوط نکرد و امپراتور در یک نطق رادیوی، به ادامه نبرد با آمریکا با جدیت بیشتر تاکید کرد.

سومین انفجار هسته ای: در پی تسلیم نشدن ارتش ژاپن در برابر متفقین، سه روز بعد در روز نهم اوت سال 1945 میلادی، بمب دیگری که قوی تر از بمب هیروشیما بود در ساعت یازده و نیم، روی بندر ناکازاکی انداخته شد و موجب مرگ و تابودی صدهزار نفر از مردم این بندر در یک لحظه شد. در این بمب که" مرد گنده " نام داشت، از تکنیک انفجار از درون استفاده شده بود، و در ساخت ان  بكار برده شده بود، دارای بازده 23 کیلوتن و کارآیی 17درصد بود. شکافت معمولا در 560 میلیاردم ثانیه رخ می‌دهد. این دو فاجعه بزرگ سبب هلاکت، سوختگی، شکستگی، زخم های عمیق، جنون و انواع بیماری های مهلک و غیر قابل علاج توده وسیعی از مردم ژاپن گردید. و در دو هفته بعد از انفجار، بیماری مرگبار جدیدی به نام آتم با علائم (ریزش مو خونریزی زیر جلد و مخاط و اعضای درونی، لوکوپنی زخم های داخل دهان، تب و اسهال و ...) در این دو شهر شیوع پیدا کرد، که به علت عاجز ماندن علم پزشکی از مداوای بیماران، پس از چند هفته 50% بیماران تلف شدند. اين دو فاجعه تاريخي باعث شد که كشور ژاپن در برابر متفقین به زانو در بیاید و جنگ جهاني دوم خاتمه یابد. و بدين ترتيب اوت 1945 را به صورت لكه سياهي در تاريخ بشريت ثبت کرد.

 هنگامی که آلبرت انیشتین متوجه کاربرد ویرانگر معادله( E=mc²  )  خود شد، گفت :«ای کاش آهنگر شده بودم.