چگونه اورانیوم غنی می کنند؟

غنی سازی اورانیوم چیست؟

غنی‌سازی اورانیوم عملی است که به‌واسطهٔ آن در یک تودهٔ اورانیوم طبیعی مقدار ایزوتوپ ۲۳۵U بیشتر شود و مقدار ایزوتوپ ۲۳۸U کم‌تر گردد. غنی‌سازی اورانیوم یکی از مراحل چرخه سوخت هسته‌ای است.

اورانیوم طبیعی (که به‌شکل اکسید اورانیوم است) شامل ٪۳٫۹۹ از ایزوتوپ ۲۳۸U و ‎۰٫۷‎٪ از ‎۲۳۵U است. ایزوتوپ ۲۳۵U اورانیوم قابل شکافت و مناسب برای بمب‌ها و نیروگاه‌های هسته‌ای است.

۲۳۸U باقی‌مانده را اورانیوم ضعیف‌شده می‌نامند و نوعی زباله اتمی است. به‌خاطر سختی زیاد و آتش‌گیری و ویژگی‌های دیگر از آن در ساختن گلوله‌های ضد زره استفاده می‌کنند. اورانیوم ضعیف‌شده نیز هم‌چنان پرتوزا است.

ایزوتوپهای اورانیوم می‌توانند از هم جدا شوند تا تمرکز یک ایزوتوپ بر دیگری را افزایش دهند. این فرایند غنی سازی نام دارد.
اورانیوم به رنگ سفید مایل به نقره‌ای، سنگین، فلزی و رادیواکتیو است و به رغم تصور عام، فراوانی آن در طبیعت حتی از عناصری از قبیل جیوه، طلا و نقره نیز بیشتر است. عنصر اورانیوم در طبیعت دارای ایزوتوپهای مختلف از جمله دو ایزوتوپ مهم و پایدار اورانیوم ۲۳۵ و اورانیوم ۲۳۸ است.

اورانیوم ۲۳۵ مهمترین ماده مورد نیاز راکتورهای هسته‌ای (برای شکافته شدن و تولید انرژی) است اما مشکل کار اینجاست که اورانیوم استخراج شده از معدن ترکیبی از ایزوتوپهای ‪ ۲۳۸و ‪ ۲۳۵بوده که در این میان سهم ایزوتوپ ‪ ۲۳۵بسیار اندک(حدود ‪ ۰٫۷درصد) است و به همین علت باید برای تهیه سوخت راکتورهای هسته‌ای به روشهای مختلف درصد اوانیوم ‪ ۲۳۵را در مقایسه با اورانیوم ‪ ۲۳۸بالا برده و بسته به نوع راکتور هسته‌ای به ۲ تا ۵٪ رساند و به اصطلاح اورانیوم را غنی‌سازی کرد.

فراوری کیک زرد و تولید هگزافلورید اورانیوم و آغاز غنی‌سازی (مرحله تبدیل و غنی‌سازی ) کیک زرد در این مرحله هنوز دارای ناخالصی‌هایی است که توسط روشهای مختلف این ناخالصی‌ها کاسته شده‌است. ‪استخراج اوانیوم از معدن و تهیه کیک زرد(مرحله فراوری سنگ معدن اورانیوم) عنصر اورانیوم در طبیعت به صورت ترکیبات شیمیایی مختلف از جمله اکسید اورانیوم، سیلیکات اورانیوم و یا فسفات اورانیوم و به صورت مخلوط با ترکیباتی از عناصر دیگر یافت می‌شود.در میان کشورهای مختلف جهان، استرالیا دارای بزرگترین معادن اورانیوم است و کشورهای قزاقستان، کانادا، آفریقای جنوبی، نامیبیا، برزیل و روسیه نیز از معادن بزرگی برخوردارند.

مواد معدنی حاوی اورانیوم با استفاده از روشهای معدن‌کاوی زیرزمینی و یا روزمینی استخراج شده و سپس طی فرایندهای مکانیکی و شیمیایی موسوم به “آسیاب کردن” و “کوبیدن” از دیگر عناصر جدا می‌شوند. اورانیوم پس از استخراج تفکیک، کوبیده، خرد و به شکل پودر درآمده و سپس برای تولید ماده موسوم به “کیک زرد” استفاده قرار می‌گیرد. کیک زرد در واقع محصول فراوری سنگ معدن ارونیوم است و به ترکیباتی از اورانیوم گفته می‌شود که ناخالصی‌های معدنی آن به میزان زیادی گرفته شده و است.
حدود نیم کیلوگرم اورانیوم غنی شدهٔ به کار رفته در یک بمب هسته‌ای، برابر با چندین میلیون گالن بنزین است.

روشهای غنی سازی

روش انتشار (پخش) حرارتی
روش انتشار (پخش) گازها
روش الکترومغناطیسی
روش مرکزگریز گازی
روش مرکزگریز گازی زیپه
روش‌های لیزری
روش شیمیایی
روش پلاسمایی

غنی سازی به شیوۀ مرکز گریز گازی یا سانتریفیوژ

مرکزگریز گازی، یا سانتریفوژ گازی، دستگاهی است که برای غنی‌سازی اورانیوم بکار می‌رود.

این دستگاه از چندین استوانه درست شده که به سرعت (در حدود ۱۰۰۰ دور در ثانیه) حول محور خود می‌گردند و در آن‌ها گاز UF6 قراردارد. ملکول‌هائی که دارای 238U هستند در اثر نیروی مرکز گریز بیشتری که به آن‌ها وارد می‌شود به طرف جدار استوانه می‌روند و ملکول‌هایی که دارای 235U هستند در ناحیه میانی استوانه قرار می‌گیرند. با جداکردن گازهای ناحیه میانی و تکرار این کار در استوانه دیگر، UF6 با درصد بالاتری از ایزوتوپ 235U بدست می‌آید.
کار غنی سازی در چند مرحله و با چند مجموعه از مرکزگریزها انجام می‌شود. هریک از این مجموعه‌ها را یک «آبشار» (cascade) می‌گویند.

بریتانیا و آلمان و فرانسه و چین تأسیسات بزرگ مرکزگریز گازی دارند و در آن‌ها اورانیوم غنی شده برای مصارف نظامی و غیرنظامی و صادرات تولید می‌کنند. ژاپن از این روش برای تامین سوخت هسته‌ای داخلی خود استفاده می‌کند. تأسیسات بزرگی نیز در آمریکا در دست ساخت است. ظاهراً پاکستان با این روش اورانیوم لازم برای بمب اتمی خود را تولید کرد. مرکز گریزهای پاکستان به دو صورت پ۱ و پ۲ ساخته شده است. در نمونه پ۱ محور مرکزگریز آلومینیومی است. در نمونه پ۲ محور مرکزگریز فولادی است که سرعت دوران بیشتری را ممکن می‌کند و غنی‌سازی بیشتری انجام می‌دهد.

غنی سازی به با بهره گیری از میدان مغناطیسی

یکی از روشهای دیگر 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 را به میدان مغناطیسی بسیار قوی هدایت می‌کنند. میدان مغناطیسی بر هسته‌های باردار اورانیم نیرو وارد می‌کند ( این نیرو به نیروی کوفتی معروف می‌باشد) و اتمهای اورانیوم را از مسیر مستقیم خود منحرف می‌کند. اما هسته‌های سنگین اورانیوم ۲۳۸ نسبت به هسته‌های سبکتر (اورانیوم ۲۳۵) انحراف کمتری دارند و درنتیجه از این طریق می‌توان اورانیوم ۲۳۵ را از اورانیوم طبیعی تفکیک کرد.