اورانیوم چیست: ویژگی‌ها و کاربردها

در مقاله پیشِ رو توضیح می‌دهیم که اورانیوم چیست و چه خواصی دارد. همچنین با کاربردهای اورانیوم بویژه در صنعت هسته ای آشنا می‌شویم و درباره ایزوتوپ‌های اورانیوم بحث می‌کنیم.

اورانیوم چیست؟

اورانیوم عنصری شیمیایی با عدد اتمی ۹۲ و از فلزات است. نماد شیمیایی اورانیوم U است. اورانیوم سه ایزوتوپ طبیعی مهم و چند ایزوتوپ مصنوعی دارد که همه آن‌ها ناپایدار و درنتیجه پرتوزا (رادیواکتیو) هستند، هرچند پرتوزایی آن‌ها ضعیف است. دو ایزوتوپ‌ پرکاربردتر اورانیوم در فناوری هسته‌ای، یکی ²³⁵U و دیگری ²³⁸U، در اثر واپاشی، انرژی هسته‌ای چشمگیری آزاد می‌کنند. لذا در حال حاضر، کاربرد اصلی اورانیوم تبدیل آن به سوختِ نیروگاه‌های برق هسته‌ای است.

---

خواص اورانیوم چیست؟

رنگ اورانیوم نقره‌ای‌ مایل به سفید است. اورانیوم در جدول تناوبی عناصر در زمره اکتینیدها (actinides)¹ دسته‌بندی می‌شود. همه ایزوتوپ‌های اورانیوم ناپایدار هستند و لذا اورانیوم عنصری پرتوزا یا رادیواکتیو است اما پرتوزایی ضعیفی دارد زیرا نیمه عمر ایزوتوپ‌های اورانیوم بسیار طولانی و بین ۱۵۹,۲۰۰ تا ۴.۵ میلیارد سال است. ضمنا بین تمام عناصر جدول تناوبی، بیشترین وزن اتمی متعلق به اورانیوم است. چگالی اورانیوم تقریبا ۷۰ درصد بیشتر از سرب و فقط اندکی کمتر از طلا یا تنگستن است. معمولا در سنگ‌‌ها، خاک، آب، گیاهان و حتی در بدن انسان و دیگر جانداران مقادیر بسیار کمی اورانیوم وجود دارد. در آب دریا نیز اورانیوم یافت می‌شود و می‌توان آن‌را از آب اقیانوس‌ها استخراج کرد. بیشترین تراکم اورانیوم در موادی مثل اورانینیت (Uraninite) است که از فراوان‌ترین سنگ‌های معدنی اورانیوم است. ضمنا گاهی از معادن سنگ و دیگر مواد معدنی هم اورانیوم کشف می‌شود.

نیمه عمر: زمانی است که طی آن، میزان پرتوزاییِ رادیوایزوتوپ به نصف کاهش می‌یابد.

ایزوتوپ‌های طبیعی اورانیوم

• U-۲۳۸: اورانیوم-۲۳۸ در زمره ایزوتوپ‌های بارور (fertile isotope) است.
• U-۲۳۵: اورانیوم-۲۳۵ در زمره ایزوتوپ‌های شکافت‌پذیر با نوترونِ گرمایی (fissile isotope) است.
• U-۲۳۴: اوارانیوم-۲۳۴ در زمره ایزوتوپ‌های بارور (fertile) است.

از بین سه ایزوتوپ طبیعی اورانیوم، فقط اورانیوم-۲۳۵ شکافت‌پذیر است و در اثر شکافت هسته‌ای انرژی تولید می‌کند. اما تنها ۰.۷ درصد اورانیومی که از پوسته زمین استخراج می‌شود، ایزوتوپ اورانیوم-۲۳۵ است. لذا اکثر نیروگاه‌های هسته‌ای دنیا جهت تولید بهینه انرژی هسته‌ای، به غنی‌سازی اورانیوم روی می‌آورند. با غنی‌سازی اورانیوم در واقع، درصد اورانیوم-۲۳۵ نسبت به اورانیوم موجود را افزایش می‌دهیم.

---

مطالعه بیشتر: تفاوت اورانیوم ۲۳۵ و اورانیوم ۲۳۸ چیست؟

---

ایزوتوپ‌های مصنوعی اورانیوم

• U-۲۳۳: اورانیوم-۲۳۳ در زمره ایزوتوپ‌های شکافت‌پذیرِ نوترونِ گرمایی است.
• U-۲۳۶: اورانیوم-۲۳۶ نه شکافت‌پذیرِ نوترونِ گرمایی و نه بارور است، بلکه چنانچه نوترون سریع جذب کند، ایزوتوپی شکافت‌پذیر (fissionable) است.
• U-۲۳۲: اورانیوم-۲۳۲ در زمره ایزوتوپ‌های بارور است.

جدول خواص شیمیایی و فیزیکی اورانیوم

عنصر	اورانیوم
عدد اتمی	92
نماد	U
دسته	فلزات کمیاب زمین
حالت ماده در دما و فشار استاندارد (STP)	جامد
جرم اتمی (بر حسب واحد جرم اتمی یا amu)	238.0289
چگالی اورانیوم در دما و فشار استاندارد (گرم بر سانتی‌مترمکعب)	19.05
آرایش الکترونی	[Rn] 5f3 6d1 7s2
حالت‌های ممکن اکسید شدن	–
الکترونگاتیوی (مقیاس پاوئلینگ)	1.38
اولین انرژی یونشی (الکترون‌ولت)	6.1941
تاریخ کشف	۱۷۸۹ میلادی
کاشف	مارتین هاینریش کلاپورث
ویژگی‌های گرمایی اورانیوم
دمای ذوب (سانتی‌گراد)	1132
دمای جوش (سانتی‌گراد)	3818
رسانایی گرمایی (وات بر متر کلوین یا W/m K)	27
گرمای خاص (ژول بر کلوین بر گرم یا J/g K)	0.12
گرمای گداخت یا هم‌جوشی (کیلوژول بر مول)	8.52
گرمای تبخیر (کیلوژول بر مول)	477

اورانیوم در طبیعت

نیمه عمر هر سه ایزوتوپ طبیعی اورانیوم، بسیار طولانی و لذا پرتوزایی یا رادیواکتیویته‌ی آن‌ها ضعیف است. ایزوتوپ‌های طبیعی اورانیوم پرتوزایی آلفا دارند، یعنی هنگام واپاشی، ذره آلفا منتشر می‌کنند، اما به ندرت دچار شکافت خودجوش هم می‌شوند.

جرم اتمی اورانیوم

جرم اتمی اورانیوم ۲۳۸.۰۲۸۹ واحد است. توجه داشته باشیم که هر عنصر ممکن است چند ایزوتوپ داشته باشد. بنابراین، جرم اتمی مذکور متعلق به ایزوتوپ‌های رایج و طبیعیِ اورانیوم است.

به واحد اندازه‌گیری جرم، «واحد جرم اتمی» یا amu (مخفف atomic mass unit) می‌گوییم. هر واحد جرم اتمی ۱.۶۶×۱۰^-24 گرم است. هر واحد جرم اتمی یکپارچه تقریبا معادلِ جرمِ یک پروتون یا یک نوترون (اصطلاحا نوکلئون) یعنی ۱ گرم‌/مول است.

چگالی اورانیوم

چگالی اورانیوم ۱۹.۰۵ گرم بر متر مکعب است.

به نسبت جرم به حجم، چگالی می‌گوییم. چگالی خاصیتی مستقل از جرم (intensive) است و از نظر ریاضی از تقسیم جرم بر حجم به دست می‌آید.

منظور از میل الکترونی و الکترونگاتیوی اورانیوم چیست؟

اورانیوم میل الکترونی ندارد. الکترونگاتیوی اورانیوم ۱.۳۸ است.

در شیمی و فیزیکی اتمی، میل الکترونی یک اتم یا مولکول چنین تعریف می‌شود:

تغییرات انرژی یک اتم یا مولکول خنثی (بر حسب کیلوژول بر مول) در فاز گازی وقتی که یک الکترون به اتم اضافه می‌شود تا یک یون منفی تشکیل دهد.

X + e^– -> X^– + energy

میل الکترونی: -ΔH

به عبارت دیگر، می‌توان گفت که میل اتم خنثی به جذب الکترون را میل الکترونی می‌گویند. انرژی‌ یونشی، میل یک اتم خنثی به مقاومت در برابر از دست دادن الکترون را نشان می‌دهد. سنجش میل الکترونی سخت‌تر از سنجش انرژی‌های یونشی است.

برای مثال، وقتی اتم اورانیوم در حالت گاز یک الکترون جذب می‌کند تا به یون اورانیوم تبدیل شود، انرژی از دست می‌دهد، یعنی:

U + e^– -> U^–

-ΔH = Affinity = – Kj/mol

الکترونگاتیوی اورانیوم چنین است:

χ= 1.38

بطور کلی، الکترونگاتیوی یک عنصر تحت تاثیر دو عامل است: عدد اتمی و فاصله‌ای که الکترون‌های والانس از هسته باردار دارند. هرچه عدد الکترونگاتیوی بیشتر باشد، یک عنصر یا ترکیب بیشتر الکترون جذب آن می‌شود.

فلوئور، الکترونگاتیوترین عنصر است و عدد الکترونگاتیوی آن ۴.۰ است.

---

کاربرد اورانیوم چیست؟

در حال حاضر، مهم‌ترین کاربرد ایزوتوپِ اورانیوم-۲۳۵ در نیروگاه‌های سوخت هسته‌ای و پیشرانه‌های هسته‌ایِ کشتی‌ها و شناورهای بزرگ دریایی است. نیروگاه‌های اتمی از طریق شکافت هسته‌ای و تولید گرمای شدید، آب را به بخار داغ تبدیل می‌کنند و آن را با فشار به پره‌های توربین می‌دمانند. پره‌های توربین می‌چرخد و مولد یا همان ژنراتوری را که به توربین وصل است به چرخش وامی‌دارد. مولد، انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل و در واقع برق تولید می‌کند. ایزوتوپ اورانیوم-۲۳۵ (یا ²³⁵U) گاهی در ظروف و تزیینات شیشه‌ای تابنده (فلورسنت) هم به‌کار می‌رود اما چنین کاربردهایی حتی برای کالاهای تزئینی توصیه نمی‌شود زیرا ایزوتوپ‌های اورانیوم در هر حال رادیواکتیو هستند.

متاسفانه از اورانیوم برای تولید سلاح‌های هسته‌ای نیز استفاده می‌شود. اما طبق فتوای آیت‌الله سیدعلی خامنه‌ای، رهبر معظم جمهوری اسلامی ایران، استفاده و حتی نگهداری سلاح‌ هسته‌ای شرعاً حرام است. لذا با این‌که جمهوری اسلامی ایران از سال‌ها پیش به فناوری غنی‌سازی اورانیوم و چرخه کامل سوخت هسته‌ای دست پیدا کرده اما هرگز در صدد ساخت سلاح هسته‌ای برنیامده است.

استخراج اورانیوم: از سنگ معدن تا سوخت راکتور

اورانیوم را می‌توان به روش شست‌وشو در محل اکتشاف یا ISL (مخفف situ leaching) استخراج کرد که طی آن سنگ معدن اورانیوم از یک جسم معدنی زیرزمینی متخلخل در همان محل اکتشاف گذرانده و حل و به سطح زمین پمپاژ می‌شود.

حاصل آن، اوکتااکسید تری‌اورانیوم (U₃O₈) معروف به کیک زرد است. اورانیوم بدین شکل فروخته می‌شود. اکسید اورانیوم قبل از استفاده در راکتور جهت تولید برق، باید مجموعه فرآیندهای دیگری را سپری کند تا به سوخت هسته‌ای تبدیل شود.

در بیشتر راکتورهای دنیا گام بعدیِ تولید سوخت هسته‌ای، تبدیل اکسید اورانیوم به گاز هگزافلورید اورانیوم (UF₆) است که قابلیت غنی‌شدن دارد. غنی‌سازی، مقدار ایزوتوپ U-۲۳۵ را که در حالت عادی ۰.۷ درصد است به ۴ الی ۵ درصد افزایش می‌دهد.

گاز هگزافلورید اورانیوم (UF₆) بعد از غنی‌سازی به دی‌اکسید اورانیوم (UO₂) تبدیل می‌شود که به شکل قرص است. این قرص‌های سوختی درون لوله‌های فلزی باریکی موسوم به میله‌های سوخت جای می‌گیرند که بصورت دسته‌ای در قلب راکتور انتقال می‌یابند. در راکتورهای هسته‌ای بزرگ معمولا حدود ۵۱۰۰۰ میله سوختی حاوی بیش از ۱۸ میلیون قرص وجود دارد.

در راکتورهایی که اورانیوم طبیعی می‌سوزانند ( و نتیجتا از گرافیت یا آب سنگین بعنوان تعدیل‌گر استفاده می‌کنند) اکسید اورانیوم (U₃O₈) باید پالایش و مستقیما به دی‌اکسید اورانیوم تبدیل شود.

---

پس از مصرف سوخت اورانیومی در راکتور به مدت تقریبا ۳ سال، سوخت مصرف شده ذخیره و سپس بازپردازش یا در زیرزمین دپو می‌شود.

ایزوتوپ U-۲۳۵ مورداستفاده در سلاح‌های هسته‌ای، بیش از ۹۰ درصد غنی‌سازی می‌شود. ایزوتوپ Pu-۲۳۹ مورداستفاده در سلاح‌های هسته‌ای نیز بیش از ۹۰ درصد غنی‌سازی و البته در راکتورهای خاصی ساخته می‌شود.

چه کشورهایی اورانیوم استخراج می‌کنند؟

اورانیوم در بسیاری از سنگ‌ها و حتی در آب دریا وجود دارد. اما تراکم آن همیشه به‌اندازه‌ای نیست که استخراجش صرفه اقتصادی داشته باشد. لذا ذخایر اورانیوم کشورها بر حسب تناژِ قابل استخراج به قیمت معین محاسبه می‌شود.

جدول منابع اورانیوم کشورها (آمار سال ۲۰۱۹ میلادی)

نام کشور	ذخایر بر حسب تن	سهم جهانی
استرالیا	1,692,700	۲۸ درصد
قزاقستان	906,800	۱۵ درصد
کانادا	564,900	۹ درصد
روسیه	486,000	۸ درضد
نامیبیا	448,300	۷ درصد
آفریقای جنوبی	320,900	۵ درصد
برزیل	276,800	۵ درصد
نیجر	276,400	۴ درصد
چین	248,900	۴ درصد
مغولستان	143,500	۲ درصد
ازبکستان	132,300	۲ درصد
اوکراین	108,700	۲ درصد
بوتسوانا	87,200	۱ درصد
تانزانیا	58,200	۱ درصد
اردن	52,500	۱ درصد
آمریکا	47,900	۱ درصد
سایر کشورها	295,800	۵ درصد
در مجموع	6,147,800

در سال ۲۰۲۱ میلادی قزاقستان با ۲۱.۸۱۹ تن در صدر بزرگترین استخراج‌کنندگان اورانیوم در جهان بود.

کوتاه درباره اورانیوم

• اورانیوم فلز سنگینی است که امروزه برای تولید انرژی هسته‌ای و برق از آن استفاده می‌شود. انرژی هسته‌ای نیز خود، کاربردهای متعددی دارد.
• فراوانی اورانیوم در اکثر سنگ‌ها در هر یک‌میلیون واحد، ۲ الی ۴ واحد است و فراوانی آن در پوسته زمین ‌هم‌اندازه عناصری مثل جیوه، تنگستن و مولیبدیوم است. اورانیوم در آب دریاها و اقیانوس‌ها نیز وجود دارد.
• اورانیوم چون عنصر متراکمی است، در مازه یا ستون فقرات قایق‌ها، در وزنه‌ی متعادلِ (counterweight) سطوح کنترلی هواپیماها و نیز به عنوان سپر تابشی به کار رود.
• نقطه ذوب اورانیوم ۱۱۳۲ درجه سانتی‌گراد است.
• اورانیوم ۲۳۵ و به‌ویژه اورانیوم ۲۳۸ در زمره مهم‌ترین ایزوتوپ‌های گرمازا در گوشته زمین هستند که در اثر واپاشی هسته‌ای و آزاد کردن انرژی، لایه‌های درون زمین را گرم می‌کنند.

---

---

ویژگی‌های اتم اورانیوم چیست؟

بیشتر جرم اتم‌ها متعلق به هسته آن‌هاست. اورانیوم از سنگین‌ترین عناصر موجود در طبیعت است (هیدروژن سبک‌ترین آن‌هاست.) چگالی اورانیوم ۱۸.۷ برابر چگالی آب است.

اورانیوم نیز مانند بسیاری دیگر از عناصر شیمیایی، ایزوتوپ‌های مختلفی دارد. اورانیوم طبیعی در پوسته زمین عمدتا ترکیبی از دو ایزوتوپ U-۲۳۸ و U-۲۳۵ است که فراوانی آن‌ها به‌ترتیب ۹۹.۳ درصد و ۰.۷ درصد است.

ایزوتوپ U-۲۳۵، ایزوتوپ مهمی است زیرا تحت شرایط خاص شکافته می‌شود و انرژی زیادی آزاد می‌کند. به چنین ایزوتوپ‌هایی شکافت‌پذیر با نوترونی گرمایی (fission) می‌گوییم که به قابلیت شکافت هسته‌ای آن اشاره دارد.

در عین حال، ایزوتوپ‌های اورانیوم نیز مثل تمام دیگر ایزوتوپ‌های پرتوزا وامی‌پاشند. ایزوتوپ U-۲۳۸ واپاشی بسیار کندی دارد و نیمه عمر آن تقریبا هم‌اندازه زمین یعنی ۴.۵ میلیارد سال است. به همین سبب، ایزوتوپ اورانیوم-۲۳۸ پرتوزایی بسیار اندکی دارد. اما همین ایزوتوپ می‌تواند ضمن واپاشی خود، ۰.۱ وات بر تُن انرژی (گرما) آزاد کند که برای گرم کردن هسته زمین کافی است. واپاشی ایزوتوپ اورانیوم-۲۳۵ کمی سریع‌تر است.

انرژی حاصل از شکافت هسته اتم اورانیوم

هسته اتم U-۲۳۵ حاوی ۹۲ پروتون و ۱۴۳ نوترون است که حاصل جمع آن‌ها ۲۳۵ یعنی همان عدد جرمی ایزوتوپ U-۲۳۵ است. وقتی هسته اتم U-۲۳۵ یک نوترون متحرک جذب می‌کند در اثر شکافت هسته‌ای، دو نیم می‌شود و مقداری انرژی بشکل گرما و همچنین ۲ یا ۳ نوترون آزاد می‌کند. اگر تعداد نوترون‌های آزادشده کافی باشد، نوترون‌ها هسته‌های سایر اتم‌های U-۲۳۵ را هم می‌شکافند و نتیجتا نوترون‌های بیشتری آزاد می‌شود و همین روند ادامه می‌یابد. به چنین فرآیندی واکنش زنجیره‌ای شکافت می‌گوییم. با تکرار میلیون‌ها باره‌ی واکنش زنجیره‌ای، می‌توان از مقدار کمی اورانیوم گرمای عظیمی تولید کرد.

در این فرآیند، اثر «سوزاندن اورانیوم» در راکتورهای هسته‌ای واقع می‌شود. گرمای حاصل از آن برای تولید بخار و سپس چرخاندن توربین و تولید برق به کار می‌رود.

درون راکتور

نیروگاه‌های برق هسته‌ای و نیروگاه‌های سوخت فسیلی هر دو در اصل بخار تولید می‌کنند تا با دمیدن بخار به پره‌های توربین و چرخاندن آن، از ژنراتور متصل به توربین، برق بگیرند. اما در نیروگاه‌های برق هسته‌ای، اتم‌های اورانیوم را می‌شکافند نه اینکه زغال سنگ یا گاز بسوزانند. در راکتور هسته‌ای، سوخت اورانیومی و واکنش زنجیره‌ای شکافت، کنترل‌شده اتفاق می‌افتد. گرمای حاصل از شکافت اتم‌ اورانیوم235 سپس برای داغ کردن آب، تولید بخار و چرخاندن توربین به کار می‌رود.

واکنش زنجیره‌ای در قلب راکتور اتفاق می‌افتد و بوسیله میله‌هایی که نوترون‌ها را جذب می‌کنند، اتفاق می‌افتد. میله‌ها را می‌توان بسته به میزان برقی که می‌خواهیم، وارد قلب راکتور یا از آن خارج کرد.

عناصر سوختی با ماده‌ای موسوم به تعدیل‌گر (moderator) پوشیده می‌شوند تا سرعت انتشار نوترون کند شود و نتیجتاً واکنش زنجیره‌ای بتواند ادامه پیدا کند. آب، گرافیت و آب سنگین از جمله تعدیل‌گرهایی هستند که در گونه‌های مختلف راکتورهای به کار می‌روند.

سوخت U-۲۳۵ طوری است که اگر اشتباه بزرگی در راکتور رخ دهد، سوخت راکتور ممکن است بیش از حد داغ و سپس ذوب شود اما منفجر نمی‌شود. یک راکتور معمولی ۱۰۰۰ مگاواتی می‌تواند برق یک شهر پیشرفته با حدود یک میلیون سکنه را تامین کند.

تفاوت پلوتونیوم با اورانیوم چیست؟

هسته U-۲۳۵ شکافت‌پذیر است اما هسته U-۲۳۸ اصطلاحا بارور (fertile) است یعنی می‌تواند یکی از نوترون‌های شناور در قلب راکتور را جذب کند و بطور (غیرمستقیم) به پلوتونیوم ۲۳۹ (یا Pu-۲۳۹) تبدیل شود که شکافت‌پذیر است. ایزوتوپ Pu-۲۳۹ خیلی شبیه U-۲۳۵ است زیرا وقتی با یک نوترون برخورد می‌کند دچار شکافت هسته‌ای می‌شود و مقدار انرژی مشابهی آزاد می‌کند.

چون بیشتر اورانیوم (سوخت) موجود در قلب راکتور ایزوتوپ U-۲۳۸ است، این واکنش‌ها مکرر رخ می‌دهند و در واقع حدود یک‌سوم انرژی حاصل از سوخت هسته‌ای، حاصل سوختن Pu-۲۳۹ است.

اما گاهی اتم Pu-۲۳۹ یک نوترون جذب می‌کند اما شکافته نمی‌شود بلکه به ایزوتوپ Pu-۲۴۰ تبدیل می‌شود. چون U-۲۳۹ تدریجا می‌سوزد یا به Pu-۲۴۰ تبدیل می‌شود، هرچه سوخت مدت طولانی‌تری در راکتور بماند، Pu-۲۴۰ بیشتری درونش تولید می‌شود. (وقتی سوخت مصرفی شده پس از حدود ۳ سال از قلب راکتور خارج شد، پلوتنیوم موجود در آن برای ساخت سلاح هسته‌ای مناسب نیست اما می‌تواند بازیافت شود و مجددا بعنوان سوخت به کار رود.)

---

پیشنهاد برای مطالعه بیشتر: پلوتونیوم چیست و چه کاربردی دارد؟

---

پی‌نوشت:

1. اکتینیدها (actinides) پانزده عنصر فلزیِ متوالی در جدول تناوبی هستند که از عنصر اکتینیوم با عدد اتمی ۸۹ شروع و به عنصر لارنسیوم با عدد اتمی ۱۰۳ ختم می‌شود. خواص این عناصر بسیار شبیه اکتینیوم است و به همین سبب آن‌ها را «اکتینیدها» یعنی عناصر شبه‌اکتینید می‌نامند.

---

عنوان مطلب: اورانیوم چیست: ویژگی‌ها و کاربردها

موضوع مقاله: اورانیوم چیست؟ ویژگی‌های اورانیوم چیست؟ کاربرد اورانیوم چیست؟