تفاوت اورانیوم ۲۳۵ و اورانیوم ۲۳۸ چیست؟
تفاوت اورانیوم ۲۳۵ و اورانیوم ۲۳۸ در اصل در تعداد نوترونهایشان است. اورانیوم ۲۳۵ و اورانیوم ۲۳۸ ایزوتوپهای عنصر اورانیوم هستند، یعنی هر دو آنها اتم اورانیوم هستند اما تعداد نوترونهایشان متفاوت است. اتمهای هر عنصر از جمله اورانیوم در هسته خود طبیعتا تعداد پروتونهای یکسانی دارند اما ممکن است تعداد نوترونهایشان متفاوت باشد که در اینصورت آنها را ایزوتوپ مینامیم. همین تفاوت ظاهرا جزئی سبب میشود ایزوتوپها خواص فیزیکی متفاوت داشته باشند. برای مثال اورانیوم ۲۳۵ شکافتنی است و لذا در راکتورها برای تولید انرژی هستهای بهکار میرود. اما اورانیوم ۲۳۸ چندان شکافتنی نیست و نمیتواند سوخت هستهای راکتور باشد.
تفاوت ایزوتوپهای اورانیوم
اورانیوم سه ایزوتوپ طبیعی دارد که اورانیوم ۲۳۴، اورانیوم ۲۳۵ و اورانیوم ۲۳۸ نام دارند. عددهای مذکور در واقع عدد جرمی هر اتم یعنی مجموع تعداد پروتونها و نوترونهای آن را نشان میدهند. یعنی:
- اتم اورانیوم ۲۳۴ در هسته خود ۹۲ پروتون و ۱۴۲ نوترون دارد که مجموعشان میشود ۲۳۴
- اتم اورانیوم ۲۳۵ در هسته خود ۹۲ پروتون و ۱۴۳ نوترون دارد که مجموعشان میشود ۲۳۵
- اتم اورانیوم ۲۳۸ در هسته خود ۹۲ پروتون و ۱۴۶ نوترون دارد که مجموعشان میشود ۲۳۸
فراوانترین ایزوتوپ، اورانیوم ۲۳۸ است. جهت اطلاع، اضافه میکنیم که در متون انگلیسی ایزوتوپهای اورانیوم را بهشکل زیر نیز می نویسند:
- U-234 یا ۲۳۴U
- U-235 یا ۲۳۵U
- U-238 یا ۲۳۸U
تفاوت اورانیوم ۲۳۵ و اورانیوم ۲۳۸
اورانیوم ۲۳۵ و اورانیوم ۲۳۸ خواص شیمیایی یکسان اما خواص فیزیکی متفاوتی دارند. تفاوتهای اورانیوم ۲۳۵ و اورانیوم ۲۳۸ را میتوان از چند جنبه چنین برشمرد:
قابلیت شکافت
مهمترین فرق اورانیوم ۲۳۵ و ۲۳۸ در قابلیت شکافت هستهای آنهاست که از تفاوت تعداد نوترونهایشان نشأت میگیرد. اورانیوم ۲۳۵ شکافتنی (fissile) است یعنی حتی با جذب نوترونهای کمانرژی (اصطلاحا نوترون گرمایی) نیز بهراحتی تقسیم میشود و انرژی هستهای آزاد میکند. اما اورانیوم ۲۳۸ با جذب نوترونهای کمانرژی از هم نمیشکافد و تنها در اثر برخورد نوترونهای پرسرعت تقسیم میشود. البته اورانیوم ۲۳۸ حتی پس از شکافت نیز نمیتواند واکنش زنجیرهای را تداوم دهد زیرا نوترونهایی که در اثر شکافت آزاد میشوند، کمانرژی هستند و حرکتشان آهسته است و نتیجتا در اثر برخورد با سایر اتمهای اورانیوم ۲۳۸ نمیتوانند آنها را تقسیم کنند و واکنش زنجیرهای را ادامه دهند. لذا اورانیوم ۲۳۸ باید به ایزوتوپ پلوتونیوم ۲۳۹ تبدیل شود، زیرا پلوتونیوم-۲۳۹ نیز مانند اورانیوم-۲۳۵ شکافتنی است. در واقع، اورانیوم-۲۳۸ شکافتنی نیست بلکه شکافتپذیر (fissionable) است.
واکنش هستهای
وقتی اورانیوم ۲۳۵ یک نوترون جذب میکند، معمولا به دو هسته کوچکتر تقسیم میشود و همزمان از هسته خود مقداری انرژی و چند نوترون آزاد میکند. بدینسان واکنش زنجیرهای تداوم مییابد، زیرا نوترونهایی که آزاد میشوند به اتمهای دیگر برخورد میکنند و آنها را میشکافند و از هسته آنها نیز نوترونهای دیگری آزاد میشود و همین روند ادامه مییابد. اما وقتی اورانیوم ۲۳۸ نوترون جذب میکند، فورا تقسیم نمیشود بلکه پس از چند مرحله واپاشی پرتوزا (رادیواکتیو)، نهایتا به پلوتونیوم ۲۳۹ تبدیل و آنگاه شکافتنی میشود.
فراوانی طبیعی
اورانیوم ۲۳۵ در طبیعت فراوانی بسیار کمتری دارد. تنها ۰.۷ درصد اتمهای اورانیوم موجود در طبیعت از نوع اورانیوم ۲۳۵ هستند. در مقابل، حدود ۹۹.۳ درصد اورانیوم طبیعی جهان ایزوتوپ اورانیوم ۲۳۸ است. مقدار بسیار کمی نزدیک به صفر نیز اورانیوم ۲۳۴ است.
غنیسازی
اورانیوم ۲۳۵ چون ایزوتوپ شکافتنی است یعنی بهراحتی تقسیم میشود، در صنعت هستهای اهمیت زیادی دارد. در واقع، هرچه درصد اورانیوم ۲۳۵ بیشتر باشد، انرژی بیشتری تولید میکند. غنیسازی اورانیوم ناظر به همین کار است. در غنیسازی اورانیوم، درصد اورانیوم ۲۳۵ به کل یک محموله اورانیوم را افزایش میدهیم. مثلا منظور از اورانیوم ۶۰ درصد، اورانیومی است که ۶۰ درصد اتمهای موجود در آن ایزوتوپ اورانیوم ۲۳۵ باشند درحالیکه در طبیعت تنها ۰.۷ درصد اتمهای موجود در هر نمونه، اورانیوم ۲۳۵ است.
کاربردها
اورانیوم ۲۳۵ سوخت واکنشگاهها یا اصطلاحا راکتورهای هستهای است. معمولا اورانیوم ۲۳۸ را نمیتوان مستقیما در راکتورها بهکار برد بلکه ابتدا آنرا به پلوتونیوم ۲۳۹ تبدیل میکنند و سپس در بعضی از انواع خاص راکتور بهکار میبرند. معمولا پلوتونیوم ۲۳۹ را بهعنوان بخشی از سوخت اکسید ترکیبی (MOX) بهکار میبرند که ترکیبی از پلوتونیوم و اورانیوم است.
جمعبندی: تفاوت اورانیوم ۲۳۵ و اورانیوم ۲۳۸
مهمترین فرق اورانیوم ۲۳۵ و ۲۳۸ در خواص هستهای آنها و بویژه قابلیتشان در حفظ واکنش زنجیرهای هستهای است. اورانیوم ۲۳۵ شکافتنی است یعنی در اثر برخورد آهسته نوترونها از هم میشکافد و انرژی و نوترون آزاد میکند. لذا برای استفاده در راکتورهای برق هستهای مناسب است. اما اورانیوم ۲۳۸ شکافتنی نیست بلکه شکافتپذیر است و در صورت برخورد آهسته نوترونها از هم نمیشکافد. اورانیوم ۲۳۸ را میتوان به پلوتونیوم-۲۳۹ تبدیل کرد که ایزوتوپی شکافتنی است و میتواند برای تولید انرژی هستهای بهکار رود.
