غنیسازی اورانیوم چیست و چگونه انجام میشود؟
مقاله پیشِ رو توضیح میدهد که غنیسازی اورانیوم چیست و چگونه انجام میشود. به افزایش درصد اتمهای شکافتنی اورانیوم نسبت به اتمهای ناشکافتنی، غنیسازی اورانیوم میگوییم.
برای مثال، منظور از غنیسازی ۵ درصدی یعنی ۵ درصد از کل اتمهای اورانیوم موجود باید اتم شکافتنی اورانیوم-۲۳۵ باشد. وقتی اورانیوم طبیعی از زمین استخراج میشود، فقط حدود ۰.۷ درصد از آن حاوی اورانیوم شکافتنی است که میتواند انرژی تولید کند. اما با استفاده از غنیسازی میتوانیم درصد اورانیوم شکافتنی را افزایش دهیم تا از همان مقدار سوخت انرژی بیشتری تولید کنیم. (مطالعه بیشتر: اورانیوم چیست؟)
توضیح عکس: ردیفی از دستگاههای گریز از مرکز، اصطلاحا گریزانه (سانتریفیوژ)، برای غنیسازی اورانیوم
غنیسازی اورانیوم چیست؟
غنیسازی اورانیوم مرحلهای مهم در چرخه سوخت هستهای است. برای غنیسازی اورانیوم باید اتمهای شکافتنی اورانیوم-۲۳۵ را از اتمهای شکافتناپذیر اورانیوم-۲۳۸ جدا کنیم. اما اساساً چرا غنیسازی میکنیم؟ اصلا منظور از اورانیوم-۲۳۵ و اورانیوم-۲۳۸ چیست و چرا باید آنها را از هم جدا کنیم؟ در ادامه، چنین سؤالاتی را پاسخ میدهیم.
علت غنیسازی اورانیوم چیست یا چرا غنیسازی انجام میدهیم؟
اهمیت و علت غنیسازی اورانیوم را میتوان چنین خلاصه کرد:
- اتمهای اورانیوم سه نوع هستند. به عبارت دیگر، اورانیوم سه ایزوتوپ طبیعی دارد: اورانیوم-۲۳۴، اورانیوم-۲۳۵ و اورانیوم-۲۳۸. اما فقط اورانیوم-۲۳۵ شکافتنی است و میتواند انرژی تولید کند. پس لازم است آنرا از سایر ایزوتوپها جدا کنیم. جداسازی اورانیوم-۲۳۵ از سایر اتمهای اورانیوم در واقع بخشی از فرآیند غنیسازی است.
- اگر میخواهیم تولید انرژی هستهای باصرفه باشد، باید نسبت یا غنای اورانیوم-۲۳۵ نسبت به سایر اتمهای اورانیوم را از ۰.۷ درصد در حالت طبیعی به حداقل ۳ تا ۵ درصد افزایش دهیم. منظور از غنیسازی همین است.
- هرچه غنای اورانیوم-۲۳۵ در سوخت هستهای بیشتر باشد، از آن انرژی بیشتری بهدست میآید. مثلا، سوخت با غنای ۵ درصد در مقایسه با همان مقدار سوخت با غنای ۳ درصد، انرژی بیشتری تولید میکند.
(نکته: گاهی ایزوتوپهای اورانیوم را به شکلهای دیگر نیز مینویسند. مثلا ممکن است اورانیوم-۲۳۵ را بهشکل U-235 یا ۲۳۵U بنویسند.)
ایزوتوپهای اورانیوم
میدانیم که اتم هر عنصر عدد اتمی ثابتی دارد یعنی تعداد پروتونهای موجود در هستهاش همیشه ثابت است. برای مثال، عدد اتمی اورانیوم ۹۲ است، یعنی همه اتمهای اورانیوم در هستهشان ۹۲ پروتون دارند. اما تعداد نوترونهای اتمهای یک عنصر ممکن است متفاوت باشد. به انواع اتمهای یک عنصر که تعداد نوترونهای متفاوت دارند، ایزوتوپهای آن عنصر میگوییم. مثلا اورانیوم سه نوع ایزوتوپ طبیعی دارد:
- اورانیوم-۲۳۴
- اورانیوم-۲۳۵
- اورانیوم-۲۳۸
عددهایی که مقابل هر ایزوتوپ میبینید، عدد جرمی آننوع اتم یعنی مجموع پروتونها و نوترونهای موجود در هسته آن است. یعنی:
- اورانیوم-۲۳۴ (حاوی ۹۲ پروتون و ۱۴۲ نوترون = 234) فقط حدود ۰.۰۰۵ درصد ایزوتوپهای طبیعی اورانیوم از این نوع هستند
- اورانیوم-۲۳۵ (حاوی ۹۲ پروتون و ۱۴۳ نوترون = 235) فقط حدود ۰.۷ درصد ایزوتوپهای طبیعی اورانیوم از این نوع هستند
- اورانیوم-۲۳۸ (حاوی ۹۲ پروتون و ۱۴۶ نوترون = 238) بیش از ۹۹.۹ درصد ایزوتوپهای طبیعی اورانیوم از این نوع هستند
از بین سه ایزوتوپ فوق، فقط اورانیوم-۲۳۵ شکافتنی است و میتواند در اثر شکافت هستهای، انرژی تولید کند. اما همانطور که در توضیحاتش میبینید، تنها حدود ۰.۷ درصد ایزوتوپهای طبیعی اورانیوم از نوع اورانیوم-۲۳۵ است. بعضی از راکتورهای هستهای دنیا با همان اورانیوم ۰.۷ درصدی نیز میتوانند انرژی هستهای تولید کنند. یعنی اگر از کل اورانیوم موجود تنها ۰.۷ درصدش اورانیوم-۲۳۵ باشد، نیروگاه اتمی میتواند آنرا بسوزاند و انرژی تولید کند. اما برای افزایش بهرهوری لازم است درصد غنیسازی اورانیوم را افزایش دهیم تا بتوانیم با مقدار اورانیوم کمتر، انرژی هرچه بیشتری تولید کنیم. برای این منظور باید با استفاده از روش مناسب، درصد اورانیوم-۲۳۵ نسبت به کل اورانیوم موجود در هر محموله را از ۰.۷ درصد به ۳ تا ۵ درصد افزایش دهیم.
منظور از ایزوتوپ شکافتنی و ایزوتوپ ناشکافتنی چیست؟
ایزوتوپ شکافتنی (fissile)، اتمی است که در اثر برخورد آهسته نوترون نیز از هم میشکافد و انرژی تولید میکند. دو ایزوتوپ بعدی یعنی اورانیوم-۲۳۴ و اورانیوم-۲۳۸ چنین خاصیتی ندارند. لذا میگوییم اورانیوم-۲۳۸ شکافتنی نیست اما شکافتپذیر (fissionable) است، یعنی نمیتوان مستقیما آن را شکافت و از آن انرژی هستهای گرفت، مگر آنکه آنرا به پلوتونیوم-۲۳۹ تبدیل کنیم که مبحث دیگری است و در اینجا به آن نمیپردازیم. (پیشنهاد برای مطالعه: پلوتونیوم چیست و چه کاربردی دارد؟)
مطالعه بیشتر: تفاوت اورانیوم ۲۳۵ و اورانیوم ۲۳۸ چیست؟
منظور از شکافت هستهای چیست؟ اورانیوم-۲۳۵ چگونه از هم میشکافد و انرژی تولید میکند؟
پس از آنکه سوخت هستهای را به داخل راکتور منتقل کردیم، با روشی خاص، نوترونهایی را سمت اتمهای اورانیوم شلیک میکنیم. در اثر برخورد نوترون با اتم اورانیوم-۲۳۵، اتم از هم شکافته و به دو اتم سبکتر تبدیل میشود. طبق معادله معروف E=MC۲، بخشی از جرم ماده نیز بهشکل انرژی آزاد میشود که همان انرژی هستهای است. (مقاله پیشنهادی برای دریافت اطلاعات بیشتر: شکافت هستهای چیست؟)
با شکافتن هر اتم اورانیوم-۲۳۵، یک یا دو نوترون نیز از هسته آن آزاد میشود و این نوترونهای آزاد نیز به نوبه خود به اتمهای دیگری برخورد میکنند و آنها را از هم میشکافند. همین روند، زنجیرهوار ادامه مییابد، لذا بهآن واکنش زنجیرهای میگوییم.
همین ویژگی سبب میشود با مقدار کمی اورانیوم بتوانید انرژی بسیار زیادی تولید کنید. برای مثال، هر قرص کوچک اورانیوم بهاندازه هزار کیلوگرم زغال سنگ، انرژی تولید میکند.
غنیسازی چگونه انجام میشود؟
حالا میخواهیم توضیح دهیم که روش سانتریفیوژ گاز در غنیسازی اورانیوم چیست و چگونه انجام میشود. برای غنیسازی اورانیوم دستکم سه روش وجود دارد که یکی تقریبا منسوخ شده و دیگری هنوز در دست آزمایش است و شاید در آینده عملیاتی شود. در حال حاضر، رایجترین روش غنیسازی اورانیوم، استفاده از سانتریفیوز گاز است که در ادامه آنرا توضیح خواهیم داد.
در حال حاضر برای غنیسازی اورانیوم سه روش میشناسیم:
- سانتریزفیوژ گاز
- جداسازی لیزری
- انتشار گازی
انتشار گازی قدیمیترین روش غنیسازی اورانیوم بود. تاسیساتی که با روش انتشار گاز کار میکردند برق زیادی مصرف میکردند. با پیشرفتهتر شدن فناوری سانتریفیوژ، این روش منسوخ شد و امروزه دیگر استفاده نمیشود. امروزه همهجای دنیا از فناوری نسل دوم استفاده میشود که برق کمتری مصرف میکند.
غنیسازی با سانتریفیوژ گاز
روش غنیسازی با سانتریفیوژ گاز چنین است: گاز هگزافلورید اورانیوم در استوانههای سانتریفیوژ جای میگیرد. استوانهها با سرعت هزاران دور در دقیقه میچرخند. چرخش سریع استوانهها نیروی گریز از مرکز شدیدی ایجاد میکند. هر مولکول هگزافلورید اورانیوم همانطور که از فرمول آن نیز پیداست، حاوی یک مولکول اورانیوم و شش مولکول فلور است. اتم موجود در بعضی از مولکولها اورانیوم-۲۳۵ و در بعضی دیگر اورانیوم-۲۳۸ است.
وقتی سانریفیوژها میچرخند، در اثر نیروی گریز از مرکز، مولکولهای سنگینتر گاز (یعنی آندسته از مولکولهای هگزافلورید اورانیوم که حاوی اتم اورانیوم-۲۳۸ هستند) تدریجا در حاشیههای استوانه تجمع میکنند. اما مولکولهای سبکتر (یعنی آندسته از مولکولهای هگزافلورید اورانیوم که حاوی اتم اورانیوم-۲۳۵ هستند) در بخش مرکزی استوانه جمع میشوند.
بدین ترتیب مولکولهای سبک و سنگین تا حدی از هم جدا میشوند اما میزان تفکیک آنها از هم هنوز کافی نیست. لذا آن بخش از هگزافلورید اورانیوم حاوی اورانیوم-۲۳۵ را که تا حدی از اورانیوم-۲۳۸ جدا شده است از سانتریفیوژ خارج میکنند و آنرا به سانتریفیوژ مرحله بالاتر منتقل میکنند. اما بخشی از هگزافلوراید اورانیوم که در حاشیههای سانتریفیوژ تجمع کرده و طبیعتاً حاوی اورانیوم-۲۳۵ کمتری است را به سانتریفیوژ مرحله پایینتر بازمیگردانند تا فرآیند جداسازی ایزوتوپها را تکرار کند.
سانتریفیوژهای چرخان در صفهای متعدد کنار هم جای دارند (عکس ابتدای مقاله و عکس ۵ را ببینید). آنها هم بهشکل خطی و هم موازی به هم متصل هستند. وقتی گاز هگزافلورید از آخرین سانتریفیوژها خارج میشود، یعنی غنیسازی به حد موردنظر رسیده است.
مراحل قبل و بعد از غنیسازی اورانیوم چیست؟
مراحل دستیابی به سوخت هستهای از استخراج اورانیوم تا غنیسازی و پس از آن را میتوان چنین خلاصه کرد:
- استخراج اورانیوم و پالایش آن
- تبدیل اورانیوم به اکسید اورانیوم یا اصطلاحا کیک زرد
- ترکیب اورانیوم با گاز فلور جهت تولید گاز هگزافلورید اورانیوم
- تزریق گاز هگزافلورید اورانیوم به دستگاههای گریزانه (سانتریفیوژ)
- غنیسازی اورانیوم با استفاده از دستگاههای گریز از مرکز (سانتریفیوژ) گاز
- تبدیل اورانیوم غنیشده به پودر دیاکسید اورانیوم
- فشردن پودر و تبدیل آن به قرص دیاکسید اورانیوم یا همان قرص سوخت
- جای دادن قرصهای دیاکسید اورانیوم درون میلههای سوخت
- انتقال میلههای سوخت به قلب واکنشگر یا راکتور
- آغاز واکنش شکافت هستهای و تولید انرژی گرمایی
- تبدیل انرژی گرمایی به انرژی برق با استفاده از توربین و مولد (ژنراتور)
- خارج کردن و مدیریت پسماند هستهای پس از اتمام سوخت و یا بازفرآوری پسماندها و بازگرداندنشان به چرخه سوخت هستهای
غنیسازی اورانیوم در ایران
جمهوری اسلامی ایران در زمان دولت نهم، یعنی اواسط دهه ۱۳۸۰ شمسی، رسما دستیابی کشورمان به فناوری چرخه سوخت هستهای را اعلام کرد. لذا اکنون تمام مراحل غنیسازی اورانیوم توسط دانشمندان کشورمان و با استفاده از سانتریفیوژهای پیشرفته ایرانی انجام میشود.
غنیسازی اورانیوم در ایران چند درصد است؟
ایران تا پیش از توافقنامه برنامه جامع اقدام مشترک (برجام) سطح غنیسازی اورانیوم را در ۲۰ درصد تثبیت کرده بود. پس از امضای توافقنامه برجام، کشورمان متعهد شد در ازای رفع تحریمهای غرب، محدودیتهای متعددی را بپذیرد که یکی از آنها کاهش سقف سطح غنیسازی به ۳.۶۷ درصد بود.
به استناد گزارشهای آژانس بینالمللی انرژی اتمی، ایران به تمام تعهداتش ذیل توافقنامه برجام عمل کرد اما دولت آمریکا در همان دوره ریاست جمهوری باراک اوباما (که طرف امضاکننده برجام بود) تعهدات خود ذیل برجام را نقض کرد. سپس با پیروزی دونالد ترامپ در انتخابات ریاست جمهوری، دولت آمریکا رسما از برجام خارج شد و تحریمهای سنگینتری علیه ایران وضع کرد. دولتهای اروپایی نیز عملاً اقدامی نکردند و با تحریمهای آمریکا علیه ایران همراه شدند. تحریمهای ایران حتی در دوره ریاست جمهوری جو بایدن نیز ادامه یافت.
لذا نهایتا در سال ۱۳۹۹ شمسی، مجلس شورای اسلامی با تصویب قانون اقدام راهبردی لغو تحریمها و صیانت از منافع ملت ایران، دولت را مکلف کرد در پاسخ به عهدشکنی مکرر آمریکا و دیگر طرفهای غربی، اقدامات مهمی انجام دهد که افزایش سطح غنیسازی اورانیوم به حداقل ۲۰ درصد تنها یکی از آنها بود. ماده ۲ قانون مذکور دولت را مکلف کرد تا بلافاصله پس از تصویب این قانون، درصد غنیسازی اورانیوم برای مصارف صلحآمیز هستهای را به ۲۰ درصد و در موارد موردنیاز به بیشتر از آن افزایش دهد. درنتیجه ابلاغ قانون مجلس، کشورمان سطح غنیسازی اورانیوم را به ۶۰ درصد رساند.
جمعبندی (غنیسازی اورانیوم چیست؟)
آموختیم که غنیسازی اورانیوم چیست. دانستیم که افزایش دادن درصد اورانیوم-۲۳۵ نسبت به کل اورانیوم موجود، همان غنیسازی اورانیوم است. همچنین با روش فعلی غنیسازی یعنی سانتریفیوژ گاز آشنا شدیم و دریافتیم که با ایجاد نیروی شدید گریز از مرکز در دستگاههای سانتریفیوژ میتوان اتمهای سبکتر اورانیوم-۲۳۵ را از اتمهای سنگینتر اورانیوم-۲۳۸ جدا کرد.
