قدرتمند‌ترین فلز جهان؛ اورانیوم چطور غنی‌سازی می‌شود؟

به گزارش می‌متالز به نقل از زومیت؛ مهدیه یوسفی، وقتی صحبت از اورانیوم (Uranium) می‌شود، بیشتر مردم یاد بمب‌های اتمی یا نیروگاه‌های هسته‌ای می‌افتند؛ اما واقعیت آن است که پشت این عنصر خاکستری‌رنگ و نسبتاً سنگین، داستانی پیچیده و سرنوشت‌ساز نهفته است.

اورانیوم جزو معدود عناصری است که نوع رفتارش به‌ شدت به این بستگی دارد که چقدر از ایزوتوپ شکافت‌پذیرِ اورانیوم-۲۳۵ در آن وجود دارد؛ به‌ طوری‌ که با افزایش تدریجی این درصد، می‌تواند از سوختی پایدار برای تولید انرژی در رآکتور‌های هسته‌ای، به ماده‌ی اولیه‌ی سلاح‌های اتمی تبدیل شود. این وابستگی عمیق به درصد غنا، اورانیوم را به یکی از استراتژیک‌ترین و در عین‌ حال مناقشه‌برانگیزترین منابع جهان امروز تبدیل کرده است.

بسته به اینکه اورانیوم چقدر غنی شده باشد، می‌توان از آن در رآکتور‌های غیرنظامی، زیردریایی‌های هسته‌ای یا حتی در تولید سلاح استفاده کرد. اما همه‌ی کاربرد‌های اورانیوم به نیرو و انفجار ختم نمی‌شود. در دوز‌های پایین‌تر، همین ماده در پزشکی، صنعت و حتی اکتشاف منابع زیرزمینی هم نقش‌آفرینی می‌کند.

در دنیای سیاست و امنیت، درصد غنای اورانیوم نه‌ فقط یک عدد فنی، بلکه خط قرمزی دیپلماتیک است. از مذاکرات بین‌المللی تا تهدید‌ها و تحریم‌ها، هر درصد بالا یا پایین‌شدن در غنی‌سازی، می‌تواند توازن قدرت را در منطقه یا حتی جهان تغییر دهد. در این مقاله، با هم بررسی می‌کنیم غنی سازی اورانیوم دقیقاً چیست، چرا درصد‌های مختلفش این‌قدر اهمیت دارند و هرکدام در کجا و چگونه به‌ کار می‌روند.

هر میله‌ی سوخت اورانیومی، به‌ تنهایی می‌تواند آن‌قدر حرارت تولید کند که برای تولید یک میلیون کیلووات‌ساعت برق کافی باشد، مقداری که نیاز سالانه‌ی صد‌ها خانه را تامین می‌کند. این عددِ خیره‌کننده، تنها بخشی از توان نهفته در اورانیوم را نشان می‌دهد.

دسته‌ای از میله‌های سوخت اورانیومی پس از مونتاژ، آماده‌ی انتقال به رآکتور هسته‌ای هستند؛ هر میله معادل منبعی از انرژی، معادل صد‌ها تُن زغال‌ سنگ است

رسیدن به این سطح از کارایی، به فرآیندی پیچیده و دقیق نیاز دارد. یکی از مهم‌ترین مراحل در این مسیر، غنی‌سازی اورانیوم است؛ یعنی افزایش مقدار ایزوتوپ اورانیوم-۲۳۵ در ترکیب اورانیوم طبیعی، برای آنکه بتوان از آن در رآکتور‌های هسته‌ای استفاده کرد. بدون این مرحله، اورانیوم خام، کارایی چندانی برای تولید انرژی نخواهد داشت. این کار با روش‌های خاصی مثل سانتریفیوژ گازی انجام می‌شود و از مراحل کلیدی در چرخه‌ی سوخت هسته‌ای به‌ شمار می‌رود.

مرز بین برق یک شهر و انفجار یک بمب، تنها چند درصد غنای اورانیوم است

اگر کسی بخواهد یک رآکتور هسته‌ای را راه‌اندازی کند، به اورانیوم ۲۳۵ با غنای حدود ۳ درصد نیاز دارد. یعنی باید کاری کرد که ۳ درصد از سوخت، از نوع شکافت‌پذیرِ اورانیوم-۲۳۵ و باقی‌مانده‌اش، یعنی حدود ۹۷ درصد، همچنان اورانیوم-۲۳۸ باشد.

حتماً در اخبار شنیده‌اید که اگر کشوری بخواهد بمب اتم تولید کند، باید اورانیوم-۲۳۵ را تا ۹۰ درصد خالص‌سازی کند. یعنی سوختی که در بمب هسته‌ای استفاده می‌شود، باید تقریباً ۹۰ درصد اورانیوم-۲۳۵ داشته باشد و تنها ۱۰ درصد باقی‌مانده، اورانیوم-۲۳۸ باشد.

نکته‌ی مهم این‌جاست که فرآیند غنی‌سازی برای تولید بمب اتم یا هسته‌ای، دقیقاً همان روشی است که برای تولید سوخت رآکتور‌های هسته‌ای نیز به‌ کار می‌رود، با این تفاوت که برای رآکتور فقط تا ۳ درصد پیش می‌روند. اما اگر غنی‌سازی متوقف نشود و برای ماه‌ها یا حتی سال‌ها ادامه یابد، می‌تواند به همان ۹۰ درصد مورد نیاز برای ساخت بمب برسد؛ به‌ همین‌ دلیل است که برنامه‌های غنی‌سازی اورانیوم همیشه با حساسیت بالا پیگیری می‌شوند.

اورانیوم چیست و چرا اورانیوم-۲۳۵ تا این حد مهم است؟

اورانیوم، عنصری فلزی است که نخستین‌بار در سال ۱۷۸۹ توسط مارتین هاینریش کلاپروت، شیمیدان آلمانی، کشف شد. با این حال، اهمیت واقعی این کشف تا حدود ۱۵۰ سال بعد ناشناخته باقی ماند. در سال ۱۹۳۸، دانشمندان به کشفی انقلابی رسیدند: اتم‌های اورانیوم را می‌توان شکافت و از این طریق انرژی عظیمی آزاد کرد. این کشف، سرآغاز عصر انرژی هسته‌ای بود.

اورانیومی که از معدن به‌ دست می‌آید، ترکیبی از چند نوع اتم است که به آنها ایزوتوپ گفته می‌شود. ایزوتوپ‌ها، در اصل، نسخه‌های مختلفی از یک عنصر هستند؛ همگی تعداد پروتون یکسانی دارند، اما در تعداد نوترون‌ها فرق می‌کنند و همین تفاوت کوچک، ویژگی‌های فیزیکی متفاوتی به آنها می‌دهد.

امروز اگر به منابع طبیعی اورانیوم نگاه کنیم، خواهیم دید که حدود ۹۹٫۳ درصد آن از نوع اورانیوم-۲۳۸ و تنها ۰٫۷ درصدش اورانیوم-۲۳۵ است. مقدار بسیار کمی هم از ایزوتوپ سبک‌تر اورانیوم-۲۳۴ در ترکیب وجود دارد. این نسبت نشان می‌دهد که اگرچه زمانی این ایزوتوپ‌ها تقریباً به‌ شکل مساوی در طبیعت وجود داشتند، اما به‌ مرور زمان، اورانیوم-۲۳۵ به‌ دلیل واکنش‌پذیری بالا کم‌تر و نایاب‌تر شده است.

ایزوتوپ‌های اورانیوم

اورانیوم-۲۳۸ از آن دسته ایزوتوپ‌هایی است که چندان هیجان‌انگیز به‌ نظر نمی‌رسد. این ایزوتوپ نیمه‌عمر بسیار طولانی‌ای دارد، حدود ۴٫۵ میلیارد سال. یعنی اگر امروز مقدار مشخصی از آن را کنار بگذاریم، تا میلیارد‌ها سال آینده، فقط نیمی از آن دچار واپاشی خواهد شد.

در مقابل، اورانیوم-۲۳۵ با نیمه‌عمر حدود ۷۰۰ میلیون سال، سرعت واپاشی بسیار بیشتری دارد. این تفاوت در نیمه‌عمر یک نتیجه‌ی مهم دارد: هر چقدر نیمه‌عمر یک ماده‌ی پرتوزا طولانی‌تر باشد، فعالیت پرتوزای آن کم‌تر خواهد بود. بنابراین، اورانیوم-۲۳۸ در مقایسه با بسیاری از ایزوتوپ‌های پرتوزا، نسبتاً کم‌خطرتر است.

در بین ایزوتوپ‌های مختلف اورانیوم، اورانیوم-۲۳۵ همان عنصری است که قابلیت واقعی برای شکافت هسته‌ای دارد. چنین موادی را «شکافت‌پذیر» می‌نامند، یعنی حتی نوترون‌هایی با سرعت پایین هم می‌توانند باعث شکافت آنها شوند.

جذابیت اورانیوم-۲۳۵ دقیقاً در همین ویژگی است: برخلاف خیلی از مواد که فقط با برخورد ذرات پرانرژی شکافته می‌شوند، این ایزوتوپ حتی با نوترون‌های کند هم به‌ راحتی می‌شکند. این یعنی، اورانیوم-۲۳۵ می‌تواند واکنش زنجیره‌ای را راحت‌تر آغاز کند و ادامه دهد، چه در رآکتور، چه در بمب. به‌ همین‌ دلیل، در رآکتور‌های هسته‌ای از موادی به نام کندکننده (مثل آب یا گرافیت) استفاده می‌شود تا سرعت نوترون‌ها را کاهش دهند و واکنش شکافت را پربازده‌تر کنند.

همین توانایی بالا در جذب نوترون و تولید انرژی، اورانیوم-۲۳۵ را به سوختی مناسب برای رآکتور‌های هسته‌ای تبدیل کرده است. اما اگر درصد این ایزوتوپ بالا برود و از حالت کنترل‌شده خارج شود، می‌تواند در ساخت سلاح‌های هسته‌ای هم استفاده شود. برای همین، اورانیوم-۲۳۵ هم پرکاربرد است، هم حساس و راهبردی.

توانایی بالا در جذب نوترون و تولید انرژی، اورانیوم-۲۳۵ را به سوختی مناسب برای رآکتور‌های هسته‌ای تبدیل کرده

همان‌ طور که اشاره کردیم، تفاوت ایزوتوپ‌ها در تعداد نوترون‌های موجود در هسته‌ی اتم است. هر سه ایزوتوپ اورانیوم ۹۲ پروتون دارند (که هویت شیمیایی عنصر را تعیین می‌کند)، اما تعداد نوترون‌هایشان فرق می‌کند: اورانیوم-۲۳۸ دارای ۱۴۶، اورانیوم-۲۳۵ دارای ۱۴۳ و اورانیوم-۲۳۴ دارای ۱۴۲ نوترون است. همین تفاوت جزئی باعث می‌شود که جرم این ایزوتوپ‌ها کمی متفاوت باشد.

در نگاه اول، این تفاوت‌ها ناچیز به‌ نظر می‌رسند، اما همین اختلاف ظریف در جرم، اساس فرآیند غنی‌سازی اورانیوم را تشکیل می‌دهد. با استفاده از فناوری‌های دقیق و پیشرفته، می‌توان ایزوتوپ اورانیوم-۲۳۵ را از سایر ایزوتوپ‌ها جدا کرد، فرآیندی کلیدی که اورانیوم طبیعی را به سوخت مناسب برای رآکتور‌های هسته‌ای یا ماده‌ی اولیه برای کاربرد‌های نظامی تبدیل می‌کند.

فناوری پشت پرده استخراج اورانیوم؛ یخبندان مصنوعی در دل زمین

برای استخراج اورانیوم، لازم است تا اعماق زمین حفاری شود. در شمال استان ساسکاچوان کانادا، جایی که یکی از بزرگ‌ترین و غنی‌ترین ذخایر اورانیوم جهان قرار دارد، حفاری‌ها تا عمق ۵۰۰ متری انجام می‌شوند. اورانیومی که از این معادن به‌ دست می‌آید، عمدتاً به‌ عنوان سوخت در رآکتور‌های هسته‌ای به‌ کار می‌رود و نقش مهمی در تولید برق ایفا می‌کند.

نمایی هوایی از معدن اورانیوم مک‌آرتور ریور (McArthur River) در ایالت ساسکاچوان کانادا؛ بزرگ‌ترین معدن اورانیوم جهان از نظر حجم ذخایر قابل استخراج./ Globalnews

لایه‌ی سنگ معدن اورانیوم، زیرِ لایه‌ای از ماسه‌سنگ اشباع‌شده از آب قرار دارد. برای دسترسی به این بخش، حفاران از مته‌هایی با نوک‌های ساخته‌شده از کاربید تنگستن استفاده می‌کنند، ماده‌ای بسیار سخت که به دل سنگ نفوذ می‌کند.

در مرحله‌ی نخست، تونل‌هایی باریک حفر و لوله‌هایی از آنها عبور داده می‌شوند؛ این لوله‌ها نقش مهمی دارند: با انتقال مواد خنک‌کننده، دمای اطراف سنگ معدن را تا حدی پایین می‌آورند که آب موجود در آن یخ بزند. این انجماد، محیط اطراف را پایدار می‌سازد و از نفوذ آب جلوگیری می‌کند. در این صورت، می‌توان به‌ صورت ایمن به اورانیوم دسترسی داشت.

اپراتور دستگاه حفاری، بدون اینکه وارد محیط معدن شود، از راه دور تجهیزات را کنترل می‌کند. با هر یک‌ونیم متر پیش‌روی مته، یک قطعه‌ی جدید لوله به انتهای آن متصل می‌شود تا حفاری ادامه پیدا کند. رسیدن به عمق ۱۳۰ متری در لایه‌ی ماسه‌سنگ کار ساده‌ای نیست، نصب فقط یک رشته کامل از این لوله‌ها ممکن است تا هشت روز زمان ببرد. جالب اینجاست که برای این پروژه، حدود ۲۰۰ لوله باید در محل نصب شوند.

اپراتور دستگاه در معدن اورانیوم

این لوله‌ها به‌ صورت دایره‌وار دور لایه‌ی سنگ معدن اورانیوم چیده می‌شوند. هدف آن است که با استفاده از این لوله‌ها، خاک اطراف معدن را منجمد کنند تا هم پایدار شود و هم آب‌های زیرزمینی مزاحم، راه حفاری را نبندند. آبِ زیر این منطقه تحت فشار بالاست و اگر کنترل نشود، می‌تواند عملیات را مختل یا خطرناک کند.

در سطح زمین، یک ایستگاه سرمایشی مخصوص، محلول آب‌نمک (کلسیم کلرید) را تا دمای منفی ۳۰ درجه سانتی‌گراد سرد و از طریق لوله‌ها به اعماق زمین پمپ می‌کند. این محلول، در مسیر حرکت خود، با جذب گرمای اطراف سنگ معدن، باعث می‌شود خاک و آب زیرزمینی به‌آرامی یخ بزنند.

در نتیجه، به‌ مرور یک دیواره‌ی یخی ضخیم و نفوذناپذیر دور لایه‌ی اورانیوم شکل می‌گیرد، دیواره‌ای که هم خاک را پایدار نگه می‌دارد و هم از ورود آب به منطقه‌ی حفاری جلوگیری می‌کند. این سد یخی، کلید دسترسی ایمن و کنترل‌شده به سنگ معدن اورانیوم است.

حفاری در اعماق زمین؛ چگونه بدون تماس با تشعشع، اورانیوم استخراج می‌شود؟

بعد از آماده‌سازی محل و یخ‌زدن لایه‌های اطراف، فرآیند اصلی استخراج اورانیوم آغاز می‌شود. مته‌های قدرتمند از سطح زمین به دل سنگ نفوذ می‌کنند و به عمق لایه‌ی سنگ معدن می‌رسند. سنگ‌های استخراج‌شده با واگن‌های کنترل از راه دور، جمع‌آوری می‌شوند. روشی که نه‌ تنها کار را ایمن‌تر می‌کند، بلکه اپراتور‌ها را از تماس مستقیم با تشعشعات دور نگه می‌دارد.

فرآیند استخراج در محل (In-Situ Leaching): در این روش، محلولی شیمیایی از طریق چاه‌های تزریق به لایه‌ی سنگ معدن اورانیوم پمپاژ می‌شود. این محلول، اورانیوم را در خود حل می‌کند و سپس از چاه‌های برداشت به سطح زمین بازمی‌گردد تا اورانیوم از آن استخراج شود

برای ایمنی بیشتر، هوای تازه هر ۲۰ دقیقه وارد معدن می‌شود تا محیط تهویه و غلظت گاز‌های احتمالی و ذرات رادیواکتیو پایین نگه داشته شود. سنگ‌های استخراج‌شده، توسط واگن به یک اسکنر پرتوزا منتقل می‌شوند و میزان اورانیوم موجود در آنها اندازه‌گیری می‌شود. در بسیاری از نمونه‌ها، غلظت اورانیوم حدود ۱۵ درصد است و در برخی بخش‌ها این مقدار حتی به ۱۸ درصد هم می‌رسد.

از استخراج تا غنی‌سازی؛ اورانیوم چگونه به سوخت هسته‌ای تبدیل می‌شود؟

بعد از استخراج، سنگ اورانیوم به درون مجرا‌هایی مخصوص، تخلیه می‌شود. اپراتور از اتاق کنترل با استفاده از چکش هیدرولیکی، سنگ‌ها را خرد می‌کند. سنگ‌های خرد شده پس از انتقال به آسیاب، به ذرات بسیار زیر تبدیل می‌شوند و به شکل پودر درمی‌آیند. در ادامه، به این پودر آب اضافه و ترکیبی نیمه‌مایع به‌ نام دوغاب اورانیوم تشکیل می‌شود.

جداسازی اورانیوم از سنگ معدن

دوغاب از طریق لوله به سطح زمین پمپاژ و سپس با کامیون به یک مرکز فرآوری منتقل می‌شود. در محل تخلیه، یک سیستم مکش صنعتی قدرتمند، دوغاب را از مخزن خارج می‌کند. بعد از شست‌وشو و بررسی میزان تشعشع، کامیون اجازه‌ی خروج پیدا می‌کند. حالا نوبت جداسازی اورانیوم از سنگ است. دوغاب وارد مخازن بزرگی می‌شود که با اسید پر شده‌اند. اسید، اورانیوم را در خودش حل می‌کند، اما باقی سنگ‌ها ته‌نشین می‌شوند و جدا می‌مانند.

حوضچه‌ی اسیدی عظیم در مرکز فرآوری اورانیوم؛ جایی که سنگِ استخراج‌شده در اسید حل می‌شود تا اورانیوم از دیگر ناخالصی‌ها جدا شود. این مرحله، یکی از کلیدی‌ترین بخش‌های استخراج سوخت هسته‌ای است.

تصفیه اورانیوم

در مرحله‌ی بعد، محلول اسیدی حاوی اورانیوم برای حذف ناخالصی‌ها وارد فرایند تصفیه می‌شود. با استفاده از واکنش‌های شیمیایی کنترل‌شده، ناخالصی‌ها و سایر عناصر غیرضروری از آن جدا می‌شوند تا تنها ترکیب اورانیوم، باقی بماند. سپس، این محلول خالص‌شده تا دمای حدود ۸۵۰ درجه‌ی سانتی‌گراد گرم می‌شود تا اورانیوم به حالت گاز (معمولاً به شکل ترکیب شیمیایی هگزا فلورید اورانیوم یا UF₆) تبدیل شود.

جداسازی به‌ کمک سانتریفیوژ گازی

از آن‌جا که جداسازی ایزوتوپ‌های اورانیوم در حالت جامد یا مایع بسیار دشوار است، ابتدا اورانیوم به شکل گاز در می‌آید تا بتوان از روش سانتریفیوژ گازی استفاده کرد. سانتریفیوژ گازی دستگاهی استوانه‌ای و باریک است که گاز UF₆ را با سرعت بسیار بالا می‌چرخاند. در اثر این چرخش شدید، ایزوتوپ سبک‌تر اورانیوم ۲۳۵ نزدیک‌تر به مرکز باقی می‌ماند، درحالی‌که ایزوتوپ سنگین‌تر اورانیوم ۲۳۸ به‌ سمت دیواره‌ها رانده می‌شود. این اختلاف رفتاری، اساس فرایند غنی‌سازی اورانیوم را تشکیل می‌دهد.

نمایی از سانتریفیوژ‌های گازی مورد استفاده در فرآیند غنی‌سازی اورانیوم؛ در این روش، گاز هگزافلورید اورانیوم (UF₆) وارد دستگاه می‌شود و با چرخش بسیار سریع، ایزوتوپ سبک‌تر اورانیوم ۲۳۵ به مرکز و ایزوتوپ سنگین‌تر اورانیوم ۲۳۸ به لبه‌ها رانده می‌شود، فرآیندی دقیق برای جداسازی تدریجی ایزوتوپ‌ها./ Euronuclear

در نهایت، اورانیوم غنی‌شده دوباره به حالت پودر درمی‌آید، پودری سیاه‌رنگ شبیه زغال، که حالا آماده‌ی استفاده به‌عنوان سوخت هسته‌ای است.

از کیک زرد تا گلوله‌های سوخت؛ اورانیوم چطور به انرژی تبدیل می‌شود؟

پس از جداسازی ایزوتوپ‌ها، پودر اورانیوم غنی‌شده در بشکه‌های فولادی ۲۱۰ لیتری بسته‌بندی و به کارخانه‌ی فرآوری سوخت هسته‌ای فرستاده می‌شود. در آنجا، طی یک واکنش شیمیایی، این پودر تیره‌رنگ به ترکیب زردرنگی به‌نام تری‌اکسید اورانیوم (UO₃) تبدیل خواهد شد؛ ماده‌ای میانی که در صنعت آن را با عنوان کیک زرد (Yellowcake) می‌شناسیم و یکی از گام‌های کلیدی در مسیر تولید سوخت هسته‌ای به‌ شمار می‌رود.

کیک زرد

پس از ورود کیک زرد (تری‌اکسید اورانیوم) به کارخانه‌ی فرآوری سوخت:

• پودر زردرنگ وارد قیف‌هایی مخروطی‌شکل می‌شود که برای انتقال جریان یکنواختی از ماده به بخش‌های بعدی، طراحی‌ شده‌اند؛
• با باز شدن شیر خروجی در پایین قیف‌ها، مواد به داخل لوله‌های نقاله هدایت می‌شوند و به بخش اصلی پردازش شیمیایی می‌رسند؛
• در این مرحله، پودر به‌ منظور جداسازی اورانیوم از دیگر ترکیبات، در اسید مخصوص حل می‌شود؛
• متخصصان با نمونه‌برداری منظم، تراکم و ترکیب شیمیایی محلول را بررسی می‌کنند تا از درستی فرآیند و کیفیت ماده‌ی نهایی، مطمئن شوند؛
• سپس با افزودن یک ماده‌ی شیمیایی، اورانیوم از حالت محلول به حالت جامد بازمی‌گردد، اما نه به‌ صورت تری‌اکسید، بلکه به شکل دی‌اکسید اورانیوم (UO₂)؛
• دی‌اکسید اورانیوم، همان ترکیبی‌است که در نهایت به‌ عنوان سوخت اصلی رآکتور‌های هسته‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرد.

در این مرحله، پودر دی‌اکسید اورانیوم به‌ منظور یکنواخت‌سازی وارد فرآیند سانتریفیوژ می‌شود که در ان ذرات پودر بر اساس اندازه و وزنشان، با نیروی گریز از مرکز از هم جدا می‌شوند. ذرات درشت‌تر به بیرون پرتاب می‌شوند و ذرات ریزتر در مرکز باقی می‌مانند. سپس این ذرات با نسبت‌های کنترل‌شده دوباره با هم مخلوط می‌شوند تا ترکیبی با بافت و اندازه‌ی یکنواخت به‌دست بیاید، ترکیبی که هنگام قالب‌گیری، تراکم یکسانی دارد و عملکرد حرارتی پایداری در رآکتور خواهد داشت.

در پایان این مرحله پودر حاصل، نرم، سیاه‌رنگ و بسیار خالص است. این پودر، سپس تحت فشار بالا، در قالب‌های استوانه‌ای فشرده می‌شود و به شکل گلوله‌هایی کوچک و منظم درمی‌آید.

قالب‌های استوانه‌ای شکل اورانیوم

این گلوله‌ها روی صفحه‌های گردان چیده و پس از وارد شدن به نوار نقاله، برای مراحل نهایی، مانند پخت، بسته‌بندی و آماده‌سازی برای قرار گرفتن در میله‌های سوخت، آماده می‌شوند.

جالب است بدانید هر قالب استوانه‌ای اورانیوم، با اندازه‌ای تقریباً به کوچکی یک بادام‌زمینی، می‌تواند به‌اندازه‌ی ۸۰۰ کیلوگرم زغال‌ سنگ یا ۵۶۰ لیتر نفت، انرژی تولید کند. این یعنی حجم بسیار کمی از این سوخت، توان تولیدی فوق‌العاده‌ای دارد و همین موضوع، دلیل اصلی جذابیت انرژی هسته‌ای برای جهان امروز است.

چطور گلوله‌های اورانیوم به میله‌های سوخت هسته‌ای تبدیل می‌شوند؟

بعد از فشرده‌سازی، گلوله‌های کوچک اورانیوم روی نوار نقاله قرار می‌گیرند و وارد کوره‌ای مخصوص می‌شوند. این کوره به‌ مدت ۲۴ ساعت با دمای بالا کار می‌کند تا تمام منافذ و رطوبت‌های باقی‌مانده از داخل گلوله‌ها خارج شود. با این کار، گلوله‌ها کمی جمع می‌شوند، اما چگالی اورانیوم افزایش پیدا می‌کند، چیزی که برای کارایی بهتر سوخت در رآکتور ضروری است.

هر قالب استوانه‌ای اورانیوم می‌تواند به‌ اندازه ۵۶۰ لیتر نفت، انرژی تولید کند

در ادامه، بازوی رباتیکی، گلوله‌ها را روی سینی‌هایی مخصوص می‌چیند و سطح آنها را کاملاً صاف و هم‌تراز می‌کند. سپس این سینی‌ها به ایستگاهی دیگر منتقل می‌شوند، جایی که ربات دیگری، لوله‌هایی از جنس فلز زیرکونیوم را روی پایه قرار می‌دهد، فلزی که هم در برابر گرما و خوردگی مقاوم است و هم به نوترون‌ها اجازه‌ی عبور می‌دهد، ویژگی‌ای حیاتی برای واکنش‌های هسته‌ای.

وقتی سینی گلوله‌ها و لوله‌ها به هم می‌رسند، ربات با دقت، ۳۰ گلوله را داخل هر لوله قرار می‌دهد. لوله‌ها بعد از پر شدن، وارد دستگاه جوشکاری خودکار می‌شوند تا دو سر آنها مهروموم شود. حالا هر لوله به یک میله‌ی سوخت هسته‌ای تبدیل شده است. این میله‌ها در کنار هم قرار می‌گیرند و مجموعه‌ی سوخت را می‌سازند، مجموعه‌ای که مستقیماً وارد قلب رآکتور هسته‌ای می‌شود.

میله‌ی سوخت اورانیوم

شکافت هسته‌ای چگونه در رآکتور باعث تولید برق می‌شود؟

اورانیوم در قلب نیروگاه هسته‌ای، نقش جرقه‌ی آغازگر تولید انرژی را ایفا می‌کند. هر بسته‌ی سوخت اورانیومی به‌ تنهایی آن‌قدر گرما تولید می‌کند که می‌توان با آن یک میلیون کیلووات‌ساعت برق تولید کرد. اما برای فعال شدن، این بسته‌ها باید وارد قلب رآکتور شوند.

در داخل رآکتور، هزاران میله‌ی سوخت درون صد‌ها لوله‌ی فلزی قرار می‌گیرند، در مجموع چیزی حدود ۵۷۶۰ میله‌ی سوخت. وقتی همه‌ی آنها در جای خود مستقر شدند، فرآیندی حیاتی آغاز می‌شود: شکافت هسته‌ای. در این فرآیند، اتم‌های اورانیوم ۲۳۵ که درون میله‌های سوخت قرار دارند، در برابر برخورد نوترون‌ها واکنش نشان می‌دهند.

هرگاه یک نوترون به هسته‌ی این اتم‌ها برخورد کند، هسته به‌ دو بخش شکسته و در این شکست، مقدار زیادی انرژی گرمایی آزاد می‌شود. اما این پایان ماجرا نیست؛ همراه با این شکافت، چند نوترون جدید نیز آزاد می‌شوند.

فرآیند شکافت هسته‌ای

نوترون‌های آزادشده، به‌ نوبه‌ی خود می‌توانند به اتم‌های اورانیوم دیگر برخورد کنند و آنها را نیز بشکنند. به این ترتیب، واکنشی زنجیره‌ای شکل می‌گیرد که به‌ صورت پیوسته انرژی تولید می‌کند. این واکنش زنجیره‌ای مانند دومینو عمل می‌کند: یک شکافت، شکافت بعدی را رقم می‌زند.

نوترون‌ها می‌توانند از دیواره‌ی فلزی زیرکونیومی عبور و به اتم‌های دیگر برخورد کنند، آنها را بشکنند و در همین حین انرژی گرمایی عظیمی آزاد کنند. این واکنش زنجیره‌ای تا زمانی ادامه دارد که کنترل شود وگرنه، سرعت بیش‌ازحد آن می‌تواند به ذوب هسته‌ای منجر شود.

برای جلوگیری از این اتفاق، رآکتور چندین لایه‌ی محافظ دارد. دیواره‌هایی به ضخامت دو متر از بتن مسلح دور آن را پوشانده‌اند و سیستم‌های ایمنی خودکار، هرگونه افزایش بیش‌ازحد دما یا افت ناگهانی فشار را تشخیص می‌دهد و رآکتور را به‌صورت خودکار خاموش می‌کنند.

تصویری از قلب یک رآکتور هسته‌ای فعال؛ تابش آبی‌رنگ معروف به تابش چرنکوف، زمانی ایجاد می‌شود که ذرات باردار حاصل از شکافت هسته‌ای، با سرعتی بیشتر از سرعت نور در آب حرکت می‌کنند./ Energy

گرمای حاصل از واکنش هسته‌ای، آب را به بخار تبدیل می‌کند، فرآیندی که به‌ صورت دقیق از اتاق کنترل نیروگاه مدیریت می‌شود. بخار تولیدشده وارد توربین‌های عظیمی می‌شود که در فضایی به طول ۴۰۰ متر و ارتفاع ۲۰ طبقه قرار دارند. این توربین‌ها با سرعت ۱۸۰۰ دور در دقیقه می‌چرخند و ژنراتور‌های غول‌پیکر را به حرکت درمی‌آورند. خروجی نهایی این حرکت، تولید بیش از ۷۵۰ مگاوات برق است، مقداری که پاسخ‌گوی نیاز نیم‌ میلیون نفر خواهد بود.

تولید الکتریسیته از سوخت هسته‌ای

البته عمر میله‌های سوختی همیشگی نیست. پس از حدود یک سال فعالیت در قلب رآکتور، این میله‌ها آن‌قدر داغ و پرتوزا می‌شوند که دیگر نمی‌توانند در فرآیند تولید انرژی باقی بمانند و باید از مدار خارج شوند. اما خطر آنها همچنان باقی است؛ دمای بالا و تابش شدیدشان باعث می‌شود که نتوان آنها را به‌ سرعت دفع کرد.

برای خنک‌سازی و کاهش پرتوزایی، این میله‌های مصرف‌شده باید حداقل ۱۰ سال درون آب نگهداری شوند. آب در این مرحله دو نقش حیاتی دارد: هم گرمای میله‌ها را جذب و هم مانند یک سپر طبیعی در برابر پرتو‌های رادیواکتیو عمل می‌کند.

در خود نیروگاه، استخری ویژه به عمق ۸ متر برای این منظور ساخته شده است. در این مخزن بزرگ، بیش از ۷۰۰ هزار میله‌ی سوخت مصرف‌شده در آب نگهداری می‌شوند، در انتظار آن‌که شرایط لازم برای دفع نهایی یا بازیافت ایمن آنها فراهم شود.

چرا غنی‌سازی برای تسلیحات هسته‌ای حساس است؟

اورانیوم طبیعی تنها حدود ۰٫۷ درصد ایزوتوپ اورانیوم ۲۳۵ دارد. اگر این مقدار به کم‌تر از ۲۰ درصد برسد، به آن اورانیوم با غنای پایین (Low Enriched Uranium یا LEU) گفته می‌شود. بیشتر رآکتور‌های برق در جهان از LEU با غنای حدود ۳ تا ۵ درصد استفاده می‌کنند. در برخی رآکتور‌های تحقیقاتی و کاربرد‌های پزشکی، غنای اورانیوم ممکن است به حدود ۱۹٫۷۵ درصد برسد؛ این درصد همچنان در رده غنای پایین قرار می‌گیرد، اما در مرز بالایی آن است.

اگر غنای اورانیوم از ۲۰ درصد بیشتر شود، ماده وارد دسته‌ی اورانیوم با غنای بالا (High Enriched Uranium یا HEU) می‌شود که به لحاظ فنی، همه‌ی انواع آن برای ساخت سلاح هسته‌ای قابل استفاده هستند؛ هرچند هرچه درصد خلوص بالاتر باشد، کاربرد نظامی آن جدی‌تر می‌شود.

میزان غنای ایزوتوپ اورانیوم ۲۳۵، تعیین‌کننده میزان خطر و حساسیت آن در سطح بین‌المللی است

یکی از مفاهیم کلیدی در بحث تسلیحات هسته‌ای، جرم بحرانی است. جرم بحرانی، حداقل مقدار از یک ماده شکافت‌پذیر است که اگر به صورت متراکم و مناسب کنار هم قرار بگیرد، بتواند یک واکنش زنجیره‌ای خودپایدار را آغاز کند. در مورد اورانیوم، هرچه درصد غنی‌سازی بیشتر باشد، جرم بحرانی مورد نیاز برای ایجاد انفجار هسته‌ای کم‌تر خواهد بود. مثلاً برای اورانیوم با غنای حدود ۵ درصد، جرم بحرانی بسیار بالاست و از نظر فنی امکان انفجار وجود ندارد، اما برای غنای ۹۰ درصد، این جرم به میزان قابل‌حمل و قابل‌استفاده در سلاح می‌رسد.

کشور‌های دارای سلاح هسته‌ای معمولاً از اورانیوم با غنای ۹۰ درصد یا بیشتر استفاده می‌کنند که به آن درجه‌ی تسلیحاتی گفته می‌شود. این سطح از غنی‌سازی امکان ساخت بمب‌های سبک‌تر و کوچک‌تر را فراهم می‌کند که به‌راحتی با موشک‌های بالستیک یا سایر سامانه‌های پرتاب، قابل‌حمل و پرتاب هستند.

مهم‌ترین کاربرد‌های اورانیوم غنی شده برحسب درصد غنی‌سازی

در جدول زیر، انواع کاربرد‌های اورانیوم غنی‌شده بر اساس درصد غنا آورده شده است:

چه کشور‌هایی غنی‌سازی اورانیوم انجام می‌دهند؟

در حال حاضر، بزرگ‌ترین سهم غنی‌سازی اورانیوم در جهان به شرکت‌ها و کشور‌هایی اختصاص دارد که فناوری سانتریفیوژ گازی دارند. تقریباً ۴۰ درصد ظرفیت غنی‌سازی در دنیا متعلق به روسیه است، پس از آن چین با ۱۷ درصد، فرانسه با ۱۲ درصد، ایالات متحده با ۱۱ درصد، هلند با ۸ درصد، بریتانیا با ۷ درصد و آلمان با ۶ درصد قرار دارند.

در حقیقت، زنجیره‌ی تولید جهانی اورانیوم به‌ گونه‌ای است که ممکن است سنگ معدن در قزاقستان استخراج، در روسیه غنی‌سازی، در فرانسه به سوخت تبدیل، در آلمان به میله‌ی سوخت فشرده و درنهایت در سوئیس مصرف شود؛ یک زنجیره‌ی پیچیده که تک‌تک مراحل آن تحت‌تأثیر سیاست‌ها، قرارداد‌ها و فناوری قرار دارد.

روسیه با در اختیار داشتن حدود ۴۰ درصد ظرفیت غنی‌سازی جهان، به‌ عنوان یک بازیگر کلیدی انرژی هسته‌ای از نظر تجاری و امنیتی مطرح است. اتحادیه اروپا، آمریکا و دیگر کشور‌ها اکنون به‌ دنبال ایجاد ظرفیت‌های داخلی برای غنی‌سازی و کاهش وابستگی به روسیه هستند. پروژه‌هایی در آمریکا و اروپا در حال اجرا هستند تا با استفاده از تکنولوژی‌های پیشرفته، میزان وابستگی کاهش یابد و منابع انرژی پایدارتر شوند.

غنی‌سازی چه خطراتی برای محیط زیست دارد؟

فرآیند غنی‌سازی اورانیوم، اگر به‌ درستی مدیریت نشود، می‌تواند خطرات جدی برای محیط زیست ایجاد کند. یکی از مهم‌ترین تهدیدها، نشت گاز‌های سمی مانند هگزافلورید اورانیوم (UF₆) است که در صورت تماس با رطوبت هوا به اسید هیدروفلوئوریک تبدیل می‌شود؛ ماده‌ای خورنده و بسیار خطرناک برای انسان و طبیعت.

زومیت

همچنین، پسماند‌های رادیواکتیو حاصل از غنی‌سازی در صورت دفن نادرست، می‌توانند خاک و منابع آب زیرزمینی را آلوده کنند. مصرف بالای انرژی و تولید گاز‌های گلخانه‌ای در برخی فناوری‌های قدیمی‌تر نیز از دیگر نگرانی‌های زیست‌محیطی این صنعت است. به‌ همین‌ دلیل، نظارت‌های بین‌المللی و رعایت استاندارد‌های ایمنی در این حوزه اهمیت بسیار زیادی دارند.

برای کاهش این خطرات، مدیریت دقیق و مسوولانه در تمام مراحل غنی‌سازی ضروری است. استفاده از سامانه‌های پیشرفته برای مهار و بازیافت گاز‌های خطرناک، دفن اصولی و ایمن پسماند‌های رادیواکتیو با در نظر گرفتن شرایط زمین‌شناسی و به‌ کارگیری فناوری‌های نوین با راندمان بالا و مصرف انرژی پایین، از جمله اقدامات کلیدی محسوب می‌شوند. همچنین، آموزش مستمر کارکنان و پایش‌های زیست‌محیطی منظم، نقش مهمی در پیشگیری از آسیب‌های احتمالی و تضمین پایداری محیط زیست دارند.

اورانیوم فقط یک عنصر فلزی سنگین نیست، بلکه در تولید انرژی، ساخت سلاح، پیشرفت پزشکی و معادلات دیپلماتیک نقش کلیدی دارد. آنچه به اورانیوم قدرتی دوگانه می‌دهد، ایزوتوپ شکافت‌پذیر آن یعنی اورانیوم-۲۳۵ است. در رآکتور، برخورد نوترون‌ها به این اتم‌ها باعث شکافت آنها و آزادسازی انرژی گرمایی عظیم و نوترون‌های بیشتر می‌شود. این گرما آب را به بخار تبدیل کرده و توربین‌ها را برای تولید برق به حرکت درمی‌آورد.

با این‌ حال، کاربرد اورانیوم و حساسیت جهانی نسبت‌ به آن، مستقیماً به درصد غنی‌سازی بستگی دارد. در حالی‌ که غنای پایین (۳ تا ۵ درصد) برای تولید برق در نیروگاه‌ها استفاده می‌شود، غنای بالا (بیش از ۹۰ درصد) کاربرد نظامی دارد و ماده‌ی اولیه‌ی ساخت سلاح‌های هسته‌ای است. این ماهیت دوگانه، به همراه چالش‌های زیست‌محیطی و مدیریت پسماند‌های بسیار رادیواکتیو، اورانیوم را به یکی از مناقشه‌برانگیزترین و مهم‌ترین منابع انرژی و قدرت در عرصه بین‌المللی تبدیل کرده است.

منبع: زومیت