استخراج اورانیوم از معدن

اورانیوم كه ماده خام اصلی مورد نیاز برای تولید انرژی در برنامه های صلح آمیز یا نظامی هسته ای است، از طریق استخراج از معادن زیرزمینی یا سر باز بدست می آید. اگر چه این عنصر بطور طبیعی در سرتاسر جهان یافت میشود اما تنها حجم كوچكی از آن بصورت متراكم در معادن موجود است.

هنگامی كه هسته اتم اورانیوم در یك واكنش زنجیره ای شكافته شود مقداری انرژی آزاد خواهد شد.

برای شكافت هسته اتم اورانیوم، یك نوترون به هسته آن شلیك میشود و در نتیجه این فرایند، اتم مذكور به دو اتم كوچكتر تجزیه شده و تعدادی نوترون جدید نیز آزاد میشود كه هركدام به نوبه خود میتوانند هسته های جدیدی را در یك فرایند زنجیره ای تجزیه كنند.

مجموع جرم اتمهای كوچكتری كه از تجزیه اتم اورانیوم بدست می آید از كل جرم اولیه این اتم كمتر است و این بدان معناست كه مقداری از جرم اولیه كه ظاهرا ناپدید شده در واقع به انرژی تبدیل شده است، و این انرژی با استفاده از رابطه E=MC۲ یعنی رابطه جرم و انرژی كه آلبرت اینشتین نخستین بار آنرا كشف كرد قابل محاسبه است.

اورانیوم به صورت دو ایزوتوپ مختلف در طبیعت یافت میشود. یعنی اورانیوم U۲۳۵ یا U۲۳۸ كه هر دو دارای تعداد پروتون یكسانی بوده و تنها تفاوتشان در سه نوترون اضافه ای است كه در هسته U۲۳۸ وجود دارد. اعداد ۲۳۵ و ۲۳۸ بیانگر مجموع تعداد پروتونها و نوترونها در هسته هر كدام از این دو ایزوتوپ است.

برای بدست آوردن بالاترین بازدهی در فرایند زنجیره ای شكافت هسته باید از اورانیوم ۲۳۵ استفاده كرد كه هسته آن به سادگی شكافته میشود. هنگامی كه این نوع اورانیوم به اتمهای كوچكتر تجزیه میشود علاوه بر آزاد شدن مقداری انرژی حرارتی دو یا سه نوترون جدید نیز رها میشود كه در صورت برخورد با اتمهای جدید اورانیوم بازهم انرژی حرارتی بیشتر و نوترونهای جدید آزاد میشود.

اما بدلیل “نیمه عمر” كوتاه اورانیوم ۲۳۵ و فروپاشی سریع آن، این ایزوتوپ در طبیعت بسیار نادر است بطوری كه از هر ۱۰۰۰ اتم اورانیوم موجود در طبیعت تنها هفت اتم از نوع U۲۳۵ بوده و مابقی از نوع سنگینتر U۲۳۸ است.

فراوری

سنگ معدن اورانیوم بعد از استخراج، در آسیابهائی خرد و به گردی نرم تبدیل میشود. گرد بدست آمده سپس در یك فرایند شیمیائی به ماده جامد زرد رنگی تبدیل میشود كه به كیك زرد موسوم است. كیك زرد دارای خاصیت رادیو اكتیویته است و ۶۰ تا ۷۰ درصد آنرا اورانیوم تشكیل میدهد.

دانشمندان هسته ای برای دست یابی هرچه بیشتر به ایزوتوپ نادر U۲۳۵ كه در تولید انرژی هسته ای نقشی كلیدی دارد، از روشی موسوم به غنی سازی استفاده می كنند. برای این كار، دانشمندان ابتدا كیك زرد را طی فرایندی شیمیائی به ماده جامدی به نام هگزافلوئورید اورانیوم تبدیل میكنند كه بعد از حرارت داده شدن در دمای حدود ۶۴ درجه سانتیگراد به گاز تبدیل میشود.

هگزافلوئورید اورانیوم كه در صنعت با نام ساده هگز شناخته میشود ماده شیمیائی خورنده ایست كه باید آنرا با احتیاط نگهداری و جابجا كرد. به همین دلیل پمپها و لوله هائی كه برای انتقال این گاز در تاسیسات فراوری اورانیوم بكار میروند باید از آلومینیوم و آلیاژهای نیكل ساخته شوند. همچنین به منظور پیشگیری از هرگونه واكنش شیمیایی برگشت ناپذیر باید این گاز را دور از معرض روغن و مواد چرب كننده دیگر نگهداری كرد.

غنی سازی

هدف از غنی سازی تولید اورانیومی است كه دارای درصد بالایی از ایزوتوپ U۲۳۵ باشد.

اورانیوم مورد استفاده در راكتورهای اتمی باید به حدی غنی شود كه حاوی ۲ تا ۳ درصد اورانیوم ۲۳۵ باشد، در حالی كه اورانیومی كه در ساخت بمب اتمی بكار میرود حداقل باید حاوی ۹۰ درصد اورانیوم ۲۳۵ باشد.

یكی از روشهای معمول غنی سازی استفاده از دستگاههای سانتریفوژ گاز است.

سانتریفوژ از اتاقكی سیلندری شكل تشكیل شده كه با سرعت بسیار زیاد حول محور خود می چرخد. هنگامی كه گاز هگزا فلوئورید اورانیوم به داخل این سیلندر دمیده شود نیروی گریز از مركز ناشی از چرخش آن باعث میشود كه مولكولهای سبكتری كه حاوی اورانیوم ۲۳۵ است در مركز سیلندر متمركز شوند و مولكولهای سنگینتری كه حاوی اورانیوم ۲۳۸ هستند در پایین سیلندر انباشته شوند.

اورانیوم ۲۳۵ غنی شده ای كه از این طریق بدست می آید سپس به داخل سانتریفوژ دیگری دمیده میشود تا درجه خلوص آن باز هم بالاتر رود. این عمل بارها و بارها توسط سانتریفوژهای متعددی كه بطور سری به یكدیگر متصل میشوند تكرار میشود تا جایی كه اورانیوم ۲۳۵ با درصد خلوص مورد نیاز بدست آید.

آنچه كه پس از جدا سازی اورانیوم ۲۳۵ باقی میماند به نام اورانیوم خالی یا فقیر شده شناخته میشود كه اساسا از اورانیوم ۲۳۸ تشكیل یافته است. اورانیوم خالی فلز بسیار سنگینی است كه اندكی خاصیت رادیو اكتیویته دارد و از آن برای ساخت گلوله های توپ ضد زره پوش و اجزای برخی جنگ افزار های دیگر از جمله منعكس كننده نوترونی در بمب اتمی استفاده میشود.

یك شیوه دیگر غنی سازی روشی موسوم به دیفیوژن یا روش انتشاری است.

دراین روش گاز هگزافلوئورید اورانیوم به داخل ستونهایی كه جدار آنها از اجسام متخلخل تشكیل شده دمیده میشود. سوراخهای موجود در جسم متخلخل باید قدری از قطر مولكول هگزافلوئورید اورانیوم بزرگتر باشد.

در نتیجه این كار مولكولهای سبكتر حاوی اورانیوم ۲۳۵ با سرعت بیشتری در این ستونها منتشر شده و تفكیك میشوند. این روش غنی سازی نیز باید مانند روش سانتریفوژ بارها و باره تكرار شود.

راكتور هسته ای
راكتور هسته ای وسیله ایست كه در آن فرایند شكافت هسته ای بصورت كنترل شده انجام میگیرد. انرژی حرارتی بدست آمده از این طریق را می توان برای بخار كردن آب و به گردش درآوردن توربین های بخار ژنراتورهای الكتریكی مورد استفاده قرار داد.

اورانیوم غنی شده ، معمولا به صورت قرصهائی كه سطح مقطعشان به اندازه یك سكه معمولی و ضخامتشان در حدود دو و نیم سانتیمتر است در راكتورها به مصرف میرسند. این قرصها روی هم قرار داده شده و میله هایی را تشكیل میدهند كه به میله سوخت موسوم است. میله های سوخت سپس در بسته های چندتائی دسته بندی شده و تحت فشار و در محیطی عایقبندی شده نگهداری میشوند.

در بسیاری از نیروگاهها برای جلوگیری از گرم شدن بسته های سوخت در داخل راكتور، این بسته ها را داخل آب سرد فرو می برند. در نیروگاههای دیگر برای خنك نگه داشتن هسته راكتور ، یعنی جائی كه فرایند شكافت هسته ای در آن رخ میدهد ، از فلز مایع (سدیم) یا گاز دی اكسید كربن استفاده می شود.

برای تولید انرژی گرمائی از طریق فرایند شكافت هسته ای ، اورانیومی كه در هسته راكتور قرار داده میشود باید از جرم بحرانی بیشتر (فوق بحرانی) باشد. یعنی اورانیوم مورد استفاده باید به حدی غنی شده باشد كه امكان آغاز یك واكنش زنجیره ای مداوم وجود داشته باشد.

برای تنظیم و كنترل فرایند شكافت هسته ای در یك راكتور از میله های كنترلی كه معمولا از جنس كادمیوم است استفاده میشود. این میله ها با جذب نوترونهای آزاد در داخل راكتور از تسریع واكنشهای زنجیره ای جلوگیری میكند. زیرا با كاهش تعداد نوترونها ، تعداد واكنشهای زنجیره ای نیز كاهش میابد.

حدودا ۴۰۰ نیروگاه هسته ای در سرتاسر جهان فعال هستند كه تقریبا ۱۷ درصد كل برق مصرفی در جهان را تامین میكنند. از جمله كاربردهای دیگر راكتورهای هسته ای، تولید نیروی محركه لازم برای جابجایی ناوها و زیردریایی های اتمی است.

باز فراوری

برای بازیافت اورانیوم از سوخت هسته ای مصرف شده در راكتور از عملیات شیمیایی موسوم به بازفراوری استفاده میشود. در این عملیات، ابتدا پوسته فلزی میله های سوخت مصرف شده را جدا میسازند و سپس آنها را در داخل اسید نیتریك داغ حل میكنند.

در نتیجه این عملیات، ۱% پلوتونیوم ، ۳% مواد زائد به شدت رادیو اكتیو و ۹۶% اورانیوم بدست می آید كه دوباره میتوان آنرا در راكتور به مصرف رساند.

راكتورهای نظامی این كار را بطور بسیار موثرتری انجام میدهند. راكتور و تاسیسات باز فراوری مورد نیاز برای تولید پلوتونیوم را میتوان بطور پنهانی در داخل ساختمانهای معمولی جاسازی كرد. به همین دلیل، تولید پلوتونیوم به این طریق، برای هر كشوری كه بخواهد بطور مخفیانه تسلیحات اتمی تولید كند گزینه جذابی خواهد بود.

بمب پلوتونیومی
استفاده از پلوتونیوم به جای اورانیوم در ساخت بمب اتمی مزایای بسیاری دارد. تنها چهار كیلوگرم پلوتونیوم برای ساخت بمب اتمی با قدرت انفجار ۲۰ كیلو تن كافی است. در عین حال با تاسیسات بازفراوری نسبتا كوچكی میتوان چیزی حدود ۱۲ كیلوگرم پلوتونیوم در سال تولید كرد.

كلاهك هسته ای شامل گوی پلوتونیومی است كه اطراف آنرا پوسته ای موسوم به منعكس كننده نوترونی فرا گرفته است. این پوسته كه معمولا از تركیب بریلیوم و پلونیوم ساخته میشود، نوترونهای آزادی را كه از فرایند شكافت هسته ای به بیرون میگریزند، به داخل این فرایند بازمی تاباند.

استفاده از منعكس كننده نوترونی عملا جرم بحرانی را كاهش میدهد و باعث میشود كه برای ایجاد واكنش زنجیره ای مداوم به پلوتونیوم كمتری نیاز باشد.

برای كشور یا گروه تروریستی كه بخواهد بمب اتمی بسازد، تولید پلوتونیوم با كمك راكتورهای هسته ای غیر نظامی از تهیه اورانیوم غنی شده آسانتر خواهد بود. كارشناسان معتقدند كه دانش و فناوری لازم برای طراحی و ساخت یك بمب پلوتونیومی ابتدائی، از دانش و فنآوری كه حمله كنندگان با گاز اعصاب به شبكه متروی توكیو در سال ۱۹۹۵ در اختیار داشتند پیشرفته تر نیست.

چنین بمب پلوتونیومی میتواند با قدرتی معادل ۱۰۰ تن تی ان تی منفجر شود، یعنی ۲۰ مرتبه قویتر از قدرتمندترین بمبگزاری تروریستی كه تا كنون در جهان رخ داده است.

بمب اورانیومی

هدف طراحان بمبهای اتمی ایجاد یك جرم فوق بحرانی ( از اورانیوم یا پلوتونیوم) است كه بتواند طی یك واكنش زنجیره ای مداوم و كنترل نشده، مقادیر متنابهی انرژی حرارتی آزاد كند.

یكی از ساده ترین شیوه های ساخت بمب اتمی استفاده از طرحی موسوم به “تفنگی” است كه در آن گلوله كوچكی از اورانیوم كه از جرم بحرانی كمتر بوده به سمت جرم بزرگتری از اورانیوم شلیك میشود بگونه ای كه در اثر برخورد این دو قطعه، جرم كلی فوق بحرانی شده و باعث آغاز واكنش زنجیره ای و انفجار هسته ای میشود.

كل این فرایند در كسر كوچكی از ثانیه رخ میدهد.

جهت تولید سوخت مورد نیاز بمب اتمی، هگزا فلوئورید اورانیوم غنی شده را ابتدا به اكسید اورانیوم و سپس به شمش فلزی اورانیوم تبدیل میكنند. انجام این كار از طریق فرایندهای شیمیائی و مهندسی نسبتا ساده ای امكان پذیر است.

قدرت انفجار یك بمب اتمی معمولی حداكثر ۵۰ كیلو تن است، اما با كمك روش خاصی كه متكی بر مهار خصوصیات جوش یا گداز هسته ای است میتوان قدرت بمب را افزایش داد.

در فرایند گداز هسته ای ، هسته های ایزوتوپهای هیدروژن به یكدیگر جوش خورده و هسته اتم هلیوم را ایجاد میكنند. این فرایند هنگامی رخ میدهد كه هسته های اتمهای هیدروژن در معرض گرما و فشار شدید قرار بگیرند. انفجار بمب اتمی گرما و فشار شدید مورد نیاز برای آغاز این فرایند را فراهم میكند.

طی فرایند گداز هسته ای نوترونهای بیشتری رها میشوند كه با تغذیه واكنش زنجیره ای، انفجار شدیدتری را بدنبال می آورند. اینگونه بمبهای اتمی تقویت شده به بمبهای هیدروژنی یا بمبهای اتمی حرارتی موسومند.

کیک زرد
کیک زرد یا Yellowcake که بنام اورانیا (Urania) هم شناخته می شود در واقع خاک معدنی اورانیوم است که پس از طی مراحل تصفیه و پردازشهای لازم از سنگ معدنی آن تهیه می شود. تهیه این ماده به منزله رسیدن به بخش میانی از مراحل مختلف تصفیه سنگ معدن اورانیوم است و باید توجه داشت که فاصله بسیار زیادی برای استفاده در یک بمب اتمی دارد.

روش تهیه کیک زرد کاملآ به نوع سنگ معدن بدست آمده بستگی دارد، اما بطور معمول از طریق آسیاب کردن و انجام پردازش های شیمایی بر روی سنگ معدن اورانیوم، پودر زبر و زرد رنگی بدست می آید که قابلیت حل شدن در آب را ندارد و حدود ۸۰% غلظت اکسید اورانیوم آن خواهد بود. این پودر در دمایی معادل ۲۸۷۸ درجه سانتیگراد ذوب می شود.

روش تهیه
در ابتدا سنگ معدن توسط دستگاههای مخصوصی خرد شده آسیاب می شود و پس از آن برای جدا سازی اورانیم و بالا بردن خلوص خاک سنگ، آنرا در حمامی از اسید سولفوریک، آلکالاین و یا پراکسید می خوابانند، این عمل برای بدست آوردن اورانیوم خالص تر صورت می گیرد.

پس از این محصول بدست آمده را خشک و فیلتر می کنند و نتیجه آن چیزی خواهد شد که به کیک زرد معروف است. امروزه روشهای جدیدی برای تهیه این پودر اورانیوم وجود دارد که محصول آنها بیشتر از آنکه زرد باشد به قهوه ای و سیاه نزدیک است، در واقع رنگ ماده بدست آمده به میزان وجود ناخالصی ها در این پودر دارد.

نهادن این نام بر روی این محصول به گذشته بر می گردد که کیفیت روشهای خالص سازی سنگ معدن مناسب نبود و ماده بدست آمده زرد رنگ بود.

مواد تشکیل دهنده کیک زرد
قسمت بیشتر کیک زرد (معادل ۷۰-۹۰ درصد وزنی) شامل اکسید های اورانیوم با فرمول شیمیایی U۳O۸ - و یا سایر اکسید ها - است، و مابقی آن از دیگر موادی تشکیل شده است که مهمترین آنها عبارتند از :

- هیدراکسید اورانیوم با فرمول شیمایی UO۲(OH)۲ یا UO۲)۲(OH)۲) که در صنایع ساخت شیشه و سرامیک از آن استفاده می شود. این ماده تشعشع رادیو اکتیو دارد و باید تحت شرایط خاصی نگهداری و حمل شود.

- سولفات اورانیوم با فرمول شیمیایی (U۰۲S۰۴) که ماده ای بی بود با رنگ زرد لیمویی است.

- اکسید اورانیوم زرد (یا اورانیت سدیم) با فرمول شیمیایی Na۲O (UO۳)۲.۶H۲O که ماده ای با رنگ زرد - نارنجی است.

- پراکسید اورانیوم با فرمول شیمیایی UO۴·nH۲O با رنگ زرد کم رنگ.

یکی از کاربردهای کیک زرد تهیه هگزا فلوراید اورانیوم است. این گاز در حالت عادی حدود ۰.۷ درصد شامل ایزوتوپ ۲۳۵ است و مابقی آن ایزوتوپ ۲۳۸ است. در مرحله غنی سازی درصد U-۲۳۵ به حدود ۳.۵ یا حتی بیشتر افزایش داده می شود.
کاربردها
کیک زرد عمومآ برای تهیه سوخت رآکتورهای هسته ای بکار برده می شود، در واقع این ماده است که پس از انجام پردازشهایی به UO۲ تبدیل شده برای استفاده در میله های سوختی بکار برده می شود.

این ماده همچنین میتواند برای غنی سازی تبدیل به گاز هگزا فلوراید اورانیوم یا UF۶ تبدیل شود، چرا که در اینصورت می تواند چگالی ایزوتوپهای اورانیوم ۲۳۵ را در آن افزایش داد.

در هر صورت کیک زرد در اغلب کشورهایی که معادن طبیعی اورانیوم دارند تهیه می شود و تولید این ماده مشکل خاصی ندارد و بطور متوسط سالانه ۶۴ هزار تن از این ماده در جهان تولید می شود.

کانادا یکی از تولید کنندگان این ماده است، این کشور دارای معادنی است که خلوص سنگ اورانیوم آنها به ۲۰% هم می رسد، در آسیا نیز کشوری مانند قزاقستان دارای صنایع بزرگ تولید این پودر است.

قیمت این پودر در بازارهای بین المللی چیزی حدود ۲۵ دلار برای هر کیلو است.