غنی­سازی ايزوتوپی ( 1 )

تمام ايزوتوپ­های يک عنصر خواص شيميايی تقريباً يکسانی دارند، از اين رو جداسازی اين ايزوتوپ­ها بايستی متکی بر عوامل دقيقی که به وسيله­ی اختلاف در جرم اتم­ها به وجود آمده است، باشد. برخی از اين تکنيک­ها فيزيکی هستند ـ آنها متکی بر فرآيندهای فيزيکی هستند که عوامل وابسته به جرم می­باشند. برخی شيميايی هستند ـ اختلاف جرم ايزوتوپی ممکن است سرعت واکنش­های شيميايی را تحت تأثير قرار دهد. 

از آنجايی که از عوامل جزيی برای دستيابی به جداسازی استفاده می­شود؛ افزايش غلظت به دست آمده برای هر فرايند غنی سازی کوچک می­باشد. اين مسأله باعث می­شود که فرايند غنی سازی بسياری در دفعات زيادی در يک رشته گام­ها يا مراحل غنی سازی به کار برده شود. هر گام محصول غنی شده­ی مرحله­ی قبلی را به دست می­دهد و آن را بيشتر غنی می­کند. اين روش يک سيستم غنی کنندگی متوالی ايجاد می­کند که آبشار (cascade ) ناميده می­شود.

دو فاکتور يا عامل مهم عملکرد آبشار را تحت تأثير قرار می­دهد. فاکتور اولی، ضريب جداسازی است که بزرگ­تر از 1 است که مقدار قابليت غنی سازی ذاتی يک مرحله­ی واحد است. دومين فاکتور جداسازی، بيشترين مراحل مورد نياز برای دستيابی به درجه مطلوب غلظت است. فاکتور دومی، اتلاف قابل قبولی از ايزوتوپ مطلوب در جريان پسماند می­باشد. 

از آنجايي که فرايند کاربردي در ايران، روش سانتريفوژ گازي است در باره روند پخش گازي تنها به ذکر اين توصيف اکتفا مي شود که در روش پخش گازي، هگزافلورايد اورانيوم تحت فشار از ميان يک سري ديافراگم ها يا غشاهاي متخلخل گذر کرده از آنجايي که مولکولهاي اورانيوم 235 سبکتر از مولکولهاي اورانيوم و امکان کمي بيشتري براي عبور از سوراخهاي موجود در غشا را دارند. گاز UF6 که از طريق غشا پخش مي شود اندکي غني بوده ضمن اينکه آنچه که نمي تواند گذر کند تهي از اورانيوم 235 است.

 سانتريفوژ گازي

سانتريفوژ گازي نوعي هيپرسانتريفوژ است که براي توليد اورانيوم غني شده استفاده مي شود. اين روش در آلمان در طي جنگ جهاني دوم توسعه يافت اما موارد کاربرد واقعي آن تنها در دهه پنجاه و شصت ميلادي بود.

در اين روش از اثر سانتريفوژ که دوران سريع ماده سبب مي شود تا ايزوتوپهاي سنگين تر به طرف ديواره خارجي حرکت کنند استفاده شده و غالبا با استفاده از سانتريفوژ نوع زيپ (Zippe-type centrifuge) در شکل گازي انجام مي شود. عامل جداسازي در اين روش به تفاوت جرمي ايزوتوپهايي که بايد جداسازي شوند بستگي دارد.

نمونه نيروگاه هاي غني سازي اورانيوم که از اين روش استفاده مي کنند در Gronau/Wesphalia (آلمان) و بوسيله URENCO (اورنکو يک گروه صنعتي است که متشکل از شرکتهاي انگليسي، آلماني و هلندي مي باشد) در Capenhurst (بريتانيا) هستند.

علاوه بر نيروگاههاي اورنکو در بريتانيا، هلند و آلمان، چهار نيروگاه روسيه که چهل درصد ظرفيت جهان را بالغ مي شوند از اين شيوه استفاده مي کنند. ژاپن، چين و برزيل نيز نيروگاههاي سانتريفوژ را مي گردانند. پاکستان تکنولوژي غني سازي سانتريفوژ را توسعه داده و بنظر مي رسد که آن را به کره شمالي فروخته است ايران نيز داراي تکنولوژي سانتريفوژ پيچيده اي است.

در ايالات متحده آمريکا هيچ نيروگاه سانتريفوژ گازي فعاليت ندارد اما بتازگي آمريکا و فرانسه نيز درحال جايگزيني تکنولوژي سانتريفوژ بجاي نيروگاههاي پخش گازي قديمي هستند. اين روش نسبت به روش پخش گازي به انرژي کمتري براي رسيدن به جداسازي مشابه نياز داشته و از اين جهت غالبا اين شيوه که با استفاده از هگزافلورايد اورانيوم انجام مي شود جايگزين شيوه پخش گازي شده و بجاي آن استفاده مي گردد.

در غني سازي اورانيوم با روش سانتريفوژ گازي، از تعداد زيادي سيلندر دوار که به صورت موازي و سري کنارهم قرار داده شده اند استفاده مي شود. ماشينهاي سانتريفوژ جهت تشکيل "ترين ها" (trains) يا "مجموعه آبشارها يا کاسکادها" (سيستمهاي غني سازي دنباله اي) بهم مرتبط هستند.

اين دوران باعث ايجاد يک نيرو مرکزگريز مي شود بطوري که مولکولهاي گازي سنگين تر (که شامل اورانيوم 238 هستند) بطرف خارج سيلندر حرکت کرده و مولکولهاي گازي سبکتر (که شامل اورانيوم 235 است) در قسمت مرکزي (محور گردنده) جمع مي شوند.

گاز به داخل يک سري لوله هاي خلا تغذيه شده که هر يک شامل يک گردنده با بيش از دو متر طول و 20-15 سانتيمتر قطر هستند. وقتي که گردنده ها با سرعت بالا مي چرخند (rmpا 70000-50000) مولکولهاي سنگين تر حاوي اورانيوم 238 در لبه خارجي سيلندر متمرکز مي شوند. افزايش اورانيوم 235 نيز در نزديک مرکز وجود دارد. براي رسيدن به جداسازي موثر، به سانتريفوژهاي با سرعتهاي بالا نياز است. مراحل سانتريفوژ معمولاٌ شامل تعداد زيادي سانتريفوژ به صورت موازي است.

اين جريان گازي که کمي از اورانيوم 235 غني شده است بازگيري شده و به داخل مرحله بالاتر بعدي تغذيه مي شود ضمن اينکه جريان گازي کم تهي شده به مرحله پايين تر قبلي مجددا بازيابي مي شود. ميزان غني سازي اورانيوم 235 حاصل از يک مرحله تک واحدي سانتريفوژ گازي، بسيار بيشتر از ميزان آن در يک مرحله تک واحدي غني سازي پخش گازي است اما به تکنولوژي توسعه يافته اي براي توليد ماشينهاي سانتريفوژ نياز مي باشد. اين ماشينها بدليل سرعتهاي دوران مورد نياز در آنها، به مهندسي متالورژي پيچيده با دقت بالا و نياز دارند.

بخاطر ماهيت خورندگي UF6، تمام اجزايي که در تماس با اين ماده هستند بايد از مواد مقاوم در برابر خوردگي ساخته شوند. ظرفيت جداسازي يک سانتريفوژ تک واحدي، با طول گردنده و سرعت ديواره گردنده افزايش مي يابد. درنتيجه سانتريفوژهايي که داراي گردنده هاي يا روتورهاي پرسرعت و بلند باشند اهداف برنامه هاي توسعه سانتريفوژ هستند.

مواد مناسب براي گردنده ها شامل آلياژهاي آلومينيم، تيتانيم، فولاد ماراژين (maraging steel) يا ترکيباتي که با برخي شيشه هاي خاصي تقويت مي شوند، فيبرهاي کربني هستند. درحال حاضر فولاد ماراژين متداول ترين ماده گردنه است.

براي مصارف غيرنظامي، اورانيوم طبيعي که شامل 0.7 درصد اورانيوم 235 است به حدود 5-3 درصد اورانيوم 235 غني شده و اورانيوم تهي شده شامل 0.3-0.2 درصد اورانيوم 235 مي باشد. اما براي کاربردهاي نظامي، اورانيوم بسيار غني شده (HEU) که شامل بيش از 20 درصد اورانيوم 235 است معمولاٌ توليد مي شود.

از زمان راه اندازي، يک سانتريفوژ مدرن بمدت بيش از 10 سال بدون نگهداري به کار خود ادامه مي دهد.

مجموعه آبشارها يا کاسکادهاي بزرگ سانتريفوژ گازي که در کشورهاي فرانسه، آلمان، بريتانيا، و چين مورد استفاده قرار مي گيرند براي توليد اورانيومي است که براي مصارف داخلي و نيز صادرات است. اما در مورد ژاپن اين موارد صرفا جهت مصرف داخلي است. يک نيروگاه سانتريفوژ گازي مهم، در پيکتون اوهايوي آمريکا واقع است.

اين روش علاوه بر انرژي کمتر، به نيروگاه هاي با مقياس بمراتب کوچکتري نياز داشته و از اين جهت براي کشورهاي کوچکي که مبادرت به توليد سلاحهاي هسته اي مي نمايند داراي امکان پذيري اقتصادي است.

روسيه صنعت عظيم سانتريفوژ را از اتحاد جماهير سابق به ميراث برده است. گفته مي شد که عراق نيز اين روش را براي دستيابي به سلاحهاي هسته اي بکار گرفته بود. تصور مي شود که پاکستان بااستفاده از اين روش درحال ساخت يک کاسکاد کوچکتر جهت اهداف نظامي و توسعه سلاحهاي هسته اي خود است.

بايد توجه کرد که براي توليد تنها يک سلاح هسته اي در سال، به چندين هزار سانتريفوژ نياز مي باشد.

انرژی - محمد حسين راجي اسدآبادي:
براساس اظهارات آژانس بین‌المللی انرژی، تقاضا برای انرژی در جهان رو به افزایش است و این تقاضا در کشورهای توسعه یافته و در حال توسعه با سرعت بیشتری رو به رشد است.

در دنیا تقریباً 30درصد انرژی جهت تولید برق مصرف می‌شود. بقیه 70درصد آن در بخش حمل و نقل، تولید آب گرم و بخار و یا کلاً تولید انرژی حرارتی مصرف می‌شود.

این مسئله بیانگر این واقعیت است که کاربردهای غیرالکتریکی انرژی بخصوص در زمینه انرژی حرارتی، بخش قابل ملاحظه‌ای را به خود اختصاص می‌دهد.

در نتیجه نیاز به منابع انرژی که از نظر اقتصادی و زیست‌محیطی مزیت داشته باشد، روز به روز بیشتر احساس می‌شود.

گرچه هم اکنون در اکثر کشورها از سوخت‌های فسیلی (نفت، گاز، زغال‌سنگ) به عنوان مهمترین منبع تولید انرژی استفاده می‌شود، ولی آثار زیست‌محیطی آن، عدم قابلیت اطمینان در کافی بودن منابع سوخت‌های فسیلی برای تهیه انرژی در آینده، همچنین لزوم حفظ منابع نفت و گاز برای نسل‌های آینده، مسائلی است که جهان درگیر آن بوده و خواهد بود.

انرژی هسته‌ای دارای این پتانسیل و قابلیت است که تمام مسائل فوق را حل نماید. این انرژی پاک باعث آلودگی محیط‌زیست نشده و از قابلیت اطمینان بالایی به عنوان یک منبع انرژی مطمئن برای آینده برخوردار است.

فناوری پیشرفته امروزی این امکان را به بشر داده است تا بتواند از انرژی هسته‌ای به عنوان یک منبع بیکران و در شرایطی کاملاً ایمن، جهت تولید انرژی الکتریکی و غیرالکتریکی بهره جوید. گرچه شناخت این منبع عظیم انرژی بی نظیر با انفجارات هسته‌ای جنگ جهانی دوم روبه‌رو شد، ولی باید اذعان نمود که تصمیمات کشورهای مختلف برای استفاده از آن جهت تولید انرژی و از طرفی استفاده پزشکی، صنعتی و کشاورزی از تولیدات آن به نحوی است که دیگر هیچ جامعه‌ای از آن بی نیاز نیست.

روش­های غنی سازی

1-     جداسازی الکترومغناطیسی.

2-     پخش گازی.

3-     پخش مايع حرارتی.

4-     جداسازی سانتريفوژ گازی.

5-     جداسازی آئرودینامیکی.

6-     AVLIS ( جداسازی ایزوتوپ لیزر بخار اتمی ).

7-     روش شیمیایی.

8-     تقطیر.

9-     الکتروليز.

و ساعت ۱۴ دفائیه پروژه آقای حسینی صالح . موضوع شبیه سازی حلقه های کنترل نیروگاه طوس . استاد راهنما جناب آقای مهندس اکبری