غنی سازی اورانیوم چیست؟ + نحوه انجام به زبان ساده

اورانیوم ۲۳۸ نیمه‌عمری در حدود ۴/۸ میلیارد سال دارد. در حالی‌که نیمه‌عمر اورانیوم ۲۳۵ در حدود ۰/۷ میلیارد سال است. از این‌رو، ایزوتوپ های اورانیوم، ایزوتوپ‌های رادیواکتیوی نیستند.

اگر بخواهیم راکتوری را راه‌اندازی کنیم، به ۳ درصد اورانیوم غنی شده ۲۳۵ نیاز داریم. در این صورت، مقدار اورانیوم ۲۳۸ به ۹۷ درصد کاهش می‌یابد. بنابراین، برای رسیدن به سوخت راکتور باید مقدار اورانیوم ۲۳۸ در اورانیوم طبیعی کاهش و مقدار اورانیوم ۲۳۵ در آن افزایش یابد. به فرایند افزایش ایزوتوپ اورانیوم ۲۳۵ و کاهش ایزوتوپ اورانیوم ۲۳۸ در اورانیوم طبیعی، غنی سازی اورانیوم گفته می‌شود. شاید از خود بپرسید برای ساخت بمب اتم به چه مقدار اورانیوم ۲۳۵ نیاز داریم.

بمب اتم چیست ؟ — از نحوه ساخت تا طرز کار و قدرت تخریب

برای ساخت بمب اتم، مقدار اورانیوم ۲۳۵ باید به ۹۰ درصد افزایش یابد. در این حالت، مقدار ایزوتوپ اورانیوم ۲۳۸ از ۹۹/۳ درصد به ۱۰ درصد کاهش خواهد یافت. به احتمال زیاد با خود فکر کرده‌اید فرایند غنی سازی اورانیوم برای تامین سوخت راکتور با فرایند انجام شده برای ساخت بمب اتم، تفاوت دارد. باید بگوییم که فرایند غنی سازی اورانیوم در هر دو عمل یکسان است، اما مدت زمان رسیدن به ۳ درصد اورانیوم ۲۳۵ بسیار کمتر از مدت زمان رسیدن به ۹۰ درصد اورانیوم ۲۳۵ خواهد بود.

اورانیوم، عنصری است که به فراوانی در طبیعت یافت می‌شود. اما رسیدن به مقدار غنی‌سازی ۹۰ درصد، نکته اصلی برای ساخت بمب هسته‌ای است. پس از رسیدن به این مقدار اورانیوم غنی شده، ساخت بمب اتم بسیار آسان خواهد بود. غنی‌ سازی اورانیوم فرایند بسیار سخت و چالش‌برانگیزی است، زیرا اورانیوم ۲۳۸ و ۲۳۵ موادشیمیایی یکسانی هستند. هر یک از این دو ایزوتوپ، ۹۲ پروتون دارند. تنها تفاوت آن‌ها در تعداد نوترون‌های داخل هسته است. اورانیوم ۲۳۸ و اورانیوم ۲۳۵ به ترتیب ۱۴۶ و ۱۴۳ نوترون دارند. بنابراین، این دو ایزوتوپ، تنها در مقدار جرم با یکدیگر تفاوت دارند. گرچه تفاوت جرم آن‌ها کمتر از یک درصد است.

رآکتور هسته‌ای چیست؟ — به زبان ساده

فیلم آموزش مقدماتی شیمی تجزیه دستگاهی در فرادرس

روش نفوذ گازی در غنی سازی اورانیوم

برای انجام غنی سازی اورانیوم و رسیدن به سطح موردنظر باید از همین تفاوت جرم، هر چند خیلی کوچک، استفاده کنیم. غنی سازی اورانیوم فرایندی بسیار پیچیده است. در سال ۱۹۴۰ میلادی، ایالات متحده آمریکا برای انجام غنی سازی اورانیوم، آزمایشگاهی بسیار پیشرفته در «اوک ریج» (Oak Ridge) تاسیس کرد. هدف اصلی تاسیس این آزمایشگاه پیشرفته آن بود که دانشمندان بتوانند از تفاوت دو ایزوتوپ اورانیوم ۲۳۵ و اورانیوم ۲۳۸، هر جند بسیار اندک، آن‌ها از یکدیگر جدا کنند.

نیروگاه هسته ای اوک ریح — نیروگاه هسته‌ای اوک ریج

برای انجام این کار، ابتدا اورانیوم باید به گاز $UF_6$ تبدیل شود:

$U \rightarrow UF_ 6$

در این حالت تفاوت جرم دو ایزوتوپ حتی کوچک‌تر می‌شود، زیرا مولکول فلوئور وارد ترکیب شده است. از این‌رو، تفاوت جرم ایزوتوپ‌های اورانیوم بسیار کوچک‌تر خواهد شد. به این نکته توجه داشته باشید که جرم اورانیوم هگزافلورید ۲۳۸ اندکی از جرم اورانیوم هگزافلورید ۲۳۵ بیشتر است. برای جداسازی ایزوتوپ‌ها از فرایند نفوذ استفاده می‌کنیم. نفوذ با جذر جرم رابطه عکس دارد:

$diffusion \propto \frac{1}{\sqrt{m}}$

با توجه به رابطه بالا، هرچه جرم ماده‌ای کمتر باشد، با سرعت بیشتری نفوذ می‌کند. در مقابل، سرعت نفوذ ماده‌ای با جرم بیشتر کمتر است. از این ایده برای جداسازی ایزوتوپ‌های اورانیوم در آزمایشگاه اوک ریج استفاده کردند. جرم گاز اورانیوم هگزافلورید ۲۳۸ بیشتر از جرم گاز اورانیوم هگزافلورید ۲۳۵ است، بنابراین سرعت نفوذ آن‌ها با یکدیگر تفاوت دارد. فیلتری را بردارید و دو گاز با جرم‌های متفاوت را در مقابل آن قرار دهید. پس از گذشت مدت زمان مشخصی متوجه می‌شوید که سرعت نفوذ گاز سبک‌تر سریع‌تر از گاز سنگین‌تر است.

برای استفاده از فرایند نفوذ باید تجهیزات بسیار پیشرفته‌ای بسازیم،‌ زیرا فاکتور جداسازی بین دو جرم با استفاده از نفوذ گازها برابر ۱/۰۰۴۳ است. این عدد بدان معنا است که پس از هر مرحله جداسازی دو جرم، تنها ۰/۰۰۴۳ درصد پیشرفت به‌دست می‌آید. برای ساخت بمب اتم، درصد ایزوتوپ ۲۳۵ باید از ۰/۷ درصد به ۹۰ درصد افزایش یابد. برای غنی سازی اورانیوم تا این درصد و با توجه به آن‌که هر مرحله جداسازی، پیشرفتی در حدود ۰/۰۰۴۳ درصد دارد، باید زمان بسیاری صرف و از تجهیزات بسیار پیشرفته با تعداد زیاد استفاده شود.

سیستم نفوذ گازی استفاده شده در آزمایشگاه اوک ریج در تصویر زیر نشان داده شده است. محفظه‌های نشان داده شده در تصویر بسیار بزرگ هستند. در عکس زیر تنها یک محفظه می‌بینیم، در حالی‌که تعداد محفظه‌های استفاده شده بسیار زیاد است.

فرایند نفوذ گازی در تصویر زیر نشان داده شده است. گاز پرفشار $UF_6$ وارد محفظه می‌شود. داخل محفظه غشای نفوذ کوچکی وجود دارد. گاز $UF_6$ از دو گاز اورانیوم هگزافلورید ۲۳۵ و اورانیوم هگزافلورید ۲۳۸ تشکیل شده است. همان‌طور که در مطالب بالا گفتیم جرم این دو اندکی با یکدیگر تفاوت دارد، بنابراین سرعت نفوذ آن‌ها به هنگام عبور از غشای نفوذ با یکدیگر تفاوت خواهد داشت. در نتیجه، سرعت نفوذ گازِ سبک‌ترِ اورانیوم هگزافلورید ۲۳۵ بیشتر از سرعت نفوذ گازِ سنگین‌ترِ اورانیوم هگزافلورید ۲۳۸ خواهد بود. انتهای محفظه دو لوله برای خروج گازها تعبیه شده است:

لوله مربوط به خروج بخار غنی شده
لوله مربوط به خروج بخار سنگین‌تر

در نخستین مرحله، گاز پرفشاری با ۹۹/۳ درصد ایزوتوپ اورانیوم ۲۳۸ و ۰٫۷ درصد ایزوتوپ اورانیوم ۲۳۵ وارد محفظه جداسازی می‌شود. از آنجا که ضریب فاکتور جداسازی گازها در هر مرحله برابر ۱/۰۰۴۳ است، پس از پایان نخستین مرحله درصد ایزوتوپ اورانیوم ۲۳۵ برابر است با:

$0.7 \times 0.0043 = 0.003 \ ^ { 235 } U percentage= 0.7 + 0.003 = 0.7003$

در ادامه، بخار اورانیوم غنی شده را در سیستم مشابه دیگری قرار می‌دهیم. مقدار ۰/۷۰۰۳ به ۰/۷۰۳۳ افزایش می‌یابد. این فرایند تا رسیدن به عدد موردنظر برای اورانیوم غنی شده ادامه می‌یابد. درصد اورانیوم غنی شده بسته به کاربرد موردنظر متفاوت خواهد بود. فرایند غنی‌سازی به این روش در دهه ۴۰ و ۵۰ میلادی بسیار مورداستفاده قرار می‌گرفت. امروزه از چه روش‌هایی برای غنی سازی اورانیوم استفاده می‌شود؟ امروزه از روشی به نام سانتریفیوژ گازی استفاده می‌شود.

روش سانتریفیوژ گازی در غنی سازی اورانیوم

در ادامه، فرایند سانتریفیوژ را با جزییات بیشتری توضیح می‌دهیم. در این قسمت، تنها کلیات این روش را بیان می‌کنیم. در فرایند سانتریفیوژ، مواد با جرم‌های مختلف داخل دستگاهی قرار داده می‌شوند و با سرعت مشخصی می‌چرخند. اگر ترکیبی از چند ماده با جرم‌های مختلف تشکیل شده باشد و آن را داخل ظرفی قرار دهیم و ظرف را با سرعت زیاد بچرخانیم، مواد با جرم‌های سنگین‌تر به کناره‌های ظرف می‌روند. به این ترتیب می‌توانیم مواد با جرم‌های مختلف را در سانتریفیوژ از یکدیگر جدا کنیم.

سانتریفیوژهای استفاده شده در فرایند غنی سازی اورانیوم همانند تاب می‌چرخند و تعداد آن‌ها بسیار زیاد است. به این نکته توجه داشته باشید که حجم این سانتریفیوژها بسیار کمتر از حجم محفظه‌های استفاده شده در نفوذ گازی است. تصویر زیر چگونگی عملکرد این سانتریفیوژها را نشان می‌دهد.

همان‌طور که در تصویر بالا دیده می‌شود، ابتدا گاز $U F _ 6$ از لوله‌‌ای بالای سانتریفیوژ و سمت چپ آن وارد محفظه استوانه‌ای داخلی می‌شود. به دلیل چرخش استوانه به دور محور مرکزی خود، ماده سنگین‌تر به خارج استوانه می‌رود. ماده سنگین‌تر اورانیوم ۲۳۸ با درصد کمتر اورانیوم ۲۳۵ است. در قسمت مرکزی استوانه گاز سبک‌تر با درصد بیشتر اورانیوم ۲۳۵ یا همان اورانیوم غنی شده را داریم. فاکتور جداسازی در این روش برابر ۱/۵ است.

به عنوان مثال، در ابتدا گاز $U F _ 6$ با ۰/۷ درصد ایزوتوپ اورانیوم ۲۳۵ وارد محفظه استوانه‌ای می‌شود. از آنجا که ضریب فاکتور جداسازی گازها در هر مرحله برابر ۱/۵ است، پس از پایان نخستین مرحله، درصد ایزوتوپ اورانیوم ۲۳۵ برابر است با:

$0.7 \times 1/5 = 1.05 \ ^ { 235 } U percentage= 0.7 + 1.05 = 1.75$

در نتیجه، غنی سازی اورانیوم در این روش به تعداد گام‌های بسیار کمتری در مقایسه با روش فرایند نفوذ گازها، نیاز دارد. از این‌رو، رسیدن به درصد غنی‌سازی موردنظر در بازه زمانی بسیار کمتری رخ می‌دهد. تا اینجا می‌دانیم یکی از روش‌های رایج مورداستفاده در غنی سازی اورانیوم، استفاده از سانتریفیوژ در نیروگاه‌های هسته‌ای است. در ادامه، در مورد عملکرد سانتریفیوژها و انواع آن‌ها صحبت می‌کنیم.

سانتریفیوژ چیست ؟

در مطلب «سانتریفیوژ در شیمی — به زبان ساده» از مجله فرادرس سانتریفیوژ را تعریف کردیم. سانتریفیوژ وسیله‌ای است که با استفاده از نیروی گریز از مرکز می‌تواند ماده‌های مختلف در ترکیب مایع را جدا کند. نیروی گریز از مرکز به گونه‌ای بر جسم وارد می‌شود که آن را از محور چرخش دور کند.

در سانتریفیوژ نیروی گریز از مرکز معمولا هنگامی اعمال می‌شود که نمونه مایع با سرعت بالایی به دور محور مرکزی بچرخد. سرعت چرخش معمولا با rpm نشان داده می‌شود. rpm تعداد چرخش در هر دقیقه را نشان می‌دهد.

سانتریفیوژها براساس سرعت چرخش، انواع مختلفی دارند.

سانتریفیوژهای سرعت پایین: سرعت چرخش این سانتریفیوژها بین $4000 rpm$ تا $5000 rpm$ متغیر است.
سانتریفیوژهای سرعت متوسط: سرعت چرخش این سانتریفیوژها بین $15000 rpm$ تا $20000 rpm$ متغیر است. از این سانتریفیوژها در بیشتر آزمایش‌های تحقیقاتی استفاده می‌شود.
سانتریفیوژهای فراصوت: سرعت چرخش این سانتریفیوژها بین $65000 rpm$ تا $80000 rpm$ و حتی بیشتر تغییر می‌کند. سانتریفیوژهای فراصوت بسیار قدرتمند هستند و در خلأ نیز می‌توانند کار کنند. همچنین این سانتریفیوژها مجهز به سیستم سرمایشی برای جلوگیری از بالا رفتن دمای نمونه هستند.

سانتریفیوژ در شیمی — به زبان ساده

روتور چیست ؟

روتور یکی از قسمت‌های اصلی در سانتریفیوژ است. روتورهای استفاده شده در سانتریفیوژها معمولا به سه نوع مختلف تقسیم می‌شوند:

روتور زاویه ثابت: همان‌طور که از نام این نوع روتور مشخص است، لوله حاوی نمونه‌ها را در زاویه ثابتی نگه می‌دارند. زاویه این روتور به طور معمول برابر ۴۵ درجه است.
روتور سطلی نوسانی: در این نوع روتور لوله‌های حاوی نمونه‌ها داخل نگه‌دارنده‌ای قرار می‌گیرند که به صورت نشان داده شده در تصویر زیر توسط لولایی به یکدیگر متصل شده‌اند. در این نوع روتور، ابتدا نمونه‌ها به صورت عمودی قرار گرفته‌اند. به محض روشن شدن سانتریفیوژ، نمونه‌ها به حالت افقی درمی‌آیند. به همین دلیل، مسیر طی شده توسط ذرات بیشینه است. بنابراین، ذرات در مدت زمان بیشتری ته‌نشین می‌شوند.

روتورهای عمودی: همان‌طور که از نام این روتورها مشخص است، لوله‌های حاوی نمونه‌ها در حالت عمودی قرار دارند. از این‌رو، مسیر طی شده توسط ذرات بیشینه است. دلیل این موضوع آن است که ذرات از یکی از دیواره‌های لوله به دیواره دیگر می‌روند و لازم نیست همانند روتورهای سطلی نوسانی از ابتدای لوله به انتهای آن بروند. در این حالت ذرات معمولا روی دیواره‌های لوله‌ها جمع می‌شوند.

عامل‌های مختلفی بر عملکرد سانتریفیوژ تاثیر می‌گذارند. به این نکته توجه داشته باشید که ذرات چگال‌تر در مقایسه با ذراتی با چگالی کمتر، سریع‌تر ته‌نشین می‌شوند. اگر مایعِ داخل لوله سانتریفیوژ چگال باشد، ذرات، آهسته حرکت خواهند کرد.

نیروگاه هسته ای چیست و چگونه کار می کند؟ — به زبان ساده

فیلم آموزش رایگان فیزیک هسته ای پیشرفته – بخش یکم در فرادرس

سانتریفیوژ گازی چیست ؟

تا اینجا در مورد سانتریفیوژهایی صحبت کردیم که برای جداسازی ذرات داخل مایع استفاده می‌شوند. اما همان‌طور که در مطالب بالا اشاره شد، نمونه‌های به کار رفته در سانتریفیوژهای استفاده شده در غنی سازی اورانیوم، گازی هستند. از این‌رو دانشمندان به فکر یافتن راهی برای جداسازی بهینه ایزوتوپ‌های اورانیوم بودند. آن‌ها راه‌های مختلفی را امتحان کردند و جستجو برای یافتن راه بهتر همچنان ادامه دارد. یکی از این راه‌ها استفاده از سانتریفیوژهای گازی است که در بخش قبل کمی در مورد آن‌‌ها صحبت کردیم.

در سانتریفیوژ‌های گازی استفاده شده برای فرایند غنی‌ سازی اورانیوم از تعداد زیادی استوانه‌های چرخان استفاده می‌شود. این استوانه‌ها به شکل متوالی (سری)‌ یا موازی به منظور تشکیل قطارها و آبشارها، در کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند. در این فرایند، ابتدا گاز $UF_ 6$ وارد استوانه‌ای چرخان می‌شود. این استوانه با سرعت بسیار زیادی در حال چرخش است. به دلیل چرخش استوانه با سرعت بسیار زیاد، نیروی گریز از مرکز بسیار بزرگی ایجاد می‌شود. بنابراین، مولکول‌های سنگین‌تر گاز حاوی اورانیوم ۲۳۸ به سمت خارج استوانه حرکت می‌کنند.

در مقابل، مولکول‌های سبک‌تر گاز شامل اورانیوم ۲۳۵ در قسمت مرکزی استوانه جمع می‌شوند. بخار غنی‌شده داخل اورانیوم ۲۳۵ از استوانه خارج و به مرحله‌ بالاتر می‌رود. $UF_ 6$ غنی نشده بر مرحله پایین‌تر بازمی‌گردد.

همان‌طور که در مطالب بالا اشاره شد فاکتور جداسازی در سانتریفیوژ گازی بیشتر از فرایند نفوذ گازی است. به این نکته توجه داشته باشید که مقدار‌ فاکتور جداسازی در هر روش، مقدارهایی هستند که با استفاده از معادلات نظری به‌دست آمده‌اند. از این‌رو تعداد مرحله‌ها برای رسیدن به عدد موردنظر برای اورانیوم غنی شده در روش سانتریفیوژ گازی بسیار کمتر از روش نفوذ گازها است. در تصویر زیر تعداد سانتریفیوژهای استفاده شده برای رسیدن به اورانیوم غنی شده ۴ درصد و ۹۰ درصد نشان داده شده است.

گرچه ضریب جداسازی در روش سانتریفیوژی گازی بزرگ‌تر از روش نفوذ است، توان عملیاتی در سانتریفیوژ گازی کوچک است. بنابراین به تعداد زیادی سانتریفیوژ در خط‌های موازی نیاز است. برخلاف روش نفوذ، روش سانتریفیوژ از قسمت‌های متحرک تشکیل می‌شود. بنابراین، این قسمت‌های متحرک ممکن است شکسته شوند و گاهی نتایج فاجعه‌باری را بر جا بگذارند. گاهی خرابی در یکی از قسمت‌ها ممکن است، قسمت‌های دیگر را نیز از کار بیاندازد.

تا اینجا فهمیدیم اورانیوم غنی شده چیست و با استفاده از چه روش‌هایی انجام می‌شود. شاید از خود پرسیده باشید چرا اورانیوم را غنی می‌کنند. آیا فرایندی با چنین هزینه گزاف و امکانات ویژه ارزش صرف وقت و هزینه را دارد؟

برای غنی سازی اورانیوم به چه چیزی نیاز داریم ؟

امروزه در خبرها بارها عبارت‌های غنی سازی اورانیوم، درصد غنی سازی و سانتریفیوژ را شنیده‌اید. در نخستین نگاه نمی‌دانیم چرا این عبارت‌ها مهم هستند و چرا در خبرهای داخلی و خارجی بارها در مورد آن‌ها صحبت می‌شود. در مطالب بالا در مورد غنی سازی اورانیوم و چگونگی انجام آن با استفاده از دو روش نفوذ و سانتریفیوژ گازی صحبت کردیم. همچنین، همان‌طور که اشاره شد ۹۹ درصد اورانیوم طبیعی از ایزوتوپ ۲۳۸ و کمتر از یک درصد آن از ایزوتوپ ۲۳۵ تشکیل شده است. در اورانیوم غنی شده درصد اورانیوم ۲۳۵ به مقدار موردنظر افزایش می‌یابد.

چرا درصد اورانیوم ۲۳۵ در غنی سازی اورانیوم افزایش می‌ یابد؟ زیرا این ایزوتوپ شکافت‌پذیر است. تنها کاری که برای شکافت اورانیوم ۲۳۵ باید کرد آن است که نوترونی با انرژی کم را به سمت آن شلیک کنیم. نوترون اتم را نمی‌شکند، بلکه توسط اتم جذب و سبب ناپایداری آن می‌شود. اتمِ ناپایدار می‌شکافد و انرژی و تعداد زیادی نوترون آزاد می‌کند. نوترون‌های ایجاد شده به دیگر اتم‌های اورانیوم ۲۳۵ برخورد می‌کنند و واکنش زنجیره‌ای شکافت ادامه می‌یابد. به این نکته توجه داشته باشید که اورانیوم ۲۳۸ نیز می‌تواند شکافته شود، ولی برای انجام این کار به نوترونی با انرژی بسیار زیاد نیاز داریم. از این‌رو، بازده آن بسیار کوچک خواهد بود.

شکافت هسته ای چیست ؟ | به زبان ساده

فیلم آموزش فیزیک مدرن با رویکرد حل مساله در فرادرس

درصد غنی‌ سازی اورانیوم در بیشتر نیروگاه‌های هسته‌ای عددی بین ۳ تا ۵ درصد است. اما غلظت اورانیوم ۲۳۵ برای ساخت بمب اتم باید در حدود ۹۰ درصد باشد. سوال اصلی آن است که چگونه درصد اورانیوم ۲۳۵ را از مقدار ۰/۷ درصد در اورانیوم طبیعی به عددهای گفته شده افزایش می‌دهیم؟ اینجا همان‌ جایی است که غنی سازی نقش اصلی را ایفا می‌کند. یکی از ابتدایی‌ترین روش‌های غنی سازی اورانیوم استفاده از نفوذ گازی بود که در دهه ۴۰ میلادی برای ساخت نخستین بمب اتم استفاده شد.

نخستین گام برای انجام این روش تبدیل اورانیوم به گاز با اضافه کردن شش اتم فلوئور به آن و به دست آوردن ترکیب گازی $UF_6$ است. در ادامه، این ترکیب را از غشا عبور می‌دهیم. اندازه حفره‌های غشا به گونه‌ای است که مولکول‌ها از آن‌ها عبور می‌کنند. اورانیوم ۲۳۵ سبک‌تر با سرعت بیشتری از حفره‌های غشا عبور می‌کند. بنابراین، پس از چند صد غشا به مقدار موردنظر برای اورانیوم ۲۳۵ می‌رسیم. پس از غشا، از سانتریفیوژهای گازی برای غنی سازی اورانیوم استفاده شد. در بخش قبل در مورد سانتریفیوژها توضیح دادیم. سرعت چرخش سانتریفیوژهای گازی برای غنی سازی بسیار زیاد است.

هزاران سانتریفیوژ به صورت متوالی به یکدیگر متصل شده‌اند. به محض آن‌که درصد غنی سازی اورانیوم به ۲۰ درصد رسید، برای ساخت بمب اتم، تنها کافی است چیدمان سانتریفیوژها را تغییر دهیم. در این مرحله، دست‌یابی به بمب هسته‌ای بسیار راحت خواهد بود. بنابراین، بررسی چیدمان سانتریفیوژها بهترین راهی است که از طریق آن می‌توانیم بدانیم کشوری از برنامه‌ هسته‌ای خود به صورت صلح‌آمیز استفاده می‌کند یا خیر. انرژی هسته‌ای در صورت استفاده صلح‌آمیز، بهترین گزینه برای جایگزینی سوخت‌های فسیلی است.

اورانیوم تهی شده یا پس مانده چیست ؟

در مطالب بالا در مورد غنی سازی اورانیوم صحبت کردیم. با استفاده از این کار می‌توانیم به سوخت راکتور یا بمب هسته‌ای برسیم. به اورانیوم باقی‌مانده، اورانیوم پس‌مانده یا تهی شده گفته می‌شود. سوالی که ممکن است مطرح شود آن است که چه اتفاقی برای این اورانیوم می‌افتد. فرض کنید شش واحد اورانیوم طبیعی داریم. این ۶ واحد ممکن است کیلوگرم، لیتر یا گرم باشد. مقدار اورانیوم ۲۳۵ در این مقدار برابر ۰/۷ درصد است. فرض کنید غنی‌سازی را با این مقدار اورانیوم طبیعی شروع می‌کنیم و پس از پایان کار به یک واحد اورانیوم با ۳/۲ درصد اورانیوم ۲۳۵ می‌رسیم. اورانیوم غنی شده در این مرحله را می‌توان به عنوان سوخت راکتور در نظر گرفت.

همچنین، ۵ واحد اورانیوم تهی شده از اورانیوم ۲۳۵ در انتها داریم. به بیان دیگر، درصد اورانیوم ۲۳۵ در این ۵ واحد برابر ۰/۲ درصد است. هر مقدار سوختی که برای راکتور ساخته می‌شود، ۵ واحد اورانیوم تهی شده نیز به‌دست می‌آید. اگر هدف از غنی‌ سازی اورانیوم، رسیدن به بمب اتم باشد، مقدار اورانیوم تهی شده به طور قابل‌ملاحظه‌ای افزایش خواهد یافت به طوری که مقدار آن از ۵ واحد ممکن است به ۵۰ واحد افزایش یابد. با این مقدار اورانیوم تهی شده چه کاری می‌توان انجام داد؟ اورانیوم تهی شده را می‌توان سال‌های زیادی ذخیره نمود. اگر در سیکل‌های راکتور از اورانیوم ۲۳۸ به عنوان سوخت استفاده کنیم. در این حالت تمام سوخت موردنیاز را در اختیار خواهیم داشت.

از اورانیوم ۲۳۸ برای مورد دیگری نیز می‌توان استفاده کرد. آیا تاکنون با خود فکر کرده‌اید که گلوله‌های تفنگ‌های مختلف از چه چیزی ساخته شده‌اند. به طور حتم تاکنون نام گلوله‌های پلاستیکی را شنیده‌اید. این گلوله‌ها داخل بدن نفوذ یا زخمی ایجاد نمی‌کنند. اگر گلوله‌ها از سرب ساخته شوند، بسیار سنگین خواهند بود و به سرعت داخل بدن نفوذ خوهند کرد. اگر گلوله از اورانیوم ساخته شود، جرم آن در مقایسه با گلوله سربی بیشتر خواهد بود. اورانیوم ویژگی مهم دیگری نیز دارد. به هنگام برخورد اورانیوم با آهن واکنش شیمیایی از نوع گرماده رخ می‌دهد. این بدان معنا است که زرهی نظامی مانند فولادی ۷ سانتی‌متری که به عنوان حفاظ، جلوی تانک‌های نظامی نصب می‌شود، در مقابل گلوله‌های ساخته شده از اورانیوم به طور کامل نفوذپذیر است.

گلوله‌های ساخته شده از اورانیوم پس از برخورد با زره فولادی ذوب می‌شوند و به داخل تانک نفوذ می‌کنند. بنابراین، تانک به راحتی منفجر می‌شود. از این‌رو، بیشتر حکومت‌ها مهمات جنگی خود را با استفاده از اورانیوم می‌سازند.

اورانیوم عنصری رادیواکتیو است، اما درصد آن خیلی زیاد نیست. در این صورت، به طور حتم با خود فکر می‌کنید استفاده از اورانیوم در ساخت مهمات جنگی خطرناک است و سربازان و افراد زیادی را تحت‌تاثیر پرتوهای رادیواکتیو خطرناک قرار می‌هد. این نگرانی منطقی به نظر می‌رسد. اما نگرانی مهم‌تری وجود دارد. اگر شما در جبهه‌ای مشغول به جنگ باشید و طرف مقابل از گلوله‌هایی استفاده کند که نوک آن‌ها از اورانیوم ساخته شده باشد و شما چنین گلوله‌هایی نداشته باشد، به طور حتم تمایل دارید در جبهه مقابل در حال مبارزه باشید. جنگ نظمی ندارد، در آن دو دسته از افراد یا بیشتر تلاش دارند یکدیگر را بکشند. اگر کشور شما بخواهد در جنگ پیروز شود، بهترین و پیشرفته‌ترین تجهیزات جنگی را در اختیار سربازان خود قرار می‌دهد. در این حالت، تانک دشمن به راحتی منفجر می‌شود.

جنگ‌ همواره خسارت‌های جبران‌ناپذیری بر جا می‌گذارد. آلودگی ناشی از گلوله‌های سربی یکی از خسارت‌های جبران‌ناپذیر جنگ است. به جا ماندن مقدار بسیار کوچکی اورانیوم روی زمین بسیار خطرناک خواهد بود. همان‌طور که گفتیم گلوله‌ها پس از برخورد با عنصری مانند فولاد یا آهن در آن نفوذ و تبخیر می‌شوند. در این حالت، اورانیوم به صورت بخار وارد هوا می‌شود. بنابراین، سلامتی سربازان به خطر می‌افتد. در جنگ، اورانیوم تهی شده ممکن است منفجر شود. سوالی که ممکن است مطرح شود آن است که اگر سال‌ها پس از جنگ، فرد یا افرادی بخواهند در همان محل زندگی کنند، چه اتفاقی ممکن است رخ دهد.

به این نکته توجه داشته باشید که میزان مسمومیت سرب و اورانیوم با تقریب خوبی با یکدیگر برابر است. امروزه ازگلوله‌های سربی استفاده نمی‌شود، زیرا آب عبور کرده از داخل این لوله‌ها ممکن است مقداری سرب از دیواره‌ها جدا و با خود حمل کند. همچنین، از رنگ‌های سربی دیگر استفاده نمی‌شود، زیرا ممکن است در تماس با این رنگ‌ها، سرب داخل آن‌ها با بدن ما تماس مستقیم داشته باشد. این نکته را در ذهن داشته باشید که تمام گلوله‌های استفاده شده در جنگ از سرب ساخته شده‌اند. میزان مسمومیت ناشی از اورانیوم مشابه سرب است. همچنین، اورانیوم عنصری پرتوزا با نیمه‌عمری برابر ۴/۵ میلیارد سال است. از آنجا که نیمه‌عمر اورانیوم بسیار طولانی است، میزان مسمومیت رادیولوژیکی آن بسیار اندک خواهد بود.

فرض کنید میزان پرتوزایی اورانیوم تهی شده را با استفاده از دستگاه پرتوسنج اندازه می‌گیریم. میزان پرتوزایی اورانیوم تهی شده در حدود میزان پرتوزایی فسیل است. به این نکته توجه داشته باشید که نیمه‌عمر اورانیوم ۲۳۵ کوتاه است. مقدار این ماده پرتوزا در اورانیوم تهی شده بسیار کم و در حدود ۰/۲ درصد خواهد بود. همان‌طور که در مطالب بالا گفتیم در جنگ‌ها از گلوله‌های ساخته شده از اورانیوم استفاده و این گلوله‌ها به هنگام برخورد با فولاد یا آهن تبخیر و اورانیوم تبخیر شده به صورت گاز وارد هوا می‌شود. سربازها در میدان جنگ این گاز را تنفس می‌کنند، بنابراین ممکن است مقدار کمی اورانیوم در بدن آن‌ها یافت شود. از این‌رو، مطالعات زیادی به صورت دوره‌ای در مورد اثر اورانیوم باقی‌مانده از جنگ بر سلامت سربازها انجام شده است.

تا اینجا می‌دانیم غنی سازی اورانیوم چیست و چگونه انجام می‌شود. به طور حتم سریال معروف «چرنوبیل» (Chernobyl) را تماشا کرده‌اید یا نام آن را شنیده‌اید. در ادامه در مورد این حادثه تلخ و اثرات آن صحبت می‌کنیم.

فرایند غنی سازی اورانیوم چیست ؟

همان‌طور که در مطالب بالا اشاره شد در فرایند غنی سازی، اورانیوم باید به شکل گاز باشد، بنابراین راحت‌ترین راه برای داشتن اورانیوم گازی تبدیل آن به اورانیوم هگزافلوئورید است. شاید از خود بپرسید چرا اورانیوم در فرایند غنی سازی باید به شکل گاز باشد. دلیل این موضوع آن است که دو ایزوتوپ آن مشخصات فیزیکی و شیمیایی متفاوتی دارند. از این تفاوت‌ها هنگامی می‌توان به خوبی استفاده کرد که اورانیوم به شکل گاز باشد. فرایند تبدیل کنستانتره اکسید اورانیوم به اورانیوم هگزافلوئورید در نیروگاهِ تبدیل انجام می‌شود. این مرحله، نخستین مرحله از غنی‌ سازی اورانیوم پس از استخراج آن از معدن است. فرآیند اصلی تبدیل مورد استفاده در کانادا، فرانسه و روسیه به عنوان «فرایند مرطوب» شناخته می‌شود و شامل چندین مرحله تبدیل شیمیایی است.

اورانیوم هگزافلوراید — اتم آبی در مرکز اتم اورانیوم و اتم‌های سبز، شش اتم فلوئور هستند که اتم اورانیوم را محاصره کرده‌اند. این ماده در دمای نسبتا پایینی به شکل گاز درمی‌آید.

در ابتدا، کنستانتره اکسید اورانیوم در اسید نیتریک ( $HNO _ 3$ ) حل می‌شود. در اثر واکنش شیمیایی بین اکسید اورانیوم و اسید نیتریک، اورانیل نیترات ( $(UO_2 (NO_3)_2)$ تولید خواهد شد. در ادامه، اورانیل نیترات خالص‌سازی، تبخیر و در پایان به شکل گرمایی تجزیه می‌شود. پس از انجام این مراحل، پودر دی‌اکسید اورانیوم تشکیل خواهد شد ( $UO_3$ ). پس از این مرحله، تری‌اکسید اورانیوم طی دو مرحله در کوره قرار گرفتن به دی‌اکسید اورانیوم تبدیل می‌شود. سپس دی‌اکسید اورانیوم با هیدروژن فلوئورید واکنش می‌دهد و اورانیوم تترافلوئوراید تولید خواهد شد. در پایان،‌ اورانیوم تترافلوئورید وارد راکتوری با بستر سیال می‌شود و پس از واکنش با فلوئور گازی به اورانیوم هگزافلوئورید ( $U F _ 6$ ) تبدیل می‌شود. پس از تولید $U F _ 6$ ، اورانیوم هگزافلوئورید به دلیل وجود ناخالصی در‌ آن باید خالص‌سازی و پالایش شود.

برای انجام این کار سه روش مهم وجود دارند. در مطالب بالا در مورد دو روش صحبت کردیم. در ادامه، بار دیگر دو روش ذکر شده به همراه روش سوم را به صورت خلاصه توضیح می‌دهیم.

نفوذ گازی

نفوذ گازی تا سال‌های زیادی یکی از فرایندهای اصلی در غنی سازی اورانیوم بود. برای آن‌که به صورت فیزیکی بتوان اورانیوم را جدا کرد، ابتدا کیک زرد اورانیوم به صورت شیمیایی به اورانیوم هگزافلوئورید تبدیل می‌شد. شاید از خود بپرسید کیک زرد اورانیوم چیست. اورانیوم کیک زرد به طور معمول پودری زردرنگ متشکل از اکسید اورانیوم با فرمول شیمیایی $U _ 3 O _8$ است. در سیکل سوخت هسته‌ای، کیک زرد محصول مرحل دوم خواهد بود و به طور مستقیم پس از استخراج اورانیوم از معدن و پس از آسیاب کردن تولید می‌شود. توجه به این نکته مهم است که اورانیوم هگزافلوئوراید در شرایط معمولی به شکل جامد است، اما با افزایش آهسته دما یا کاهش فشار به گاز تبدیل می‌شود.

از آنجا که مولکول‌های $^{235}U F _ 6$ اندکی از مولکول‌های $^{238}U F _ 6$ سبک‌تر هستند، با سرعت بیشتری نفوذ می‌کنند. از این‌رو، اگر اورانیوم هگزافلوئورید از لوله بسیار بلندی عبور کند، درصد اورانیوم ۲۳۵ در گاز خارج شده از انتهای آن اندکی بیشتر خواهد بود. به این نکته توجه داشته باشید که طول لوله باید بسیار زیاد باشد، زیرا $^{235}U F _ 6$ تنها ۰/۴۳ درصد سریع‌تر از $^{238}U F _ 6$ سریع‌تر نفوذ می‌‌کند. به همین دلیل، امروزه از این روش به صورت گسترده استفاده نمی‌شود.

سانتریفیوژهای گازی

همان‌طور که در مطالب بالا گفتیم، امروز غنی سازی اورانیوم با استفاده از سانتریفیوژهای ویژه‌ای به نام سانتریفیوژهای گازی انجام می‌شود. جداسازی در این فرایند به دلیل تفاوت جرم مولکول‌ها رخ می‌دهد. در اینجا، اورانیوم هگزافلوئورید وارد سیلندری تخلیه شده شامل روتور می‌شود. هنگامی که این روتورهای با سرعت بسیار بالایی شروع به چرخیدن می‌کنند، مولکول‌های سنگین‌تر $^{238}U F _ 6$ در نزدیکی دیواره‌های سیلندر جمع می‌شوند. در مقابل، مولکول‌های سبک‌تر $^{23‌5}U F _ 6$ در نزدیکی محور مرکزی جمع خواهند شد. در ادامه، محصول غنی شده خارج می‌شود. از آنجا که در این روش، تنها به حدود ۳ درصد توان نیاز است، استفاده از آن بر روش گازی ترجیح داده شد.

جداسازی با استفاده از سانتریفیوژها گازی از نظر انرژی بسیار به صرفه‌تر از روش نفوذ گازی است، زیرا به ازای هر مقدار جداسازی انجام شده در فرایند غنی‌سازی به ۵۰ تا ۶۰ کیلووات بر ساعت انرژی نیاز دارد. همچنین، اندازه سانتریفیوژها در مقایسه با لوله استفاده شده در نفوذ گازی، بسیار کوچک‌تر است. برای آن‌که جداسازی به صورت بهینه رخ دهد، سانتریفیوژها باید با سرعت بسیار زیادی در حدود ۵۰ تا ۷۰ هزار چرخش در دقیقه، بچرخند. گرچه سانتریفیوژها، اورانیوم کمتری را در مقایسه با نفوذ گازی در خود نگه می‌دارند، ایزوتوپ‌ها را با بازدهی بیشتری از یکدیگر جدا می‌کنند. جداسازی با استفاده از سانتریفیوژهای گازی به طور معمول از تعداد زیادی سانتریفیوژهای بزرگ تشکل شده است که به صورت موازی قرار می‌گیرند.

جداسازی ایزوتوپ لیزری

استفاده از لیزر در جداسازی ایزوتوپ‌های اورانیوم هنوز در مراحل ابتدایی قرار دارد و کارهای زیادی برای رسیدن این روش به مرحله موردنظر باید انجام شود. در این روش انرژی ورودی نسبت به دو روش بالا کمتر و مزایای اقتصادی آن نسبت به روش‌های بالا بیشتر است. در این فرایند، لیزری با طول موجی مشخص با گاز یا بخار برهم‌کنش می‌کند. همان‌طور که می‌دانیم هر موجی با فرکانسی مشخص، مقدار انرژی مشخصی نیز دارد. از این‌رو، لیزر نیز انرژی متناسب با فرکانس خود خواهد داشت و برهم‌کنش آن با گاز یا بخار سبب یونیزاسیون یا برانگیختگی ایزوتوپ‌های مشخصی داخل بخار می‌شود. بنابراین، ممکن است بتوان مولکول‌های حاوی ایزوتوپی خاص را به منظور جمع‌آوری ایزوتوپ برانگیخته جدا کرد.

حادثه چرنوبیل چگونه رخ داد ؟

فاجعه‌بارترین حادثه هسته‌ای در سال ۱۹۸۶ میلادی در شهری به نام چرنوبیل رخ داد. در آن سال اتحادیه جماهیر شوروی از راکتورهای «RMBK» برای غنی سازی اورانیوم استفاده می‌کرد. در مقابل، کشورهای غربی مانند آمریکا از راکتورهای آب سبک (Light Water Reactor | LWR) استفاده می‌کردند. در تصویر زیر دو راکتور RMBK و LWR با یکدیگر مقایسه شده‌اند.

فیلم آموزش فیزیک هسته‎ ای 2 در فرادرس

شماره‌های ۱، ۲، ۳ و ۴ نشان داده شده در تصویر زیر به ترتیب قسمت‌های زیر را نشان می‌دهند:

سوخت هسته‌ای که به صورت مستطیل‌های سیاه در عکس نشان داده شده‌اند.
تعدیل‌کننده
سیم‌های کنترل‌کننده
ساختار اطراف

شیر فشار، سیم‌های کنترل‌کننده و سوخت هسته‌ای داخل راکتور LWR قرار دارند. راکتورهای RBMK و LWR چه تفاوتی با یکدیگر دارند؟ تفاوت اصلی این دو راکتور در ساختار اطراف آن‌ها است. همان‌طور که در تصویر بالا دیده می‌شود خط کشیده شده به دور راکتور LWR در مقایسه با خط رسم شده به دور راکتور RMBK ضخیم‌تر است. به بیان دیگر، ساختار اطراف دو راکتور با یکدیگر تفاوت دارند. به ساختار اطراف راکتور LWR ساختمان مهار گفته می‌شود و ساخت آن با هزینه بالایی همراه است. ساختمان مهار سازه‌ای سیمانی است که ضخامتی در حدود ۹۰ سانتی‌متر دارد. استحکام این ساختار به اندازه‌ای محکم است که هواپیمای جت پس از برخورد به آن از بین می‌رود، اما سازه همچنان در جایگاه خود باقی می‌ماند.

شاید از خود بپرسید هدف از قرار دادن سازه‌ای با این استحکام در اطراف سوخت هسته‌ای و تعدیل‌کننده‌ها چیست. ممکن است به هنگام کار با راکتورهای هسته‌ای سیستم‌های ایمنی دچار نقص فنی شوند. در این حالت، زباله‌های هسته‌ای به بیرون از راکتور نفوذ می‌کنند. قرار دادن چنین محافظی به دور راکتور از خروج زباله‌های هسته‌ای به خارج از راکتور جلوگیری می‌کند. راکتورهای استفاده شده در اتحادیه جماهیر شوروی، یعنی راکتورهای RMBK، چنین محافظی نداشتند. خط نازک نشان داده شده در اطراف راکتور RMBK ساز‌ه‌ای معمولی، مانند ساختمانی سیمانی، را نشان می‌دهد. این سازه نمی‌تواند از نفوذ زباله‌های هسته‌ای به خارج از راکتور جلوگیری کند. شاید با خود فکر کنید دلیل اصلی حادثه چرنوبیل از این نقطه اتفاق افتاد، اما اشتباه فکر می‌کنید. در تمام دنیا از ساختمان مهار استفاده می‌شود.

تفاوت بسیار مهم دیگری نیز وجود دارد. این تفاوت به قسمت تعدیل‌کننده و نوترون‌ها مربوط می‌شود. به نمودار نشان داده شده در تصویر زیر دقت کنید. در این نمودار احتمال شکافت نسبت به سرعت نوترون‌ها به شکل نموداری لگاریتمی رسم شده است. نوترون‌ها به سرعت متولد می‌شوند، بنابراین در فرایند شکافت هسته‌ای تولید خواهند شد. اما فرایند شکافت هسته‌ای تنها هنگامی رخ می‌دهد که نوترون‌ها با سرعت کمی حرکت کنند. از این‌رو، باید با استفاده از روشی مناسب، سرعت حرکت نوترون‌ها را کاهش می‌دهیم. این کار توسط تعدیل‌کننده انجام می‌شود. تعدیل‌کننده چه چیزی می‌تواند باشد؟ تعدیل‌کننده باید جرمی در حدود جرم نوترون داشته باشد.

عنصر هیدروژن یکی از بهترین تعدیل‌کننده‌ها است. هیدروژن، یک پروتون در هسته خود دارد و جرم آن در حدود جرم نوترون است. سرعت نوترون پس از برخورد با هیدروژن کاهش می‌یابد. برای انجام این کار نمی‌توان از گاز هیدروژن استفاده کرد، زیرا هیدروژن گازی انفجاری است و استفاده از آن خطرات زیادی دارد. از تعدیل‌کننده‌های دیگری مانند کربن به شکل گرافیت نیز می‌توان استفاده کرد، اما عملکرد آن‌ها به خوبی آب نیست. هدف اصلی شکافت هسته‌ای به جوش آوردن آب است. آب پس از به جوش آمدن به بخار تبدیل می‌شود، سپس بخار آب، توربینی را به حرکت درمی‌آورد. در ادامه، توربین، ژنوراتور را می‌چرخاند.

در تمام راکتورها، به جز راکتور استفاده شده در چرنوبیل، آب به عنوان تعدیل‌کننده استفاده و همان آب به بخار تبدیل می‌شد. نکته زیبا در مورد این راکتورها آن است که اگر به هر دلیلی سیستم ایمنی از کار می‌افتاد یا لوله‌ای می‌ترکید و آب از دست می‌رفت، فرایند شکافت هسته‌ای متوقف می‌شد. زیرا هیچ تعدیل‌کننده‌ای برای کاهش سرعت نوترون‌ها وجود نداشت. همان‌طور که در نمودار بالا دیده می‌شود، نوترون‌ها بدون وجود تعدیل‌کننده با سرعت زیادی حرکت می‌کنند و نوترون‌های پرسرعت با احتمال کمی در واکنش‌های شکافت شرکت خواهند کرد. اجازه دهید به قضیه از دیدگاه دیگری نگاه کنیم. فرض کنید به جای آب از کربن به عنوان تعدیل‌کننده استفاده شود. در این حالت هنوز راکتور با جوشاندن آب سرد می‌شود.

حادثه چرنوبیل و انفجار نیروگاه هسته ای - غنی سازی اورانیوم

اگر خنک‌کننده را از دست بدهیم، راکتور داغ می‌شود و دمای آن به طور قابل‌ملاحظه‌ای افزایش می‌یابد. در این حالت، واکنش‌های شکافت متوقف نمی‌شوند. زیرا تعدیل‌کننده کربن هنوز وجود دارد. دلیل دوم وقوع فاجعه چرنوبیل به این خاطر بود. راکتور RMBK استفاده شده در چرنوبیل در تصویر زیر نشان داده شده است. شماره‌های نوشته شده در تصویر زیر به ترتیب قسمت‌های زیر را نشان می‌دهند:

تعدیل‌کننده گرافیت در مرکز راکتور
سیم‌های کنترل‌کننده
کانال‌های فشار با میله‌های سوخت
ترکیب آب و بخار
آب
جداکننده آب و بخار
ورودی بخار
توربین بخارِ فشار بالا
توربین بخارِ فشار پایین
ژنراتور
پمپ
کندانسور بخار
آب خنک‌کننده (آب رودخانه یا دریا)

همان‌طور که در تصویر بالا دیده می‌شود، لوله‌های فشار داخل راکتور RMBK وجود دارند. این لوله‌ها آبِ به جوش آمده را در راکتور می‌چرخانند. تعدیل‌کننده‌ استفاده شده در این راکتور کربن است که به شکل استوانه‌های گرافیتی استفاده می‌شوند. واکنش‌های زنجیره‌ای شکافت، تنها می توانند توسط میله‌های کنترل‌کننده کنترل شوند. بنابراین، این راکتور در صورت از دست دادن خنک‌کننده متوقف نمی‌شود. راکتورها هر از گاهی لازم است سوخت‌گیری کنند. اورانیوم انرژی بسیار زیادی دارد، بنابراین هر سال لازم است برخی از میله‌های سوخت استفاده شده را از راکتور خارج و میله‌های جدیدی را جایگزین آن‌ها کنیم. در ماه آوریل سال ۱۹۸۶ تصمیم بر آن بود که راکتور چرنوبیل خاموش و مجددا سوخت‌گیری شود. این کار سالی یک‌بار انجام می‌شد.

از نیروگاه هسته‌ای واقع در چرنوبیل برای تامین الکتریسیته استفاده می‌شد. حادثه چرنوبیل به دلیل خطای انسانی و نه به دلیل خطای مکانیکی و توسط عده‌ای از مهندسان به هنگام بررسی سیستم ایمنی رخ داد. راکتور برای کار کردن به الکتریسیته نیاز دارد. بنابراین، راکتورها، سیستم‌های الکتریسیته بسیاری به عنوان پشتیبان دارند. به طور معمول، ژنراتوری دیزلی در مکانی خاص وجود دارد. این ژنوراتورها با استفاده از باتری داخل آن‌ها، قسمت‌های دیگر را پشتیبانی می‌کنند. شاید با استفاده از نیروگاه‌ هسته‌ای نمی‌شد الکتریسیته تمام شهر «کیف» (Kiev) را تامین کرد، اما الکتریسیته تولید شده به حدی بود که بتوان توربین‌ها را به حرکت درآورد یا آب خنک‌کننده را متوقف کرد. با انجام این کار سیستم‌های ایمنی و راکتور برای مدت زمان مشخصی کار می‌کردند.

فیلم آموزش فیزیک – پایه دوازدهم در فرادرس

مهندسین راکتور در چرنوبیل می‌خواستند راکتور را خاموش کنند و در حالت خاموشی، مقدار بخار تولید شده را به‌دست آورند و هنوز قادر به اجرای سیستم‌های ایمنی بودند. عصر روز بیست‌وششم آوریل سال ۱۹۸۶ میلادی را تصور کنید. راکتورها با توان مشخصی تا نیمه‌شب کار می‌کردند. در نیمه‌شب تصمیم بر آن شد که توان الکتریسیته به نصف کاهش یابد. مقدار الکتریسیته اضافی باید به مکان دیگری منتقل می‌شد و امید بر‌آن بود که شبکه توزیع برق بتواند این کار را انجام دهد. شاید از خود بپرسید چرا مقدار توان نصف شد، زیرا در این مقدار مهندسان می‌توانستند آزمایش خود را انجام دهند. مهندسان می‌خواستند جریان آب خنک‌کننده را خاموش کنند. اما اپراتور در اتاق کنترل دکمه اشتباهی را فشار داد. همان‌طور که در تصویر زیر دیده می‌شود دکمه‌های زیادی در اتاق کنترل وجود داشت و زدن دکمه‌ای اشتباه را می‌شد اشتباهی رایج در نظر گرفت.

اتاق کنترل در نیروگاه هسته ای - غنی سازی اورانیوم

بنابراین توان الکتریکی به جای نصف شدن، به طور ناگهانی بسیار کم شد. از این‌رو، مقدار زنون افزایش یافت. زنون سم راکتور است. به بیان دیگر، زنون اجازه کنترل راکتور را نمی‌دهد. یکی از ایزوتوپ‌ها زنون که می‌تواند به خوبی نوترون‌ها را جذب کند، پس از کاهش ناگهانی توان الکتریکی، تولید می‌شود. این ایزوتوپ در نهایت از بین می‌رود، اما تا از بین رفتن تمام آن، افزایش توان الکتریکی بسیار سخت و خطرناک است. مهندسان مستقر در نیروگاه چرنوبیل نمی‌دانستند که پس از خاموش کردن یا کاهش ناگهانی توان الکتریکی، نمی‌توانند آن را تا سه روز روشن کنند یا افزایش دهند. بنابراین، آن‌ها سعی کردند کارهایی را انجام دهند که هرگز نباید انجام می‌دادند. به عنوان مثال، تعدادی از میله‌های کنترل‌کننده را خارج کردند. پس از انجام این کار،‌ اتفاق خاصی رخ نداد. بنابراین، میله‌های بیشتری بیرون کشیده شد.

براساس مقررات نباید تعداد زیادی میله کنترل‌کننده از داخل راکتور بیرون کشیده می‌شد. اما بدون توجه به مقررات، میله‌های زیادی از داخل راکتور بیرون کشیده شد. از این‌رو، راکتور در حالت ناپایدار قرار گرفت. در نتیجه، مقدار زیادی زنون تولید شد. مقدار زنون در مدت زمان بسیار کوتاهی به طور قابل‌ملاحظه‌ای افزایش یافت. واکنش می‌خواست به سادگی از بین برود و متوقف شود. اما مهندسان باید اندازه‌گیری‌های مهمی برای افزایش توان الکتریکی و رساندن آن به مقدار نصف،‌ انجام می‌دادند. در این حالت، آن‌ها می‌توانستند آزمایش خود را انجام دهند. از این‌رو، تعداد زیادی میله کنترل‌کننده از راکتور خارج شد و توان الکتریکی افزایش یافت. پس از آن برای انجام آزمایش، مهندسان تلاش کردند تا میله‌ها در جای اولیه خود قرار دهند، اما اتفاق تازه‌ای رخ داد. هنگامی که نخستین میله را در جای خود قرار دادند، به این نکته پی بردند که میله در نقش تعدیل‌کننده بهتر عمل می‌کرد.

میله های کنترل کننده در راکتورها — میله‌های کنترل کننده در راکتورها

مهندسان با قرار دادن میله‌های کنترل‌کننده انتظار داشتند که توان الکتریکی اندکی افزایش یابد و به نصف مقدار اولیه خود برسد، اما به جای این اتفاق، توان الکتریکی به صورت ناگهانی افزایش یافت و از مقدار اولیه آن نیز بیشتر شد. تعداد زیادی واکنش‌های زنجیره‌ای غیرقابل‌کنترل رخ دادند و مقدار زیادی گرما آزاد شد. به این نکته توجه داشته باشید که این حالت انفجار هسته‌ای نیست، بلکه آزاد شدن مقدار قابل‌توجهی گرما به دلیل واکنش‌های زنجیره‌ای شکافت است. همان‌طور که در مطالب بالا اشاره شده از کربن به عنوان تعدیل‌کننده در راکتور چرنوبیل استفاده شد. در این حالت، رنگ کربن به دلیل دمای بسیار بالا قرمز شده بود. آب، به دلیل گرما زیاد تجزیه و به اکسیژن و هیدروژن تبدیل شد. آب تجزیه شده به همراه کربن داغ قرمزرنگ دو ماده لازم برای انفجار شیمیایی بسیار بزرگی بودند. در آن شب وحشتناک در چرنوبیل، راکتور به صورت غیرقابل‌کنترلی داغ شد.

از آنجا که هیچ ساختمان مهارکننده‌ای در اطراف راکتور ساخته نشده بود، تمام محصولات واکنش شکافت هسته‌ای از راکتور خارج و وارد محیط اطراف شدند. حادثه چرنوبیل یکی از تلخ‌ترین حوادث قرن گذشته بود و بسیاری از کشورها را درگیر کرد. نخستین افرادی که به وقوع این حادثه پی بردند، دانشمندانی در جنوب آلمان و نزدیک سوییس بودند. اتحادیه جماهیر شوروی در ابتدا در مورد این حادثه صحبتی نمی‌کرد و هیج توضیحی ارائه نداد. آتش‌نشانان در چرنوبیل در همان شب تمام تلاش خود را کردند تا آتش را خاموش کنند، اما با انجام این کار خود را در معرض تشعشع زیادی قرار دادند. آن‌ها در مدت ۳ تا چند هفته پس از قرار گرفتن در معرض تشعشع، جان خود را از دست دادند. صدمات ناشی از این حادثه حتی اکنون و در حدود ۴۰ سال پس از گذشت این حادثه هنوز مشاهده می‌شود

تاریخچه غنی سازی اورانیوم چیست ؟

ایده غنی‌سازی برای نخستین بار در سال ۱۹۱۹ میلادی مطرح شد، اما دست‌یابی به آن تا سال ۱۹۳۴ امکان‌پذیر نبود. در آن سال پژوهشگران دانشگاه ویرجینیا توانستند کلر ۳۵ را از کلر ۳۷ جدا کنند. پس از آن، فرایند غنی‌سازی دور از دسترس به نظر نمی‌رسید و بودجه‌ای برای ایزوتوپ‌های اورانیوم از یکدیگر در نظر گرفته شد. پس از آغاز جنگ جهانی دوم و لزوم وجود پروژه منهتن و برای پیشی گرفتن از آلمان در دست‌یابی به بمب هسته‌ای، روش‌های مختلفی برای جداسازی ایزوتو‌پ‌های اورانیوم استفاده شد. در آن سال از سانتریفیوژ برای جداسازی ایزوتوپ‌های اورانیوم استفاده شد، اما به دلیل نیاز به انرژی بسیار زیاد، روش نفوذ گازی انتخاب ارجح‌تری به نظر می‌رسید.