اورانیوم غنی شده چیست و چه شکلی دارد؟ – به زبان ساده

اورانیوم غنی شده به نوعی از عنصر اورانیوم گفته می‌شود که درصد ایزوتوپ اورانیوم-۲۳۵ (U-235) آن بیشتر باشد. این اورانیوم به روش‌های مختلف مانند سانتریفیوژ گازی تولید شده و به شکل‌های مختلفی مانند قرص اورانیوم جامد تبدیل می‌شود. سپس از آن در مصارف مختلف برای تولید انرژی هسته‌ای استفاده می‌شود. در این مطلب از مجله فرادرس می‌آموزیم اورانیوم غنی شده چیست و چه شکلی دارد.

در ابتدای این مطلب بررسی می‌کنیم اورانیوم غنی شده چیست و چه شکلی دارد. در ادامه، به بررسی عنصر اورانیوم و ایزوتوپ‌های آن می‌پردازیم. سپس به بررسی مراحل غنی سازی، استخراج اورانیوم، روش‌های غنی سازی و کاربردهای مختلف آن می‌پردازیم. با مطالعه این مطلب تا انتها می‌توانید به شکلی کامل بیاموزید اورانیوم غنی شده چیست.

اورانیوم غنی شده چیست؟

اورانیوم غنی‌شده نوعی اورانیوم است که درصد ایزوتوپ اورانیوم-۲۳۵ در آن بیشتر از مقدار طبیعی شده است. در اورانیوم طبیعی، حدود ٪۹۹٫۲۷ از اتم‌ها اورانیوم-۲۳۸ و تنها حدود ٪۰٫۷۲ آن اورانیوم-۲۳۵ است. از آنجا که ایزوتوپ اورانیوم-۲۳۵ توانایی ایجاد واکنش زنجیره‌ای شکافت هسته‌ای را دارد، برای استفاده در راکتورهای هسته‌ای باید مقدار آن افزایش پیدا کند.

برای غنی‌سازی، اورانیوم را به حالت گازی تبدیل کرده و وارد دستگاه‌هایی به نام سانتریفیوژ می‌کنند. این دستگاه‌ها با سرعت بسیار زیاد می‌چرخند و به دلیل سنگین‌تر بودن اورانیوم-۲۳۸، این ایزوتوپ بیشتر به سمت دیواره‌ها رانده می‌شود، در حالی که اورانیوم-۲۳۵ در مرکز باقی می‌ماند. با تکرار این فرایند، درصد اورانیوم-۲۳۵ افزایش می‌یابد و اورانیوم غنی‌شده تولید می‌شود.

بیشتر نیروگاه‌های هسته‌ای از اورانیوم کم‌غنی‌شده با غنای حدود ٪۳ تا ٪۵ استفاده می‌کنند، زیرا این مقدار برای تولید انرژی و ادامه واکنش زنجیره‌ای کنترل‌شده کافی است.

غنی سازی اورانیوم چیست؟

غنی‌سازی اورانیوم فرایندی است که در آن درصد ایزوتوپ U-235 از مقدار طبیعی ٪۰٫۷۲ تا حدود ٪۹۴ افزایش داده می‌شود. اگر درصد ایزوتوپ U-235 در اورانیوم کمتر از ٪۲۰ باشد، آن را اورانیوم کم‌غنی‌شده می‌نامند. بیشتر راکتورهای تجاری از اورانیوم کم‌غنی‌شده با غنای کمتر از ٪۵ به عنوان سوخت استفاده می‌کنند که به آن «اورانیوم با درجه راکتوری» نیز گفته می‌شود. این نوع اورانیوم پایدار است و می‌توان آن را سال‌ها به‌صورت ایمن ذخیره کرد.

اگر غنای اورانیوم بیشتر از ٪۲۰شود، به آن اورانیوم پرغنی‌شده گفته می‌شود. این نوع اورانیوم بیشتر در راکتورهای پیشران دریایی مانند زیردریایی‌ها، سلاح‌های هسته‌ای و برخی راکتورهای تحقیقاتی کاربرد دارد. برای افزایش درصد U-235 از روش‌های مختلفی استفاده می‌شود. معمولا کیک زرد ابتدا به گازی به نام هگزا‌فلورید اورانیوم تبدیل می‌شود. سپس این گاز وارد استوانه‌های بسیار سریع چرخان به نام سانتریفیوژ می‌شود. در این فرایند، ایزوتوپ‌های سنگین‌تر مانند U-238 به سمت دیواره استوانه رانده می‌شوند، در حالی که ایزوتوپ سبک‌تر U-235 در مرکز باقی می‌ماند. به این ترتیب، گاز دارای غلظت بیشتر U-235 جدا و جمع‌آوری می‌شود.

این فرایند چندین بار تکرار می‌شود تا درصد موردنظر U-235 به دست آید. در پایان، گاز غنی‌شده دوباره به ترکیبی جامد تبدیل می‌شود و به شکل پودر سیاه‌رنگ دی‌اکسید اورانیوم درمی‌آید.

اورانیوم بازفرآوری شده (RepU) چیست؟

سوخت هسته‌ای مصرف شده می‌تواند در تاسیسات تخصصی بازیافت شود. اورانیومی که از این فرایند بازیابی می‌شود «اورانیوم بازفرآوری شده» یا RepU نام دارد. این اورانیوم می‌تواند دوباره به عنوان سوخت هسته‌ای مورد استفاده قرار گیرد و منبعی برای تولید انرژی بیشتر باشد.

اورانیوم تهی شده (DU) چیست؟

در فرایند غنی سازی، سانتریفیوژها اورانیومی با درصد بیشتری از ایزوتوپ U-235 تولید می‌کنند. در نتیجه، ماده باقی‌مانده دارای مقدار کمتری از این ایزوتوپ خواهد بود. اگر درصد U-235 در این ماده کمتر از ۰٫۷ درصد باشد، آن را «اورانیوم تهی شده» یا DU می‌نامند.

یادگیری شیمی با فرادرس

برای درک بهتر این موضوع که اورانیوم غنی شده چیست، ابتدا باید با مفاهیمی چون ساختار اتم، الکترون، پروتون، نوترون، تعریف ایزوتوپ، جرم اتمی میانگین و واکنش‌های هسته‌ای آشنا شوید. پیشنهاد می‌کنیم برای درک بهتر این مفاهیم، به مجموعه فیلم آموزش شیمی از دروس کاربردی تا دانشگاهی فرادرس مراجعه کنید که با زبانی ساده ولی کاربردی به توضیح این مفاهیم می‌پردازد.

همچنین، با مراجعه به فیلم‌های آموزش فرادرس که در ادامه آورده شده است، می‌توانید به آموزش‌های بیشتری در زمینه اورانیوم غنی شده دسترسی داشته باشید.

• فیلم آموزش شیمی ۲ پایه یازدهم رشته علوم تجربی و ریاضی و فیزیک فرادرس
• فیلم آموزش شیمی ۲ پایه یازدهم حل سوالات تشریحی امتحانات نهایی فرادرس
• فیلم آموزش شیمی فیزیک جامع و با مفاهیم کلیدی فرادرس

شکل اورانیوم غنی شده

اورانیوم غنی شده در حالت فلزی جامد خود، فلزی نقره‌ای سفید، سنگین و چکش خوار است که شبیه نیکل به نظر می‌رسد. با این حال، رایج‌ترین شکل آن به صورت دی اکسید اورانیوم پردازش می‌شود که یک ماده پودری سیاه رنگ است، یا به شکل قرص‌های سرامیکی کوچک و مات سیاه رنگ که در مجموعه‌های سوخت هسته‌ای استفاده می‌شوند. این ماده از نظر ظاهری تقریبا مشابه اورانیوم طبیعی است، زیرا فرآیند غنی سازی فقط نسبت ایزوتوپ‌ها را تغییر می‌دهد.

در ادامه انواع اشکال اورانیوم غنی شده توضیح داده شده است.

• قرص‌های سوخت: رایج‌ترین شکلی که دیده می‌شود، قرص‌های سرامیکی تیره رنگی هستند که تقریبا به اندازه پاک کن مداد بوده و داخل میله‌های سوخت روی هم چیده می‌شوند.
• شکل فلزی: اگر به حالت فلز خالص تبدیل شود، فلزی براق و نقره‌ای سفید است که در تماس با هوا به تدریج تیره و سیاه می‌شود.
• پودر: قبل از فشرده شدن به قرص، دی اکسید اورانیوم به صورت پودر بسیار ریز سیاه است.
• شکل میانی (گاز): در طول فرایند، به هگزافلوراید اورانیوم ($$UF_6$$) تبدیل می‌شود که در دمای اتاق یک جامد سفید مایل به خاکستری و مومی شکل است و هنگام گرم شدن به گاز تبدیل می‌شود.

از نظر ظاهری، تفاوتی بین اورانیوم ۳ درصد (کم غنی شده) و اورانیوم ۹۰ درصد (بسیار غنی شده) دیده نمی شود. این تفاوت فقط با روش‌های آزمایشگاهی، طیف سنجی یا تحلیل‌های رادیواکتیو قابل تشخیص است.

اورانیوم چیست؟

اورانیوم یک عنصر پرتوزای طبیعی است که عدد اتمی آن ۹۲ بوده و در جدول تناوبی با نماد شیمیایی U نمایش داده می‌شود. این عنصر در گروه ویژه‌ای از عناصر به نام اکتینیدها قرار دارد. اکتینیدها عناصری هستند که نسبت به بسیاری از عناصر دیگر، دیرتر در تاریخ علم شناسایی و مطالعه شدند. مانند سایر عناصر این گروه، اورانیوم نیز پرتوزا است. یعنی به‌مرور زمان دچار واپاشی هسته‌ای شده و در این فرایند انرژی آزاد می‌کند. همین ویژگی باعث شده است که اورانیوم به یکی از مهم‌ترین سوخت‌های مورد استفاده در راکتورهای هسته‌ای تبدیل شود. مقدار بسیار کمی از سوخت اورانیوم، در حد یک قطعه کوچک، می‌تواند انرژی‌ای معادل سوزاندن حدود ۸۸ تن زغال‌سنگ تولید کند.

اورانیوم از عناصر نسبتا فراوان در پوسته زمین به شمار می‌رود و حدود ۵۰۰ برابر بیشتر از طلا یافت می‌شود. مقدار کمی از آن تقریبا در همه‌جا وجود دارد. از سنگ و خاک گرفته تا آب و حتی بدن انسان. همچنین مقدار بسیار زیادی اورانیوم به‌صورت رقیق در آب اقیانوس‌ها وجود دارد.

ایزوتوپ‌های اورانیوم

اورانیوم نیز مانند بسیاری از عناصر دیگر، دارای گونه‌های مختلفی به نام ایزوتوپ است. ایزوتوپ‌ها از نظر خواص شیمیایی مشابه هستند، اما در تعداد نوترون‌ها و برخی ویژگی‌های فیزیکی با یکدیگر تفاوت دارند. سه ایزوتوپ طبیعی از اورانیوم وجود دارد. این سه نوع ایزوتوپ، اورانیوم-۲۳۴ (U-234)، اورانیوم-۲۳۵ (U-235) و اورانیوم-۲۳۸ (U-238) هستند.

اورانیوم-۲۳۸ رایج‌ترین نوع آن است و حدود ۹۹ درصد از اورانیوم طبیعی موجود در زمین را تشکیل می‌دهد. بیشتر راکتورهای هسته‌ای از سوختی استفاده می‌کنند که شامل U-235 است. با این حال اورانیوم طبیعی معمولا فقط ۰٫۷۲ درصد U-235 دارد و بیشتر راکتورها به غلظت بالاتری از این ایزوتوپ در سوخت خود نیاز دارند. بنابراین غلظت U-235 به طور مصنوعی از طریق فرایندی به نام غنی سازی اورانیوم افزایش داده می‌شود.

تفاوت اورانیوم ۲۳۸ و ۲۳۵ چیست؟

در قسمت‌های قبل آموختیم اورانیوم غنی شده چیست. وقتی اورانیوم از زمین استخراج می‌شود، حدود ٪۹۹٫۲۷ آن را اورانیوم-۲۳۸ تشکیل می‌دهد که دارای ۹۲ پروتون و ۱۴۶ نوترون است. تنها حدود ٪۰٫۷۲ آن اورانیوم-۲۳۵ با ۹۲ پروتون و ۱۴۳ نوترون است و ٪۰٫۰۱ باقی‌مانده را ایزوتوپ‌های دیگر تشکیل می‌دهند.

برای استفاده در راکتورهای هسته‌ای، باید نسبت ایزوتوپ‌ها تغییر داده شود. دلیل این کار آن است که از میان دو ایزوتوپ اصلی اورانیوم، فقط اورانیوم-۲۳۵ می‌تواند واکنش زنجیره‌ای شکافت هسته‌ای را ایجاد کند. در این فرایند، برخورد یک نوترون باعث شکافت هسته اتم شده و علاوه بر آزادشدن انرژی، چند نوترون دیگر نیز تولید می‌شود که خود باعث شکافت هسته‌های بیشتر می‌شوند.

این واکنش زنجیره‌ای مقدار بسیار زیادی انرژی آزاد می‌کند، اما در نیروگاه‌های هسته‌ای این واکنش به‌صورت کنترل‌شده انجام می‌شود. امروزه نیروگاه‌های هسته‌ای حدود ٪۹ برق جهان را تولید می‌کنند. یکی دیگر از کاربردهای مهم غیرنظامی واکنش‌های هسته‌ای، تولید ایزوتوپ‌هایی برای پزشکی هسته‌ای است که در تشخیص و درمان بیماری‌های مختلف استفاده می‌شوند.

پیشنهاد می‌کنیم برای آشنایی بیشتر با فرآیند تولید انرژی هسته‌ای، فیلم آموزش انرژی هسته‌ای چیست فرادرس که لینک آن در ادامه آورده شده است را مشاهده کنید.

استخراج اورانیوم

در قرن بیستم، سنگ معدن اورانیوم عمدتا از معادن روباز یا معادن زیرزمینی استخراج می‌شد. در این روش، سنگ معدن باید خرد و فرآوری می‌شد تا اورانیوم از سایر عناصر جدا شود. در قرن بیست و یکم، این روش به تدریج با «استخراج درجا» (In-situ Leaching) جایگزین شده است. در سال ۲۰۰۰ تنها ۱۶ درصد از اورانیوم جهان با این روش تولید می‌شد، اما امروزه استخراج درجا رایج‌ترین روش استخراج اورانیوم به شمار می‌رود.

در روش استخراج درجا، آب همراه با مواد افزودنی مانند عوامل اکسیدکننده، عوامل کمپلکس‌کننده یا اسیدها از میان ذخایر زیرزمینی اورانیوم به گردش درمی‌آید. این روش امکان حل شدن اورانیوم را مستقیما در داخل کانسار فراهم می‌کند. سپس محلول حاصل از زیر زمین استخراج و پالایش می‌شود تا اکسید اورانیوم یا «کیک زرد» تولید شود. کیک زرد ماده اولیه مورد استفاده در فرایند غنی سازی اورانیوم است.

مراحل پیش از غنی سازی

اورانیوم در مسیر تبدیل شدن به سوخت هسته‌ای، حالت‌های جامد، مایع و گاز را طی می‌کند. ابتدا سنگ معدن جامد اورانیوم در یک محلول حل می‌شود. سپس اورانیوم از طریق روش استخراج درجا (In-situ Leaching) جدا می‌شود. سپس به شکل جامد کیک زرد (Yellowcake) تبدیل می‌شود.

در ادامه اورانیوم به گاز هگزافلوراید اورانیوم تبدیل شده و وارد سانتریفیوژ شده و غنی سازی می‌شود. پس از غنی سازی به دی اکسید اورانیوم تبدیل می‌شود و در نهایت دی اکسید اورانیوم برای ساخت قرص‌های سوخت هسته‌ای استفاده می‌شود.

انواع روش‌های غنی سازی اورانیوم

غنی سازی اورانیوم به شکل‌های مختلفی انجام می‌شود. از رایج‌ترین روش‌های غنی سازی اورانیوم می‌توان به روش‌های انتشاری گازی، سانتریفیوژ گازی، غنی سازی با لیزر و .. اشاره کرد. در ادامه می‌آموزیم انواع روش‌های تولید اورانیوم غنی شده چیست.

روش غنی سازی انتشاری گازی

در این روش گاز هگرافلوئورید اورانیوم ($$UF_6$$)، وارد شبکه‌ای از لوله‌ها شده و از فیلترهای ویژه یا غشاهای متخلخل عبور می‌کند. مولکول‌های سبک‌تر هگزافلوئورید اورانیوم حاوی ایزوتوپ‌های ۲۳۴ و ۲۳۵ هستند و سریع‌تر از غشاها عبور می‌کنند. همچنین مولکول‌های سنگین‌تر که حاوی ایزوتوپ ۲۳۸ هستند دیرتر از غشاها عبور کرده و در نتیجه گاز عبوری حاوی درصد بیشتری اورانیوم ۲۳۵ خواهد بود.

این روش امروزه در بسیاری از نیروگاه‌ها استفاده نمی‌شود. زیرا برای تولید اورانیوم ۲۳۵ به اندازه مورد نیاز سوخت هسته‌ای نیاز است گاز از صدها غشا به صورت متوالی عبور کند. در پایان این فرایند، گاز هگزافلوئورید اورانیوم از خطوط لوله خارج شده و دوباره به حالت مایع متراکم می‌شود و در مخازن مخصوص ریخته می‌شود. سپس دوباره سرد می‌شود تا به حالت جامع دربیاید.

روش غنی سازی با سانتریفیوژ گازی

در روش سانتیفیوژ گازی، ایزوتوپ‌های سنگین‌تر ۲۳۸ اورانیوم از گاز هگزافلوئورید اورانیوم با استفاده از نیروی گریز از مرکز سانتیفیوژ به سمت دیواره خارجی استوانه حرکت می‌کنند. این فرایند، گاز هکزافلوئورید اورانیوم را به دو جریان جداگانه تقسیم می‌کند. این دو جریان شامل جریان غنی شده و دارای درصد بیشتری اورانیوم ۲۳۵ و جریان تهی شده دارای درصد کمتری اورانیوم ۲۳۵ هستند. جریانی که از اورانیوم ۲۳۵ غنی‌تر است، به سانتریفیوژ بعدی فرستاده می‌شود، در حالی که جریان تهی شده به سانتریفیوژهای قبلی بازگردانده می‌شود تا دوباره پردازش شود.

یک تاسیسات سانتریفیوژ گازی شامل ردیف‌های طولانی از تعداد زیادی سانتریفیوژ چرخان است. این سانتریفیوژها به صورت سری و موازی به یکدیگر متصل می‌شوند. این جریان‌ها در مجموعه‌های بزرگی به نام آبشار سانتریفیوژ به یکدیگر متصل می‌شوند تا غنای مورد نظر به دست آید. پس از پایان غنی سازی، این گاز غنی شده طی فرآیندهای شیمیایی به پودر دی اکسید اورانیوم تبدیل شده و سپس تخت فشار به قرص‌های سوخت فشرده تبدیل می‌شوند.

علاوه بر غنی سازی اورانیوم، فناوری سانتریفیوژ گازی می‌تواند برای تولید ایزوتوپ‌های پزشکی نیز مورد استفاده قرار گیرد. این ایزوتوپ‌ها نقش مهمی در درمان بیماری‌ها، تشخیص پزشکی و تحقیقات علمی دارند.

غنی سازی با لیزر

روش غنی سازی با لیزر روشی کارآمدتر و کم هزینه تر برای غنی سازی اورانیوم است. در این فرایند گاز هگزا فلوئورید اورانیوم تحت تابش لیزر قرار می‌گیرد. لیزر تنها اتم‌های اورانیوم ۲۳۵ را هدف قرار می‌دهد. این اتم‌ها یونیزه شده و جمع‌آوری می‌شود و جریان باقی‌مانده تهی شده جداسازی می‌شود.

لیزرها می‌توانند انرژی الکترون‌های یک ایزوتوپ مشخص را افزایش دهند و در نتیجه خواص آن را تغییر دهند تا امکان جداسازی آن فراهم شود. این روش در بسیاری از کشورها هنوز به عنوان روش غنی سازی اورانیوم توسعه نیافته است. غنی سازی اورانیوم با استفاده از لیزر به چند روش مختلف مورد تحقیق و توسعه قرار گرفته‌است. این روش‌ها در ادامه معرفی شده‌اند.

• جداسازی ایزوتوپی با لیزر بخار اتمی (AVLIS)
• جداسازی ایزوتوپی لیزری مولکولی (MLIS)
• جداسازی ایزوتوپ‌ها با تحریک لیزری (SILEX)

راکتور آب سنگین چیست؟

راکتور آب سنگین (HWR) نوعی راکتور هسته‌ای است که از آب سنگین ( $$D_2O$$ ، اکسید دوتریوم) به عنوان کندکننده نوترون استفاده می‌کند. در برخی از انواع این راکتورها، به ویژه راکتورهای آب سنگین تحت فشار (PHWR)، آب سنگین می‌تواند علاوه بر نقش کندکننده، به عنوان خنک کننده نیز مورد استفاده قرار گیرد.

به دلیل اینکه آب سنگین دارای سطح مقطع جذب نوترونی پایینی است، نوترون‌های کمتری را جذب می‌کند. به همین دلیل راکتورهای آب سنگین می‌توانند با سوخت اورانیوم طبیعی کار کنند و نیازی به غنی‌سازی اورانیوم ندارند. پیشنهاد می‌کنیم برای آشنایی بیشتر با انواع و عملکرد این راکتورها، مطلب راکتور هسته ای مجله فرادرس را مطالعه کنید.

آب سنگین چیست؟

اکسید دوتریم که به آن «آب سنگین» یا «آب دوتریم» نیز گفته می‌شود، ترکیبی از اکسیژن و ایزوتوپ سنگین هیدروژن به نام دوتریم است. از نظر ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی، آب سنگین تقریبا شبیه آب معمولی یا «آب سبک» یعنی $$H_2O$$ است. به دلیل چگالی بیشتر نسبت به $$H_2O$$ به آن آب سنگین گفته می‌شود. فرمول شیمیایی آن $$D_2O$$ است.

دوتریم در هسته خود دارای یک نوترون و یک پروتون است، در حالی که هیدروژن معمولی (پروتیم) فقط یک پروتون دارد. به همین دلیل دوتریم تقریبا دو برابر سنگین‌تر از هیدروژن معمولی است. اکسید دوتریم در دما و فشار معمول، مایعی بی‌رنگ و بدون بو است. نسبت به آب معمولی، واکنش‌پذیری شیمیایی آن کمتر است و دارای چگالی ویژه ۱٫۱۰۷۷۵ در دمای ۲۵ درجه سانتی‌گراد، نقطه ذوب یا انجماد ۳٫۸۲ درجه سانتی‌گراد و نقطه جوش ۱۰۱٫۴۲ درجه سانتی‌گراد است.

قدرت پیوند هیدروژنی و میزان تجمع مولکول‌ها در آب سنگین، نسبت به مولکول‌های آب معمولی بیشتر است.

چرخه سوخت هسته ای

در قسمت‌های قبل آموختیم غنی سازی اورانیوم چیست و چگونه انجام می‌شود. غنی سازی اورانیوم برای تولید انرژی از سوخت هسته‌ای برای تولید برق و سایر انرژی‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد. چرخه سوخت هسته‌ای یک فرایند صنعتی است که شامل مجموعه‌ای از فعالیت‌ها برای تولید برق از اورانیوم در راکتورهای هسته‌ای می‌شود.

مراحل اصلی چرخه سوخت هسته‌ای در ادامه معرفی شده است.

1. اکتشاف اورانیوم
2. استخراج اورانیوم
3. فرآوردی اورانیوم خام
4. استفاده در راکتور هسته‌ای
5. مدیریت سوخت مصرف شده

در ادامه این مراحل را توضیح می‌دهیم.

اکتشاف اورانیوم

ابتدا مناطق دارای ذخایر اورانیوم شناسایی می‌شوند.

استخراج اورانیوم

سنگ معدن خام اورانیوم استخراج شده و خرد و فرآوری می‌شود.

فرآوری اورانیوم خام

اورانیوم استخراج شده باید پردازش شود و در برخی موارد تحت فرایند غنی سازی قرار گیرد تا کارایی آن به عنوان سوخت افزایش یابد.

استفاده در راکتور هسته ای

پس از تبدیل شدن به سوخت، اورانیوم در راکتورها استفاده می‌شود و در اثر تابش، سوخت مصرف شده تولید می‌شود.

مدیریت سوخت مصرف شده

در نهایت سوخت مصرف شده باید ذخیره و خنک شود. سپس می‌تواند دفع شده یا بازیافت شود تا به شکل اورانیوم بازفرآوری شده دوباره برای تولید انرژی استفاده شود. پسماندهای حاصل از بازیافت و اورانیوم تهی شده نیز باید به روش مناسب دفع شوند.

کاربردها و مصارف غنی سازی اورانیوم

در این مطلب از مجله فرادرس آموختیم اورانیوم غنی شده چیست. اورانیوم غنی شده در دو حوزه اصلی تولید انرژی در نیروگاه‌های هسته‌ای غیرنظامی و کاربردهای نظامی مرتبط با سلاح‌های هسته‌ای استفاده می‌شود. اورانیومی که کمتر از ۲۰ درصد U-235 دارد، اورانیوم کم غنی شده نامیده می‌شود. این نوع اورانیوم به عنوان سوخت در راکتورهای آب سبک (Light-Water Reactors) استفاده می‌شود. این راکتورها بیشتر راکتورهای هسته‌ای فعال در جهان را تشکیل می‌دهند.

اورانیومی که دارای ۲۰ درصد یا بیشتر U-235 باشد، اورانیوم بسیار غنی شده نام دارد. این نوع اورانیوم در برخی کاربردها مانند سلاح‌های هسته‌ای، راکتورهای پیشران دریایی، برخی راکتورهای تحقیقاتی و بعضی طراحی‌های خاص راکتورها استفاده شده است. در جهان حدود ۲۰۰۰ تن اورانیوم بسیار غنی شده وجود دارد. در ادامه برخی از کاربردهای اورانیوم غنی شده را توضیح می‌دهیم.

سوخت قرصی در راکتورهای آب سبک

قرص‌های ساخته شده از دی اکسید اورانیوم کم غنی شده به طور گسترده به عنوان سوخت در راکتورهای تجاری آب سبک که برای تولید برق استفاده می‌شوند به کار می‌روند. این قرص‌ها با مخلوط کردن مقدار مناسب از پودرهای اکسید اورانیوم غنی شده و طبیعی یا تهی شده تولید می‌شوند. سپس این پودرها به صورت مکانیکی فشرده می‌شوند، یک ماده چسباننده آلی به آن‌ها اضافه می‌شود و در نهایت به شکل قرص پرس می‌شوند.

پس از آن، قرص‌ها حرارت داده می‌شوند تا چسباننده بسوزد و در مرحله آخر در دمای بالا زینتر می‌شوند تا به حدود ۹۵ درصد چگالی نظری برسند. در ادامه این قرص‌ها داخل لوله‌هایی از آلیاژ قرار داده می‌شوند و میله‌های سوخت را تشکیل می‌دهند.

سوخت MOX (اکسید مخلوط اورانیوم و پلوتونیوم)

روش‌های مشابهی برای تولید سوخت اکسید مخلوط یا MOX به کار می‌روند که ترکیبی از دی اکسید اورانیوم و دی اکسید پلوتونیوم است. این نوع سوخت بیشتر در راکتورهای زاینده با نوترون سریع استفاده می‌شود. سوخت MOX بدون تابش معمولا شامل حدود ۲۰ تا ۳۵ درصد دی اکسید پلوتونیوم است و از نظر ساختار و فرآیند تولید شباهت زیادی به سوخت‌های اکسید اورانیوم دارد، با این تفاوت که در آن پلوتونیوم نیز به ترکیب اضافه می‌شود.

سوخت‌های کاربیدی

ترکیبات مختلفی از کاربیدهای اورانیوم و پلوتونیوم وجود دارند که شامل کاربید اورانیوم، کاربید پلوتونیوم، سسکوئی کاربید اورانیوم، سسکوئی کاربید پلوتونیوم، دی کاربید اورانیوم و دی کاربید پلوتونیوم هستند. سسکویی (Sesqui) یک پیشوند در نام‌گذاری شیمیایی است که نشان می‌دهد تعداد اتم‌های یک عنصر یک و نیم برابر تعداد اتم‌های عنصر دیگر در ترکیب است. این ترکیبات به دلیل مقاومت بسیار زیاد در برابر حرارت، برای استفاده به عنوان سوخت هسته‌ای مورد بررسی قرار گرفته‌اند. برای مثال در راکتورهای گازی دما بالا، سوخت شامل اورانیوم بسیار غنی شده همراه با توریم به عنوان ماده بارور است که هر دو به شکل قرص‌های کاربیدی درون ساختار متراکم گرافیت قرار می‌گیرند.

سوخت‌های نیتریدی

اورانیوم ترکیبات نیتریدی مختلفی تشکیل می‌دهد که شامل نیترید اورانیوم و فازهای نیتریدی بالاتر مانند سسکوئی نیترید اورانیوم هستند. پلوتونیوم نیز یک ترکیب نیتریدی اصلی به نام نیترید پلوتونیوم تشکیل می‌دهد. نیتریدهای اورانیوم و پلوتونیوم ترکیباتی شکننده و مقاوم در برابر حرارت هستند که معمولا در دماهای بالاتر از ۲۰۰۰ درجه سانتی گراد ذوب می‌شوند. این ویژگی باعث شده است که نیترید اورانیوم به عنوان یک سوخت هسته‌ای با عملکرد بالا و توانایی کار در دماهای زیاد مورد توجه قرار گیرد.