فرادرساورانیوم چیست و چه کاربردی دارد؟ – به زبان ساده
اورانیوم عنصری فلزی با عدد اتمی ۹۲ در جدول تناوبی و به رنگ سفید نقره‌ای است. این عنصر با نماد شیمیایی U نشان داده میشود. اتم اورانیوم، ۹۲ پروتون و ۹۲ الکترون دارد. از این تعداد الکترون، ۶ الکترون در تراز ظرفیت، تراز پایانی، قرار گرفته‌اند. در جدول تناوبی، تعداد کمی عناصرِ رادیواکتیو وجود دارند که اورانیوم یکی از آن‌ها است. تا سال ۲۰۱۴ میلادی اورانیوم، تنها به صورت جامد مشاهده شده بود. در این سال پژوهشگران برای نخستین بار این عنصر را ذوب و آن را به صورت مایع مشاهده کردند. دلیل این موضوع به دمای ذوب (۱۱۳۵ درجه سانتی‌گراد) و جوش (۴۱۳۱ درجه سانتی‌گراد) بسیار بالای این عنصر ارتباط دارد. در این مطلب از مجله فرادرس به پرسش اورانیوم چیست به زبان ساده پاسخ می‌دهیم و سعی می‌کنیم مهمترین ویژگی‌های این عنصر را به همراه کاربردهای آن توضیح دهیم.
اورانیوم چیست ؟
اورانیوم عنصری فلزی به رنگ نقره‌ای (سفید نقره‌ای) با عدد اتمی ۹۲ است. هر آزمایشگاهی برای کار کردن با این عنصر خطرناک باید گواهی معتبری برای کار کردن با مواد رادیواکتیو یا پرتوزا داشته باشد. بنابراین در نخستین گام فهمیدیم اورانیوم عنصری رادیواکتیو است. اورانیوم، با عدد اتمی ۹۲، عنصری فلزی و یکی از خطرناک‌ترین عناصر فلزی روی زمین و متعلق به سری اکتینیدها در جدول تناوبی است.
عناصر پرتوزا در این سری قرار گرفته‌اند. فراوانی اورانیوم در حدود ۴۰ مرتبه بیشتر از فراوانی نقره در پوسته زمین است. چرا این عنصر در پوسته زمین به وفور یافت میشود؟ زیرا با جذب سریع نوترون درون ابرنواخترهای در حال چرخش شکل گرفته است. اورانیوم عنصری متعلق به گروه اکتینیدها است و نقطه ذوب و جوش بسیار بالایی دارد. مهمترین مشخصات اورانیوم در جدول زیر نوشته شده است.
| گروه در جدول تناوبی | اکتینیدها | نقطه ذوب | ۱۱۳۵ درجه سلسیوس، ۲۰۷۵ درجه فارنهایت، ۱۴۰۸ کلوین |
| دوره تناوب | هفتم | نقطه جوش | ۴۱۳۱ درجه سلسیوس، ۷۴۶۸ درجه فارنهایت، ۴۴۰۴ کلوین |
| بلوک | f | چگالی (برحسب گرم بر مترمکعب) | ۱۹/۱ |
| عدد اتمی | ۹۲ | جرم اتمی نسبی | ۲۳۸/۰۲۹ |
| حالت عنصر در دمای ۲۰ درجه سلسیوس | جامد | ایزوتوپ‌های اصلی | اورانیوم ۲۳۴، اورانیوم ۲۳۵، اورانیوم ۲۳۸ |
| آرایش الکترونی | $$[ Rn ] 5 f ^ 3 \ 6 d ^ 1 \ 7 s ^ 2 $$ | ||
اورانیوم در قرن هجدهم میلادی، سال ۱۷۸۹ میلادی، در آلمان کشف شد. کاشف این عنصر، «مارتین هینریش کلپروس» (Martin Heinrich Klaproth) نام این عنصر را از نام سیاره تازه کشف شده در منظومه‌شمسی، اورانوس، برگرفت. این شیمی‌دان ابتدا فکر می‌کرد اورانیوم خالص را کشف کرده است، اما بعدها مشخص شد او اکسید اورانیوم را یافته بود. به طور معمول، اورانیوم در طبیعت به شکل مواد معدنی مانند اورانینیت و آیوتینیت، یافت میشود. این عنصر فلزی حالت‌های اکسیدی مختلفی در این مواد معدنی دارد. این مواد معدنی رنگ زرد زیبایی دارند. اورانیومِ فلزی خالص می‌تواند با استفاده از کاهش توسط عنصر کلسیم، از سنگ‌معدن اورانیوم به‌دست آید. اورانیوم تا سال ۲۰۱۴ میلادی، تنها به صورت جامد مشاهده شده بود.
پس از آن دانشمندان توانستند با ذوب کردن این عنصر، آن را به صورت مایع نیز مشاهده کنند. دلیل این موضوع به دمای بسیار بالای ذوب و جوش این عنصر مرتبط است. دمای ذوب و جوش اورانیوم به ترتیب برابر ۱۱۳۵ درجه سانتی‌گراد و ۴۱۳۱ درجه سانتی‌گراد است. اورانیوم می‌تواند با بیشتر عناصر غیرفلزی و ترکیبات آن‌ها واکنش دهد. اورانیوم پس از کشف و استخراج، با استفاده از روش‌های بسیاری ذخیره شد.
اورانیوم به عنوان عنصری صلح آمیز یا عنصری مخرب
اورانیوم یکی از پیچیده‌ترین عناصری است که انسان تا به امروز با آن مواجه شده است. منظور از پیچیده، ساختار شیمیایی این عنصر نیست، بلکه چگونگی استفاده از آن در زندگی روزمره است. اورانیوم می‌تواند به عنوان منبعی برای تولید انرژی یا ساخت بمب هستهای در نظر گفته شود. بنابراین، اورانیوم را میتوان به عنوان عنصری مفید و منبع انرژی یا عنصری منحوس برای نابودی در نظر گرفت. این عنصر در هر دو حالت بسیار موثر عمل میکند. در سال‌های اخیر تلاش‌های زیادی برای کاهش مصرف کربن و سوخت‌های فسیلی روی زمین انجام شده است. مصرف این سوخت‌ها منجر به تولید گازهای گلخانه‌ای و افزایش میزان آلاینده‌ها میشود. از این‌رو، جایگزین مناسبی برای سوخت فسیلی باید یافت شود. انرژی هستهای یکی از این گزینه‌های جذاب است. استفاده صلحآمیز از انرژی هستهای نه‌تنها با آلودگی همراه نیست، بلکه با استفاده از آن میتوان الکتریسیته و شکل‌های دیگر انرژی را تولید کرد.
اما توجه به این نکته مهم است که اولین چیزی که با شنیدن نام اورانیوم به ذهن می‌رسد، بمب اتم استفاده شده در جنگ جهانی دوم و حادثه معروف چرنوبیل است. علی‌رغم نگاه منفی به این عنصر، یکی از بهترین راه‌های نجات کره زمین از گازهای گلخانه‌ای، استفاده صلحآمیز از انرژی هستهای خواهد بود.
تشکیل اورانیوم
اورانیوم از ۹۲ پروتون و الکترون و ۱۴۶ نوترون تشکیل شده و وزن اتمی آن برابر ۲۳۸ واحد جرم اتمی و نیمه‌عمر آن در حدود چهار میلیارد سال است. این اعتقاد وجود دارد که اورانیومِ روی زمین در حدود ۶ میلیارد سال قبل در ابرنواخترهای در حال چرخش شکل گرفت. توصیف این فرایند را می‌توانید در فرهنگ لغت آکسفورد برای فیزیک پیدا و مطالعه کنید. انفجار ابرنواختر هنگامی رخ می‌دهد که ستاره‌ای تمام سوخت هستهای درون خود را مصرف کند. در این حالت، مرکز ستاره به صورت فاجعه‌آمیزی از هم می‌پاشد.
پس از این انفجار، باقی‌مانده‌های ستاره به اطراف پرتاب میشوند. اورانیوم یکی از بخش‌های اصلی این انفجار است. همچنین، پژوهش‌های مختلف نشان می‌دهد که اورانیوم می‌تواند در نتیجه ادغام ستاره‌های نوترونی با یکدیگر، تشکیل شود. چگالی ستاره نوترونی بسیار زیاد است. بنابراین، این ستاره به هنگام روبرو شدن با ستاره دوقلوی خود به شدت با آن برهم‌کنش میکند. دو ستاره به دلیل نیروی گرانشی با یکدیگر ادغام میشوند و پس از ادغام آن‌ها، امواج گرانشی شدیدی تولید میشوند. با ادغام دو ستاره، نه‌تنها امواج گرانشی، بلکه عناصری مانند اورانیوم، طلا و پلاتین نیز تولید میشوند. در سال‌های اخیر، تحقیقات زیادی در مورد منشأ تولید اورانیوم انجام شده است و میشود. هنوز ابهامات زیادی در پرده ابهام باقی مانده‌اند که امید می‌رود در سال‌های پیش رو، روشن شوند.
اورانیوم، علی‌رغم وجود معماهای زیاد در مورد منشأ آن، یکی از فراوان‌ترین عناصر موجود روی پوسته زمین است. همچنین، مقداری اورانیوم به صورت طبیعی در آب دریا وجود دارد. نکته جالب آن است که علی‌رغم نایاب بودن اورانیوم در منظومه‌شمسی، این عنصر به مقدار فراوان در زمین یافت میشود و از آن میتوان به عنوان منبع اصلی گرما در هسته زمین یاد کرد. زمین به دلیل پرتوزا بودن اورانیوم و تولید گرما توسط آن در هسته مرکزی، حرکت‌های مختلفی در طول پیدایش خود داشته است. از این‌رو، قاره‌های به هم چسبیده در ابتدای پیدایش زمین، در طول میلیون‌ها سال از یکدیگر فاصله گرفتند. امروزه، اورانیوم را میتوان به دو منظور استفاده کرد که کاملا در مقابل یکدیگر قرار گرفته‌اند:
- منبعی برای تولید انرژی بدون تولید کربن
- وسیله‌ای برای ساخت بمب اتم
در استفاده اول میتوان اورانیوم را به عنوان جایگزینی مناسب برای سوخت‌های فسیلی و کمک به بهبود زندگی انسان روی زمین در نظر گرفت. در استفاده دوم، اورانیوم مقدمه‌ای برای ساخت بمب اتم، یکی از هولناک‌ترین تجهیزات نظامی ساخته شده به دست بشر، است. در این حالت، اورانیوم، نه‌تنها کمکی به بهبود زندگی انسان روی زمین نمی‌کند، بلکه به وسیله‌ای برای کشتار جمعی تبدیل میشود. در راکتورهای هستهای، انرژی قابل‌ملاحظه‌ای از شکافتن اتم اورانیوم تولید میشود. به این حالت، شکافت هستهای می‌گوییم. پس از تقسیم اتم اورانیوم، بخار تولید میشود. بخار تولید شده با به حرکت درآوردن توربین، سبب تولید الکتریسیته میشود. راکتورها از سه قسمت اصلی تشکیل شده‌اند:
- بسته‌های سوخت
- آب
- میله‌های کنترل‌کننده
بسته های سوخت
بسته‌های سوخت، میله‌های نازکی هستند که توسط هسته‌های شکافت‌پذیر مانند اورانیوم ۲۳۵ یا اورانیوم ۲۳۸، پر شده‌اند. بسته‌های سوخت در هسته راکتور قرار می‌گیرند.
آب
شکافت هستهای انجام شده توسط جزء دومی به نام آب معتدل میشود. آب با کاهش انرژی نوترون‌های تولید شده توسط شکافت هستهای، به عنوان تعدیل‌کننده عمل میکند. در نتیجه، واکنش‌های زنجیره‌ای به صورت پایدار، و فرایند شکافت هستهای با آهنگی قابل‌اعتماد رخ می‌دهند.
میله‌های کنترل کننده
در بخش قبل به این موضوع اشاره شد که واکنش‌های زنجیره‌ای در فرایند شکافت بهتر است به صورت پایدار و با نرخی ثابت انجام شوند. این فرایند به کمک میله‌های کنترل‌کننده با کنترل بیشتری انجام میشود. این میله‌ها از بور و کادمیوم ساخته شده‌اند. میله‌های کنترل‌کننده با جذب نوترون‌های اضافی تولید شده در آب از انجام واکنش‌های بیشتر جلوگیری می‌کنند. با حذف میله‌های کنترل‌کننده نرخ انجام واکنش، کاهش و با نصب دوباره آن‌ها، نرخ انجام واکنش افزایش می‌یابد. از این‌رو، نرخ خروجی ثابت انرژی حفظ میشود. انرژی یک بسته اورانیوم تقریبا برابر انرژی ۷۰ هزار گالنِ نفت است. با این مقدار انرژی میتوان برق یک خانه را برای ۱۰۰ سال تامین کرد.
تا اینجا فهمیدیم اورانیوم چیست، در ادامه در مورد مهمترین ویژگی‌های اورانیوم، مانند ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی آن صحبت می‌کنیم.
ویژگی های اورانیوم چیست ؟
بسیاری از عناصر در جدول تناوبی به صورت طبیعی در زمین یافت میشوند. اورانیوم یکی از این عناصر است که به صورت طبیعی می‌توانیم آن را در طبیعت پیدا کنیم. برای دست‌یابی به اورانیوم به عنوان سوخت، تنها کافی است آن را به روش‌های مختلف استخراج و از سنگ‌معدن جدا کنیم. این عنصر در پوسته زمین به صورت ماده معدنی یافت میشود که با عناصر دیگر پیوند شیمیایی دارد. چگالی فلز اورانیوم بسیار زیاد و در حدود ۱۹ گرم بر سانتی‌متر مکعب (در حدود ۱/۶۷ برابر بیشتر از چگالی سرب) است.
خواص ایزوتوپی اورانیوم چیست ؟
در نخستین گام، اورانیوم را به صورت طبیعی در پوسته زمین یا قسمت‌های مختلف آن داریم. اورانیوم در این حالت از دو ایزوتوپِ اورانیوم ۲۳۸، ۹۹/۲۷ درصد، و اورانیوم ۲۳۵، ۰/۷۱۱ درصد، تشکیل شده است. اورانیوم ممکن است با درصد کم یا با درصد زیاد غنی شود. درصد ایزوتوپِ اورانیوم ۲۳۵ در اورانیوم غنی‌شده با درصد کم بین ۰/۷۱۱ تا ۲۰ درصد است. بیشتر راکتورهای سوخت تجاری از اورانیوم غنی شده با درصد کم (درصد غنیسازی بین ۳ تا ۵ درصد) استفاده می‌کنند. در مقابل، درصد ایزوتوپ اورانیوم ۲۳۵ در اورانیوم غنی شده با درصد بالا، بزرگ‌تر از ۲۰٪ است. از این محصول میتوان برای ساخت بمب اتم یا در برخی مواقع به عنوان سوخت در راکتورهای تحقیقاتی استفاده کرد. اورانیوم استخراج شده از سه ایزوتوپ تشکیل شده است:
- اورانیوم ۲۳۸ به میزان ۹۹/۳ درصد
- اورانیوم ۲۳۵ به میزان ۰/۷ درصد
- اورانیوم ۲۳۴ با مقدار کمتر از ۰/۰۱ درصد
ایزوتوپ‌های اورانیوم، ۹۲ پروتون دارند. اورانیوم ۲۳۸، ۱۴۶ نوترون، اورانیوم ۲۳۵، ۱۴۳ نوترون و اورانیوم ۲۳۴، ۱۴۲ نوترون دارد. جرم اتمی، برابر مجموع تعداد پروتون‌ها و نوترون‌ها است. از این‌رو، جرم اتمی اورانیوم ۲۳۸، اورانیوم ۲۳۵ و اورانیوم ۲۳۴ به ترتیب برابر ۲۳۸، ۲۳۵ و ۲۳۴ خواهد بود. اندازه و وزن این ایزوتوپ‌ها در مقیاس اتمی کمی با یکدیگر تفاوت دارند. این بدان معنا است که با داشتن تجهیزات مناسب و تحت شرایط بهینه و کنترل شده می‌توانیم ایزوتوپ‌ها را از یکدیگر جدا کنیم. همان‌طور که در مطالب بخش‌های بعد می‌خوانید، اورانیوم پس از عبور از سانتریفیوژ گازی به دو دسته اورانیوم غنی شده و تهی شده تقسیم میشود. درصد ایزوتوپ اورانیوم ۲۳۵ در اورانیوم تهی شده برابر ۰/۷۱۱ یا کمتر است. اورانیوم تهی شده محصول جانبی فرایند غنیسازی است.
خواص شیمیایی و فیزیکی اورانیوم چیست ؟
در بخش قبل فهمیدیم خواص ایزوتوپی اورانیوم چیست. در این بخش در مورد خواص شیمیایی و فیزیکی اورانیوم صحبت می‌کنیم. همان‌طور که در مطالب بالا اشاره شد، اورانیوم عنصری پرتوزا است که می‌تواند از طریق واپاشی آلفا و بتا به عنصری پایدار تبدیل شود. مهمترین محصول نهایی دی‌اکسید اورانیوم ($$UO_2)$$ است. این اکسید، تنها محصولی است که از آن میتوان به عنوان سوخت هستهای در راکتورهای نیروگاه‌ها استفاده کرد. این عنصر، فلزی با چگالی بسیار بالا است که مهمترین مشخصات ظاهری آن عبارت هستند از:
- اورانیوم عنصری بسیار سخت است.
- چکش‌خوار است.
- شکل‌پذیر است.
- به رنگ نقره‌ای سفید است.
- عنصری پرتوزا با چگالی بسیار زیاد است.
اگر اورانیوم به قطعه‌های بسیار کوچکی تقسیم شود به راحتی می‌تواند با آب سرد واکنش دهد. اگر این عنصر در معرض هوا قرار بگیرد با لایه‌ای از اکسید اورانیوم پوشانده میشود. شاید با خود فکر کنید اورانیوم، فلزی است که به راحتی می‌تواند جریان الکتریکی را از خود عبور دهد، اما این‌گونه نیست و این عنصر رسانای ضعیف جریان الکتریکی است. فلز اورانیوم سه آلوتروپ دارد و میتوان آن را به سه شکل کریستالی مختلف در طبیعت یافت:
- «اورتورومبیک» (Orthorhombic): این آلوتروپ متعلق به گروه فضایی شماره ۶۳ و تا دمای ۶۶۸ درجه سانتی‌گراد پایدار است. پارامتر‌های شبکه آن عبارت هستند از:
- $$a = 254.4 \ pm $$
- $$b = 587 \ pm$$
- $$495.5 \ pm$$
- «تتراگونال» (Tetragonal): این آلوتروپ تا دمای بین ۶۶۸ تا ۷۷۵ درجه سانتی‌گراد پایدار است. پارامتر‌های شبکه آن عبارت هستند از:
- $$a = 565.6 \ pm $$
- $$b = 1075.9 \ pm$$
- «مکعب مرکز پر» (Body-centered cubic): این آلوتروپ از دمای ۷۷۵ درجه سانتی‌گراد تا نقطه ذوب پایدار و در مقایسه با دو آلوتروپ دیگرِ اورانیوم، بسیار چکش‌خوار و شکل‌پذیر است. پارامتر‌های شبکه آن عبارت هستند از:
- $$a = 352.4 \ pm $$
اورانیوم می‌تواند در پنج حالت اکسیدی وجود داشته باشد:
- حالت اکسیدی ۲+
- حالت اکسیدی ۳+
- حالت اکسیدی ۴+
- حالت اکسیدی ۵+
- حالت اکسیدی ۶+
از میان این پنج حالت اکسیدی، تنها حالت‌های اکسیدی ۴+ و ۶+ برای کاربردهای عملی پایدار هستند. مهمترین ویژگی‌های شیمیایی و فیزیکی اورانیوم در جدول‌های زیر به صورت خلاصه بیان شده‌اند.
داده های اتمی
داده‌های اتمی اورانیوم مانند شعاع اتمی، الکترونگاتیوی و انرژی‌های یونش در جدول زیر نوشته شده‌اند.
| شعاع اتمی، غیرپیوندی (برحسب آنگستروم) | ۲/۴۱ | شعاع کووالانسی (برحسب آنگستروم) | ۱/۸۳ | ||||
| الکترون‌دوستی | نامشخص | الکترونگاتیوی (مقیاس پائولی) | ۱/۷ | ||||
| انرژی‌های یونش ($$\frac { kI } { mol }$$ | اولین حالت یونش | دومین حالت یونش | سومین حالت یونش | چهارمین حالت یونش | پنجمین حالت یونش | ششمین حالت یونش | |
| ۵۹۷/۶۴ | ۱۰۲۲/۷ | - | - | - | - | ||
حالت‌های اکسیدی و ایزوتوپ‌ها
حالت‌های اکسیدی و ایزوتوپ‌های اورانیوم به همراه درصد طبیعی آ‌ها در سنگ معدن اورانیوم در جدول زیر نوشته شده‌اند.
| حالت‌های اکسیدی رایج | ۳ و ۴ و ۵ و۶ | |||
| ایزوتوپ‌ها | ایزوتوپ | جرم اتمی | درصد طبیعی | نیمه‌عمر |
| اورانیوم ۲۳۳ | ۲۳۳/۰۴۰ | - | $$1.590 \times 10 ^ 5 \ y$$
بیشتر از $$2.7 \times 10 ^ {17} \ y$$ | |
| اورانیوم ۲۳۴ | ۲۳۴/۰۴۲ | ۰/۰۰۵۴ | $$2.453 \times 10 ^ {5} \ y$$
$$ 1.5 \times 10 ^ { 16 } \ y$$ | |
| اورانیوم ۲۳۵ | ۲۳۵/۰۴۴ | ۰/۷۲۰۴ | $$7.03 \times 10 ^ { 8 } \ y$$
$$ 1.5 \times 10 ^ { 16 } \ y$$ | |
| اورانیوم ۲۳۶ | ۲۳۶/۰۴۶ | - | $$2.342 \times 10 ^ { 7 5} \ y$$
$$ 2.5 \times 10 ^ { 16 } \ y$$ | |
| اورانیوم ۲۳۸ | ۲۳۸/۰۵۱ | ۹۹/۲۷۴۲ | $$ 8.2 \times 10 ^ { 15 } \ y$$ | |
اورانیوم چگونه استخراج میشود؟
در بخش قبل فهمیدیم مهمترین ویژگی‌های اورانیوم چیست. در این بخش در مورد استخراج این عنصر از معادن صحبت می‌کنیم. استخراج اورانیوم به مقدار بسیار زیاد برای نخستین بار در اواخر قرن بیستم میلادی در جمهوری چک انجام شد. در سال ۱۹۴۴ میلادی، پژوهشگران به این نتیجه رسیدند که اورانیوم می‌تواند در راکتور هستهای به پلوتونیوم تبدیل شود. از این تبدیل می‌شد برای تولید سلاح هستهای استفاده کرد. از این رو، ایالات متحده آمریکا، تنها در مدت سه سال، مبلغ قابل‌توجهی در حدود ۴۰ میلیون دلار را برای استخراج اورانیوم خرج کرد. امروزه، بیشتر اورانیوم استخراج شده به عنوان سوخت هستهای برای تولید انرژی صرف میشود. منابع اورانیوم را با استفاده از سه روش میتوان استخراج کرد:
- استخراج روباز
- استخراج برجا
- استخراج زیرزمینی
استخراج روباز چیست؟
در استخراج روباز با حذف و برداشت خاک‌های سطحی به سنگ‌های معدنی پایینی می‌رسیم. به طور معمول، عیار سنگ‌معدن کمتر از ۰/۵ درصد است. با استفاده از این روش استخراج، تنها میتوان سنگ‌معدن‌های اورانیومِ نزدیک به سطح را استخراج کرد. معدن «جک‌پایل» (Jackpile) در «لاگونا پوئبلو» (Laguna Pueblo) یکی از بزرگ‌ترین معدن‌های روباز اورانیوم در جهان بود. سنگ ضایعات یا روباره (ماده‌ای که از بدنه سنگ‌معدن جدا میشود) معمولا در نزدیکی معادن روباز ذخیره میشود.
استخراج زیرزمینی
از استخراج زیرزمینی برای دست‌یابی به غلظت بیشترِ اورانیوم که در عمق بسیار زیادی نسبت به سطح زمین قرار گرفته است، استفاده میشود. ابتدا سنگ معدن، حفاری و سپس منفجر میشود. در اثر انفجار، نخاله تولید و به سطح منتقل و در آنجا آسیاب میشود. شاید از خود پرسیده باشید چگونه با آسیاب کردن میتوان اورانیوم را از سنگ‌معدن آن جدا کرد. در هر دو روش استخراج روباز و زیرزمینی، سنگ‌معدن‌ها تنها مقدار بسیار کمی اورانیوم، کمتر از ۰/۳ درصد، دارند. اورانیوم باید از سنگ‌معدن جدا و کنستانتره شود. در فرایند آسیاب کردن، ابتدا سنگ‌معدن خرد و سپس پودر میشود. سنگ‌معدن پس از خرد شدن به تکه‌های بسیار کوچک، با اضافه کردن آب، به دوغاب تبدیل خواهد شد. در ادامه، دوغاب تشکیل شده با سولفوریک اسید یا محلولی قلیایی به منظور آزادسازی اورانیوم از سنگ‌معدن، ترکیب میشود.
در حالت کلی، با استفاده از این روش در حدود ۹۵ تا ۹۸ درصد اورانیوم می‌تواند از سنگ‌معدن میزبان، بازیافت شود. از ترکیب دوغاب با اسید یا محلول قلیایی، اکسید اورانیوم یا کیک زرد ته‌نشین میشود. به این نکته توجه داشته باشید که هنوز به خالص‌ترین حالت اورانیوم نرسیده‌ایم. اورانیوم هنوز باید برای غنیسازی به نیروگاه دیگری فرستاده شود.
استخراج برجا
گرچه نمیتوانیم همه ذخایر سنگ‌معدن اورانیوم را با استفاده از استخراج برجا، استخراج کنیم، این روش نسبت به دو روش توضیح داده شده در بالا ارجحیت بیشتری دارد. چرا؟ زیرا استخراج برجا در مقایسه با دو روش استخراج دیگر ارزان‌تر است و آسیب کمتری به محیط زیست می‌زند. استخراج برجا در ایالات متحده آمریکا طی مراحل زیر انجام میشود:
- آب از سازند، پمپاژ و به آن اکسنده‌ای مانند اکسیژن گازی اضافه میشود. در برخی واحدها، فاز کربنات، مانند بی‌کربنات سدیم (جوش شیرین)، به محلول اضافه میشود. با انجام این کار، اورانیوم راحت‌تر وارد محلول میشود. در حالت ایده‌ال، pH محلول بین ۶/۵ تا ۷/۰ (نزدیک به خنثی) است. این محلول با اکسید کردن اورانیوم در سنگ‌ماسه‌های متخلخل، ورود آن به محلول را آسان‌تر میکند.
- محلول غنی از اکسیژن به چاه‌های تزریق پمپاژ میشود.
- محلول با حرکت از میان سنگ‌ها، اورانیوم داخل زمین را حل میکند.
- چاه‌ها در فاصله‌ای مشخص از چاه‌های تزریق قرار گرفته‌اند. این چاه‌ها، آبهای غنی شده از اورانیوم را به سطح پمپاژ می‌کنند:
- این چاه‌ها مایع بیشتری از آنچه در حفره فرو می‌رود، به سطح پمپاژ می‌کنند. در این صورت، فرورفتگی به شکل مخروط ایجاد میشود.
- انجام این کار، هدررفت آبهای غنی شده با اورانیوم و مواد معدنی را را به حداقل می‌رساند.
- آبهای غنی شده با اورانیوم به منظور حذف اورانیوم تصفیه و فیلتر میشوند.
- آب تصفیه شده در صورت لزوم با استفاده از اکسنده‌ها و کربنات‌ها تازه میشود. پس از انجام این کار، فرایندهای بالا تکرار خواهند شد.
در دیگر نقاط جهان مانند استرالیا، از سولفوریک اسید استفاده میشود و نیازی به پاکسازی نیست.
آسیاب کردن اورانیوم چیست ؟
در استخراج برجا برای استخراج اورانیوم از سنگ‌معدن یا محلول استخراج شده از روش آسیاب کردن استفاده میشود. در نخستین گام، سنگ‌معنن را تا جایی خرد می‌کنند که به دانه‌های کوچکی به اندازه ماسه تبدیل شود. سپس، برای «لیچینگ یا فروشویی» (leaching) اورانیوم از سنگ‌معدن خرد شده، از سولفوریک اسید استفاده میشود. اورانیوم پس از انجام چند مرحله واکنش شیمیایی، در محلول رسوب میکند. در ادامه، اورانیوم غلیظ شده به منظور حذف مایع باقی‌مانده تا دمایی مشخص گرم میشود. محصول، جامد نهایی پس از آسیاب کردن پودر زردرنگ، اکسید اورانیوم، با فرمول شیمیایی $$U_3 O_8$$، است. به این نکته توجه داشته باشید که در پودرِ اکسیدی به‌دست آمده ممکن است ترکیبات دیگری از اکسید اورانیوم نیز وجود داشته باشند، اما $$U_3 O_8$$ ترکیب غالب است. به این پودر زرد،کیک زرد نیز گفته میشود. کیک زرد از ایزوتوپ‌های متفاوت اورانیوم با نسبت‌های طبیعی هر ایزوتوپ تشکیل شده است.
سوال مهمی که ممکن است مطرح شود آن است که آیا استخراج اورانیوم فرایندی تمیز بدون ایجاد زباله است یا در طی انجام این فرایند زباله‌های پرتوزای زیادی تولید میشوند. استخراج و آسیاب اورانیوم با تولید مقدار زیادی زباله همراه است. این زباله در ردیف زباله‌های خطرناک و رادیواکتیو طبقه‌بندی میشوند. بنابراین، باید با استفاده از روش‌های مناسب در مکان‌هایی امن دفن شوند.
تا اینجا فهمیدیم اورانیوم چیست، چگونه استخراج میشود و مهمترین ویژگی‌های آن کدام هستند. در ادامه این مطلب در مورد غنیسازی اورانیوم صحبت می‌کنیم.
غنی سازی اورانیوم چیست ؟
همان‌طور که در مطالب بالا اشاره شد، اورانیوم دو ایزوتوپ اصلی به نام‌های اورانیوم ۲۳۸ و اورانیوم ۲۳۵ دارد. درصد فراوانی اورانیوم ۲۳۸ در اورانیوم طبیعی در حدود ۹۹/۳ درصد و درصد فراوانی اورانیوم ۲۳۵ در حدود ۰/۷ درصد است. با توجه به این نکته که از بین دو ایزوتوپ اورانیوم، اورانیوم ۲۳۵ به عنوان ایزوتوپی مناسب برای شکافت هستهای در نظر گرفته میشود، مقدار این ایزوتوپ باید افزایش یابد. به بیان دیگر، اورانیوم ۲۳۵ برای ساخت بمب هستهای بسیار مناسب است. اورانیوم ۲۳۸ نیمه‌عمری در حدود ۴/۸ میلیارد سال دارد. در حالی‌که نیمه‌عمر اورانیوم ۲۳۵ در حدود ۰/۷ میلیارد سال است. از این‌رو، ایزوتوپ‌های 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، غنیسازی اورانیوم گفته میشود. شاید از خود بپرسید برای ساخت بمب اتم به چه مقدار اورانیوم ۲۳۵ نیاز داریم.
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 غنیسازی اورانیوم برای تامین سوخت راکتور با فرایند انجام شده برای ساخت بمب اتم، تفاوت دارد. باید بگوییم که فرایند غنیسازی 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.
همان‌طور که در بخش قبل اشاره شد 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. بنابراین، برای غنیسازی اورانیوم باید از این تفاوت جرم بسیار کوچک استفاده کنیم.
غنیسازی اورانیوم فرایندی بسیار سخت، زمان‌بر و چالش‌برانگیز است. آمریکا برای رسیدن به این هدف، آزمایشگاه بسیار بزرگی را در «اوک ریج» (Oak Ridge) در سال ۱۹۴۰ میلادی ساخت. این مکان برای غنیسازی اروانیوم بسیار مناسب بود، منطقه‌ای بکر و دور از شهر. هدف اصلی در این آزمایشگاه آن بود که با استفاده از تفاوت جرم دو ایزوتوپ اورانیوم، آن را غنی کنند. در نخستین گام برای انجام این کار باید اورانیوم به گاز تبدیل شود. از این‌رو، اورانیوم به گاز اورانیوم هگزافلورید تبدیل میشود.
$$U \rightarrow UF_ 6$$
در این حالت، تفاوت جرم بین دو ایزوتوپ حتی کمتر میشود. چرا؟ زیرا مولکول‌های فلور به اورانیوم اضافه شده‌اند. به این نکته توجه داشته باشید که گاز $$U ^ { 238 } F _ 6$$ کمی از $$U ^ { 235 } F _ 6$$ سنگین‌تر 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، از آنجا که نفوذ با جذر جرم ماده رابطه عکس دارد، هرچه جرم ماده‌ای کمتر باشد، سرعت نفوذ آن بزرگ‌تر خواهد بود. 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 خواهد داشت. 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 جداسازی اورانیوم با این روش 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 اورانیوم ۲۳۵ باید از مقدار ۰/۷ درصد به ۹۰ درصد افزایش یابد. برای غنیسازی 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 در آزمایشگاه اوک ریج در تصویر زیر نشان داده شده است.
در سیستم نفوذ گازی از تعداد زیادی محفظه، در حدود هزار محفظه، استفاده میشود. فرایند نفوذ گازی به صورت شماتیک در تصویر زیر نشان داده شده است. گاز اورانیوم هگزافلورید با فشار بالا وارد محفظه میشود. داخل محفظه غشای نفوذ کوچکی وجود دارد. گاز سبک‌تر با سرعت بیشتری نفوذ میکند.گاز ورودی به محفظه ترکیبی از گازهای اورانیوم هگزافلورید ۲۳۵ و اورانیوم هگزافلوید ۲۳۸ است. از آنجا که جرم گاز اورانیوم هگزافلورید ۲۳۸ بیشتر از جرم گاز اورانیوم هگزافلورید ۲۳۵، با سرعت‌های متفاوتی نفوذ می‌کنند. از همین تفاوت در سرعت نفوذ می‌توانیم برای جداسازی این دو گاز استفاده کنیم. محفظه دو خروجی دارد:
- خروجی بخار غنی شده
- خروجی بخار تهی شده
در مرحله اول، گاز پرفشاری متشکل از ۹۹/۳ درصد ایزوتوپ اورانیوم ۲۳۸ و ۰٫۷ درصد ایزوتوپ اورانیوم ۲۳۵ وارد محفظه جداسازی میشود. همان‌طور که در مطالب بالا اشاره شد، ضریب فاکتور جداسازی در هر مرحله برابر ۱/۰۰۴۳ است. بنابراین، پس از پایان مرحله اول درصد ایزوتوپ اورانیوم ۲۳۵ برابر است با:
$$0.7 \times 0.0043 = 0.003 \ \\ ^ { 235 } U = 0.7 + 0.003 = 0.7003$$
در ادامه، بخار اورانیوم غنی شده را در محفظه دیگری، مشابه محفظه اول، قرار می‌دهیم. مقدار ۰/۷۰۰۳ اورانیوم غنی شده به ۰/۷۰۳۳ افزایش می‌یابد. این فرایند تا رسیدن به عدد موردنظر برای اورانیوم غنی شده ادامه می‌یابد. درصد غنیسازی اورانیوم به کاربرد موردنظر برای آن بستگی دارد. در واقع برای رسیدن به عدد موردنظر باید از تعداد زیادی محفظه استفاده کنیم و سال‌های زیادی منتظر بمانیم. این فناوری مربوط به دهه ۴۰ میلادی بود، آیا امروزه هم باید مدت زمان زیادی برای رسیدن به عدد موردنظر صبر کنیم؟ خیر، امروزه از فناوری بسیار پیشرفته‌تر و بهتری استفاده میشود، سانتریفیوژ گازی. تصویری از سانتریفیوژ گازی در ادامه نشان داده شده است.
سانتریفیوژ گازی در غنیسازی اورانیوم چیست ؟
سانتریفیوژ گازی، دومین نسل فناوری غنیسازی، در حدود ۲۰ سال پس از نفوذ گازی در سال ۱۹۶۰ میلادی معرفی شد. این روش در مقایسه با روش نفوذ گازی بهره بسیار بیشتری دارد. در نفوذ گازی، از تفاوت جرم دو گاز برای جداسازی آن‌ها استفاده میشود. به طور مشابه، در سانتریفیوژ گازی نیز تفاوت جرم ذرات با یکدیگر نقش مهمی در جداسازی آن‌ها ایفا میکند. محلولی متشکل از ذرات با جرم‌های مختلف را در نظر بگیرید. آن را داخل ظرفی بریزید و با سرعت زیاد دورِ سر خود بچرخانید. پس از مدت زمان مشخصی خواهید دید که ذرات سنگین‌تر به دیواره ظرف چسبیده‌اند و از ذرات سبک‌تر جدا شده‌اند. سانتریفیوژهای گازی همانند تاپ می‌چرخند.
برای غنیسازی اورانیوم به تعداد زیادی سانتریفیوژ گازی نیاز داریم. به این نکته توجه داشته باشید که حجم این سانتریفیوژها بسیار کمتر از حجم محفظه‌های استفاده شده در نفوذ گازی است. چگونگی عملکرد این سانتریفیوژ در تصویر زیر نشان داده شده است.
با توجه به تصویر نشان داده شده در بالا، ابتدا گاز اورانیوم هگزافلورید از لوله سمت چپ وارد محفظه استوانه‌ای داخل سانتریفیوژ میشود. محفظه استوانه‌ای به دور محور مرکزی خود می‌چرخد. به دلیل این چرخش، ماده سنگین‌تر به خارج استوانه می‌رود. این ماده اورانیوم ۲۳۸ با درصد کمتری اورانیوم ۲۳۵ (اورانیوم تهی شده) است. گاز سبک‌تر که حاوی اورانیوم ۲۳۵ (اورانیوم غنی شده) است در مرکز استوانه قرار می‌گیرد. ضریب جداسازی در سانتریفیوژ گازی برابر ۱/۵ است. در این حالت، 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 از سانتریفیوژ گازی برابر ۱/۵ است، پس از پایان مرحله اول، درصد ایزوتوپ اورانیوم ۲۳۵ برابر است با:
$$0.7 \times 1/5 = 1.05 \ \\ ^ { 235 } U = 0.7 + 1.05 = 1.75$$
در نتیجه، در مقایسه با نفوذ گازی، تعداد مراحل لازم در سانتریفیوژ گازی برای رسیدن به درصد غنیسازی موردنظر بسیار کمتر است.
جداسازی ایزوتوپ لیزری در غنیسازی اورانیوم چیست ؟
علاوه بر نفوذ گازی و سانتریفیوژ گازی، برای غنیسازی اورانیوم از روش دیگری به نام جداسازی ایزوتوپ لیزری، سومین نسل فناوری غنیسازی اورانیوم، نیز میتوان استفاده کرد. این روش هنوز در مراحل ابتدایی خود قرار دارد و برای رسیدن به نقطه مطلوب کارهای زیادی باید انجام شود. انرژی ورودی در مقایسه با دو روش توضیح داده شده در بالا کمتر است. از این‌رو، مزایای اقتصادی این روش نسبت به روش‌های بالا بیشتر خواهد بود. در این فرایند، لیزری با طول موجی مشخص با گاز یا بخار حاوی ایزوتوپ‌های اورانیوم برهم‌کنش میکند.
همان‌طور که می‌دانیم هر موجی با فرکانسی مشخص، مقدار مشخصی انرژی دارد. بنابراین، 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. در نتیجه، ممکن است بتوان مولکول‌های حاوی ایزوتوپی خاص را به منظور جمع‌آوری ایزوتوپ برانگیخته جدا کرد.
اورانیوم غنی شده به نیروگاه منتقل و در آنجا به پودر دی‌اکسید اورانیوم تبدیل میشود. سپس، پودر تولید شده را با استفاده از دستگاه‌های مناسب فشرده می‌کنند و به این ترتیب آن‌ها را به شکل قرص‌های سوخت کوچک درمی‌آورند. قرص‌های کوچک ساخته شده پس دریافت گرما و افزایش دما به ماده سرامیکی سختی تبدیل میشوند. در ادامه، این قرص‌ها داخل لوله‌های نازکی به نام میله‌های سوخت قرار می‌گیرند. میله‌های سوخت با قرار گرفتن با یکدیگر در گروه، مجموعه‌ای به نام مجموعه سوخت را تشکیل می‌دهند. تعداد میله‌های لازم برای ساخت مجموعه سوخت بین ۹۰ تا ۲۰۰ میله است. تعداد میله‌های در هر مجموعه به نوع راکتور بستگی دارد. به طور معمول، سوخت پس از بارگیری تا چند سال در هسته یا مرکز راکتور باقی می‌ماند.
هر راکتور آبی فشرده ۱۰۰۰ مگاواتی سالانه در حدود ۲۷ تن اورانیوم (حدود ۱۸ میلیون قرص سوخت در بیش از ۵۰ هزار میله سوخت) می‌خواهد. در مقابل، نیروگاه ذغال‌سنگ با اندازه‌ای برابر، نیاز به بیش از ۲/۵ میلیون تن ذغال‌سنگ برای تولید همان مقدار برق دارد.
تا اینجا فهمیدیم غنیسازی اورانیوم چیست و با استفاده از چه روش‌های انجام میشود. سوال مهمی که ممکن از مطرح شود آن است که مهمترین کاربردهای اورانیوم غنی شده چیست. در ادامه، به این پرسش پاسخ می‌دهیم.
اورانیوم غنی شده چه کاربردی دارد؟
اورانیوم غنی شده را هم میتوان به صورت صلحآمیز برای بهبود کیفیت زندگی و هم برای ساخت بمب اتم، استفاده کرد. امروزه، یکی از مهمترین کاربردهای غنیسازی اورانیوم، تامین سوخت هستهای لازم برای تولید الکتریسیته در راکتورهای هستهای است. فناوری سانتریفیوژ، قلب فرایند غنیسازی است و تشخیص مرز بین استفاده صلحآمیز از اورانیوم غنی شده یا ساخت بمب اتم توسط آن، بسیار سخت خواهد بود. هر کشوری با رسیدن به دانش موردنیاز برای این فناوری می‌تواند سانتریفیوژها را به صورت آبشاری در کنار یکدیگر قرار دهد و به این ترتیب می‌تواند سوخت موردنیاز برای تولید برق در راکتور هستهای یا ساخت بمب اتم را تامین کند.
همان‌طور که در مطالب بالا اشاره شد، اورانیوم یافت شده در طبیعت، تنها از ۰/۷ درصد ایزوتوپ لازم برای انجام واکنش‌های زنجیره‌ای، یعنی اورانیوم ۲۳۵، تشکیل شده است. این ایزوتوپ برای ساخت بمب اتم یا تامین برق برای شهرهای کوچک و بزرگ لازم است. همچنین، ۹۹/۳ درصد باقی‌مانده از اورانیوم یافت شده در طبیعت از ایزوتوپ اورانیوم ۲۳۸ تشکیل شده است که برای انجام کارهای ذکر شده قابل‌استفاده نیست. سانتریفیوژها با سرعت بسیار زیادی می‌چرخند. ایزوتوپ اورانیوم ۲۳۸ همراه با این چرخش از سانتریفیوژ خارج و حذف میشود. محصول باقی‌مانده، درصد بیشتری اورانیوم ۲۳۵ دارد که میتوان در سانتریفیوژهای متوالی، این درصد را افزایش داد. بیشتر راکتورهای هستهای تولیدکننده برق، تنها به اورانیوم غنی شده تا ۳/۵ درصد نیاز دارند.
اثرات اورانیوم بر سلامتی چیست ؟
مردم همیشه در معرض مقدار مشخصی اورانیوم قرار می‌گیرند، زیرا این عنصر به صورت طبیعی در غذای مصرفی، هوایی که تنفس میشود، خاک و آب وجود دارد. ریشه سبزیجات و آب درصد بسیار کمی اورانیوم به صورت طبیعی در خود دارند. همچنین، با تنفس هوای اطراف درصد بسیار کمی اورانیوم را وارد بدن خود می‌کنیم. غلظت اورانیوم در غذاهای دریایی به اندازه ای کم است که به طور معمول می‌توانیم آن را نادیده بگیریم. سوالی که ممکن است مطرح شود آن است که چه کسانی در معرض درصد بالایی از اورانیوم قرار می‌گیرند:
- افرادی که در نزدیکی مکان‌های زباله‌های خطرناک زندگی می‌کنند.
- افرادی که در نزدیکی معادن، به خصوص معادن اورانیوم، زندگی می‌کنند.
- افرادی که در صنعت فسفات کار می‌کنند.
- افرادی که دانه و غلات رشد یافته در خاک آلوده را مصرف می‌کنند.
- افرادی که آب آشامیدنی را از محل دفن زباله‌های اورانیوم می‌نوشند.
از آنجا که اورانیوم عنصری رادیواکتیو است، اثرات این عنصر بر سلامتی انسان توسط پژوهشگران بسیاری مطالعه شده است. بر طبق تحقیقات انجام شده، قرار گرفتن در معرض درصد‌های طبیعی اورانیوم، هیچ خطری برای سلامتی ندارد. اما، اثرات شیمیایی پس از قرار گرفتن در برابر درصد زیادی از اورانیوم ممکن است رخ دهند و منجر به آسیب رساندن به ارگان‌های حیاتی بدن مانند کلیه‌ها شوند. همچنین، قرار گرفتن طولانی‌مدت در معرض تشعشعات اورانیوم ممکن است منجر به بیمارهای لاعلاج مانند سرطان شود. به این نکته توجه داشته باشید که احتمال ابتلا به سرطان به هنگام تماس با اورانیوم غنی شده افزایش می‌یابد. زیرا پرتوزایی اورانیوم غنی شده بسیار بیشتر از پرتوزایی اورانیوم غنی نشده است.
اثرات اورانیوم بر محیط زیست چیست ؟
اورانیوم عنصری پرتوزا و بسیار واکنشپذیر است. بنابراین، نمیتوانیم آن را به شکل عنصری، در طبیعت پیدا کنیم. ترکیبات مختلف اورانیوم به دلیل واکنش اورانیوم با عناصر و مواد مختلف ایجاد میشوند. این ترکیبها تا حد قابلقبلولی میتوانند در آب حل شوند. میزان حلالیت ترکیبهای مختلف اورانیوم در آب، سمیت و تحرک این عنصر در محیط اطراف را تعیین میکند. گرچه اورانیوم به‌تنهایی خطر قابل ملاحظه‌ای ندارد، محصولات واپاشی آن، مانند رادون، بسیار خطرناک هستند. این محصولات میتوانند در فضاهای محبوس مانند زیرزمین، تولید شوند. اورانیوم در هوا به صورت گرد و خاک وجود دارد و روی سطح آب، گیاهان یا خاک می‌نشیند. اورانیوم نشسته شده روی سطح آب یا خاک به داخل آب یا لایه‌های پایینی خاک فرو می‌رود و در آنجا با اورانیوم موجود مخلوط میشود.
آبهای رودخانه‌ها یا آب آشامیدنی درصد کمی اورانیوم در خود دارند. مقدار اورانیوم در این آب‌ها به اندازه‌ای نیست که برای بدن خطر داشته باشد. اورانیوم به دلیل ماهیت خود در غذاهای دریایی و سبزیجات یافت نمی‌شود یا با درصد بسیار پایینی یافت میشود. همچنین، اورانیوم جذب شده بلافاصله از طریق ادرار دفع خواهد شد. ترکیبهای داخل خاک با ترکیبهای دیگر، ترکیب میشوند و میتوانند تا سال‌ها بدون حرکت به سمت آبهای زیرزمینی در خاک باقی بمانند. به طور معمول، غلظت اورانیوم در خاک غنی از فسفات بیشتر است، اما این مورد مشکلی ایجاد نمی‌کند. گیاهان میتوانند اورانیوم را از طریق ریشه‌های خود جذب کنند و آن را ذخیره کنند. مقدار اورانیوم جذب شده توسط گیاهان پس از شست‌وشوی آن‌ها توسط آب، از بین خواهد رفت.
تا اینجا فهمیدیم:
- اورانیوم چیست و چگونه استخراج میشود.
- مهمترین ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی اورانیوم چیست.
- غنیسازی اورانیوم چیست و چگونه انجام میشود.
- مهمترین کاربردهای اورانیوم غنی شده چیست.
- اورانیوم چه اثراتی بر محیط زیست و سلامت بدن می‌گذارد.
در پایان این مطلب، حقایق جالبی در مورد اورانیوم را با یکدیگر مرور می‌کنیم.
حقایقی جالب در مورد اورانیوم
در مطالب بالا با عنصر اورانیوم و چگونگی غنیسازی آن آشنا شدیم. در این بخش، تعدادی از حقایق جالب در مورد اورانیوم را بیان می‌کنیم.
- در نخستین نگاه، این‌گونه به نظر می‌رسد که اورانیوم عنصری نایاب روی زمین است. اما این ذهنیت صحیح نیست. به عنوان مثال، این عنصر در حدود ۵۰۰ مرتبه فراوان‌تر از عنصر طلا است. یافتن اورانیوم به راحتی یافتن قلع است.
- اورانیوم خالص، فلزی به رنگ سفید نقره‌ای است.
- عدد اتمی اورانیوم برابر ۹۲ است. این بدان معنا است که این عنصر ۹۲ پروتون و ۹۲ الکترون دارد. ایزوتوپ اورانیوم به تعداد نوترون‌های آن وابسته است.
- از آنجا که اورانیوم عنصری پرتوزا است، رادیوم همیشه در سنگ‌معدن اورانیوم یافت میشود.
- اورانیوم از خود کمی خواص پارامغناطیسی نشان می‌دهد. ماده پارامغناطیس به مقدار بسیار ضعیف جذب میدان مغناطیسی خارجی میشود. این ماده خواصی مابین ماده فرومغناطیس و ماده دیامغناطیس دارد.
- همان‌طور که در مطالب بالا اشاره شد نام اورانیوم برگرفته از نام سیاره اورانوس در منظومه‌شمسی است.
- از اورانیوم میتوان به عنوان سوخت در نیروگاه‌های برق استفاده کرد. از دیدگاه نظری، یک کیلوگرم اورانیوم ۲۳۵ می‌تواند انرژی معادل ۸۰ تراژول تولید کند. نکته جالب آن است که این مقدار انرژی می‌تواند توسط ۳۰۰۰ تن ذغال‌سنگ تولید شود. در اینجا است که چرا تمایل زیادی به استفاده از اورانیوم به عنوان سوخت است.
- سنگ‌معدن اورانیوم می‌تواند به صورت خودبه‌خودی شکافته شود.
- چگالی اورانیوم در حدود ۷۰ درصد بیشتر از چگالی سرب، اما بیشتر از چگالی فلزاتی مانند طلا یا تنگستن است. گرچه اورانیوم دومین عنصر با بیشترین وزن اتمی میان عناصری است که به صورت طبیعی به وجود آمده‌اند.
- اورانیوم عنصری با ظرفیت ۴ و ۶ است.
- اورانیوم، ذرات آلفا تابش میکند. این ذرات نمی‌توانند حتی به داخل پوست نفوذ کنند. بنابراین، اورانیوم از این نظر ضرری به انسان نمی‌رساند، اما این عنصر و ترکیبات شیمیایی آن سمی هستند. اورانیوم از این نظر میتوانند تاثیرات مخربی بر سیستم ایمنی بدن بگذارد.
- پودر اورانیوم آتش‌زا است. از این‌رو، در دمای اتاق می‌تواند خودبه‌خود آتش بگیرد.
- گرچه اورانیوم به فراوانی در زمین یافت میشود، استخراج این عنصر تنها از مکان‌هایی که مقدار آن بسیار فراوان است، به صرفه خواهد بود.
- تنها مقدار کوچکی از اورانیوم قابلیت شرکت در واکنش‌های شکافت هستهای را دارد.
جمع‌بندی
پس از خواندن این مطلب از مجله فرادرس می‌دانیم اورانیوم چیست و غنیسازی آن با چه روش‌هایی انجام میشود. اورانیوم، یکی از فراوان‌ترین عناصر موجود در پوسته زمین، عنصری فلزی با عدد اتمی ۹۲ در جدول تناوبی و به رنگ سفید نقره‌ای است. این عنصر با نماد شیمیایی U نشان داده میشود. اتم اورانیوم، ۹۲ پروتون و ۹۲ الکترون دارد. از این تعداد الکترون، ۶ الکترون در تراز ظرفیت، تراز پایانی، قرار گرفته‌اند. مهمترین مشخصات کلی اورانیوم در جدول زیر آمده‌اند.
برای دست‌یابی به اورنیوم به عنوان سوخت، تنها کافی است آن را به روش‌های مختلف استخراج و از سنگ‌معدن جدا کنیم. این عنصر در پوسته زمین به صورت ماده معدنی یافت میشود که با عناصر دیگر پیوند شیمیایی دارد. اورانیوم پس از استخراج،به روش‌های مختلف از سنگ‌معدن جدا و به سه روش نفوذ گازی، سانتریفیوژ و لیزر غنی میشود.
عالی و به زبان ساده توضیح دادی مرسی