اورانیوم غنی سازی شده چیست و چه کاربردی دارد؟

به گزارش منیبان به نقل از ایمنا، انرژی هسته‌ای به‌عنوان یکی از منابع کلیدی بشر برای تولید برق، نیازمند مواد اولیه‌ای خاص به نام اورانیوم غنی‌شده است. در کنار آن، مفهومی به نام آب سنگین نیز در فرایندهای هسته‌ای نقش مهمی دارد.

اورانیوم چیست؟

اورانیوم عنصری طبیعی در پوسته زمین است که سه ایزوتوپ اصلی دارد: اورانیوم -۲۳۴، اورانیوم -۲۳۵ و اورانیوم -۲۳۸. از میان این سه ایزوتوپ، تنها اورانیوم -۲۳۵ خاصیت شکافت‌پذیری دارد و می‌تواند در واکنش‌های زنجیره‌ای هسته‌ای شرکت کند. درصد وجود این ایزوتوپ در اورانیوم طبیعی حدود ۰.۷۱ درصد است و قبل از استفاده در راکتور یا هر مصرف دیگر، باید مقدار آن افزایش یابد؛ این فرایند همان غنی‌سازی اورانیوم است.

آب سنگین چیست و چه کاربردی دارد؟

آب سنگین ترکیبی شبیه به آب معمولی است، با این تفاوت که به جای هیدروژن سبک، در مولکول آن ایزوتوپی به نام دوتریوم وجود دارد. این ویژگی موجب می‌شود آب سنگین نوترون‌ها را کُند کند، اما جذب نکند.

تفاوت راکتورهای آب سنگین با راکتور آب سبک

راکتورهای آب سنگین برخلاف راکتورهای آب سبک، می‌توانند از اورانیوم خام استفاده کنند، زیرا کُندکنندگی مؤثرتری دارند. در نتیجه نیازی به غنی‌سازی ندارند و از نظر اقتصادی مقرون به صرفه‌ترند.

به علاوه، آب سنگین ظرفیت گرمایی بیشتری دارد و مقدار کمتری از نوترون‌ها را جذب می‌کند، هرچند هزینه تولید بالایی دارد. سوخت مصرف‌شده در این راکتورها به‌طور معمول پلوتونیوم زیادی در خود دارد که توان بازفراوری دارد.

غنی سازی اورانیوم چیست و چه کاربردی دارد؟

غنی‌سازی اورانیوم فرایندی صنعتی است برای جداسازی ایزوتوپ‌های اورانیوم از یکدیگر و افزایش درصد ایزوتوپ ۲۳۵. هدف این فرایند تولید سوخت مناسب برای راکتورهای هسته‌ای یا دیگر مصارف است، در حالی که نیروگاه‌های هسته‌ای معمولی به اورانیوم با غنای ۲ تا ۵ درصد نیاز دارند، سطح غنای بالاتر از ۹۰ درصد به‌طور معمول برای بمب اتم مورد استفاده قرار می‌گیرد.

ابزار غنی‌سازی اورانیوم چیست و چگونه کار می‌کند؟

ماده اولیه برای شروع غنی‌سازی باید به شکل گاز درآید. این ماده به صورت ترکیب هگزا فلوئورید اورانیوم (UF₆) آماده می‌شود، زیرا در این حالت ایزوتوپ‌های اورانیوم قابلیت جداسازی مکانیکی پیدا می‌کنند. مهم‌ترین ابزار غنی سازی اورانیوم برای این جداسازی، دستگاه سانتریفیوژ است که با چرخش بسیار سریع، ایزوتوپ‌های سبک‌تر را از سنگین‌تر جدا می‌کند.

سانتریفیوژهای غنی سازی اورانیوم از جمله دقیق‌ترین ماشین‌های صنعتی جهان به‌شمار می‌آیند و در سرعت‌هایی چندبرابر صوت می‌چرخند. استفاده از فناوری غنی‌سازی اورانیوم به روش سانتریفیوژ نسبت به روش‌های قدیمی‌تر همچون پخش گازی یا الکترومغناطیسی، مصرف انرژی بسیار کمتری دارد.

غنی سازی اورانیوم چگونه است؟

در روند غنی سازی اورانیوم ممکن است از روش‌های مختلفی مانند پخش گازی، شیمیایی، فتوشیمیایی و سانتریفیوژ استفاده کنند. انتخاب روش به امکانات فنی، اقتصادی و سطح فناوری کشور بستگی دارد.

در هر شکافت هسته‌ای حدود ۲.۴۳ نوترون آزاد می‌شود. برای ادامه واکنش زنجیره‌ای تنها یکی از این نوترون‌ها باید موجب شکافت بعدی شود و بقیه باید کنترل یا حذف شوند. نوترون‌های تازه تولیدشده انرژی زیادی دارند (حدود ۲ مگاالکترون‌ولت) اما اورانیوم ۲۳۵ بیشتر با نوترون‌های کم‌انرژی یا حرارتی (حدود ۰.۰۲۵ الکترون‌ولت) واکنش می‌دهد، بنابراین در راکتورها باید انرژی نوترون‌ها کاهش پیدا کند.

نوترون‌ها پس از آزاد شدن با مواد اطراف سوخت برخورد می‌کنند و انرژی خود را از دست می‌دهند. اگر پس از کاهش انرژی با هسته اورانیوم ۲۳۵ برخورد کنند، شکافت بعدی رخ می‌دهد؛ اما ممکن است توسط مواد دیگر جذب و از چرخه واکنش خارج شوند. برای کند کردن نوترون‌ها به‌طور معمول از مواد سبک مانند آب معمولی (H₂O) یا آب سنگین (D₂O) استفاده می‌شود.

چگونگی فرایند غنی‌سازی اورانیوم

در فرایند غنی سازی اورانیوم، جداسازی ایزوتوپ‌ها به صورت مرحله‌ای انجام می‌شود. هر مرحله درصد ناچیزی از اورانیوم ۲۳۵ را جدا می‌کند، بنابراین ده‌ها یا حتی صدها مرحله به صورت متوالی و زنجیره‌ای اجرا می‌شود؛ ساختاری که «آبشار» یا Cascade نام دارد. در چگونگی غنی سازی اورانیوم، طراحی دقیق جریان مواد و جبران پسماندها اهمیت زیادی دارد تا غنای نهایی مورد نظر حاصل شود.

به عبارت دیگر در فرایند غنی‌سازی اورانیوم به روش آبشار ایده‌آل، جریان مواد به صورت مخالف حرکت می‌کند؛ یعنی پسماند هر مرحله به مرحله پایین‌تر منتقل می‌شود. این نوع جریان سبب می‌شود که فرآیند جداسازی با بازدهی بالاتر و هزینه کمتر انجام شود. اگر برعکس، محصول هر مرحله به مرحله بعدی و پسماند به مرحله قبلی انتقال یابد، به آن آبشار با جهت قرینه می‌گویند.

در حالت دیگر، اگر محصول هر مرحله به چند مرحله بعد و پسماند به چند مرحله قبل منتقل شوند، این نوع را آبشار پرشی می‌نامند. اما در حالت ایده‌آل، موادی با درصدهای متفاوت در هم مخلوط نمی‌شوند و هر مرحله کاملاً جدا از دیگری است. با این حال، چون در عمل چنین چیزی امکان‌پذیر نیست، این مفهوم تنها یک حالت فرضی و آرمانی محسوب می‌شود و در واقعیت وجود ندارد و به همین دلیل به آن آبشار ایده‌آل می‌گویند.

کاربردها و مصارف غنی سازی اورانیوم

مصارف غنی سازی اورانیوم تنها به نیروگاه‌های برق محدود نمی‌شود؛ راکتورهای تحقیقاتی، پزشکی هسته‌ای و حتی زیردریایی‌های هسته‌ای نیز به درجات مختلف از سوخت غنی‌شده نیاز دارند.

درصد غنی سازی اورانیوم برای بمب اتم

در دوران جنگ جهانی دوم، فناوری غنی‌سازی برای نخستین‌بار در سطح بالا توسعه یافت. درصد غنی سازی اورانیوم برای بمب اتم بیش از ۹۰ درصد است، زیرا تنها در این حالت می‌توان واکنش‌های زنجیره‌ای سریع و خودپایدار را در ابعاد کوچک ایجاد کرد.

کاربرد غنی سازی ۶۰ درصد

سوخت‌هایی با غنای حدود ۶۰ درصد در راکتورهای خاص یا موتورهای فشار بالا مانند زیردریایی‌های اتمی به کار می‌رود. این سطح از غنا در مرز بین کاربردهای صنعتی و نظامی قرار دارد و به همین دلیل از لحاظ سیاسی و فنی بسیار حساس محسوب می‌شود.

تحریم غنی سازی اورانیوم

به دلیل نگرانی‌های امنیتی، کشورهای دارای برنامه غنی‌سازی اغلب با محدودیت‌های بین‌المللی روبه‌رو هستند. تحریم غنی سازی اورانیوم معمولاً شامل ممنوعیت انتقال تجهیزات سانتریفیوژ، مواد حساس و فناوری‌های مربوطه می‌شود. هدف از این تحریم‌ها اطمینان از صلح‌آمیز بودن فعالیت‌هاست.

فرآیند غنی سازی اورانیوم در ایران از اوایل دهه ۱۳۸۰ مورد توجه بین‌المللی قرار گرفت. ایران با توسعه زنجیره‌ای از سانتریفیوژهای پیشرفته توانست به سوخت مورد نیاز نیروگاه‌های داخلی خود دست یابد. حساسیت جهانی نسبت به این فعالیت‌ها به دلیل قابلیت بالقوه استفاده نظامی از اورانیوم غنی‌شده است.

اورانیوم غنی شده ایران چقدر است؟

میزان اورانیوم غنی‌شده ایران عدد ثابتی نیست و با ادامه تولید یا مصرف آن تغییر می‌کند. طبق گزارش‌های دوره‌ای آژانس بین‌المللی انرژی اتمی، ایران اورانیوم را در سطوح مختلفی از جمله حدود ۳.۶۷ درصد، ۲۰ درصد و تا حدود ۶۰ درصد غنی‌سازی کرده است.

به گزارش ایمنا، به زبان ساده، برای آنکه واکنش زنجیره‌ای در یک راکتور هسته‌ای ادامه یابد، باید یا از اورانیوم غنی شده با درصد بالاتر از ۲۳۵ استفاده شود، یا از آب سنگین به عنوان کندکننده بهره برد. انتخاب میان این دو مسیر، به نوع راکتور، فناوری موجود و توان اقتصادی کشور بستگی دارد.