تشریح علت و فرآیند غنی سازی اورانیوم

به گزارش گروه فضای مجازی «خبرگزاری دانشجو»، مذاکرات هسته‌ای در ژنو سرانجام با انعقاد آنچه توافقنامه هسته‌ای از آن یاد می‌شود به پایان رسید. در این توافقنامه عباراتی بکار رفته است که نیازمند توضیحات بیشتر است.
 
مثلا در این توافقنامه آمده که غنی سازی بالای 5 درصد کلا تعلیق می‌شود؛ 4 آبشار در فردو اورانیوم را تا 5 درصد غنی می‌کند؛ در اراک آب سنگین به تاسیسات حمل نمی‌شود و...
 
در این گزارش قصد داریم به توضیح اختصاری برخی مفاهیم همچون غنی سازی، آب سنگین و... بپردازیم. 
 
فرآیند غنی سازی اورانیوم
غنی سازی اورانیوم یک فرآیند اصلاحی برای ایزوتوپهای اورانیوم از یکدیگر است.
 
اورانیوم طبیعی دارای سه نوع ایزوتوپ به نامهای اورانیوم 234 و اورانیوم 235 و در ‌‌نهایت اورانیوم 238 است، که به ترتیب دارای 0058/0 و 711 /0 و نیز 28/ 99 درصد وزنی می‌باشد. اورانیوم 235 برخلاف اورانیوم 238 شکافت پذیر بوده و می‌تواند در واکنش زنجیره‌ای هسته‌ای بکار گرفته شود.
 
واحدهای هسته‌ای قدرت که با آب سبک کار می‌کنند معمولا با 2 تا 5 درصد اورانیوم 235 مشغول به بهره برداری می‌باشند. در یک راکتور معمولا 3 غنای مقاومت برای یکسان نمودن شار نوترون و نیز تولید حرارت و انرژی یکنواخت، بطور همزمان استفاده خواهد گردید. بطوریکه در هنگام سوخت گذاری در حین کارکرد راکتور، سوخت با غنای بیشتر در طرف بیرونی مجموعه‌های سوخت قلب راکتور قرار می‌گیرد و پس از حدود 12 تا 18 ماه، سوخت گیری بعدی انجام شده و با قرار دادن اورانیوم تازه مجموعة مصرف شده را از مرکز قلب راکتور خارج نموده و سوخت جدید از محیط بیرونی به وسط و سوخت با غنای متوسط جای سوخت با غنای کمتر را اشغال خواهد نمود.
 
بهرحال قبل از استفادة سوخت در راکتور، اورانیوم مربوطه باید با فرآیند غنی سازی اصلاح شود. فرآیند افزایش درصد ایزوتوپ 235 در محصول را غنی سازی اورانیوم می‌نامند. تاریخ غنی سازی از جنگ جهانی دوم آغاز می‌شود و در آن زمان از اورانیوم غنی شده بیش از 90 % برای ساخت سلاح اتمی استفاده می‌گردید. فرآیندهای مختلفی جهت غنی سازی بکار می‌رود. 
 
غنی‌سازی اورانیوم
 اگر بخواهیم از اورانیوم طبیعی که درصد بیشتری از ایزوتوپ 238 را دارد در رآکتور‌ها استفاده نماییم، پس از تولید دی‌اکسید اورانیوم آن‌را برای تهیهٔ می‌له‌های سوخت به قسمت مربوطه منتقل می‌نمایند و در غیر این‌صورت چنانچه هدف، به‌کارگیری اورانیوم غنی شده باشد، می‌بایست درصد ایزوتوپ 235 در سوخت بالا رود.
 
همان‌گونه که قبلاً ذکر گردید تاریخ غنی‌سازی اورانیوم از جنگ جهانی دوم آغاز ‌شده است و در آن زمان از اورانیوم با غنای بیش از 90 % برای ساخت سلاح اتمی استفاده می‌گردید. غنی‌سازی اورانیوم یک فرآیند اصلاحی برای ایزوتوپ‌های اورانیوم از یک‌دیگر است.‌‌ همان طور که گفته شد، اورانیوم طبیعی دارای سه نوع ایزوتوپ به نام‌های اورانیوم 234 و اورانیوم 235 و در ‌‌نهایت اورانیوم 238 است، که به ترتیب دارای 0058/0 و 711 /0 و نیز 28/ 99 درصد وزنی در مخلوط می‌باشد.
 
برای غنی‌سازی اورانیوم، شرط اصلی این است که، مادة اورانیوم به‌صورت گازی شکل درآید و چون تنها ماده مفیدی که می‌تواند با واکنش با اورانیوم به‌صورت گاز درآید، فلوئور می‌باشد، بنابراین در ترکیب با انواع ایزوتوپ‌های اورانیوم به صورت هگزا فلوئورید اورانیوم، ظاهر شده و با توجه به تک بودن ایزوتوپ فلوئور، در ترکیب با ایزوتوپ‌های متفاوت اورانیوم، وزن یکسانی را به آن‌ها اضافه می‌نماید و بدین‌سان قابلیت استفاده در دستگاه سانتریفوژ را نیز پیدا می‌کند. بنابراین دلیل اصلی استفاده از ترکیب UF6 برای فرآیند غنی‌سازی اورانیوم تک بودن ایزوتوپ فلوئور است. 
 
فرآیندهای موجود و معروف در غنی سازی اورانیوم شامل:
• الکترومغناطیس
• پخش گازی
• شیمیایی
• فتوشیمیایی
• و سانتریفوژ می‌با شد.
 
هر کشوری بنا به موقعیت خود از لحاظ تکنولوژی و صنعت مربوطه و دست یابی به امکانات لازم، روش خاص خود را بر گزیده است، لذا برآورد اقتصادی و مقایسة روشهای مختلف کمی دشوار به نظر می‌رسد. 
 
آبشار (Cascade):
در اغلب فر آیند‌ها در هر مرحله از جداسازی تفاوت بسیار ناچیزی در ترکیب درصد ایزوتوپ در محصول بـدست می‌آید. لذا بدیهی است جهت اصول نتیجة مناسب و دلخواه باید مراحل زیادی بصورت سری که آبشار نامیده می‌شود صورت گیرد. حتی این مراحل برای غنای کم مثل 4 درصد در فرآیند پخش گازی 1200 مرحله را شامل می‌شود. 
 
آبشار ایده آل:
در کارخانجات غنی سازی اورانیوم، معمولا از جریان مخالف برای فرآیند استفاده می‌شود. بدین صورت که پسماند هر مرحله به مرحلة پایین‌تر انتقال داده می‌شود. این روش باعث افزایش بازده و هزینة کمتر جداسازی خواهد گردید. چنانچه تولید هر مرحله به مرحلة بعدی و پسماند به مرحلة قبلی منتقل شود یک آبشار با جهت مخالف قرینه نام دارد. حال آنکه اگر محصول هر مرحله به چند مرحلة بعدی و پسماند به چند مرحلة قبلی انتقال یابد، این آبشار را پرشی می‌نامند. در آبشار ایده آل مواد با درصد مختلف با یکدیگر مخلوط نخواهند شد و چون عملا این کار ممکن نیست، لذا آبشار ایده آل به مفهوم واقعی خود وجود نخواهد داشت. 
 
علت غنی سازی اورانیوم
 در طیّ هر شکافت حرارتی 43/2 نوترون ایجاد خواهد شد که اگر یکی از این نوترون‌ها برای شکافت بعدی به کار برده شود 43/1 نوترون باقی می‌ماند که باید در راکتورهای هسته‌ای از محیط حذف شود. اما نکته‌ای که حائز اهمیت است این می‌باشد که نوترون‌های تولید شده در اثر شکافت هسته‌ای، دارای انرژی متفاوتی بوده و متوسط انرژی آن‌ها Mev 2 (2 مگا الکترون ولت [هر الکترون ولت معادل 19-10×6/1 ژول انرژی]) است حال آن‌که اورانیوم 235 با نوترون‌هایی واکنش می‌دهد که انرژی آن‌ها بسیار پایین‌تر از این مقدار یعنی حدود 25 هزارم الکترون ولت و سرعت آن‌ها 2200 متر بر ثانیه ‌باشد و از آن‌جایی که سوخت عمده راکتورهای هسته‌ای از نوع اورانیوم است، بنابراین باید انرژی نوترون‌ها کاهش پیدا نماید...
 
نوترون‌های تولیدی در راکتور، پس از آزاد شدن، به مواد اطراف سوخت برخورد نموده و انرژی آن‌ها در اثر این برخورد‌ها کاهش پیدا خواهد نمود و چنان‌چه پس از کاهش انرژی، به هسته شکافت پذیر (اورانیوم 235) برخورد نماید، جذب آن شده و باعث می‌شود تا شکافت هسته‌ای بعدی رقم بخورد. البته در این مرحله ممکن است نوترون توسط سایر عناصر موجود در راکتور جذب شده و از چرخه واکنش حذف گردد.
 
چنان‌چه مواد اطراف سوخت را عناصر سبک تشکیل داده باشد، در نتیجهٔ برخورد نوترون با آن مواد، انرژی بیشتری از دست می‌رود که بهترین و در دسترس‌ترین مواد برای راکتورهای حرارتی، آب معمولی (H2O) و آب سنگین (D2O) است.
 
اگر از آب معمولی تقطیر شده در اطراف می‌له‌های سوخت راکتور هسته‌ای استفاده شده باشد، نوترون‌های تولید شده پس از 19 بار برخورد می‌توانند به انرژی حرارتی برسند و این مقدار برای آب سنگین 35 مرتبه خواهد بود اما درعین حال آب معمولی به مقدار زیادی نسبت به آب سنگین نوترون را جذب می‌نماید که این کار از انجام واکنش‌های بعدی خواهد کاست و چون تنها ایزوتوپ‌های 235 اورانیوم قادرند تا با نوترون حرارتی واکنش دهند بنابراین جذب نوترون باعث می‌شود تا مقدار واکنش بعدی کاهش یافته و راکتور به سمت خاموشی پیش رود.
 
برای این منظور باید میزان ایزوتوپ 235 در سوخت هسته‌ای بالا رود تا نوترون حرارتی قبل از جذب شدن توسط آب، با آن برخورد کرده و واکنش هسته‌ای انجام پذیرد. در نتیجه نیاز به غنی‌سازی اورانیوم می‌باشد. اما چون درصد جذب نوترون توسط آب سنگین بسیار کمتر از آب معمولی است بنابراین چنان‌چه بخواهیم از اورانیوم معمولی در راکتور استفاده کنیم در نتیجه باید اطراف می‌له‌های سوخت، از آب سنگین انباشته شود تا ضمن کند کردن سرعت نوترون‌ها و بدون جذب کردن آن، امکان برخورد و جذب نوترون‌های حرارتی توسط اورانیوم 235 مهیا گردد.
 
آب معمولی دارای قدرت کاهش انرژی زیاد و قدرت کند کنندگی خوبی است ولی به علّت این‌که جذب نوترون بیشتری انجام می‌دهد در مقایسه با سایر کند کننده‌ها دارای نسبت کند کنندگی پایینی می‌باشد اما فراوانی و ارزان بودن آن باعث شده تا استفاده از آن‌را توجیه نماید. در عوض کیفیت کند کنندگی بالای آب سنگین و عدم جذب زیاد نوترون توسط آن با قیمت فوق‌العاده این ماده خنثی می‌شود.
 
با توجه به موارد ذکر شده نمی‌توان از اورانیوم طبیعی که دارای مقدار کمی 235 است در راکتوری استفاده نمود که اطراف می‌له‌های سوخت آن، از آب معمولی به عنوان کند کننده استفاده شده است.
 
به‌طور خلاصه برای ایجاد واکنش زنجیره‌ای هسته‌ای در راکتور‌ها باید شرایطی را فراهم نمود تا از بین نوترون‌های بوجود آمده در هر واکنش، ضمن کاهش سرعت و انرژی آن‌ها تنها یک نوترون قادر به انجام واکنش بعدی باشد. پس چنان‌چه از اورانیوم طبیعی استفاده شود کند کننده را آب سنگین انتخاب می‌نمایند و چنان‌چه هدف به‌کارگیری آب معمولی است، بنابراین اورانیوم غنی‌شده استفاده خواهد گردید. در هر دو صورت قیمت تمام شده یکسان خواهد شد. همچنین نوع راکتور و هزینه آن، بستگی به امکانات و تکنولوژی کشور استفاده کننده دارد.
راکتورهای آب سنگین 3 تفاوت اصلی با راکتورهای آب سبک (شبیه آنچه در تهران یا بوشهر وجود دارد) دارد:
 
1- راکتورهای آب سنگین از اورانیوم خام به عنوان سوخت مورد نیاز خود استفاده می‌کند در حالی که سوخت راکتورهای آب سبک اورانیوم غنی شده است. هر چه ابعاد راکتور کوچک‌تر و قدرت آن بالا‌تر باشد، به اورانیوم با غنای بیشتری نیاز دارد. راکتور آب سبک ایران در تهران اورانیوم با غنای 20 درصد و راکتور قدرت آب سبک ساخته شده در بوشهر اورانیوم با غنای 5 درصد مصرف می‌کند؛ اما به عنوان نمونه راکتورهایی که در زیردریایی‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد (به دلیل ابعاد بسیار کوچک خود) از اورانیوم با غنای بالای 60 درصد استفاده می‌کند. بنابراین راکتورهای آب سنگین از آنجا که نیاز به فرآیند غنی سازی برای تولید سوخت آن‌ها وجود ندارد، به لحاظ اقتصادی به صرفه‌تر است.
 
2- راکتورهای آب سبک توسط آب معمولی خنک می‌شود اما راکتورهای آب سنگین توسط آب سنگین خنک می‌شود. آب سنگین،‌‌ همان آب معمولی است که در هسته اتم هیدروژن آن یک نوترون قرار دارد و به عبارت دیگر، به جای هیدروژن معمولی از یکی از ایزوتوپ‌های سنگین‌تر آن به نام دوتریوم تشکیل شده است. ویژگی آب سنگین این است که ظرفیت گرمایی بسیار بالاتری نسبت به آب سبک دارد و در واحد حجم، گرمای بیشتری را جذب می‌کند و در نتیجه توان خنک کنندگی آن بالا‌تر است.
 
3- سوخت مصرف شده راکتورهای آب سبک دارای مقدار کمی پلوتونیوم است اما سوخت مصرف شده راکتورهای آب سنگین حاوی مقدار زیادی پلوتونیوم است که می‌تواند پس از طی عملیات بازفرآوری جداسازی شده و در پروژه تسلیحاتی یا غیر آن مصرف شود. 
 
 ماجرای غنای 20 درصد
ایران اورانیوم غنی شده 20 درصد را برای تولید رادیو دارو نیاز دارد. اصولا اورانیوم غنی شده برای مصارف نظامی باید به غنای حدود 80 تا 90 درصد برسد. نیت‌خوانی جهت‌دار غربی‌ها بر این مبناست که اگر ایران اورانیوم را تا 20 درصد غنی کند، بیش از آن را هم می‌تواند و این خطرناک است و این درست به این می‌ماند که بگوییم اگر کسی استاد فیزیک شود، شاید بتواند کار‌های بدی هم انجام دهد. جالب اینکه کشورهای مدعی در این بحث برسابقه بد خود در استفاده نظامی از انرژی هسته‌ای و ضمانت‌های موجود و تعهد ایران به قواعد آژانس چشم فرو می‌بندند. در حقیقت آنچه باعث شده است ایران نیاز به اورانیوم 20 درصد غنی شده داشته باشد، رآکتورتحقیقاتی تهران است؛ رآکتوری که در سال 1967 توسط ایالات متحده آمریکا در مرکز تحقیقات اتمی تهران ساخته شد.
 
هسته مرکزی این رآکتور در عمق 8 متری استخری با ظرفیت 500 هزار لیتر قرار دارد که از آب آشامیدنی تهران تأمین می‌شود. این رآکتور علاوه بر امور تحقیقاتی، در امور پزشکی نیز کاربرد دارد و تولیدات آن برای بیماران خاص استفاده می‌شود. در سال 1987 ایران قراردادی با آرژانتین برای تغییر هسته رآکتور و تغییر سوخت آن از اورانیوم 93 درصد به اورانیوم 20 درصد غنی شده امضا کرد.
 
ارزش این قرارداد 5/5 میلیون دلار بود و پس از آن نیز آرژانتین نزدیک به 116 کیلوگرم اورانیوم 20 درصد برای ایران فراهم کرد. اینک این سوخت در آستانه تمام شدن است برای همین مقامات مسوول کشور از حدود 3 سال قبل درصدد تهیه اورانیوم 20 درصد و جایگزین کردن آن به عنوان سوخت تازه رآکتور بوده‌اند.
 
تهیه این سوخت یک امر طبیعی و ساده‌ است که در کشورهای دنیا انجام می‌شود و ایران نیز در دوره دفاع مقدس، در شرایطی که درگیر جنگ تحمیلی بود توانست بسادگی این سوخت را از طریق آرژانتین تهیه کند اما از وقتی که برنامه‌های هسته‌ای ایران دچار مسائل سیاسی شده و غرب با نگاهی کاملا سیاسی و نه فنی با آن برخورد کرد، ‌خرید این سوخت نیز به معضلی برای طرفین تبدیل شده است.
 
از این‌رو تهران ابتدا درصدد خرید اورانیوم 20 درصد غنی شده در بازارهای جهانی برآمد، اما اعمال فشار غرب بر این روند باعث شد تا تهیه سوخت رآکتور تهران با مشکل مواجه شود. به این‌گونه که غرب خواستار مبادله اورانیوم‌های غنی شده ضعیف ایران با اورانیوم 20 درصد شد. این طرح ابتدا مخالفت تهران را در پی داشت چرا که براساس آن تهران باید بیش از 1000 کیلوگرم اورانیوم 3/5 درصد غنی شده خود را به روسیه منتقل می‌کرد تا یک سال بعد، 120 کیلوگرم اورانیوم 20 درصد غنی شده را از گروه وین (‌شامل فرانسه، ‌روسیه و آمریکا) دریافت کند. ایران با این طرح مخالفت کرد و در ‌‌نهایت با تغییراتی که پیشنهاد شد و با پادرمیانی برزیل و ترکیه، قرار شد ایران اورانیوم خود را با درصد غنای پایین در قبال دریافت اورانیوم با درصد غنای 20 درصد به ترکیه ارسال کند.
 
اما این طرح نیز به‌رغم توافق‌نامه سه‌جانبه‌ای که بین ایران، ‌برزیل و ترکیه منعقد شد و رضایت طرفین معامله را هم با خود به همراه داشت، ‌در میانه راه با مخالفت آمریکا و متحدینش روبه‌رو شد و سرانجام ‌ماجرای تهیه سوخت رآکتور تهران از طریق مبادله، بلاتکلیف باقی ماند. اینک ایران مانده بود و نیازی که رآکتورش به اورانیوم 20 درصد غنی شده برای امور پزشکی دارد. برای همین است که می‌بایست فکری برای آن و نجات جان بیمارانی بکند که زنده ماندنشان وابسته به ادامه فعالیت این رآکتور است، لذا درصدد تهیه سوخت آن یعنی 120 کیلوگرم اورانیوم 20 درصد غنی شده برآمد زیرا آن‌طور که به نظر می‌آید، تهران باید خودش هم آن را تامین کند.
 
به گفته علی‌اصغر سلطانیه، نماینده ایران در آژانس بین‌المللی انرژی اتمی، ‌ حدود 50 کیلوگرم از این مقدار توسط دانشمندان هسته‌ای کشورمان تولید شده که این موضوع به تایید بازرسان آژانس اتمی هم رسیده است. به این ترتیب هنوز باید تولیدات اورانیوم 20 درصدی ادامه باید و این روند تسریع شود. 
 
عدم تأمین اورانیوم رآکتور تحقیقاتی تهران توسط گروه وین باعث شده است تا به تولید بیشتر اورانیوم با غنای 20 درصد نیاز داشته باشیم و طرح کنونی ایران برای تسریع بخشیدن به تولیدات اورانیوم با غنای 20 درصد با هدف تأمین سوخت برای رآکتور هسته‌ای تهران است که این خود جلوه‌ای از توانمندی دانشمندان و صیانت و اعمال حقوق هسته‌ای ملت به شمار می‌رود.

منبع: فرهنگ نیوز