اورانیم

فراوانی

این عنصر از نظر فراوانی در میان عناصر طبیعی پوسته زمین در رده ۴۸ قراردارد.
اورانیم در طبیعت به صورت اکسید یا نمک‌های مخلوط در مواد معدنی (مانند اورانیت یا کارونیت) یافت می‌شود. این نوع مواد اغلب از فوران آتشفشان‌ها بوجود می‌آیند و نسبت وجود آن‌ها در زمین برابر دو در میلیون نسبت به سایر سنگ‌ها و مواد کانی است. اورانیم طبیعی شامل ۹۹/۳٪ از ایزوتوپ ۲۳۸U و ۰/۷٪ ۲۳۵U است.
این فلز در بسیاری از قسمت‌های دنیا در صخره‌ها، خاک و حتی اعماق دریا و اقیانوس‌ها وجود دارد. میزان وجود و پراکندگی آن از طلا، نقره یا جیوه بسیار بیشتر است.
در ایران بزرگترین منبع اورانیم مربوط به ساغند اردکان می‌باشد.

تاریخچه

اورانیم در سال ۱۷۸۹ توسط مارتین کلاپروت (Martin Klaproth) شیمی‌دان آلمانی از نوعی اورانیت بنام پیچبلنده (Pitchblende) کشف شد. این نام اشاره به سیاره اورانوس دارد که هشت سال قبل از آن، ستاره شناسان آن را کشف کرده بودند.
اورانیم یکی از اصلی‌ترین منابع گرمایشی در مرکز زمین است و بیش از ۴۰ سال است که بشر برای تولید انرژی از آن استفاده می‌کند.
دانشمندان معتقد هستند که اورانیم بیش از ۶/۶ بیلیون سال پیش در اثر انفجار یک ستاره بزرگ بوجود آمده و در منظومه خورشیدی پراکنده شده‌است.
استفاده از اورانیوم به شکل اکسید طبیعی آن به سال 79 میلادی بر می‌گردد، یعنی زمانی که این عنصر برای اضافه کردن رنگ زرد به سفال لعابدار استفاده شد (شیشه زرد با یک در صد اورانیوم در نزدیکی ناپل ایتالیا کشف شده‌است. ) کشف این عنصر به شیمیدان آلمانی به نام "مارتین هنریچ کلاپرس" اختصاص داده شد که در سال 1789 اورانیوم را به صورت قسمتی از کانی که آن را pitchblende نامید، کشف شد. نام این عنصر را بر اساس سیاره اورانوس که هشت سال قبل از آن کشف شده بود برگزیده شد. این عنصر در سال 1841 به صورت فلز جداگانه توسط "eugne melchior peligot" استفاده شد.
در سال 1896 "هانری بکرل" فیزیکدان فرانسوی برای اولین بار به خاصیت رادیواکتیویته آن پی برد. در پروژه Manhattan نام‌های Tuballoy و Oralloy برای اورانیوم طبیعی و اورانیوم غنی شده بکار برده شد. این اسامی هنوز نیز برای اورانیوم غنی شده و اورانیوم طبیعی بکار برده می‌شوند.
در آغاز قرن بیستم تفحص و جستجو برای یافتن معادن رادیو اکتیو در ایالات متحده آغاز شد. منابع رادیوم که حاوی کانی‌های اورانیوم نیز می‌بودند، برای استفاده آن‌ها در رنگ ساعت‌های شب‌نما و دیگر ابزار جستجو شدند. در طی جنگ جهانی دوم اورانیوم از نظر اهداف دفاعی اهمیت پیدا کرد. در سال 1943 Union Mines Development Corporation کنگره‌ای را در کلرادو به منظور استفاده ارتش از قدرت اتمی در پروژه Manhattan تشکیل داد.
برای اطمینان از ذخایر کافی اورانیوم این کنگره US Atomic Enecry Act of 1946 را ایجاد و کمیسیون انرژی اتمی را بوجود آورد. در دهه 1960 ملزومات ارتش تزلزل یافت و در اواخر سال 1970 دولت برنامه تهیه اورانیوم خود را کامل کرد. هم‌زمان با همین مسئله بازار دیگری بوجود آمد که در واقع همان کارخانه‌های نیروگاه‌های هسته‌ای اقتصادی بود.

ویژگی‌های اورانیم

اورانیم یکی از سنگین‌ترین و چگالترین  ۱۸/۹۷  g/cm³ عنصر است که در طبیعت یافت می‌شود (هیدروژن سبکترین عنصر طبیعت است  Platin ۲۱/۴۵ g/cm³ .)
اورانیم خالص حدود ۱۸/۷ بار از آب چگالتر است و همانند بسیاری از دیگر مواد پرتوزا در طبیعت به صورت ایزوتوپ یافت می‌شود.
اورانیم شانزده ایزوتوپ دارد. حدود ۹۹/۳ درصد از اورانیمی که در طبیعت یافت می‌شود ایزوتوپ ۲۳۸ (U-۲۳۸) است و حدود ۰/۷ درصد ایزوتوپ ۲۳۵ (U-۲۳۵). دیگر ایزوتوپ‌های اورانیم بسیار نادر هستند.
در این میان ایزوتوپ ۲۳۵ برای بدست آوردن انرژی از نوع ۲۳۸ آن بسیار مهم‌تر است چرا که U-۲۳۵ (با فراوانی تنها ۰/۷ درصد) آمادگی آن را دارد که در شرایط خاص شکافته شود و مقادیر زیادی انرژی آزاد کند. به این ایزوتوپ «ماده شکافا» (Fissile material) هم گفته می‌شود و برای شکافت هسته‌ای استفاده می‌شود.

شکافت هسته‌ای اورانیم

U-۲۳۵ قابلیت شکاف هسته‌ای دارد. این نوع از اتم اورانیم دارای ۹۲ پروتون و ۱۴۳ نوترون است (بنابراین جمعاً ۲۳۵ ذره در هسته خود دارد و به همین دلیل U-۲۳۵ نامیده می‌شود)، کافی است یک نوترون دریافت کند تا بتواند به دو اتم دیگر تبدیل شود.
این عمل با بمباران نوترونی هسته انجام می‌گیرد، در این حالت یک اتم U-۲۳۵ به دو اتم دیگر تقسیم می‌شود و دو، سه یا بیشتر نوترون آزاد می‌شود. نوترون‌های آزاد شده خود با اتم‌های دیگر U-۲۳۵ ترکیب می‌شوند و آن‌ها را تقسیم کرده و به همین منوال یک واکنش زنجیره‌ای از تقسیم اتم‌های U-۲۳۵ تشکیل می‌شود.
اتم U-۲۳۵ با دریافت یک نوترون به اورانیم ۲۳۶ تبدیل می‌شود که ثبات و پایداری نداشته و تمایل دارد به دو اتم با ثبات تقسیم شود. انجام عمل تقسیم باعث آزاد شدن انرژی می‌شود بگونه‌ای که جمع انرژی حاصل از تقسیم زنجیره اتمهای U-۲۳۵ بسیار قابل توجه می‌شود.
نمونه‌ای از این واکنش‌ها به اینصورت است:
U-235 + n  Ba-141 + Kr-92 + 3n + ۱۷۰ Million electron Volts
U-۲۳۵ + n  Te-139 + Zr-94 + 3n + ۱۹۷ Million electron Volts
که در آن:
electron Volt = ۱٫۶۰۲ x 10-۱۹ joules
(یک ژول انرژی برابر توان یک وات برای مصرف در یک ثانیه‌است)
مجموع این عملیات ممکن است در محلی بنام رآکتور هسته‌ای انجام گیرد. رآکتور هسته‌ای می‌تواند از انرژی آزاد شده برای گرم کردن آب استفاده کند تا در نهایت از آن برای راه اندازی توربینهای بخار و تولید برق استفاده شود.