غنی‌سازی اورانیوم

جزء اورانیم-۲۳۸ (آبی) و جزء اورانیوم-۲۳۵ (قرمز)
کانسنگ اورانیوم
غنی‌سازی اورانیوم عملی است که به‌واسطه آن در یک توده اورانیوم طبیعی مقدار ایزوتوپ ۲۳۵ U بیشتر شود و مقدار ایزوتوپ ۲۳۸ U کم‌تر گردد. غنی‌سازی اورانیوم یکی از مراحل چرخه سوخت هسته‌ای است.
اورانیوم طبیعی (که به‌شکل اکسید اورانیوم است) شامل ۹۹٫۳٪ از ایزوتوپ ۲۳۸ U و ۰٫۷٪ از ۲۳۵ U است. ایزوتوپ ۲۳۵ U اورانیوم قابل شکافت و مناسب برای بمب‌ها و نیروگاه‌های هسته‌ای است.
۲۳۸ U باقی‌مانده را اورانیوم ضعیف‌شده می‌نامند و نوعی زباله اتمی است. به‌خاطر سختی زیاد و آتش‌گیری و ویژگی‌های دیگر از آن در ساختن گلوله‌های ضد زره استفاده می‌کنند. اورانیوم ضعیف‌شده نیز هم‌چنان پرتوزا است.
انواع اورانیوم
«اورانیوم با غنای پایین» که میزان ۲۳۵ U آن کم‌تر از ۲۰٪ ولی بیشتر از ۰/۷٪ است. سوخت بیشتر نیروگاه‌های هسته‌ای بین ۳ تا ۵ درصد ۲۳۵ U است.
«اورانیوم با غنای بالا» که ۲۳۵ U در آن بیشتر از ۲۰٪ و حتی در مواردی بیش از ۹۸٪ است و مناسب برای کاربردهای دارویی و نظامی و ساخت بمب‌های هسته‌ای است
گستردگی در جهان
براساس گزارش آژانس انرژی اتمی، کشورهای ایالات متحده آمریکا، روسیه، چین، فرانسه، ایتالیا، بلژیک، اسپانیا، آلمان، هلند، انگلستان، ژاپن در قالب شش سازمان قادر به غنی‌سازی اورانیوم در حد تجاری هستند. هند و پاکستان با درصد غنی‌سازی پایین‌تر، آرژانتین به‌صورت غیرفعال و هم‌چنین برزیل و ایران قادر به غنی‌سازی اورانیوم هستند. گمانه زنی‌هایی در مورد توانایی غنی‌سازی اورانیوم دراسرائیل و کره شمالی نیز وجود دارد. لیبی درسال ۲۰۰۳ پس از یک دهه، غنی‌سازی را متوقف کرد.
غنی‌سازی اورانیوم
ایزوتوپهای اورانیوم می‌توانند از هم جدا شده، تا تمرکز یک ایزوتوپ بر دیگری را افزایش دهند. این فرایند غنی‌سازی نام دارد.
اورانیوم به رنگ سفید مایل به نقره‌ای، سنگین، فلزی و رادیواکتیو است و به رغم تصور عام، فراوانی آن در طبیعت حتی از عناصری از قبیل جیوه، طلا و نقره نیز بیشتر است. عنصر اورانیوم در طبیعت دارای ایزوتوپهای مختلف از جمله دو ایزوتوپ مهم و پایدار اورانیوم ۲۳۵ و اورانیوم ۲۳۸ است.
اورانیوم ۲۳۵ مهمترین ماده مورد نیاز رآکتور هسته‌ای (برای شکافته شدن و تولید انرژی) است اما مشکل کار اینجاست که اورانیوم استخراج شده از معدن ترکیبی از ایزوتوپهای مخلوط اورانیوم ۲۳۵ می‌باشد. بطوری که از این مخلوط سهم ایزوتوپ۲۳۵ حدود هفت دهم درصد است و برای کاربردی شدن آن در صنعت هسته‌ای باید غلظت ان بین ۲ تا ۵ درصد باشد و در واقع باید غنی‌سازی صورت گیرد.
فراوری کیک زرد و تولید هگزافلورید اورانیوم و آغاز غنی‌سازی (مرحله تبدیل و غنی‌سازی) کیک زرد در این مرحله هنوز دارای ناخالصی‌هایی است که توسط روشهای مختلف این ناخالصی‌ها کاسته شده‌است.
استخراج اورانیوم از معدن و تهیه کیک زرد (مرحله فراوری سنگ معدن اورانیوم) عنصر اورانیوم در طبیعت به صورت ترکیبات شیمیایی مختلف از جمله اکسید اورانیوم، سیلیکات اورانیوم یا فسفات اورانیوم و به صورت مخلوط با ترکیباتی از عناصر دیگر یافت می‌شود. در میان کشورهای مختلف جهان، استرالیا دارای بزرگترین معادن اورانیوم است و کشورهای قزاقستان، کانادا، آفریقای جنوبی، نامیبیا، برزیل و روسیه نیز از معادن بزرگی برخوردارند.
مواد معدنی حاوی اورانیوم با استفاده از روشهای معدن‌کاوی زیرزمینی یا روزمینی استخراج شده و سپس طی فرایندهای مکانیکی و شیمیایی موسوم به «آسیاب کردن» و «کوبیدن» از دیگر عناصر جدا می‌شوند.
اورانیوم پس از استخراج تفکیک، کوبیده، خرد و به شکل پودر درآمده و سپس برای تولید ماده موسوم به کیک زرد استفاده قرار می‌گیرد. کیک زرد در واقع محصول فراوری سنگ معدن ارونیوم است و به ترکیباتی از اورانیوم گفته می‌شود که ناخالصی‌های معدنی آن به میزان زیادی گرفته شده و است.
حدود نیم کیلوگرم اورانیوم غنی شده به کار رفته در یک بمب هسته‌ای، برابر با چندین میلیون گالن بنزین است.
غنی‌سازی با دستگاه سانتریفیوژ
اتصال سری سانتریفیوژهای گازی در یک کارخانه غنی‌سازی در آمریکا
سانتریفیوژ دستگاهی است که برای جداسازی مواد از یکدیگر بر اساس وزن آنها استفاده می‌شود. این دستگاه مواد را با سرعت زیاد حول یک محور به گردش درمی‌آورد و مواد متناسب با وزنی که دارند از محور فاصله می‌گیرند. در واقع در این روش برای جداسازی مواد از یکدیگر از شتاب ناشی از نیروی گریز از مرکز استفاده می‌گردد، کاربرد عمومی این دستگاه برای جداسازی مایع از مایع یا مایع از جامد است. سانتریفیوژهایی که برای غنی سازی اورانیوم استفاده می‌شود حالت خاصی دارند که برای گاز تهیه شده‌اند که به آنها Hyper-Centrifuge گفته می‌شود. پیش از آنکه دانشمندان از این روش برای غنی سازی اورانیوم استفاده کنند از تکنولوژی خاصی بنام Gaseous Diffusion به معنی پخش و توزیع گازی استفاده می‌کردند.
سانتریفیوژ
گردش سریع سیلندر، نیروی گریز از مرکز بسیار قوی تولید می‌کند و طی آن مولکولهای سنگینتر (آنهایی که شامل ایزوتوپ اورانیوم ۲۳۸ هستند) از مرکز محور گردش دورتر می‌گردند و برعکس آنها که مولکولهای سبکتری دارند (حاوی ایزوتوپ (اورانیوم ۲۳۵) بیشتر حول محور سانتریفیوژ قرار می‌گیرند. در غنی سازی اورانیوم با روش سانتریفوژ گازی، از تعداد زیادی سیلندر دوار که به صورت موازی و سری کنارهم قرار داده شده‌اند استفاده می‌شود.
سانتریفیوژ دستگاه استوانه‌ای شکلی است که درست مثل توربین هواپیما پره‌هایی در وسط آن وجود دارد این پره‌ها در هر دقیقه بیش از یک صد هزار گردش دارند در نتیجه این چرخش اورانیوم سنگین روی دیواره آخری سانتریفیوژ قرار می‌گیرد و اورانیوم سبک در کنار آن می‌نشیند باید هزاران سانتریفیوژ در کنار هم قرار بگیرند تا ما بتوانیم اورانیوم را غنی کنیم یعنی با یک یا چند سانتریفیوژ نمی‌توان اورانیوم را غنی کرد.
غنی‌سازی با لیزر
در این روش، با استفاده از لیزر، اورانیوم‌های ۲۳۵ را باردار کرده و با میدان مغناطیسی از هم جدا می‌کنند.
روش لیزر جهت جداسازی ایزوتوپ‌ها ابتدا در دوران جنگ جهانی دوم مورد استفاده قرار گرفت. اگر بخواهیم در بین همه روشهای غنی‌سازی، این روش را مورد مقایسه قرار دهیم، باید اذعان نمود که نسبت به دیگر روشها توفیق زیادی به‌دست نیاورده‌است. قابلیت تنظیم طول موج در لیزرهای رنگی، امکان استفاده از این روش را برای جداسازی ایزوتوپ‌های مختلف یک عنصر ایجاد کرده‌است. جابجایی بینابی ایزوتوپ‌های هر عنصری از جمله اورانیوم، اساس جداسازی در روش لیزر را تشکیل می‌دهد. دو نوع متفاوت جداسازی با لیزر وجود دارد یکی جداسازی اتمی و دیگری جداسازی مولکولی. برای جداسازی در روش اتمی، فرایند یونش فوتونی چند مرحله‌ای بکار گرفته شده و در حین این مراحل، بخار اورانیوم با لیزرهای با طول موج متفاوت یونیزه می‌شود و سپس اتمهای مورد نظر به روش الکترومغناطیسی جذب خواهند گردید. علت استفاده چند مرحله‌ای در فرایند جداسازی اتمی، محدودیت بازده لیزرهای رنگی قابل تنظیم می‌باشد. در روش جداسازی مولکولی از فرایندهای فاز گازی استفاده شده و از فازهای مایع و جامد که در آنها اثر ایزوتوپی تحت تاثیر گستردگی خطوط انرژی بیناب قرار می‌گیرد اجتناب گردیده‌است.
واحد کار جداسازی
«کار جداسازی» یا سو-Separative work unit- میزان جداسازی که در یک فرایند غنی‌سازی را گویند؛ که تابعی از غلظت ماده غنی نشده، غنی شده و تفاله است؛ و با واحدهایی متناسب با ورودی کل (انرژی/ زمان عملکرد ماشین) و جرم بیان می‌شود. کار جداسازی همان انرژی نیست؛ و برای یک مقدار مشابه واحد کار بسته به کارایی روش جداسازی انرژی متفاوتی نیاز دارد. واحدهای کار جداسازی: SWU و kg SW یا kg UTA (از واژه آلمانی Urantrennarbeit؛ تحت‌اللفظی به معنی کار جداسازی اورانیوم)
1SWU = 1 kg SW = 1 kg UTA
1kSWU = 1 tSW = 1 t UTA
1MSWU = 1 ktSW = 1 kt UTA