استخراج اورانیوم از معدن

اورانيوم كه ماده خام اصلي مورد نياز براي توليد انرژي در برنامه هاي صلح آميز يا نظامي هسته اي است، از طريق استخراج از معادن زيرزميني يا سر باز بدست مي آيد. اگر چه اين عنصر بطور طبيعي در سرتاسر جهان يافت مي شود تنها حجم كوچكی از آن بصورت متراكم در معادن موجود است.

اورانیوم چیست؟

یکی از چگالترین فلزات رادیو اکتیو است که در طبیعت یافت می شود. این فلز در بسیاری از قسمتهای دنیا در صخره ها، خاک و حتی اعماق دریا و اقیانوس ها وجود دارد. اگر بخواهید از میزان موجودیت آن ایده ای بدست آورید باید بگوییم که میزان وجود و پراکندگی آن از طلا، نقر یا جیوه بسیار بیشتر است.

اورانیوم در طبیعت بصورت اکسید و یا نمک های مخلوط در مواد معدنی (مانند اورانیت یا کارونیت) یافت می شود. این نوع مواد اغلب از فوران آتشفشانها بوجود می آیند و نسبت وجود آنها در زمین چیزی معادل دو در میلیون نسبت به سایر سنگها و مواد کانی است. این فلز به رنگ سفید نقره ای است و کمی نرم تر از استیل بوده و تقریباً قابل انعطاف است. اورانیوم در سال 1789 توسط مارتین کلاپورت (Martin Klaproth) شیمی دان آلمانی از نوعی اورانیت بنام Pitchblende کشف شد. وجه تسمیه این فلز به کشف سیاره اورانوس بازمی گردد که هشت سال قبل از آن، ستاره شناسان آن را کشف کرده بودند. اورانیوم یکی از اصلی ترین منابع گرمایشی در مرکز زمین است و بیش از 40 سال است که بشر برای تولید انرژی از آن استفاده می کند. دانشمندان معتقد هستند که اورانیوم بیش از 6.6 بیلیون سال پیش در اثر انفجار یک ستاره بزرگ بوجود آمده و در منظومه شمسی پراکنده شده است. برای درک بهتر از توانایی اورانیوم در تولید انرژی لازم است نگاهی به ساختمان اتمی این فلز داشته باشیم.

اورانیوم را بهتر بشناسیم

اورانیوم را درواقع می توان سنگین ترین (به بیان دقیقتر چگالترین) عنصر در طبیعت نامید. شاید بد نباشد بدانید که در این میان هیدروژن سبک ترین عناصر طبیعت است. اورانیوم خالص حدود 18.7 بار از آب چگالتر است و همانند بسیاری از دیگر مواد رادیو اکتیو در طبیعت بصورت ایزوتوپ یافت می شود. بطور ساده ایزوتوپ حالت خاصی از حضور یک عنصر در طبیعت است که در هسته آن به تعداد مساوی - با عنصر اصلی - پروتون وجود دارد اما تعداد نوترون های آن متفاوت است. بنابراین طبق این تعریف ساده می توان دریافت که ایزوتوپ های یک عنصر عدد اتمی مشابه خود عنصر را خواهند داشت اما وزن اتمی متفاوتی دارند. اورانیوم شانزده ایزوتوپ دارد که هریک از آنها دارای وزن اتمی خاصی هستند. حدود 99.3 درصد از اورانیومی که در طبیعت یافت می شود ایزوتوپ 238 (U-238) است و حدود 0.7 درصد ایزوتوپ 235 (U-235)، كه هر دو داراي تعداد پروتون يكساني بوده و تنها تفاوتشان در سه نوترون اضافه اي است كه در هسته U۲۳۸ وجود دارد. اعداد ۲۳۵ و ۲۳۸ بيانگر مجموع تعداد پروتونها و نوترونها در هسته هر كدام از اين دو ايزوتوپ است. سایر ایزوتوپ ها بسیار نادر هستند. در این میان ایزوتوپ 235 برای بدست آوردن انرژی از نوع 238 آن بسیار مهمتر است چرا که U-235 (با فراوانی تنها 0.7 درصد) آمادگی آن را دارد که تحت شرایط خاص شکافته شده و مقادیر زیادی انرژی آزاد کند. به این ایزوتوپ Fissil Uranium، به معنای اروانیوم شکافتنی هم گفته می شود و برای این عملیات از اصطلاح شکافت هسته ای یا Nuclear Fission استفاده می شود. اورانیوم نیز همانند سایر مواد رادیواکتیو دچار پوسیدگی و زوال می شود. مواد رادیو اکتیو دارای این خاصیت هستند که از خود بطور دائم ذرات آلفا و بتا و یا اشعه گاما منتشر می کنند. U-238 با سرعت بسیار کمی فسیل می شود و نیمه عمر آن چیزی در حدود 4,500 میلون سال (تقریبآ معادل عمر زمین) است. این موضوع به این معنی است که با فسیل شدن اورانیوم با همین سرعت کم انرژی معادل 0.1 وات برای هر یک تن اورانیوم تولید می شود و این برای گرم نگاه داشتن هسته زمین کافی است.

نگاهی به شکاف هسته ای اورانیوم

هنگامي كه هسته اتم اورانيوم در يك واكنش زنجيره اي شكافته شود مقداري انرژي آزاد خواهد شد.

گفتیم که U-235قابلیت شکاف هسته ای دارد. این نوع از اتم اورانیوم دارای 92 پروتون و 143 نوترون است (بنابراین جمعآ 235 ذره در هسته خود دارد و به همین دلیل U-235 نامیده می شود)، کافی است یک نوترون دریافت کند تا بتواند به دو اتم دیگر تبدیل شود. براي شكافت هسته اتم اورانيوم، يك نوترون به هسته آن شليك مي شود و در نتيجه اين فرايند، اتم مذكور به دو اتم كوچكتر تجزيه شده و تعدادي نوترون جديد نيز آزاد مي شود كه هركدام به نوبه خود ميتوانند هسته هاي جديدي را در يك فرايند زنجيره اي تجزيه كنند. ( شکل 1 )

در این حالت یک اتم U-235 به دو اتم دیگر تقسیم می شود و دو ، سه و یا بیشتر نوترون آزاد می شود. نوترون های آزاد شده خود با اتم های دیگر U-235 ترکیب می شوند و آنها را تقسیم کرده و به همین منوال یک واکنش زنجیره ای از تقسیم اتم های U-235 تشکیل می شود. مجموع جرم اتمهاي كوچكتري كه از تجزيه اتم اورانيوم بدست مي آيد از كل جرم اوليه اين اتم كمتر است و اين بدان معناست كه مقداري از جرم اوليه كه ظاهرا ناپديد شده در واقع به انرژي تبديل شده است، و اين انرژي با استفاده از رابطه ۲E=MC يعني رابطه جرم و انرژي كه آلبرت اينشتين نخستين بار آنرا كشف كرد قابل محاسبه است.

براي بدست آوردن بالاترين بازدهي در فرايند زنجيره اي شكافت هسته بايد از اورانيوم ۲۳۵ استفاده كرد كه هسته آن به سادگي شكافته ميشود. هنگامي كه اين نوع اورانيوم به اتمهاي كوچكتر تجزيه ميشود علاوه بر آزاد شدن مقداري انرژي حرارتي دو يا سه نوترون جديد نيز رها ميشود كه در صورت برخورد با اتمهاي جديد اورانيوم بازهم انرژي حرارتي بيشتر و نوترونهاي جديد آزاد ميشود.

اما بدليل "نيمه عمر" كوتاه اورانيوم ۲۳۵ و فروپاشي سريع آن، اين ايزوتوپ در طبيعت بسيار نادر است بطوري كه از هر ۱۰۰۰ اتم اورانيوم موجود در طبيعت تنها هفت اتم از نوع U۲۳۵ بوده و مابقي از نوع سنگينتر U۲۳۸ است.

فراوري
سنگ معدن اورانيوم بعد از استخراج، در آسيابهائي خرد و به گردي نرم تبديل ميشود. گرد بدست آمده سپس در يك فرايند شيميائي به ماده جامد زرد رنگي تبديل ميشود كه به كيك زرد موسوم است. كيك زرد داراي خاصيت راديو اكتيويته است و ۶۰ تا ۷۰ درصد آنرا اورانيوم تشكيل ميدهد.

دانشمندان هسته اي براي دست يابي هرچه بيشتر به ايزوتوپ نادر U۲۳۵ كه در توليد انرژي هسته اي نقشي كليدي دارد، از روشي موسوم به غني سازي استفاده مي كنند. براي اين كار، دانشمندان ابتدا كيك زرد را طي فرايندي شيميائي به ماده جامدي به نام هگزافلوئوريد اورانيوم تبديل ميكنند كه بعد از حرارت داده شدن در دماي حدود ۶۴ درجه سانتيگراد به گاز تبديل ميشود.

هگزافلوئوريد اورانيوم كه در صنعت با نام ساده هگز شناخته ميشود ماده شيميائي خورنده ايست كه بايد آنرا با احتياط نگهداري و جابجا كرد. به همين دليل پمپها و لوله هائي كه براي انتقال اين گاز در تاسيسات فراوري اورانيوم بكار ميروند بايد از آلومينيوم و آلياژهاي نيكل ساخته شوند. همچنين به منظور پيشگيري از هرگونه واكنش شيميايي برگشت ناپذير بايد اين گاز را دور از معرض روغن و مواد چرب كننده ديگر نگهداري كرد.

غني سازي

هدف از غني سازي توليد اورانيومي است كه داراي درصد بالايي از ايزوتوپ ۲۳۵ U باشد. اورانيوم مورد استفاده در راكتورهاي اتمي بايد به حدي غني شود كه حاوي ۲ تا ۳ درصد اورانيوم ۲۳۵ باشد، در حالي كه اورانيومي كه در ساخت بمب اتمي بكار ميرود حداقل بايد حاوي ۹۰ درصد اورانيوم ۲۳۵ باشد. يكي از روشهاي معمول غني سازي استفاده از دستگاههاي سانتريفوژ گاز است. سانتريفوژ از اتاقكي سيلندري شكل تشكيل شده كه با سرعت بسيار زياد حول محور خود مي چرخد. هنگامي كه گاز هگزا فلوئوريد اورانيوم به داخل اين سيلندر دميده شود نيروي گريز از مركز ناشي از چرخش آن باعث ميشود كه مولكولهاي سبكتري كه حاوي اورانيوم ۲۳۵ است در مركز سيلندر متمركز شوند و مولكولهاي سنگينتري كه حاوي اورانيوم ۲۳۸ هستند در پايين سيلندر انباشته شوند. ( شکل 3 ) اورانيوم ۲۳۵ غني شده اي كه از اين طريق بدست مي آيد سپس به داخل سانتريفوژ ديگري دميده ميشود تا درجه خلوص آن باز هم بالاتر رود. اين عمل بارها و بارها توسط سانتريفوژهاي متعددي كه بطور سري به يكديگر متصل ميشوند تكرار ميشود تا جايي كه اورانيوم ۲۳۵ با درصد خلوص مورد نياز بدست آيد.

آنچه كه پس از جدا سازي اورانيوم ۲۳۵ باقي ميماند به نام اورانيوم خالي يا فقير شده شناخته ميشود كه اساساً از اورانيوم ۲۳۸ تشكيل يافته است. اورانيوم خالي فلز بسيار سنگيني است كه اندكي خاصيت راديو اكتيويته دارد و از آن براي ساخت گلوله هاي توپ ضد زره پوش و اجزاي برخي جنگ افزار هاي ديگر از جمله منعكس كننده نوتروني در بمب اتمي استفاده مي شود. يك شيوه ديگر غني سازي روشي موسوم به ديفيوژن يا روش انتشاري است. دراين روش گاز هگزافلوئوريد اورانيوم به داخل ستونهايي كه جدار آنها از اجسام متخلخل تشكيل شده دميده ميشود. سوراخهاي موجود در جسم متخلخل بايد قدري از قطر مولكول هگزافلوئوريد اورانيوم بزرگتر باشد. در نتيجه اين كار مولكولهاي سبكتر حاوي اورانيوم ۲۳۵ با سرعت بيشتري در اين ستونها منتشر شده و تفكيك ميشوند. اين روش غني سازي نيز بايد مانند روش سانتريفوژ بارها و باره تكرار شود. سانتریفیوژ هایی که برای غنی سازی اورانیوم استفاده می شود حالت خاصی دارند که برای گاز تهیه شده اند که به آنها Hyper-Centrifuge گفته می شود. 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 می کردند.

راكتور هسته اي

راكتور هسته اي وسيله ايست كه در آن فرايند شكافت هسته اي بصورت كنترل شده انجام مي گيرد. انرژي حرارتي بدست آمده از اين طريق را مي توان براي بخار كردن آب و به گردش درآوردن توربين هاي بخار ژنراتورهاي الكتريكي مورد استفاده قرار داد. اورانيوم غني شده ، معمولا به صورت قرصهائي كه سطح مقطعشان به اندازه يك سكه معمولي و ضخامتشان در حدود دو و نيم سانتيمتر است در راكتورها به مصرف ميرسند. اين قرصها روي هم قرار داده شده و ميله هايي را تشكيل ميدهند كه به ميله سوخت موسوم است. ميله هاي سوخت سپس در بسته هاي چندتائي دسته بندي شده و تحت فشار و در محيطي عايقبندي شده نگهداري مي شوند.

در بسياري از نيروگاهها براي جلوگيري از گرم شدن بسته هاي سوخت در داخل راكتور، اين بسته ها را داخل آب سرد فرو مي برند. در نيروگاههاي ديگر براي خنك نگه داشتن هسته راكتور ، يعني جائي كه فرايند شكافت هسته اي در آن رخ ميدهد ، از فلز مايع (سديم) يا گاز دي اكسيد كربن استفاده مي شود. براي توليد انرژي گرمائي از طريق فرايند شكافت هسته اي ، اورانيومي كه در هسته راكتور قرار داده ميشود بايد از جرم بحراني بيشتر (فوق بحراني) باشد. يعني اورانيوم مورد استفاده بايد به حدي غني شده باشد كه امكان آغاز يك واكنش زنجيره اي مداوم وجود داشته باشد. براي تنظيم و كنترل فرايند شكافت هسته اي در يك راكتور از ميله هاي كنترلي كه معمولا از جنس كادميوم است استفاده ميشود. اين ميله ها با جذب نوترونهاي آزاد در داخل راكتور از تسريع واكنشهاي زنجيره اي جلوگيري ميكند. زيرا با كاهش تعداد نوترونها ، تعداد واكنشهاي زنجيره اي نيز كاهش مي یابد. حدوداً ۴۰۰ نيروگاه هسته اي در سرتاسر جهان فعال هستند كه تقريبا ۱۷ درصد كل برق مصرفي در جهان را تامين مي كنند. از جمله كاربردهاي ديگر راكتورهاي هسته اي، توليد نيروي محركه لازم براي جابجايي ناوها و زيردريايي هاي اتمي است.

دفن اورانیوم مصرف شده

پس از استفاده از اورانیوم برای تولید انرژی در رآکتور هسته ای، این سوخت دیگر قابل استفاده نیست و باید به روشی بازیافت یا دفن شود، که به دلیل تشعشع زیاد کار ساده ای نیست. روش کار این است که معمولآ سوخت مصرف شده را در حوضچه هایی برای سرد شدن اولیه نگهداری می کنند، به این ترتیب علاوه بر سرد شدن تا حدی از شدت تشعشع آنها کاسته می شود. این حوضچه ها به گونه ای ساخته شده اند که اجازه وارد کردن آسیب به طبیعت را از این مواد می گیرند، درواقع می توان برای مدتهای طولانی این زباله ها را در این حوضچه ها نگهداری کرد اما به دلایل بسیاری از جمله موارد اقتصادی این کار ممکن نیست. لذا باید روی سوخت فرآیندهایی انجام بگیرد تا بتوان آنرا در انبارهایی که از آنها نام بردیم ذخیره کرد. این فرآیندها شامل فعالیت هایی است که توسط آنها اورانیوم و پلوتونیوم (پلوتونیوم به دلیل سادگی عملیات fission بیشتر در ساخت سلاح های اتمی بکار برده می شود) از سایر مواد جدا می شوند. برای اینکار میله های سوختی را خرد کرده و آنها را در ظروف اسید قرار می دهند، اورانیوم و پلوتونیوم بازیافت شده به ابتدای چرخه سوخت باز می گردند تا قابل استفاده شوند و مازاد تفاله های سوختی را برای دفن آماده می کنند.

کاربردهای انرژی هسته ای

انرژی هسته ای در پزشکی :  کاربرد انرژی هسته ای در پزشکی به دو بخش تقسیم می شود : تشخیص و درمان. پزشکی هسته ای یکی از شاخه های علم پزشکی است که در آن از مواد رادیواکتیو برای تشخیص و درمان بیماری ها استفاده می شود .به گزارش تارنمای سازمان انرژی اتمی ایران ، در زمینه تشخیص بیماری ها از رادیوداروهای (داروهایی متشکل از مواد رادیواکتیو ) مختلف درتصویر برداری جهت  تشخیص و بررسی  تومورهای سرطانی ، بررسی بیماری های کبد و کیسه صفرا ، بررسی عفونت و التهاب مفصلی استفاده می شود. هم چنین این مواد در تشخیص گرفتگی عروق خونی ، تشخیص نارسائی های قلب، کلیه و سایر ارگان های بدن کاربرد دارند. در آنالیز خون، پروتئین ها و سرم ها از پرتوهای رادیواکتیو استفاده می شود. هم چنین برخی از رادیوداروها تولید شده اند که برای تشخیص بیماری هایی مثل تیروئید به کار می روند. MRI نیز یکی از روش های تشخیصی در پزشکی هسته ای است . در حوزه درمان بیماری ها، رادیو داروهای مختلفی ساخته شده اند که برای از بین بردن کیست ها وتومورهای سرطانی استفاده می شوند. هم چنین در برخی از بیماری های مغزی می توان بدون نیاز به باز کردن جمجمه از اشعه برای جراحی استفاده کرد . در بیست سال اخیر جراحی پرتوی، اولین راه درمان پس از استفاده از شیمی درمانی ، پرتو درمانی و جراحی بوده است .

دانشمندان پزشکی هسته ای در حال بررسی روش های  تشخیصی جدیدی هستند تا بتوانند میزان عناصر اصلی و مهم موجود در بدن جنین را اندازه گیری کرده و با تغییر آنها پیش از تولد، از بروز ناهنجاری ها در نوزادان جلوگیری  کنند.

 انرژی هسته ای در بهداشت:  در سترون سازی وسایل یکبارمصرف پزشکی از پرتوهای رادیواکتیو استفاده می شود. هم چنین در صورتی که مواد اولیه داروها و مواد بهداشتی یا محصولات استریل پزشکی آلودگی داشته باشند، این آلودگی با کمک  مواد رادیو اکتیو قابل اندازه گیری است. با این روش آلودگی سبزیجات بسته بندی شده نیز قابل اندازه گیری است .

انرژی هسته ای در کشاورزی: از طریق روش های هسته ای اصلاح بذر، بذرگیاهانی مثل گندم ، برنج ، جو و پنبه به نحوی تغییر داده می شوند که در برابر بیماری های قارچی، سرما، خوابیدگی و مقاوم باشند. هم چنین با استفاده از این روش بذر و نهال گیاهان شورپسند با هدف پرورش و برداشت محصول در شرایط نامناسب وبرای جلوگیری از افزایش بیابانی شدن اراضی تولید می شود .

انرژی هسته ای در دامپزشکی و دامپروری: در تشخیص و درمان بیماریهای دام، تولید مثل دام، اصلاح نژاد دام در جهت بازدهی بیشتر مثل اصلاح نژاد گاوها به صورتی که گوشت قابل استفاده آنها به حداکثر برسد، از روش های هسته ای استفاده می شود.درخصوص بهداشت وایمن سازی­خوراک­دام از­پرتوهای رادیواکتیو،میتوان بهره جست

انرژی هسته ای در صنعت: چشمه های رادیواکتیو در صنعت برای بررسی جوشکاری های صنعتی ، جوش لوله های نفت و گاز و نشت یابی لوله های انتقال به کار می رود. از میکروسکوپ های الکترونی می توان در اندازه گیری لایه های اپتیکی ، کالیبره کردن دستگاه های اندازه گیری ، تعیین خواص مکانیکی مواد ، سطح سنجی و ضخامت سنجی استفاده می شود. در سازمان انرژی اتمی دستگاه هایی وجود دارند که بررسی خوردگی فلزات ، تعیین کیفیت فرآورده های صنعتی ، مواد اولیه و آلیاژها را انجام می دهند .

انرژی هسته ای در امنیت: کشف مین های ضد نفرو حتی بررسی تراکم گلوله ها و خمپاره ها از دستگاه هایی که بر مبنای فیزیک هسته ای کار می کنند ، امکان پذیر است .

انرژی هسته ای در باستان شناسی: کارهایی از قبیل بررسی نمونه های باستان شناسی مانند سکه ، سفال و غیره جهت عمرسنجی و تجزیه و تحلیل آنها از طریق علم هسته ای امکان پذیر است . برای تشخیص نمونه های تقلبی آثار باستانی و فسیل ها و عمرسنجی آنها ، میزان کربن رادیواکتیو موجود در نمونه ها اندازه گیری     می شود.

 انرژی هسته ای در اکتشافات:  با بکار گیری روش های هسته ای می توان محل دقیق معادن مختلف و حوزه های آب زیرزمینی را کشف کرد. برای شیرین کردن آبها نیز می توان از فن آوری هسته ای استفاده کرد .

 انرژی هسته ای در تولید برق: اگرچه ایران یکی از کشورهای غنی از لحاظ ذخایر نفت و گاز به شمار می رود اما باید پذیرفت که این منابع دائمی نیستند. بنابراین اگر نسل امروز هم چنان به امید سوخت های فسیلی دست روی دست بگذارد، نسل های آینده با بحران انرژی روبرو خواهند شد. بهترین و مطمئن ترین راه حل ، ساخت نیروگاه های هسته ای و استفاده از سوخت هسته ای است. مقدار انرژی تولید شده توسط نیروگاه های هسته ای قابل مقایسه با نیروگاه های آبی یا گازی نیست. در یک واکنش سوخت هسته ای ، بیست هزار برابر سوخت فسیلی انرژی تولید می شود . علاوه بر این، نیروگاه های هسته ای معضل آلودگی محیط را به همراه ندارد . تنها مشکل این نیروگاه ها ، زباله های هسته ای آنهاست که در صورت رعایت جوانب ایمنی و دفن اصولی آنها در محل های غیر مسکونی و دور از انسان ها خطر خاصی ایجاد نمی کنند .

 انرژی هسته ای در صنایع غذایی: کیفیت مواد غذایی ، بهداشتی و آشامیدنی از جمله مواردی است که با فن آوری هسته ای قابل تعیین است . با استفاده از سیستم ه

نظرات شما عزیزان:

نام :

آدرس ایمیل:

وب سایت/بلاگ :

متن پیام:

نظر خصوصی

 کد را وارد نمایید:

 

 

 

عکس شما

آپلود عکس دلخواه: