عنصر اورانیوم چیست؟

بسته به اینکه اورانیوم چقدر غنی‌شده باشد، می‌توان از آن در رآکتورهای غیرنظامی، زیردریایی‌های هسته‌ای یا حتی در تولید سلاح استفاده کرد. اما همه کاربردهای اورانیوم به نیرو و انفجار ختم نمی‌شود. در دوزهای پایین‌تر، همین ماده در پزشکی، صنعت و حتی اکتشاف منابع زیرزمینی هم نقش‌آفرینی می‌کند.

در دنیای سیاست و امنیت، درصد غنای اورانیوم نه‌فقط یک عدد فنی، بلکه خط قرمزی دیپلماتیک است. از مذاکرات بین‌المللی تا تهدیدها و تحریم‌ها، هر درصد بالا یا پایین‌شدن در غنی‌سازی، می‌تواند توازن قدرت را در منطقه یا حتی جهان تغییر دهد. در این مقاله، با هم بررسی می‌کنیم غنی‌سازی اورانیوم دقیقا چیست، چرا درصدهای مختلفش این‌قدر اهمیت دارند و هرکدام در کجا و چگونه به کار می‌روند.

هر میله سوخت اورانیومی، به‌‎تنهایی می‌تواند آن‌قدر حرارت تولید کند که برای تولید یک میلیون کیلووات‌ساعت برق کافی باشد، مقداری که نیاز سالانه صدها خانه را تامین می‌کند. این عدد خیره‌کننده، تنها بخشی از توان نهفته در اورانیوم را نشان می‌دهد.

رسیدن به این سطح از کارآیی، به فرآیندی پیچیده و دقیق نیاز دارد. یکی از مهم‌ترین مراحل در این مسیر، غنی‌سازی اورانیوم است؛ یعنی افزایش مقدار ایزوتوپ اورانیوم ـ۲۳۵ در ترکیب اورانیوم طبیعی، برای آنکه بتوان از آن در رآکتورهای هسته‌ای استفاده کرد. بدون این مرحله، اورانیوم خام، کارآیی چندانی برای تولید انرژی نخواهد داشت. این کار با روش‌های خاصی مثل سانتریفیوژ گازی انجام می‌شود و از مراحل کلیدی در چرخه سوخت هسته‌ای به‌شمار می‌رود.

فرآیند غنی‌سازی برای تولید بمب اتم یا هسته‌ای

اگر کسی بخواهد یک رآکتور هسته‌ای را راه‌اندازی کند، به اورانیوم ۲۳۵ با غنای حدود ۳ درصد نیاز دارد. یعنی باید کاری کرد که ۳ درصد از سوخت، از نوع شکافت‌پذیر اورانیوم ـ۲۳۵ و باقیمانده‌اش، یعنی حدود ۹۷ درصد، همچنان اورانیوم ـ۲۳۸ باشد.

حتما در اخبار شنیده‌اید که اگر کشوری بخواهد بمب اتم تولید کند، باید اورانیوم ـ۲۳۵ را تا ۹۰ درصد خالص‌سازی کند. یعنی سوختی که در بمب هسته‌ای استفاده می‌شود، باید تقریبا ۹۰ درصد اورانیوم ـ۲۳۵ داشته باشد و تنها ۱۰ درصد باقیمانده، اورانیوم ـ۲۳۸ باشد.

نکته مهم اینجاست که فرآیند غنی‌سازی برای تولید بمب اتم یا هسته‌ای، دقیقا همان روشی است که برای تولید سوخت رآکتورهای هسته‌ای نیز به‌کار می‌رود، با این تفاوت که برای رآکتور فقط تا ۳ درصد پیش می‌روند. اما اگر غنی‌سازی متوقف نشود و برای ماه‌ها یا حتی سال‌ها ادامه یابد، می‌تواند به همان ۹۰ درصد موردنیاز برای ساخت بمب برسد؛ به‌همین دلیل است که برنامه‌های غنی‌سازی اورانیوم همیشه با حساسیت بالا پیگیری می‌شوند.

اورانیوم چیست و چرا اورانیوم-۲۳۵ تا این حد مهم است؟

اورانیوم، عنصری فلزی است که نخستین‌بار در سال ۱۷۸۹ توسط مارتین هاینریش کلاپروت، شیمیدان آلمانی، کشف شد. با این حال، اهمیت واقعی این کشف تا حدود ۱۵۰سال بعد ناشناخته باقی ماند. در سال ۱۹۳۸، دانشمندان به کشفی انقلابی رسیدند: اتم‌های اورانیوم را می‌توان شکافت و از این طریق انرژی عظیمی آزاد کرد. این کشف، سرآغاز عصر انرژی هسته‌ای بود.

اورانیومی که از معدن به‌دست می‌آید، ترکیبی از چند نوع اتم است که به آنها ایزوتوپ گفته می‌شود. ایزوتوپ‌ها، در اصل، نسخه‌های مختلفی از یک عنصر هستند؛ همگی تعداد پروتون یکسانی دارند، اما در تعداد نوترون‌ها فرق می‌کنند و همین تفاوت کوچک، ویژگی‌های فیزیکی متفاوتی به آنها می‌دهد.

امروز اگر به منابع‌طبیعی اورانیوم نگاه کنیم، خواهیم دید که حدود ۹۹.۳ درصد آن از نوع اورانیوم ـ۲۳۸ و تنها ۰.۷ درصدش اورانیوم ـ۲۳۵ است. مقدار بسیار کمی هم از ایزوتوپ سبک‌تر اورانیوم ـ۲۳۴ در ترکیب وجود دارد. این نسبت نشان می‌دهد که اگرچه زمانی این ایزوتوپ‌ها تقریبا به‌شکل مساوی در طبیعت وجود داشتند، اما به‌مرور زمان، اورانیوم ـ۲۳۵ به‌دلیل واکنش‌پذیری بالا کمتر و نایاب‌تر شده است.

اورانیوم ـ۲۳۸ از آن دسته ایزوتوپ‌هایی است که چندان هیجان‌انگیز به‌نظر نمی‌رسد. این ایزوتوپ نیمه‌عمر بسیار طولانی‌ دارد، حدود ۴.۵ میلیارد سال. یعنی اگر امروز مقدار مشخصی از آن را کنار بگذاریم، تا میلیاردها سال آینده، فقط نیمی از آن دچار واپاشی خواهد شد.

در مقابل، اورانیوم ـ۲۳۵ با نیمه‌عمر حدود ۷۰۰ میلیون سال، سرعت واپاشی بسیار بیشتری دارد. این تفاوت در نیمه‌عمر یک نتیجه مهم دارد: هر چقدر نیمه‌عمر یک ماده پرتوزا طولانی‌تر باشد، فعالیت پرتوزای آن کمتر خواهد بود. بنابراین، اورانیوم ـ۲۳۸ در مقایسه با بسیاری از ایزوتوپ‌های پرتوزا، نسبتا کم‌خطرتر است.

در بین ایزوتوپ‌های مختلف اورانیوم، اورانیوم ـ۲۳۵ همان عنصری است که قابلیت واقعی برای شکافت هسته‌ای دارد. چنین موادی را «شکافت‌پذیر» می‌نامند، یعنی حتی نوترون‌هایی با سرعت پایین هم می‌توانند باعث شکافت آنها شوند.

جذابیت اورانیوم ـ۲۳۵ دقیقا در همین ویژگی است: خلاف خیلی از مواد که فقط با برخورد ذرات پرانرژی شکافته می‌شوند، این ایزوتوپ حتی با نوترون‌های کند هم به‌راحتی می‌شکند. این یعنی، اورانیوم ـ۲۳۵ می‌تواند واکنش زنجیره‌ای را راحت‌تر آغاز کند و ادامه دهد، چه در رآکتور، چه در بمب. به‌همین دلیل، در رآکتورهای هسته‌ای از موادی به نام کندکننده (مثل آب یا گرافیت) استفاده می‌شود تا سرعت نوترون‌ها را کاهش دهند و واکنش شکافت را پربازده‌تر کنند.

همین توانایی بالا در جذب نوترون و تولید انرژی، اورانیوم ـ۲۳۵ را به سوختی مناسب برای رآکتورهای هسته‌ای تبدیل کرده است. اما اگر درصد این ایزوتوپ بالا برود و از حالت کنترل‌شده خارج شود، می‌تواند در ساخت سلاح‌های هسته‌ای هم استفاده شود. برای همین، اورانیوم ـ۲۳۵ هم پرکاربرد است؛ هم حساس و راهبردی.

یخبندان مصنوعی در دل زمین

برای استخراج اورانیوم، لازم است تا اعماق زمین حفاری شود. در شمال استان ساسکاچوان کانادا، جایی که یکی از بزرگ‌ترین و غنی‌ترین ذخایر اورانیوم جهان قرار دارد، حفاری‌ها تا عمق ۵۰۰ متری انجام می‌شوند. اورانیومی که از این معادن به‌دست می‌آید، عمدتا به‌عنوان سوخت در رآکتورهای هسته‌ای به کار می‌رود و نقش مهمی در تولید برق ایفا می‌کند.

لایه سنگ معدن اورانیوم، زیر لایه‌ای از ماسه‌سنگ اشباع‌شده از آب قرار دارد. برای دسترسی به این بخش، حفاران از مته‌هایی با نوک‌های ساخته‌شده از کاربید تنگستن استفاده می‌کنند، ماده‌ای بسیار سخت که به دل سنگ نفوذ می‌کند.

در مرحله نخست، تونل‌هایی باریک حفر و لوله‌هایی از آنها عبور داده می‌شوند؛ این لوله‌ها نقش مهمی دارند: با انتقال مواد خنک‌کننده، دمای اطراف سنگ معدن را تا حدی پایین می‌آورند که آب موجود در آن یخ بزند. این انجماد، محیط اطراف را پایدار می‌سازد و از نفوذ آب جلوگیری می‌کند. در این صورت، می‌توان به صورت ایمن به اورانیوم دسترسی داشت.

اپراتور دستگاه حفاری، بدون اینکه وارد محیط معدن شود، از راه دور تجهیزات را کنترل می‌کند. با هر یک‌ونیم متر پیش‌روی مته، یک قطعه جدید لوله به انتهای آن متصل می‌شود تا حفاری ادامه پیدا کند. رسیدن به عمق ۱۳۰متری در لایه ماسه‌سنگ کار ساده‌ای نیست، نصب فقط یک رشته کامل از این لوله‌ها ممکن است تا هشت روز زمان ببرد. جالب اینجاست که برای این پروژه، حدود ۲۰۰ لوله باید در محل نصب شوند. این لوله‌ها به صورت دایره‌وار دور لایه سنگ معدن اورانیوم چیده می‌شوند. هدف آن است که با استفاده از این لوله‌ها، خاک اطراف معدن را منجمد کنند تا هم پایدار شود و هم آب‌های زیرزمینی مزاحم، راه حفاری را نبندند. آب زیر این منطقه تحت فشار بالاست و اگر کنترل نشود، می‌تواند عملیات را مختل یا خطرناک کند.

در سطح زمین، یک ایستگاه سرمایشی مخصوص، محلول آب‌نمک (کلسیم کلرید) را تا دمای منفی ۳۰ درجه سانتی‌گراد سرد و از طریق لوله‌ها به اعماق زمین پمپ می‌کند. این محلول، در مسیر حرکت خود، با جذب گرمای اطراف سنگ معدن، باعث می‌شود خاک و آب زیرزمینی به‌آرامی یخ بزنند.

در نتیجه، به مرور یک دیواره یخی ضخیم و نفوذناپذیر دور لایه اورانیوم شکل می‌گیرد، دیواره‌ای که هم خاک را پایدار نگه می‌دارد و هم از ورود آب به منطقه حفاری جلوگیری می‌کند. این سد یخی، کلید دسترسی ایمن و کنترل‌شده به سنگ معدن اورانیوم است.

چگونه بدون تماس با تشعشع، اورانیوم استخراج می‌شود؟

بعد از آماده‌سازی محل و یخ‌زدن لایه‌های اطراف، فرآیند اصلی استخراج اورانیوم آغاز می‌شود. مته‌های قدرتمند از سطح زمین به دل سنگ نفوذ می‌کنند و به عمق لایه سنگ معدن می‌رسند. سنگ‌های استخراج‌شده با واگن‌های کنترل از راه دور، جمع‌آوری می‌شوند. روشی که نه تنها کار را ایمن‌تر می‌کند، بلکه اپراتورها را از تماس مستقیم با تشعشعات دور نگه می‌دارد. برای ایمنی بیشتر، هوای تازه هر ۲۰ دقیقه وارد معدن می‌شود تا محیط تهویه و غلظت گازهای احتمالی و ذرات رادیواکتیو پایین نگه داشته شود. سنگ‌های استخراج‌شده، توسط واگن به یک اسکنر پرتوزا منتقل می‌شوند و میزان اورانیوم موجود در آنها اندازه‌گیری می‌شود. در بسیاری از نمونه‌ها، غلظت اورانیوم حدود ۱۵درصد است و در برخی بخش‌ها این مقدار حتی به ۱۸درصد هم می‌رسد.

جداسازی اورانیوم از سنگ معدن

دوغاب از طریق لوله به سطح زمین پمپاژ و سپس با کامیون به یک مرکز فرآوری منتقل می‌شود. در محل تخلیه، یک سیستم مکش صنعتی قدرتمند، دوغاب را از مخزن خارج می‌کند. بعد از شست‌وشو و بررسی میزان تشعشع، کامیون اجازه خروج پیدا می‌کند. حالا نوبت جداسازی اورانیوم از سنگ است. دوغاب وارد مخازن بزرگی می‌شود که با اسید پر شده‌اند. اسید، اورانیوم را در خودش حل می‌کند، اما باقی سنگ‌ها ته‌نشین می‌شوند و جدا می‌مانند. در مرحله بعد، محلول اسیدی حاوی اورانیوم برای حذف ناخالصی‌ها وارد فرآیند تصفیه می‌شود. با استفاده از واکنش‌های شیمیایی کنترل‌شده، ناخالصی‌ها و سایر عناصر غیرضروری از آن جدا می‌شوند تا تنها ترکیب اورانیوم، باقی بماند. سپس، این محلول خالص‌شده تا دمای حدود ۸۵۰ درجه سانتیگراد گرم می‌شود تا اورانیوم به حالت گاز (معمولاً به شکل ترکیب شیمیایی هگزا فلورید اورانیوم یا UF₆) تبدیل شود.

از آن‌جا که جداسازی ایزوتوپ‌های اورانیوم در حالت جامد یا مایع بسیار دشوار است، ابتدا اورانیوم به‌شکل گاز در می‌آید تا بتوان از روش سانتریفیوژ گازی استفاده کرد. سانتریفیوژ گازی دستگاهی استوانه‌ای و باریک است که گاز UF₆ را با سرعت بسیار بالا می‌چرخاند. در اثر این چرخش شدید، ایزوتوپ سبک‌تر اورانیوم ۲۳۵ نزدیک‌تر به مرکز باقی می‌ماند، درحالی‌که ایزوتوپ سنگین‌تر اورانیوم ۲۳۸ به سمت دیواره‌ها رانده می‌شود. این اختلاف رفتاری، اساس فرآیند غنی‌سازی اورانیوم را تشکیل می‌دهد. در نهایت، اورانیوم غنی‌شده دوباره به حالت پودر درمی‌آید، پودری سیاه‌رنگ شبیه زغال، که حالا آماده استفاده به‌عنوان سوخت هسته‌ای است. پس از جداسازی ایزوتوپ‌ها، پودر اورانیوم غنی‌شده در بشکه‌های فولادی ۲۱۰ لیتری بسته‌بندی و به کارخانه فرآوری سوخت هسته‌ای فرستاده می‌شود. در آنجا، طی یک واکنش شیمیایی، این پودر تیره‌رنگ به ترکیب زردرنگی به‌نام تری‌اکسید اورانیوم (UO₃) تبدیل خواهد شد؛ ماده‌ای میانی که در صنعت آن را با عنوان کیک زرد (Yellowcake) می‌شناسیم و یکی از گام‌های کلیدی در مسیر تولید سوخت هسته‌ای به‌شمار می‌رود.

سخن پایانی

کاربرد اورانیوم و حساسیت جهانی نسبت به آن، مستقیما به درصد غنی‌سازی بستگی دارد. در حالی که غنای پایین (۳ تا ۵ درصد) برای تولید برق در نیروگاه‌ها استفاده می‌شود، غنای بالا (بیش از ۹۰ درصد) کاربرد نظامی دارد و ماده اولیه ساخت سلاح‌های هسته‌ای است.