اورانیوم (Uranium) 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 تقریبآ 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 آنرا 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
اورانیم را درواقع می توان سنگین ترین (به بیان دقیقتر چگالترین) عنصر در طبیعت نامید. شاید بد نباشد بدانید که در این میان هیدروژن سبکترین 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.

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 آنرا 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 باسرعت 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.

نگاه ساده به شکاف هسته ای اورانیوم
گفتیم که U-235 قابلیت 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.

این عمل با بمباران نوترونی هسته انجام می گیرد، 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.

اتم U-235 با دریافت یک نوترون به اورانیوم 236 تبدیل می شود که ثبات و پایداری نداشته و تمایل دارد به دو اتم با ثبات تقسیم شود. انجام عمل تقسیم باعث آزاد شدن انرژی می شود بگونه ای که جمع انرژی حاصل از تقسیم زنجیره اتمهای U-235 بسیار قابل توجه می شود.

نمونه ای از این واکنش ها به اینصورت است :

U-235 + n ==> Ba-141 + Kr-92 + 3n + 170 Million electron Volts
U-235 + n ==> Te-139 + Zr-94 + 3n + 197 Million electron Volts

که در آن :

1 electron Volt = 1.602 x 10 ^-19 joules

(یک ژول انرژی معادل توان یک وات برای مصرف در یک ثانیه است.)

مجموع این عملیات ممکن است در محلی بنام رآکتور هسته ای انجام گیرد. رآکتور هسته ای می تواند انرژی آزاد شده را برای گرم کردن آب استفاده نماید تا در نهایت از آن برای راه اندازی توربین های بخار و تولید برق استفاده شود.

هدف اصلی یک رآکتور هسته ای آن است سوخت هسته ای (اورانیوم) را در سلسله واکنشهای زنجیره ای fission مهار کرده و انرژی حاصله از این واکنش ها را تبدیل به انرژی قابل استفاده نماید.

درواقع ساده ترین روش آن است که از گرمای حاصل از تبدیل اتم های اورانیوم 235، برای گرم کردن آب و به حرکت در آوردن توربین های بخار استفاده کرد تا بتوان بوسیله آن از ژنراتورهای الکتریکی نیروی برق گرفت.

یک نیروگاه برق هسته ای با یک نیروگاه برق که از سوخت فسیلی استفاده می کند در بسیاری از قسمت ها مشترک هستند. هر دو آنها به بخار آب برای بگردش در آوردن توربین بخار نیاز دارند و نیز به یک ژنراتور برق؛ تنها تفاوت آنها در این است که در نیروگاه هسته ای بجای سوخت فسیلی از واکنش های هسته ای برای تهیه بخار استفاده می شود.

واکنشهای هسته ای در قلب رآکتور صورت می گیرد و میزان انرژی تولید شده به میزان تحریک اتم های اورانیوم بستگی دارد. با کم و زیاد کردن مقدار نوترون های تزریق شده به سوخت هسته ای می توان مقدار اتمهای درگیر در پروسه fission را تنظیم کرده مقدار انرژی خروجی نیروگاه را کنترل کرد.

سوخت هسته ای توسط ماده ای که به Moderator (متعادل کننده) معروف است، احاطه می شود. این ماده باعث می شود تا سرعت انتشار نوترون به هنگام تبدیل اورانیوم به دو اتم دیگر کند شود. به بیان دیگر توسط آن می توان مانع انجام عملیات زنجیری تبدیل اتمهای اورانیوم به صورت یکباره شد.

در رآکتورهای مختلف با توجه به نوع تکنولوژی ساخت از آب، گرافیت، آب سنگین و ... به عنوان Moderator استفاده می شود.

آب سنگین نوع خاصی از آب است که در آن اتمهای هیدروژن تشکیل دهنده مولکولهای آب، بیشتر از نوع هیدروژن سنگین (deuterium) هستند. این ایزوتوپ هیدروژن با ثبات بوده و خواص شیمیایی مشابهی با هیدروژن معمولی دارد با این تفاوت که یک نوترون در هسته خود دارد در حالی که هیدروژن معمولی در هسته تنها یک پروتون دارد.

نکته قابل توجه آن است که چنانچه به هر دلیل Moderator یا دیگر قسمتهای درگیر در عملیات هسته ای درست عمل نکنند، تنها اتفاقی که می افتد آن است که سوخت - گرانقیمت - ذوب می شود و هرگز اتفاقی مانند انفجار هسته ای رخ نمی دهد.


چرخه سوخت هسته ای
همانطور که در مطالب قبل گفته شد، بیشتر اورانیوم موجود در طبیعت از نوع ایزوتوپ 238 است که امکان استفاده از آن در رآکتور هسته ای بعنوان سوخت موجود نیست.

بر خلاف سوخت هایی مانند گاز، ذغال سنگ، بنزین و ... که چرخه سوخت ساده ای و بسادگی با زدن یک کبریت مشتعل شده و انرژی تولید می کنند، عملیات بسیار زیادی باید بر روی U-238 انجام بگیرد تا بتوان آنرا به U-235 که قابلیت شکاف هسته ای دارد، تبدیل کرد.

این عملیات شامل قسمتهایی مانند حفاری، جداسازی سنگها، آسیاب کردن، تبدیل اورانیوم، غنی سازی و ساخت سوخت استاندارد است.

مواردی که در بالا اشاره شد قسمتی از چرخ سوخت اورانیوم است؛ پس از استفاده از اورانیوم در رآکتور، تفاله ها و ضایعات سوختی مراحلی مانند ذخیره سازی موقت، پردازشهای مجدد، بازیافت و دفن زباله را طی خواهند کرد.

پس از حفاری، جداسازی و آسیاب کردن، سنگ معدنی اورانیوم - معمولآ زرد رنگ - بدست آمده که بصورت اکسید اورانیوم U₃O₈ است باید به حالت گازی شکل تبدیل شود تا بتواند وارد مرحله غنی سازی شود. در این مرحله طی انجام پردازشهایی، گاز کم فشارهگزا فلوراید اورانیوم یا UF₆ تهیه می شود.

غنی سازی
در غنی سازی سعی می شود تا حد امکان ایزوتوپهای U-238 تبدیل به U-235 شوند، این پردازش جزو پیچیده ترین و گران قیمت ترین مراحل کار است.

هگزا فلوراید اورانیوم در حالت عادی حدود 0.7 درصد شامل ایزوتوپ 235 است و مابقی آن ایزوتوپ 238 است. در مرحله غنی سازی درصد U-235 به حدود 3.5 یا کمی بیشتر افزایش داده می شود.

پس از غنی سازی هگزا فلوراید اورانیوم، این ماده برای تبدیل به سوخت به تاسیسات مخصوصی فرستاده می شود که از آن دی اکسید اورانیوم که بصورت پودر است تهیه می شود.

این پودر توسط دستگاه های مخصوص پرس فشرده شده و بصورت قرص هایی در آورده می شود. این قرصها درون میله هایی فلزی قرار داده می شوند که هریک از آنها می تواند بعنوان یک واحد سوختی مصرف شوند. این میله ها در محل مخصوصی در رآکتور هسته ای در میان Moderator ها جای داده می شوند. (به شکل شماتیک رآکتور توجه کنید)

اما زباله های اتمی به دلیل تشعشعاتی که دارند باید بطور خاص تحت نظر باشند و طی مراحل پیچیده از محیط دور شده و دفن شوند. واقعیت آن است که هنوز دانشمندان در حال بررسی روشهایی هستند که توسط آنها بتوانند در پروسه از بین بردن زباله های اتمی کمترین آسیب را به طبیعت وارد آورده، ریسک استفاده از این انرژی را کاهش دهند.

زباله های اتمی یا رادیواکتیو عمومآ پس از استفاده از مواد رادیواکتیو در نیروگاه ها، مصارف پزشکی و صنعتی و ... بدست می آید که معمولآ آنها را با توجه به میزان تشعشع به سه دست سطح پایین، متوسط و بالا (Low, Intermediat & High Level) تقسیم می کنند. این تقسیم بندی بر اساس قوانین بین المللی صورت گرفته و برای هر کدام از این دسته ها شرایط خاص جمع آوری و دفن تدبیر شده است.

Low-Leve : زباله های سطح پایین از نوع بی خطرترین مواد رادیواکتیو هستند که مدت زمان بسیار کوتاهی توانایی تشعشع دارند. لباس کارکنان درگیر با این مواد، ابزار و تجهیزات کاری آنها، فیلترها و ... از این دسته مواد هستند. این نوع از زباله ها نیازی به محافظت های مخصوص (Shield کردن) ندارند، اما آنگونه هم نیستند که مانند زباله های عادی با آنها برخورد شود. آنها معمولآ سوزانده می شوند و در عمق کم دریا یا خشکی دفن می شوند.

Intermediate-Leve : این دسته از زباله ها شامل موادی مانند پسابهای شیمایی، روکش فلزی سوختها و بسیاری از مواد زائد نیروگاههای اتمی هستند. این نوع مواد دارای عمر کوتاه تشعشع هستند اما لازم است که توسط پوشش های مخصوص محافظت یا Shield شوند، چرا که در عمر محدود خود تشعشع قابل توجه دارند، لذا این مواد را معمولآ در میان بلوک های بتون قرار می دهند و در مکانهای مخصوص انبار می کنند.

High-Leve : از نمونه این نوع از زباله ها می توان دقیقآ به تفاله های سوخت هسته ای رآکتورها اشاره کرد، که شرایط نگهداری بسیار سخت تر و پر هزینه تری دارند. آنها باید با پوشش های مخصوص، محافظت یا Shield شوند و سپس در دماهای زیر صفر در انبارهایی در عمق حد اقل 1.5 کیلومتری زمین نگهداری شوند.

اما با وجود آنکه در نوشته های قبل کم و بیش راجع به موضوع تشعشع صحبت کردیم، بهتر است قبل از ادامه بحث، کمی بیشتر راجع به این موضوع صحبت کنیم.

بسیاری از اتمهایی که در طبیعت وجود دارند و مواد اطراف ما را تشکیل می دهند از اتمهای با ثبات تشکیل شده اند، بگونه ای که چنانچه شرایط محیطی آنها تغییر نکند، آن مواد تا ابد به همان حالت می مانند. اما برخی از اتمها نیز وجود دارند که نمی توانند وضعیت خود را ثابت نگهدارند و به تاچار برای رسیدن به حالت تعادل شکسته می شوند و به اتمهای دیگری تبدیل می شوند.

این اتمها در مرحل شکست از خود انرژی آزاد می کنند (به صورت اشعه یا ذره)، به موادی که از اینگونه اتمها تشکیل می شود مواد رادیواکتیو گفته می شوند. تشعشعات آنها هم تشعشعات رادیواکتیو نامیده می شود.

اورانیوم، توریوم یا پتاسیوم از جمله این مواد هستند که به اتم های سبکتر تبدیل می شوند. انرژی آزاد شده طی این پروسه تبدیل شامل امواج پر انرژی و نیز ذراتی است که با سرعت زیاد حرکت می کنند، هیچکدام از این ذرات یا امواج قابل دید نیستند.

لازم به ذکر است که برخی از اتم های عادی مانند کربن یا رادون با وجود پایدار بودن، دارای ایزوتوپ های ناپایدار هستند. این مواد بالقوه می توانند تشعشعات رادیواکتیو داشته باشند.

تشعشع در مواد رادیواکتیو بصورت طبیعی رخ می دهد و مدت زمانی که لازم است تا نیمی از اتمهای بی ثبات تبدیل به اتمهای پایدار شوند را نیم عمر آن ماده رادیواکتیو گفته می شود. نیمه عمر مواد رادیو اکتیو می تواند از چند میلی ثانیه تا چند صد هزار سال باشد.

انرژی بسیار زیاد
همانطور که مشخص است ذخیر کردن و از بین بردن مواد رادیواکتیو سطح بالا نیاز به مدیریت و تکنولوژی بالا دارد، اما مشخص ترین و ساده ترین کار ایزوله کردن به منظور جلوگیری از انتشار تشعشع و نیز سرد کردن آنها است. از زمان دست یابی به روشهای صحیحی ذخیره و دفن اولین زباله های اتمی، بیش از 40 سال است که می گذرد و کشورها ناچار هستند که همچنان آنها را در شرایط خاص نگهداری کنند.

حدود 30 گرم از یک زباله اتمی سطح بالا می تواند حدود 8000 کیلووات ساعت انرژی تولید کند. این مقدار انرژی معادل چیزی حدود 8 تن ذعال سیاه با کیفیت بسیار بالا است. بنابراین مشاهده می کنید که حتی زباله های مواد رادیواکتیو تا چه حد می تواند حاوی انرژی باشند که اگر درست مهار نشود، خطر ساز خواهد بود.

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.