از خاک تا افلاک

محمدتقی حاجی‌موسی

مثل بنزین و گازوئیل نیست که با یک تقطیر نفت در برج تقطیر پالایشگاه به‌دست بیاید و بعد مایع را بریزید توی باک و ماشین را روشن کنید. تولید سوخت هسته‌ای یک عالمه دنگ و فنگ دارد که اگر در هر مرحله، یک سر سوزن اشتباه رخ دهد، همه‌‌چیز نابود می‌شود و ممکن است خود دانشمندان هم نابود شوند. این مراحل آن‌قدر پیچیده است که برای فهمیدن آن باید سال‌ها درس خواند. اما به زبان ساده می‌توان این روند را در چند مرحله توضیح داد تا شاید کمی تقریب به ذهن شود.

استخراج

ذخایر طبیعی اورانیوم، سنگ معدن اورانیوم است که براساس مقدار قابل استحصال از معدن محاسبه می‌شود. با تکنیک‌ها و روش‌های زمین‌شناسی، معدن اورانیوم‌ شناسایی و نمونه‌هایی از سنگ معدن به آزمایشگاه فرستاده می‌شود. در آنجا، محلولی از سنگ معدن تهیه می‌کنند و اورانیوم ته‌نشین شده را مورد بررسی قرار می‌دهند تا بفهمند چه مقدار اورانیوم را می‌توان از آن معدن استخراج کرد و چقدر هزینه می‌برد.

 اورانیوم موجود در طبیعت معمولاً از 2ایزوتوپ u-235 و u-238 تشکیل می‌شود که فراوانی آنها به‌ترتیب 0.71درصد و 99/82 درصد است. هنگامی که معدن شناسایی شد، به 3 روش می‌توان اورانیوم را استخراج کرد: استخراج از سطح زمین، استخراج از معادن زیرزمینی و تصفیه در معدن. سنگ معدن اورانیوم معمولا از اکسید‌اورانیوم (u-3o8)  تشکیل شده است و غلظت آن در سنگ معدن بین 0.05تا 0.3درصد تغییر می‌کند. البته این تنها منبع اورانیوم نیست؛ اورانیوم در برخی معادن فسفات با منشأ دریایی نیز وجود دارد که البته فراوانی بسیار کمی دارد، به‌طوری که حداکثر به 200ذره در میلیون ذره می‌رسد.

 از آنجا که این معادن فسفات مقادیر انبوهی تولید دارند، می‌توان اورانیوم را با قیمت معمولی و پایین استحصال کرد.

آسیاب کردن 

پس از استخراج سنگ معدن، تکه سنگ‌ها به آسیاب فرستاده می‌شود تا به‌خوبی خرد‌شده و خرده سنگ‌هایی با ابعاد یکسان تولید شود. اورانیوم توسط اسید سولفوریک از دیگر اتم‌ها جدا می‌شود، محلول حاصل از اورانیوم، تصفیه و خشک می‌شود. محصول به‌دست آمده، کنستانتره جامد اورانیوم است که کیک زرد نامیده می‌شود.

تبدیل 

کیک زرد جامد است، ولی مرحله بعد (غنی‌سازی‌) از تکنولوژی به‌خصوصی بهره می‌برد که نیازمند حالت گازی است.

بنابراین کنستانتره اکسید اورانیوم جامد طی فرایندی شیمیایی به هگزافلورایداورانیوم (UF6) تبدیل می‌شود.

UF6 در دمای اتاق جامد است، ولی در دمایی نه‌چندان بالا به گاز تبدیل می‌شود.

غنی‌سازی‌ 

برای ادامه‌ یک واکنش زنجیره هسته‌ای در قلب یک رآکتور آب سبک، غلظت طبیعی اورانیوم 235 بسیار اندک است.

 برای آنکه UF6 به‌دست آمده در مرحله تبدیل، به‌عنوان سوخت هسته‌ای مورد استفاده قرار گیرد، باید ایزوتوپ قابل شکافت آن را غنی کرد. البته سطح غنی‌سازی‌ بسته به کاربرد سوخت هسته‌ای متفاوت است.  برای یک رآکتور آب سبک، سوختی با 5درصد اورانیوم 235مورد نیاز است؛ درحالی‌که در یک بمب اتمی، سوخت هسته‌ای باید حداقل 90درصد غنی شده باشد.

 غنی‌سازی‌ با استفاده از یک یا چند روش جداسازی ایزوتوپ‌های سنگین و سبک صورت می‌گیرد. 

هم‌اکنون، 2 روش رایج برای غنی‌سازی‌ اورانیوم وجود دارد که عبارتند از: انتشار گاز و سانتریفیوژ گاز.

ساخت میله‌های سوخت 

تولید میله‎ سوخت، آخرین مرحله‎ انتهای جلویی در چرخه سوخت هسته‌ای است. اورانیوم غنی شده که هنوز به شکل UF6 است، باید به پودر دی‌اکسید اورانیوم (UO2)  تبدیل شود تا به‌عنوان سوخت هسته‌ای قابل استفاده باشد، پودر UO2 سپس فشرده می‌شود و به شکل قرص درمی‌آید.

قرص‌ها در معرض حرارت با دمای بالا قرار می‌گیرند تا به قرص‌های سرامیکی تبدیل شوند. پس از طی چند فرایند فیزیکی، قرص‌های سرامیکی با ابعاد یکسان حاصل می‌شود. 

حال، متناسب با طراحی رآکتور و نوع سوخت مورد نیاز، این قرص‌های کوچک را دسته دسته کرده و در لوله‌ای به‌خصوص قرار می‌دهند. این لوله از آلیاژ مخصوصی ساخته شده که در برابر خوردگی بسیار مقاوم است و در عین حال از رسانایی حرارتی بسیار بالایی برخوردار است. حال میله سوخت آماده شده است و برای استفاده در رآکتور به نیروگاه فرستاده می‌شود.