مقدمه: استخراج اورانيوم از معدن

اورانيوم که 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 ميشود اما تنها حجم کوچکي از آن بصورت متراکم در معادن موجود است.
هنگامي که هسته اتم اورانيوم در يک واکنش زنجيره اي شکافته شود مقداري انرژي آزاد خواهد شد.
براي شکافت هسته اتم اورانيوم، يک نوترون به هسته آن شليک ميشود و در نتيجه اين فرايند، اتم مذکور به دو اتم کوچکتر تجزيه شده و تعدادي نوترون جديد نيز آزاد ميشود که هرکدام به نوبه خود ميتوانند هسته هاي جديدي را در يک فرايند زنجيره اي تجزيه کنند.
مجموع جرم اتمهاي کوچکتري که از تجزيه اتم اورانيوم بدست مي آيد از کل جرم اوليه اين اتم کمتر است و اين بدان معناست که مقداري از جرم اوليه که ظاهرا ناپديد شده در واقع به انرژي تبديل شده است، و اين انرژي با استفاده از رابطه E=MC2 يعني رابطه جرم و انرژي که آلبرت اينشتين نخستين بار آنرا کشف کرد قابل محاسبه است.
اورانيوم به صورت دو ايزوتوپ مختلف در طبيعت يافت ميشود. يعني اورانيوم U235 يا U238 که هر دو داراي تعداد پروتون يکساني بوده و تنها تفاوتشان در سه نوترون اضافه اي است که در هسته U238 وجود دارد. اعداد 235 و 238 بيانگر مجموع تعداد پروتونها و نوترونها در هسته هر کدام از اين دو ايزوتوپ است.

کشورهاي اصلي توليد کننده اورانيوم

استراليا
چين
کانادا
قزاقستان
ناميبيا
نيجر
روسيه
ازبکستان
براي بدست آوردن بالاترين بازدهي در فرايند زنجيره اي شکافت هسته بايد از اورانيوم 235 استفاده کرد که هسته آن به سادگي شکافته ميشود. هنگامي که اين نوع اورانيوم به اتمهاي کوچکتر تجزيه ميشود علاوه بر آزاد شدن مقداري انرژي حرارتي دو يا سه نوترون جديد نيز رها ميشود که در صورت برخورد با اتمهاي جديد اورانيوم بازهم انرژي حرارتي بيشتر و نوترونهاي جديد آزاد ميشود.
اما بدليل "نيمه عمر" کوتاه اورانيوم 235 و فروپاشي سريع آن، اين ايزوتوپ در طبيعت بسيار نادر است بطوري که از هر 1000 اتم اورانيوم موجود در طبيعت تنها هفت اتم از نوع U235 بوده و مابقي از نوع سنگينتر U238 است.

فراوري:

سنگ معدن اورانيوم بعد از استخراج، در آسيابهائي خرد و به گردي نرم تبديل ميشود. گرد بدست آمده سپس در يک فرايند شيميائي به ماده جامد زرد رنگي تبديل ميشود که به کيک زرد موسوم است. کيک زرد داراي خاصيت راديو اکتيويته است و 60 تا 70 درصد آنرا اورانيوم تشکيل ميدهد.
دانشمندان هسته اي براي دست يابي هرچه بيشتر به ايزوتوپ نادر U235 که در توليد انرژي هسته اي نقشي کليدي دارد، از روشي موسوم به غني سازي استفاده مي کنند. براي اين کار، دانشمندان ابتدا کيک زرد را طي فرايندي شيميائي به ماده جامدي به نام هگزافلوئوريد اورانيوم تبديل ميکنند که بعد از حرارت داده شدن در دماي حدود 64 درجه سانتيگراد به گاز تبديل ميشود.
کيک زرد داراي خاصيت راديو اکتيويته است و 60 تا 70 درصد آنرا اورانيوم تشکيل ميدهد
هگزافلوئوريد اورانيوم که در صنعت با نام ساده هگز شناخته ميشود ماده شيميائي خورنده ايست که بايد آنرا با احتياط نگهداري و جابجا کرد. به همين دليل پمپها و لوله هائي که براي انتقال اين گاز در تاسيسات فراوري اورانيوم بکار ميروند بايد از آلومينيوم و آلياژهاي نيکل ساخته شوند. همچنين به منظور پيشگيري از هرگونه واکنش شيميايي برگشت ناپذير بايد اين گاز را دور از معرض روغن و مواد چرب کننده ديگر نگهداري کرد.

غني سازي:

هدف از غني سازي توليد اورانيومي است که داراي درصد بالايي از ايزوتوپ U235 باشد.
اورانيوم مورد استفاده در راکتورهاي اتمي بايد به حدي غني شود که حاوي 2 تا 3 درصد اورانيوم 235 باشد، در حالي که اورانيومي که در ساخت بمب اتمي بکار ميرود حداقل بايد حاوي 90 درصد اورانيوم 235 باشد.
يکي از روشهاي معمول غني سازي استفاده از دستگاههاي سانتريفوژ گاز است.
سانتريفوژ از اتاقکي سيلندري شکل تشکيل شده که با سرعت بسيار زياد حول محور خود مي چرخد. هنگامي که گاز هگزا فلوئوريد اورانيوم به داخل اين سيلندر دميده شود نيروي گريز از مرکز ناشي از چرخش آن باعث ميشود که مولکولهاي سبکتري که حاوي اورانيوم 235 است در مرکز سيلندر متمرکز شوند و مولکولهاي سنگينتري که حاوي اورانيوم 238 هستند در پايين سيلندر انباشته شوند.
اورانيوم 235 غني شده اي که 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 که بطور سري به يکديگر متصل ميشوند تکرار ميشود تا جايي که اورانيوم 235 با درصد خلوص مورد نياز بدست آيد.
آنچه که پس از جدا سازي اورانيوم 235 باقي ميماند به نام اورانيوم خالي يا فقير شده شناخته ميشود که اساسا از اورانيوم 238 تشکيل يافته است. اورانيوم خالي فلز بسيار سنگيني است که اندکي خاصيت راديو اکتيويته دارد و از آن براي ساخت گلوله هاي توپ ضد زره پوش و اجزاي برخي جنگ افزار هاي ديگر از جمله منعکس کننده نوتروني در بمب اتمي استفاده ميشود.
يک شيوه ديگر غني سازي روشي موسوم به ديفيوژن يا روش انتشاري است.
دراين روش گاز هگزافلوئوريد اورانيوم به داخل ستونهايي که جدار آنها از اجسام متخلخل تشکيل شده دميده ميشود. سوراخهاي موجود در جسم متخلخل بايد قدري از قطر مولکول هگزافلوئوريد اورانيوم بزرگتر باشد.
در نتيجه اين کار مولکولهاي سبکتر حاوي اورانيوم 235 با سرعت بيشتري در اين ستونها منتشر شده و تفکيک ميشوند. اين روش غني سازي نيز بايد مانند روش سانتريفوژ بارها و باره تکرار شود.

راکتور هسته اي:

راکتور هسته اي وسيله ايست که در آن فرايند شکافت هسته اي بصورت کنترل شده انجام ميگيرد. انرژي حرارتي بدست آمده از اين طريق را مي توان براي بخار کردن آب و به گردش درآوردن توربين هاي بخار ژنراتورهاي الکتريکي مورد استفاده قرار داد.
اورانيوم غني شده ، معمولا به صورت قرصهائي که سطح مقطعشان به اندازه يک سکه معمولي و ضخامتشان در حدود دو و نيم سانتيمتر است در راکتورها به مصرف ميرسند. اين قرصها روي هم قرار داده شده و ميله هايي را تشکيل ميدهند که 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 ميشوند.
در بسياري از نيروگاهها براي جلوگيري از گرم شدن بسته هاي سوخت در داخل راکتور، اين بسته ها را داخل آب سرد فرو مي برند. در نيروگاههاي ديگر براي خنک نگه داشتن هسته راکتور ، يعني جائي که فرايند شکافت هسته اي در آن رخ ميدهد ، از فلز مايع (سديم) يا گاز دي اکسيد کربن استفاده مي شود.
1- هسته راکتور
2-پمپ خنک کننده
3- ميله هاي سوخت
4- مولد بخار
5- هدايت بخار به داخل توربين مولد برق
براي توليد انرژي گرمائي از طريق فرايند شکافت هسته اي ، اورانيومي که در هسته راکتور قرار داده ميشود بايد از جرم بحراني بيشتر (فوق بحراني) باشد. يعني اورانيوم مورد استفاده بايد به حدي غني شده باشد که امکان آغاز يک واکنش زنجيره اي مداوم وجود داشته باشد.
براي تنظيم و کنترل فرايند شکافت هسته اي در يک راکتور از ميله هاي کنترلي که معمولا از جنس کادميوم است استفاده ميشود. اين ميله ها با جذب نوترونهاي آزاد در داخل راکتور از تسريع واکنشهاي زنجيره اي جلوگيري ميکند. زيرا با کاهش تعداد نوترونها ، تعداد واکنشهاي زنجيره اي نيز کاهش ميابد.
حدودا 400 نيروگاه هسته اي در سرتاسر جهان فعال هستند که تقريبا 17 درصد کل برق مصرفي در جهان را تامين ميکنند. از جمله کاربردهاي ديگر راکتورهاي هسته اي، توليد نيروي محرکه لازم براي جابجايي ناوها و زيردريايي هاي اتمي است.

بازفراوري:

براي بازيافت اورانيوم از سوخت هسته اي مصرف شده در راکتور از عمليات شيميايي موسوم به بازفراوري استفاده ميشود. در اين عمليات، ابتدا پوسته فلزي ميله هاي سوخت مصرف شده را جدا ميسازند و سپس آنها را در داخل اسيد نيتريک داغ حل ميکنند.
در نتيجه اين عمليات، 1% پلوتونيوم ، 3% مواد زائد به شدت راديو اکتيو و 96% اورانيوم بدست مي آيد که دوباره ميتوان آنرا در راکتور به مصرف رساند.
راکتورهاي نظامي اين کار را بطور بسيار موثرتري انجام ميدهند. راکتور و تاسيسات باز فراوري مورد نياز براي توليد پلوتونيوم را ميتوان بطور پنهاني در داخل ساختمانهاي معمولي جاسازي کرد. به همين دليل، توليد پلوتونيوم به اين طريق، براي هر کشوري که بخواهد بطور مخفيانه تسليحات اتمي توليد کند گزينه جذابي خواهد بود.

بمب پلوتونيومي:

استفاده از پلوتونيوم به جاي اورانيوم در ساخت بمب اتمي مزاياي بسياري دارد. تنها چهار کيلوگرم پلوتونيوم براي ساخت بمب اتمي با قدرت انفجار 20 کيلو تن کافي است. در عين حال با تاسيسات بازفراوري نسبتا کوچکي ميتوان چيزي حدود 12 کيلوگرم پلوتونيوم در سال توليد کرد.

بمب پلوتونيومي

1- منبع يا مولد نوتروني
2- هسته پلوتونيومي
3- پوسته منعکس کننده (بريليوم)
4- ماده منفجره پرقدرت
5- چاشني انفجاري
کلاهک هسته اي شامل گوي پلوتونيومي است که اطراف آنرا پوسته اي موسوم به منعکس کننده نوتروني فرا گرفته است. اين پوسته که معمولا از ترکيب بريليوم و پلونيوم ساخته ميشود، نوترونهاي آزادي را که از فرايند شکافت هسته اي به بيرون ميگريزند، به داخل اين فرايند بازمي تاباند.
استفاده از منعکس کننده نوتروني عملا جرم بحراني را کاهش ميدهد و باعث ميشود که براي ايجاد واکنش زنجيره اي مداوم به پلوتونيوم کمتري نياز باشد.
براي کشور يا گروه تروريستي که بخواهد بمب اتمي بسازد، توليد پلوتونيوم با کمک راکتورهاي هسته اي غير نظامي از تهيه اورانيوم غني شده آسانتر خواهد بود. کارشناسان معتقدند که دانش و فناوري لازم براي طراحي و ساخت يک بمب پلوتونيومي ابتدائي، از دانش و فنآوري که حمله کنندگان با گاز اعصاب به شبکه متروي توکيو در سال 1995 در اختيار داشتند پيشرفته تر نيست.
چنين بمب پلوتونيومي ميتواند با قدرتي معادل 100 تن تي ان تي منفجر شود، يعني 20 مرتبه قويتر از قدرتمندترين بمبگزاري تروريستي که تا کنون در جهان رخ داده است.

بمب اورانيومي:

هدف طراحان بمبهاي اتمي ايجاد يک جرم فوق بحراني ( از اورانيوم يا پلوتونيوم) است که بتواند طي يک واکنش زنجيره اي مداوم و کنترل نشده، مقادير متنابهي انرژي حرارتي آزاد کند.
يکي از ساده ترين شيوه هاي ساخت بمب اتمي استفاده از طرحي موسوم به "تفنگي" است که در آن گلوله کوچکي از اورانيوم که از جرم بحراني کمتر بوده به سمت جرم بزرگتري از اورانيوم شليک ميشود بگونه اي که در اثر برخورد اين دو قطعه، جرم کلي فوق بحراني شده و باعث آغاز واکنش زنجيره اي و انفجار هسته اي ميشود.
کل اين فرايند در کسر کوچکي از ثانيه رخ ميدهد.
جهت توليد سوخت مورد نياز بمب اتمي، هگزا فلوئوريد اورانيوم غني شده را ابتدا به اکسيد اورانيوم و سپس به شمش فلزي اورانيوم تبديل ميکنند. انجام اين کار از طريق فرايندهاي شيميائي و مهندسي نسبتا ساده اي امکان پذير است.
قدرت انفجار يک بمب اتمي معمولي حداکثر 50 کيلو تن است، اما با کمک روش خاصي که متکي بر مهار خصوصيات جوش يا گداز هسته اي است ميتوان قدرت بمب را افزايش داد.
در فرايند گداز هسته اي ، هسته هاي ايزوتوپهاي هيدروژن به يکديگر جوش خورده و هسته اتم هليوم را ايجاد ميکنند. اين فرايند هنگامي رخ ميدهد که هسته هاي اتمهاي هيدروژن در معرض گرما و فشار شديد قرار بگيرند. انفجار بمب اتمي گرما و فشار شديد مورد نياز براي آغاز اين فرايند را فراهم ميکند.
طي فرايند گداز هسته اي نوترونهاي بيشتري رها ميشوند که با تغذيه واکنش زنجيره اي، انفجار شديدتري را بدنبال مي آورند. اينگونه بمبهاي اتمي تقويت شده به بمبهاي هيدروژني يا بمبهاي اتمي حرارتي موسومند.