به گزارش خبرگزاری خبرآنلاین، اورانیوم فلز سنگینی است که به طور متوسط در هر یک میلیون گرم از سنگهای پوسته زمین، حدود ۲ تا ۴ گرم از آن وجود دارد. این یعنی فراوانی آن در زمین با فلزاتی مثل قلع، تنگستن و مولیبدن برابری میکند. این عنصر حتی در آب دریاها نیز یافت میشود و امکان استخراج آن از اقیانوسها وجود دارد.
این عنصر نخستین بار در سال ۱۷۸۹ میلادی توسط یک شیمیدان آلمانی به نام «مارتین کلاپروت» در یک ماده معدنی به نام «پیچبلند» کشف شد و نام آن به افتخار سیاره اورانوس که هشت سال قبل از آن کشف شده بود، اورانیوم نام گرفت.
آیا اورانیوم منشا کیهانی دارد؟
دانشمندان معتقدند اورانیوم حدود ۶.۶ میلیارد سال پیش در پی انفجارهای بزرگ ستارهای (ابرنواخترها) شکل گرفته است. اگرچه این عنصر در منظومه شمسی چندان فراوان نیست، اما امروزه تجزیه حرارتی و طبیعی آن در بخشهای عمقی زمین، منبع اصلی گرمای درونی کره زمین است؛ گرمایی که باعث حرکت لایههای زمین و جابجایی قارهها میشود.
اورانیوم به دلیل چگالی و وزن بسیار بالا، کاربردهای غیرهستهای عجیبی هم دارد؛ از این فلز به عنوان وزنه تعادل در کف قایقهای تفریحی، وزنه کنترل در هواپیماها و همچنین به عنوان سپر حفاظتی در برابر تشعشعات رادیواکتیو استفاده میشود. نماد شیمیایی اورانیوم در جدول عناصر U است و در دمای ۱۱۳۲ درجه سانتیگراد ذوب میشود.
چرا اورانیوم موتور محرک انرژی هستهای است؟
در میان عناصری که به طور طبیعی در جهان وجود دارند، اورانیوم یکی از سنگینترینهاست (در حالی که هیدروژن سبکترین است). چگالی اورانیوم ۱۸.۷ برابر بیشتر از آب است.
وقتی میگوییم «چگالی اورانیوم ۱۸.۷ برابر بیشتر از آب است»، در زبان ساده یعنی اورانیوم فلز فوقالعاده فشرده و سنگینی است. برای اینکه این موضوع را کاملاً لمس کنید، بیایید با یک مثال ساده آن را شبیهسازی کنیم:
فرض کنید دو ظرف دقیقاً هماندازه (مثلاً دو قوطی مکعبی کوچک یک اندازه) دارید:
- قوطی اول را پر از آب میکنید.
- قوطی دوم را پر از اورانیوم میکنید.
- اگر قوطی آب ۱ کیلوگرم وزن داشته باشد، قوطی اورانیوم با همان اندازه، ۱۸.۷ کیلوگرم وزن خواهد داشت
به عبارت دیگر، حجم بسیار کوچکی از اورانیوم، وزن بسیار زیادی دارد. یک تکه اورانیوم که به اندازه یک قوطی کبریت کوچک است، در دست شما حسی شبیه به حمل یک سنگ بزرگ یا یک وزنه آهنی سنگین را دارد.
اورانیوم هم مانند بسیاری از عناصر دیگر، دارای شکلهای مختلفی با ویژگیهای اتمی کمی متفاوت است که به آنها «ایزوتوپ» میگویند. تفاوت این ایزوتوپها تنها در تعداد ذرات خنثی (نوترونها) در داخل هسته آنهاست. اورانیوم طبیعی که از زمین استخراج میشود، عمدتاً مخلوطی از دو ایزوتوپ است:
-
اورانیوم-۲۳۸ (U-238): که ۹۹.۳ درصد از کل اورانیوم طبیعت را تشکیل میدهد.
-
اورانیوم-۲۳۵ (U-235): که سهم آن تنها حدود ۰.۷ درصد است.
ایزوتوپ اورانیوم-۲۳۵ اهمیت فوقالعادهای دارد؛ چرا که تحت شرایط خاص، هسته آن به راحتی شکافته میشود و انرژی عظیمی آزاد میکند. به همین دلیل به آن ایزوتوپ «شکافتپذیر» میگویند و فرایند آن را «شکافت هستهای» مینامند.
در همین حال، این ایزوتوپها به مرور زمان ناپایدار شده و تجزیه (واپاشی) میشوند. اتمهای معمولی (مثل اکسیژن یا آهن) پایدار هستند؛ یعنی میلیاردها سال بدون تغییر باقی میمانند. اما هسته اتمهای رادیواکتیو مثل اورانیوم، بیش از حد سنگین و «ناپایدار» است. این ناپایداری باعث میشود اتم برای رسیدن به آرامش و ثبات، ذرهذره از خود انرژی و تشعشع (پرتوهای رادیواکتیو) آزاد کند و به مرور زمان خرد یا تبدیل به عنصر دیگری (مثل سرب) شود. به این فرآیند واپاشی هستهای میگویند.
نیمهعمر مدت زمانی است که طول میکشد تا نیمی از اتمهای یک ماده رادیواکتیو تجزیه شوند. نیمهعمر اورانیوم-۲۳۸ حدود ۴۵۰۰ میلیون سال (۴.۵ میلیارد سال) است.
فرض کنید امروز ۱ کیلوگرم اورانیوم-۲۳۸ در یک جعبه دارید. باید ۴.۵ میلیارد سال صبر کنید (یعنی زمانی به اندازه کل عمر زمین از ابتدا تا امروز) تا این ۱ کیلوگرم اورانیوم خودبهخود تجزیه شود و وزن اورانیوم باقیمانده درون جعبه به نصف (یعنی ۵۰۰ گرم) برسد. نیمکیلوگرم دیگر به عناصر دیگری تبدیل شده است.
وقتی سرعت تجزیه یک ماده اینقدر کند است (۴.۵ میلیارد سال برای نصف شدن)، یعنی اتمهای آن تمایل زیادی به متلاشی شدن سریع ندارند. اگرچه هر اتم اورانیوم خیلی کند تجزیه میشود و پرتو کمی دارد، اما وقتی حجم اورانیوم بسیار زیاد باشد، داستان عوض میشود. هر ۱ تن (۱۰۰۰ کیلوگرم) اورانیوم، در اثر این تجزیه شدن بسیار کند، ۰.۱ وات گرما در هر لحظه تولید میکند. ۰.۱ وات انرژی بسیار کمی است (تقریباً هیچ).
هسته یک اتم اورانیوم-۲۳۵ شامل ۹۲ پروتون و ۱۴۳ نوترون است. وقتی یک نوترون در حال حرکت به هسته این اتم برخورد میکند، هسته به دو قسمت تقسیم میشود (شکافت رخ میدهد) و مقدار زیادی انرژی به صورت گرما آزاد میکند. همزمان، دو یا سه نوترون دیگر نیز از هسته به بیرون پرتاب میشوند.
اگر این نوترونهای پرتابشده به هستههای دیگر اورانیوم-۲۳۵ برخورد کنند و باعث شکافت آنها شوند، نوترونهای بیشتری آزاد میشود. به این فرآیند متوالی، «واکنش زنجیرهای شکافت» میگویند. وقتی این اتفاق میلیونها بار تکرار شود، مقدار بسیار کمی از اورانیوم، حجم عظیمی از گرما تولید میکند.
در واقع، نیروگاههای هستهای با «سوزاندن» اورانیوم از این فرآیند استفاده میکنند. گرمای حاصل از این کار برای جوش آوردن آب، تبدیل آن به بخار و در نهایت چرخاندن توربینها برای تولید برق استفاده میشود.
در داخل راکتور هستهای چه میگذرد؟
نیروگاههای برق هستهای و نیروگاههایی که با سوخت فسیلی (مثل گاز و زغالسنگ) کار میکنند، ساختار مشابهی دارند؛ هر دو برای تولید بخار و چرخاندن ژنراتورها به گرما نیاز دارند. اما در نیروگاه هستهای، به جای سوختن گاز یا زغالسنگ، شکافت اتمهای اورانیوم گرما ایجاد میکند. سوخت اورانیوم در راکتور طوری چیده میشود که یک واکنش زنجیرهای کنترلشده انجام شود.
برای مدیریت این فرآیند غولپیکر، از دو بخش حیاتی در راکتور استفاده میشود:
۱. میلههای کنترل: این میلهها نوترونهای اضافی را به خود جذب میکنند. اپراتورها با وارد کردن یا بیرون کشیدن این میلهها از قلب راکتور، قدرت و میزان تولید انرژی آن را تنظیم میکنند.
۲. کاهشدهنده سرعت (کندکننده): سوختهای هستهای توسط مادهای به نام کندکننده احاطه میشوند تا سرعت نوترونهای پرتاب شده را کم کنند. این کار باعث میشود واکنش زنجیرهای به طور پایدار ادامه یابد. بسته به نوع راکتور، از آب معمولی، گرافیت یا آب سنگین به عنوان کندکننده استفاده میشود.
امنیت این سیستمها به گونهای است که به دلیل نوع سوخت مصرفی (درصد پایین اورانیوم-۲۳۵)، حتی اگر نقص فنی بزرگی هم رخ دهد و سوخت بیش از حد داغ و ذوب شود، راکتور هرگز مانند یک بمب اتمی منفجر نخواهد شد. یک راکتور استاندارد ۱۰۰۰ مگاواتی میتواند برق مورد نیاز یک شهر مدرن با جمعیت یک میلیون نفر را تأمین کند.
پلوتونیوم؛ محصول جانبی اما انرژیزا
در حالی که اورانیوم-۲۳۵ به راحتی شکافته میشود، اورانیوم-۲۳۸ این خاصیت را ندارد اما به آن «بارور» میگویند. این یعنی اورانیوم-۲۳۸ میتواند نوترونهای سرگردان در راکتور را جذب کند و به عنصر جدیدی به نام «پلوتونیوم-۲۳۹» تبدیل شود که مادهای شکافتپذیر است. پلوتونیوم-۲۳۹ رفتاری شبیه به اورانیوم-۲۳۵ دارد و در اثر برخورد نوترون، انرژی زیادی آزاد میکند.
از آنجا که بخش عمده سوخت درون راکتور را اورانیوم-۲۳۸ تشکیل میدهد، این تغییرات زیاد اتفاق میافتد؛ تا جایی که حدود یکسوم کل انرژی تولیدی یک نیروگاه هستهای، حاصل از سوختن همین پلوتونیوم-۲۳۹ به دست آمده در راکتور است.
البته گاهی اتم پلوتونیوم-۲۳۹ بدون اینکه بشکافد، فقط نوترون را جذب کرده و به پلوتونیوم-۲۴۰ تبدیل میشود. هرچه سوخت بیشتر در راکتور بماند، میزان پلوتونیوم-۲۴۰ در آن بیشتر میشود. اهمیت این موضوع در این است که وقتی سوخت مصرفشده پس از سه سال از راکتور خارج میشود، پلوتونیوم موجود در آن به دلیل وجود این ناخالصیها مناسب ساخت سلاح هستهای نیست و فقط میتوان آن را برای مصرف دوباره به عنوان سوخت نیروگاه بازیافت کرد.
از معدن تا نیروگاه؛ سفر طولانی اورانیوم
تبدیل سنگ معدن خام به سوخت قابل استفاده در نیروگاهها شامل مراحل زیر است:
[استخراج سنگ معدن] ──> [خرد کردن و شستشو با اسید] ──> [تولید کنسانتره اکسید اورانیوم (کیک زرد)] ──> [تبدیل به گاز هگزا فلوراید] ──> [غنیسازی (افزایش غلظت U-235)] ──> [تبدیل به قرصها و میلههای سوخت]
-
استخراج و فرآوری اولیه: سنگ معدن اورانیوم بسته به عمق آن، به صورت زیرزمینی یا روباز استخراج میشود. سپس سنگها خرد شده و با اسید شسته میشوند تا اورانیوم حل و جداسازی شود. روش دیگری نیز به نام «استخراج درجا» (ISL) وجود دارد که در آن اورانیوم را در همان محل زیرزمین حل کرده و مایع را به سطح زمین پمپ میکنند. محصول نهایی این مرحله، پودر غلیظی به نام «کنسانتره اکسید اورانیوم» یا همان کیک زرد است که اورانیوم در بازار جهانی به این شکل فروخته میشود.
-
گازسازی و غنیسازی: برای بیشتر راکتورهای جهان، مرحله بعدی تبدیل اکسید اورانیوم به گازی به نام «هگزا فلوراید اورانیوم» است. این گاز اجازه میدهد فرآیند غنیسازی انجام شود. غنیسازی در واقع سهم ایزوتوپ اورانیوم-۲۳۵ را از مقدار طبیعی آن (۰.۷ درصد) به حدود ۴ تا ۵ درصد افزایش میدهد. این کار بازدهی فنی راکتورها را بالا برده و اجازه میدهد از آب معمولی به عنوان کندکننده استفاده شود.
-
تولید میله سوخت: پس از غنیسازی، به پودر «دیاکسید اورانیوم» تبدیل شده و به شکل قرصهای سوختی کوچک پرس میشود. این قرصها درون لولههای فلزی نازکی به نام «میله سوخت» قرار میگیرند. در یک راکتور بزرگ استاندارد، ممکن است حدود ۵۱ هزار میله سوخت حاوی بیش از ۱۸ میلیون از این قرصهای کوچک وجود داشته باشد. این سوختها حدود سه سال در راکتور کار میکنند و سپس برای بازیافت یا دفن امن زیرزمینی خارج میشوند.
امروزه حدود ۹ درصد از کل برق جهان از اورانیوم تأمین میشود. این میزان سالانه بالغ بر ۲۵۰۰ تراواتساعت برق است که با کل برق تولید شده در جهان در سال ۱۹۶۰ برابری میکند. این انرژی توسط حدود ۴۴۰ راکتور هستهای فعال در ۳۱ کشور جهان با ظرفیت کلی ۴۰۰ هزار مگاوات تأمین میشود. همچنین حدود ۷۰ راکتور دیگر در دست ساخت و ۱۱۰ راکتور در مرحله برنامهریزی قرار دارند.
۲۲۷۲۲۷
نظر شما