نگاهی به شکاف هسته ای اورانیوم

هنگامي كه هسته اتم اورانيوم در يك واكنش زنجيره اي شكافته شود مقداري انرژي آزاد خواهد شد.

گفتیم که U-235قابلیت 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. براي شكافت هسته اتم اورانيوم، يك نوترون به هسته آن شليك مي شود و در نتيجه اين فرايند، اتم مذكور به دو اتم كوچكتر تجزيه شده و تعدادي نوترون جديد نيز آزاد مي شود كه هركدام به نوبه خود ميتوانند هسته هاي جديدي را در يك فرايند زنجيره اي تجزيه كنند.

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. مجموع جرم اتمهاي كوچكتري كه از تجزيه اتم اورانيوم بدست مي آيد از كل جرم اوليه اين اتم كمتر است و اين بدان معناست كه مقداري از جرم اوليه كه ظاهرا ناپديد شده در واقع به انرژي تبديل شده است، و اين انرژي با استفاده از رابطه ۲E=MC يعني رابطه جرم و انرژي كه آلبرت اينشتين نخستين بار آنرا كشف كرد قابل محاسبه است.

براي بدست آوردن بالاترين بازدهي در فرايند زنجيره اي شكافت هسته بايد از اورانيوم ۲۳۵ استفاده كرد كه هسته آن به سادگي شكافته ميشود. هنگامي كه اين نوع اورانيوم به اتمهاي كوچكتر تجزيه ميشود علاوه بر آزاد شدن مقداري انرژي حرارتي دو يا سه نوترون جديد نيز رها ميشود كه در صورت برخورد با اتمهاي جديد اورانيوم بازهم انرژي حرارتي بيشتر و نوترونهاي جديد آزاد ميشود.

اما بدليل "نيمه عمر" كوتاه اورانيوم ۲۳۵ و فروپاشي سريع آن، اين ايزوتوپ در طبيعت بسيار نادر است بطوري كه از هر ۱۰۰۰ اتم اورانيوم موجود در طبيعت تنها هفت اتم از نوع U۲۳۵ بوده و مابقي از نوع سنگينتر U۲۳۸ است.

فراوري

سنگ معدن اورانيوم بعد از استخراج، در آسيابهائي خرد و به گردي نرم تبديل ميشود. گرد بدست آمده سپس در يك فرايند شيميائي به ماده جامد زرد رنگي تبديل ميشود كه به كيك زرد موسوم است. كيك زرد داراي خاصيت راديو اكتيويته است و ۶۰ تا ۷۰ درصد آنرا اورانيوم تشكيل ميدهد.

دانشمندان هسته اي براي دست يابي هرچه بيشتر به ايزوتوپ نادر U۲۳۵ كه در توليد انرژي هسته اي نقشي كليدي دارد، از روشي موسوم به غني سازي استفاده مي كنند. براي اين كار، دانشمندان ابتدا كيك زرد را طي فرايندي شيميائي به ماده جامدي به نام هگزافلوئوريد اورانيوم تبديل ميكنند كه بعد از حرارت داده شدن در دماي حدود ۶۴ درجه سانتيگراد به گاز تبديل ميشود.

هگزافلوئوريد اورانيوم كه در صنعت با نام ساده هگز شناخته ميشود ماده شيميائي خورنده ايست كه بايد آنرا با احتياط نگهداري و جابجا كرد. به همين دليل پمپها و لوله هائي كه براي انتقال اين گاز در تاسيسات فراوري اورانيوم بكار ميروند بايد از آلومينيوم و آلياژهاي نيكل ساخته شوند. همچنين به منظور پيشگيري از هرگونه واكنش شيميايي برگشت ناپذير بايد اين گاز را دور از معرض روغن و مواد چرب كننده ديگر نگهداري كرد.

کیک زرد چیست؟

کیک زرد یا Yellow cake که بنام اورانیا (Urania) هم شناخته می شود در واقع خاک معدنی اورانیوم است که پس از طی مراحل تصفیه و پردازشهای لازم از سنگ معدنی آن تهیه می شود. تهیه این ماده به منزله رسیدن به بخش میانی از مراحل مختلف تصفیه سنگ معدن اورانیوم است و باید توجه داشت که فاصله بسیار زیادی برای استفاده در یک بمب اتمی دارد. روش تهیه کیک زرد کاملآ به نوع سنگ معدن بدست آمده بستگی دارد، اما بطور معمول از طریق آسیاب کردن و انجام پردازش های شیمایی بر روی سنگ معدن اورانیوم، پودر زبر و زرد رنگی بدست می آید که قابلیت حل شدن در آب را ندارد و حدود 80% غلظت اکسید اورانیوم آن خواهد بود. این پودر در دمایی معادل 2878 درجه سانتیگراد ذوب می شود.

روش تهیه

در ابتدا سنگ معدن توسط دستگاههای مخصوصی خرد شده و آسیاب می شود و پس از آن برای جدا سازی اورانیوم و بالا بردن خلوص خاک سنگ، آنرا در حمامی از اسید سولفوریک، آلکالاین و یا پراکسید می خوابانند، این عمل برای بدست آوردن اورانیوم خالص تر صورت می گیرد. پس از این محصول بدست آمده را خشک و فیلتر می کنند و نتیجه آن چیزی خواهد شد که به کیک زرد معروف است. امروزه روشهای جدیدی برای تهیه این پودر اورانیوم وجود دارد که محصول آنها بیشتر از آنکه زرد باشد به قهوه ای و سیاه نزدیک است، در واقع رنگ ماده بدست آمده به میزان وجود ناخالصی ها در این پودر دارد. نهادن این نام بر روی این محصول به گذشته بر می گردد که کیفیت روشهای خالص سازی سنگ معدن مناسب نبود و ماده بدست آمده زرد رنگ بود.

مواد تشکیل دهنده کیک زرد

قسمت بیشتر کیک زرد (معادل 70-90 درصد وزنی) شامل اکسید های اورانیوم با فرمول شیمیایی 8O3 U - و یا سایر اکسید ها - است، و مابقی آن از دیگر موادی تشکیل شده است که مهمترین آنها عبارتند از : - هیدراکسید اورانیوم که در صنایع ساخت شیشه و سرامیک از آن استفاده می شود. این ماده تشعشع رادیو اکتیو دارد و باید تحت شرایط خاصی نگهداری و حمل شود. - سولفات اورانیوم که ماده ای بی بود با رنگ زرد لیمویی است.

- اکسید اورانیوم زرد (یا اورانیت سدیم) که ماده ای با رنگ زرد - نارنجی است. - پراکسید اورانیوم با رنگ زرد کم رنگ. یکی از کاربردهای کیک زرد تهیه هگزا فلوراید اورانیوم است. این گاز 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 حتی بیشتر افزایش داده می شود.