کیک زرد چیست؟
به گزارش کادایف، اورانیوم، فلز سنگینی که بالاتر از 60 سال است به عنوان یکی از غنی ترین و متمرکزترین منابع انرژی جهان شناخته می شود، با برگشت باردیگر کشورها به سوی انرژی های کم کربن و پایدار، بار دیگر در صدر توجهات جهانی قرار گرفته است. بررسی های آماری نشان میدهد این عنصر که برعکس تصور عموم به اندازه فلزاتی چون قلع و تنگستن در پوسته زمین یافت می شود، موتور محرک صنعت هسته ای مدرن است. آخرین گزارش های تحلیلی انتشار یافته تا ژوئن 2026، جزییات شگفت انگیزی را از نحوه کارکرد، استخراج و پادشاهی بلامنازع برخی کشورها بر زنجیره تأمین این سوخت حیاتی فاش می کند.
به گزارش کادایف به نقل از خبر آنلاین، اورانیوم فلز سنگینی است که بطور میانگین در هر یک میلیون گرم از سنگ های 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 می کند. این عنصر حتی در آب دریاها هم یافت می شود و امکان استخراج آن از اقیانوس ها وجود دارد.
این عنصر اولین بار در سال ۱۷۸۹ میلادی ازطریق یک شیمی دان آلمانی به نام «مارتین کلاپروت» در یک ماده معدنی به نام «پیچبلند» کشف شد و نام آن به افتخار سیاره اورانوس که هشت سال پیش از آن کشف شده بود، اورانیوم نام گرفت.
آیا اورانیوم منشاء کیهانی دارد؟ دانشمندان اعتقاد دارند اورانیوم حدود ۶.۶ میلیارد سال پیش در پی انفجارهای بزرگ ستاره ای (ابرنواخترها) شکل گرفته است. بااینکه این عنصر در منظومه شمسی چندان فراوان نیست، اما امروزه تجزیه حرارتی و طبیعی آن در بخش های عمقی زمین، منبع اصلی گرمای درونی کره زمین است؛ گرمایی که موجب حرکت لایه های زمین و جابجایی قاره ها می شود.
اورانیوم به سبب چگالی و وزن خیلی بالا، کاربردهای غیرهسته ای عجیبی هم دارد؛ از این فلز به عنوان وزنه تعادل در کف قایق های تفریحی، وزنه کنترل در هواپیماها و همین طور به عنوان سپر حفاظتی در مقابل تشعشعات رادیواکتیو استفاده می شود. نماد شیمیایی اورانیوم در جدول عناصر U است و در دمای ۱۱۳۲ درجه سانتی گراد ذوب می شود.
چرا اورانیوم موتور محرک انرژی هسته ای است؟ در بین عناصری که بطور طبیعی در جهان وجود دارند، اورانیوم یکی از سنگین ترین هاست (در حالی که هیدروژن سبک ترین است). چگالی اورانیوم ۱۸.۷ برابر بیش از آب است.
وقتی می گوییم «چگالی اورانیوم ۱۸.۷ برابر بیش از آب است»، در زبان ساده یعنی اورانیوم فلز فوق العاده فشرده و سنگینی است. به جهت اینکه این مورد را بطورکامل لمس کنید، بیایید با یک مثال ساده آنرا شبیه سازی کنیم:
فرض کنید دو ظرف دقیقاً هم اندازه (مثلاً دو قوطی مکعبی کوچک یک اندازه) دارید:
قوطی اول را پر از آب می کنید. قوطی دوم را پر از اورانیوم می کنید. اگر قوطی آب ۱ کیلوگرم وزن داشته باشد، قوطی اورانیوم با همان اندازه، ۱۸.۷ کیلوگرم وزن خواهد داشت به بیانی دیگر، حجم خیلی کوچکی از اورانیوم، وزن خیلی 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 خیلی از عناصر دیگر، دارای شکل های مختلفی با خاصیت های اتمی کمی متفاوت می باشد که به آنها «ایزوتوپ» می گویند. تفاوت این ایزوتوپ ها تنها در تعداد ذرات خنثی (نوترون ها) در داخل هسته آن هاست. اورانیوم طبیعی که از زمین استخراج می شود، عمدتا مخلوطی از دو ایزوتوپ است:
اورانیوم-۲۳۸ (U-238): که ۹۹.۳ درصد از کل اورانیوم طبیعت را تشکیل می دهد.
اورانیوم-۲۳۵ (U-235): که سهم آن تنها حدود ۰.۷ درصد است.
ایزوتوپ اورانیوم-۲۳۵ اهمیت فوق العاده ای دارد؛ چونکه تحت شرایط خاص، هسته آن به آسانی شکافته می شود و انرژی عظیمی آزاد می کند. بنابراین به آن ایزوتوپ «شکافت پذیر» می گویند و پروسه آنرا «شکافت هسته ای» می نامند.
در همین حال، این ایزوتوپ ها بمرور زمان ناپایدار شده و تجزیه (واپاشی) می شوند. اتم های معمولی (مثل اکسیژن یا آهن) پایدار هستند؛ یعنی میلیاردها سال بدون تغییر باقی می مانند. اما هسته اتم های رادیواکتیو مثل اورانیوم، بیش از اندازه سنگین و «ناپایدار» است. این ناپایداری موجب می شود اتم برای رسیدن به آرامش و ثبات، ذره ذره از خود انرژی و تشعشع (پرتوهای رادیواکتیو) آزاد کند و بمرور زمان خرد یا تبدیل به عنصر دیگری (مثل سرب) شود. به این پروسه واپاشی هسته ای می گویند.
نیمه عمر مدت زمانی است که طول می کشد تا نیمی از اتم های یک ماده رادیواکتیو تجزیه شوند. نیمه عمر 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 خودبه خود تجزیه شود و وزن اورانیوم باقیمانده درون جعبه به نصف (یعنی ۵۰۰ گرم) برسد. نیم کیلوگرم دیگر به عناصر دیگری تبدیل گشته است.
وقتی سرعت تجزیه یک ماده این قدر کند است (۴.۵ میلیارد سال برای نصف شدن)، یعنی اتم های آن تمایل زیادی به متلاشی شدن سریع ندارند. بااینکه هر اتم اورانیوم خیلی کند تجزیه می شود و پرتو کمی دارد، اما وقتی حجم اورانیوم خیلی زیاد باشد، داستان عوض می شود. هر ۱ تن (۱۰۰۰ کیلوگرم) اورانیوم، در اثر این تجزیه شدن خیلی کند، ۰.۱ وات گرما در هر لحظه تولید می کند. ۰.۱ وات انرژی خیلی کمی است (تقریباً هیچ).
هسته یک اتم اورانیوم-۲۳۵ شامل ۹۲ پروتون و ۱۴۳ نوترون است. وقتی یک نوترون درحال حرکت به هسته این اتم برخورد می کند، هسته به دو قسمت تقسیم می شود (شکافت رخ می دهد) و مقدار زیادی انرژی به شکل گرما آزاد می کند. هم زمان، دو یا سه نوترون دیگر هم از هسته به بیرون پرتاب می شوند.
اگر این نوترون های پرتاب شده به هسته های دیگر اورانیوم-۲۳۵ برخورد کنند و موجب شکافت آنها شوند، نوترون های بیشتری آزاد می شود. به این پروسه متوالی، «واکنش زنجیره ای شکافت» می گویند. وقتی این اتفاق میلیونها بار تکرار شود، مقدار خیلی کمی از اورانیوم، حجم عظیمی از گرما تولید می کند.
در حقیقت، نیروگاه های هسته ای با «سوزاندن» اورانیوم از این پروسه استفاده می نمایند. گرمای حاصل از این کار برای جوش آوردن آب، تبدیل آن به بخار و در نهایت چرخاندن توربین ها برای تولید برق استفاده می شود.
داخل راکتور هسته ای در داخل راکتور هسته ای چه می گذرد؟ نیروگاه های برق هسته ای و نیروگاه هایی که با سوخت فسیلی (مثل گاز و زغال سنگ) کار می کنند، ساختار مشابهی دارند؛ هر دو برای تولید بخار و چرخاندن ژنراتورها به گرما نیاز دارند. اما در نیروگاه هسته ای، بجای سوختن گاز یا زغال سنگ، شکافت اتم های اورانیوم گرما بوجود می آورد. سوخت اورانیوم در راکتور طوری چیده می شود که یک واکنش زنجیره ای کنترل شده صورت گیرد.
برای مدیریت این پروسه غول پیکر، از دو بخش حیاتی در راکتور استفاده می شود:
۱. میله های کنترل: این میله ها نوترون های اضافی را به خود جذب می کنند. اپراتورها با وارد کردن یا بیرون کشیدن این میله ها از قلب راکتور، قدرت و میزان تولید انرژی آنرا تنظیم می کنند.
۲. کاهش دهنده سرعت (کندکننده): سوخت های هسته ای توسط ماده ای به نام کندکننده احاطه می شوند تا سرعت نوترون های پرتاب شده را کم کنند. این کار موجب می شود واکنش زنجیره ای بطور پایدار ادامه یابد. بسته به نوع راکتور، از آب معمولی، گرافیت یا آب سنگین به عنوان کندکننده استفاده می شود.
امنیت این سیستم ها بگونه ای است که به سبب نوع سوخت مصرفی (درصد پایین اورانیوم-۲۳۵)، حتی اگر نقص فنی بزرگی هم رخ دهد و سوخت بیش از اندازه داغ و ذوب شود، راکتور هیچگاه مانند یک بمب اتمی منفجر نخواهد شد. یک راکتور استاندارد ۱۰۰۰ مگاواتی می تواند برق مورد نیاز یک شهر مدرن با جمعیت یک میلیون نفر را تامین کند.
پلوتونیوم؛ محصول جانبی اما انرژی زا در صورتیکه اورانیوم-۲۳۵ به آسانی شکافته می شود، اورانیوم-۲۳۸ این خاصیت را ندارد اما به آن «بارور» می گویند. این یعنی اورانیوم-۲۳۸ می تواند نوترون های سرگردان در راکتور را جذب نماید و به عنصر جدیدی به نام «پلوتونیوم-۲۳۹» تبدیل گردد که ماده ای شکافت پذیر است. پلوتونیوم-۲۳۹ رفتاری شبیه به اورانیوم-۲۳۵ دارد و در اثر برخورد نوترون، انرژی زیادی آزاد می کند.
از آنجائیکه بخش عمده سوخت درون راکتور را اورانیوم-۲۳۸ تشکیل می دهد، این تغییرات زیاد اتفاق می افتد؛ تا جایی که حدود یک سوم کل انرژی تولیدی یک نیروگاه هسته ای، حاصل از سوختن همین پلوتونیوم-۲۳۹ به دست آمده در راکتور است.
البته گاهی اتم پلوتونیوم-۲۳۹ بدون این که بشکافد، فقط نوترون را جذب کرده و به پلوتونیوم-۲۴۰ تبدیل می شود. هرچه سوخت بیشتر در راکتور بماند، میزان پلوتونیوم-۲۴۰ در آن بیشتر می شود. اهمیت این مورد در اینست که وقتی سوخت مصرف شده بعد از سه سال از راکتور خارج می شود، پلوتونیوم موجود در آن به سبب وجود این ناخالصی ها مناسب ساخت سلاح هسته ای نیست و فقط می توان آنرا برای مصرف باردیگر به عنوان سوخت نیروگاه بازیافت کرد.
اورانیوم در طبیعت از معدن تا نیروگاه؛ سفر طولانی اورانیوم تبدیل سنگ معدن خام به سوخت قابل استفاده در نیروگاه ها شامل مراحل زیر است:
[استخراج سنگ معدن] ──> [خرد کردن و شستشو با اسید] ──> [تولید کنسانتره اکسید اورانیوم (کیک زرد)] ──> [تبدیل به گاز هگزا فلوراید] ──> [غنی سازی (افزایش غلظت U-235)] ──> [تبدیل به قرص ها و میله های سوخت]
استخراج و فرآوری اولیه: سنگ معدن اورانیوم بسته به عمق آن، به شکل زیرزمینی یا روباز استخراج می شود. سپس سنگ ها خرد شده و با اسید شسته می شوند تا اورانیوم حل و جداسازی شود. روش دیگری هم 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 می کنند. محصول غائی این مرحله، پودر غلیظی به نام «کنسانتره اکسید اورانیوم» یا همان کیک زرد است که اورانیوم در بازار جهانی به این شکل فروخته می شود.
گازسازی و غنی سازی: برای بیشتر راکتورهای جهان، مرحله بعدی تبدیل اکسید اورانیوم به گازی به نام «هگزا فلوراید اورانیوم» است. این گاز اجازه می دهد پروسه غنی سازی صورت گیرد. غنی سازی در واقع سهم ایزوتوپ اورانیوم-۲۳۵ را از مقدار طبیعی آن (۰.۷ درصد) به حدود ۴ تا ۵ درصد بالا می برد. این کار بازدهی فنی راکتورها را بالا برده و اجازه می دهد از آب معمولی به عنوان کندکننده استفاده گردد.
تولید میله سوخت: بعد از غنی سازی، به پودر «دی اکسید اورانیوم» تبدیل گشته و به صورت قرص های سوختی کوچک پرس می شود. این قرص ها درون لوله های فلزی نازکی به نام «میله سوخت» قرار می گیرند. در یک راکتور بزرگ استاندارد، ممکنست حدود ۵۱ هزار میله سوخت حاوی بالاتر از ۱۸ میلیون از این قرص های کوچک وجود داشته باشد. این سوخت ها حدود سه سال در راکتور کار می کنند و سپس برای بازیافت یا دفن امن زیرزمینی خارج می شوند.
امروزه حدود ۹ درصد از کل برق جهان از اورانیوم تامین می شود. این میزان سالانه بالغ بر ۲۵۰۰ تراوات ساعت برق است که با کل برق ساخته شده در جهان در سال ۱۹۶۰ برابری می کند. این انرژی توسط حدود ۴۴۰ راکتور هسته ای فعال در ۳۱ کشور جهان با ظرفیت کلی ۴۰۰ هزار مگاوات تامین می شود. همین طور حدود ۷۰ راکتور دیگر در دست ساخت و ۱۱۰ راکتور در مرحله برنامه ریزی قرار دارند.
منبع: كادایف
این مطلب را می پسندید؟
(1)
(0)
تازه ترین مطالب مرتبط
نظرات بینندگان در مورد این مطلب