جمعه, ۱۰ فروردین, ۱۴۰۳ / 29 March, 2024
مجله ویستا

حکایت آن شصت زندانی


حکایت آن شصت زندانی
غنی سازی اورانیوم یکی از مراحل اصلی در تهیه سوخت هسته یی از سنگ معدنی برای استفاده در نیروگاه های هسته یی است. غنی سازی یعنی اینکه در یک نمونه از سنگ معدن اورانیوم، غلظت اورانیوم ۲۳۵ (که قابل شکافت و تولید انرژی است) را افزایش دهیم. هر کشور بنابر امکانات و تجهیزات خود از روش های مختلفی برای غنی سازی اورانیوم استفاده می کند. در این مقاله نگاهی داریم به ساختار و نقش انواع سانتریفوژها در فرآیند غنی سازی اورانیوم.
غنی سازی اورانیوم از فناوری های پیچیده در فرآیند چرخه سوخت هسته یی است که از جنگ جهانی دوم آغاز شده است. در حال حاضر تعداد انگشت شماری از کشورهای دنیا صاحب این فناوری هستند و به کشورهای عضو باشگاه هسته یی دنیا، خدمات ارائه می دهند. نخستین بار یک دانشمند آلمانی به نام زیپه اولین سانتریفوژ صنعتی را بیش از ۵۰ سال پیش طراحی کرد و آن را به طور عملیاتی مورد استفاده قرار داد. در دایره المعارف ویکی پدیا اشاره شده که ۶۰ دانشمند آلمانی که در جنگ جهانی دوم توسط شوروی سابق دستگیر شده بودند، در حبس برای توسعه سانتریفوژ زیپه تلاش می کردند. این تلاش ها سطح تکنولوژی سانتریفوژ زیپه را بالاتر برد. این وسیله در صنعت سوخت هسته یی نقشی حساس و اساسی دارد. در حال حاضر کشورهای انگلستان، آلمان و هلند را باید از مهم ترین استفاده کنندگان غنی سازی اورانیوم به وسیله سانتریفوژ به حساب آورد. البته روسیه و امریکا هم از استفاده کنندگان بزرگ این روش هستند. در سال ۱۹۷۰ میلادی سه کشور آلمان، هلند و انگلستان شرکت URENCO را برای توسعه این فرآیند و عرضه سرویس غنی سازی به بازار بین المللی تشکیل دادند. این فرآیند در دهه ۸۰ میلادی در کشورهای امریکا، فرانسه، ژاپن، استرالیا و چند کشور دیگر نیز به کار گرفته شده است. چرخه تولید سوخت هسته یی ۱۵ مرحله دارد که غنی سازی اورانیوم جزء پنجمین مرحله آن است. سنگ معدن اورانیوم طبیعی شامل دو ایزوتوپ اورانیوم است که ۳/۹۹ درصد آن از اورانیوم با عدد جرمی ۲۳۸ و در حدود ۷/۰ درصد آن اورانیوم ۲۳۵ است که همین اورانیوم ۲۳۵ توسط نوترون های گرمایی در داخل رآکتور قابل شکافت است.
اگر در اورانیوم طبیعی، به وسیله غنی سازی غلظت اورانیوم ۲۳۵ را تا ۵ درصد برسانیم می تواند به عنوان سوخت در رآکتورهای هسته یی آب سبک استفاده شود. اگر غنای اورانیوم ۲۳۵ تا ۹۰ درصد بالا رود از آن برای ساخت تسلیحات هسته یی استفاده می شود. غنی سازی اورانیوم مشکل است زیرا دو ایزوتوپ اورانیوم ۲۳۵ و ۲۳۸ از نظر وزنی خیلی به هم نزدیک اند، به طوری که اورانیوم ۲۳۵ فقط ۲۶/۱ درصد از اورانیوم ۲۳۸ سبک تر است. برای جداسازی این دو ایزوتوپ لازم است که گردنده های سانتریفوژ، ۱۵۰۰ دور در ثانیه یا ۹۰ هزار دور در دقیقه بزنند. در مقایسه باید گفته شود که یک ماشین لباسشویی ۱۲ تا ۲۵ دور در ثانیه می چرخد. روش های مختلفی برای غنی سازی وجود دارد ولی در بیش از ۹۵ درصد صنعت هسته یی جهان، اورانیوم به وسیله یکی از دو روش سانتریفوژ گازی و پخش گازی جدا و غنی می شود که در این مقاله روش سانتریفوژ گازی شرح داده می شود.سانتریفوژ دارای حجمی خالی است که روتوری (گردنده) استوانه یی شکل در آن قرار دارد. درون استوانه سانتریفوژ گاز UF۶ (هگزافلوراید اورانیوم) تزریق می شود. یک میدان مغناطیسی در انتهای روتور (شبیه به آن چیزی که در موتور الکتریکی استفاده می شود) قادر است که گردنده ها را به اندازه کافی سریع بچرخاند تا اورانیوم ۲۳۸ به سمت لبه های سانتریفوژ حرکت کند و اورانیوم ۲۳۵ در مرکز سانتریفوژ جمع شوند. برای کاهش اصطکاک، گردنده های (روتور) داخل سانتریفوژ را خلأ می کنند. یاتاقان مغناطیسی، قسمت بالای روتور را ثابت نگه می دارد و تماس فیزیکی با یاتاقان سوزنی است که روتور روی آن قرار دارد.
بعد از آزادسازی ۶۰ دانشمند آلمانی به وسیله شوروی سابق در سال ۱۹۶۵، دکتر زیپه متعجب شد که تعدادی مهندس آلمانی سال ها در خفا روی تکنولوژی سانتریفوژ کار می کرده اند. زیپه طراحی سانتریفوژ صنعتی را دوباره در دانشگاه ویرجینیا انجام داد و نتایج به دست آمده را نشر داد، هرچند شوروی سابق یادداشت هایش را ضبط کرد. در سال ۱۹۶۰ در اروپا دکتر زیپه و همکارانش به وسیله تغییر ماده مورد استفاده در روتور از آلومینیوم به آلیاژی سخت تر به نام فولاد ماراژین توانستند راندمان سانتریفوژ را بالاتر ببرند که این امر باعث شد گردنده های سانتریفوژ سریع تر بچرخد. این بهبود در طراحی سانتریفوژ باعث شد که کمپانی تجاری یورنکو به وسیله آن اورانیوم را غنی کرده و به عنوان سوخت در نیروگاه های هسته یی مورد استفاده قرار گیرد. جزئیات دقیق سانتریفوژ پیشرفته زیپه محرمانه باقی مانده است، اما کارایی آنها با بالارفتن تجربه بهبود یافته و سرعت گردنده های آن افزایش یافته است. در این راستا از مواد قوی تر مانند ترکیب مسلح از فیبرهای کربنی استفاده شده است که یکی از این تکنیک ها دم قابل تغییر برای کنترل مجاز قابلیت انعطاف روتور است. این کار یک کنترل بسیار دقیق سرعت چرخش گردنده ها در سانتریفوژ است وقتی که سانتریفوژ با سرعت زیاد در یک مدت زمان طولانی کار می کند. ساخت سانتریفوژ زیپه به صورت موفقیت آمیز مشکل است زیرا قسمت های مختلف آن به ماشین کاری بسیار دقیقی نیاز دارد. با این حال در مقایسه؛ دیگر روش های غنی سازی مانند فرآیندهای آیرودینامیکی، ایزوتوپی، لیزری، تبادل یونی، پخش گازی و... ارزان تر است.
سانتریفوژهای P۱ و P۲ از سانتریفوژهای نوع زیپه هستند. در سانتریفوژهای نوع P۱ از روتور آلومینیومی ولی در سانتریفوژ P۲ از روتور با جنس فولاد ماراژین استفاده می شود که نسبت به سانتریفوژ نوع P۱ قوی تر است و گردنده های آن سریع تر می چرخند. سانتریفوژهای پیشرفته تر P۲ می توانند با سرعت دو تا سه برابر بیشتر از نوع P۱ اورانیوم را غنی کنند، بنابراین در هر سانتریفوژ از P۲ اورانیوم بیشتر نسبت به سانتریفوژ نوع P۱ غنی می شود. ظرفیت دستگاه سانتریفوژ P۲، بیش از دو برابر توان واحدهای کاری تفکیک کننده است. سانتریفوژ نوع P۱ استوانه هایی با دو متر طول و قطر ۱۵۰ تا ۲۰۰ میلی متر هستند در حالی که سانتریفوژهای نوع P۲ یک متر طول و ۱۴۵ میلی متر قطر دارند و دارای دو بخش گردنده های فولادی سخت بوده که با انبان باد فولادی مرتبط است. با توجه به توضیحات فوق می توان نتیجه گرفت که اگر غنی سازی با سانتریفوژهای نوع P۲ انجام شود به تعداد کمتری نسبت به P۱ نیاز است که مقرون به صرفه تر است ولی تکنولوژی ساخت آن بالاتر است.
باید گفته شود که یک سانتریفوژ مدرن از زمان راه اندازی به مدت بیش از ده سال می تواند بدون نگهداری به کار خود ادامه دهد. از مراکز مهم غنی سازی اورانیوم که از سانتریفوژ استفاده می کنند در اروپا می توان به گروناو آلمان و یورنکو که متشکل از شرکت های انگلیسی، آلمانی و هلندی هستند اشاره کرد که مکان آنها در Capenhurst بریتانیا است. روسیه هم به عنوان یک غول صنعتی در این زمینه از چهار مرکز(که چهل درصد ظرفیت جهان را تولید می کند) به وسیله روش سانتریفوژ استفاده می کند. امریکا هم تکنولوژی غنی سازی به روش سانتریفوژ را در آینده نزدیک جایگزین روش پخش گازی قدیمی می کند، زیرا این روش نسبت به روش قدیمی انرژی کمتری برای رسیدن به جداسازی مشابه نیاز دارد. ژاپن، چین، برزیل، پاکستان و شاید کره شمالی هم از سانتریفوژ برای غنی سازی اورانیوم استفاده می کنند. به طور کلی مجموعه آبشارهای بزرگ سانتریفوژ که در کشورهای فرانسه، آلمان، بریتانیا و چین مورد استفاده قرار می گیرند برای مصرف داخلی و نیز صادرات است اما در ژاپن تولید آن فقط برای مصرف داخلی است. باید گفته شود که غنی سازی اورانیوم به وسیله سانتریفوژ مهم ترین روش غنی سازی در جهان است و هر روز در جهت افزایش تکنولوژی و راندمان آن کار می شود. روسیه این صنعت عظیم را به عنوان یادگاری ارزشمند از شوروی سابق به ارث برده است و در حال حاضر تامین کننده سوخت هسته یی تعداد زیادی از رآکتورهای قدرت دنیا بوده و از این نظر رکورددار است.
با توجه به سیاست های جهانی برای تامین انرژی و امکان تهیه آن از نیروگاه های اتمی می توان به چشم انداز اقتصادی تهیه سوخت هسته یی این نیروگاه ها اشاره کرد با این دید که یکی از مهم ترین مراحل تهیه سوخت هسته یی مرحله غنی سازی اورانیوم است که بیش از ۹۰ درصد آن در دنیای امروز از طریق سانتریفوژ صورت می گیرد.
رامتین راوندی
کارشناس ارشد مهندسی هسته یی
منبع : روزنامه اعتماد


همچنین مشاهده کنید