نقش انواع سانتريفوژها در غني سازي اورانيوم

واضح آرشیو وب فارسی:راسخون:
نقش انواع سانتريفوژها در غني سازي اورانيوم

غني سازي اورانيوم يکي از مراحل اصلي در تهيه سوخت هسته يي از سنگ معدني براي استفاده در نيروگاه هاي هسته يي است. غني سازي يعني اينکه در يک نمونه از سنگ معدن اورانيوم، غلظت اورانيوم 235 (که قابل شکافت و توليد انرژي است) را افزايش دهيم. هر کشور بنابر امکانات و تجهيزات خود از روش هاي مختلفي براي غني سازي اورانيوم استفاده مي کند. در اين مقاله نگاهي داريم به ساختار و نقش انواع سانتريفوژها در فرآيند غني سازي اورانيوم. غني سازي اورانيوم از فناوري هاي پيچيده در فرآيند چرخه سوخت هسته يي است که از جنگ جهاني دوم آغاز شده است. در حال حاضر تعداد انگشت شماري از کشورهاي دنيا صاحب اين فناوري هستند و به کشورهاي عضو باشگاه هسته يي دنيا، خدمات ارائه مي دهند. نخستين بار يک دانشمند آلماني به نام زيپه اولين سانتريفوژ صنعتي را بيش از 50 سال پيش طراحي کرد و آن را به طور عملياتي مورد استفاده قرار داد. در دايره المعارف ويکي پديا اشاره شده که 60 دانشمند آلماني که در جنگ جهاني دوم توسط شوروي سابق دستگير شده بودند، در حبس براي توسعه سانتريفوژ زيپه تلاش مي کردند. اين تلاش ها سطح تکنولوژي سانتريفوژ زيپه را بالاتر برد. اين وسيله در صنعت سوخت هسته يي نقشي حساس و اساسي دارد. در حال حاضر کشورهاي انگلستان، آلمان و هلند را بايد از مهم ترين استفاده کنندگان غني سازي اورانيوم به وسيله سانتريفوژ به حساب آورد. البته روسيه و امريکا هم از استفاده کنندگان بزرگ اين روش هستند. در سال 1970 ميلادي سه کشور آلمان، هلند و انگلستان شرکت URENCO را براي توسعه اين فرآيند و عرضه سرويس غني سازي به بازار بين المللي تشکيل دادند. اين فرآيند در دهه 80 ميلادي در کشورهاي امريکا، فرانسه، ژاپن، استراليا و چند کشور ديگر نيز به کار گرفته شده است. چرخه توليد سوخت هسته يي 15 مرحله دارد که غني سازي اورانيوم جزء پنجمين مرحله آن است. سنگ معدن اورانيوم طبيعي شامل دو ايزوتوپ اورانيوم است که 3/99 درصد آن از اورانيوم با عدد جرمي 238 و در حدود 7/0 درصد آن اورانيوم 235 است که همين اورانيوم 235 توسط نوترون هاي گرمايي در داخل رآکتور قابل شکافت است. اگر در اورانيوم طبيعي، به وسيله غني سازي غلظت اورانيوم 235 را تا 5 درصد برسانيم مي تواند به عنوان سوخت در رآکتورهاي هسته يي آب سبک استفاده شود. اگر غناي اورانيوم 235 تا 90 درصد بالا رود از آن براي ساخت تسليحات هسته يي استفاده مي شود. غني سازي اورانيوم مشکل است زيرا دو ايزوتوپ اورانيوم 235 و 238 از نظر وزني خيلي به هم نزديک اند، به طوري که اورانيوم 235 فقط 26/1 درصد از اورانيوم 238 سبک تر است. براي جداسازي اين دو ايزوتوپ لازم است که گردنده هاي سانتريفوژ، 1500 دور در ثانيه يا 90 هزار دور در دقيقه بزنند. در مقايسه بايد گفته شود که يک ماشين لباسشويي 12 تا 25 دور در ثانيه مي چرخد. روش هاي مختلفي براي غني سازي وجود دارد ولي در بيش از 95 درصد صنعت هسته يي جهان، اورانيوم به وسيله يکي از دو روش سانتريفوژ گازي و پخش گازي جدا و غني مي شود که در اين مقاله روش سانتريفوژ گازي شرح داده مي شود.سانتريفوژ داراي حجمي خالي است که روتوري (گردنده) استوانه يي شکل در آن قرار دارد. درون استوانه سانتريفوژ گاز UF6 (هگزافلورايد اورانيوم) تزريق مي شود. يک ميدان مغناطيسي در انتهاي روتور (شبيه به آن چيزي که در موتور الکتريکي استفاده مي شود) قادر است که گردنده ها را به اندازه کافي سريع بچرخاند تا اورانيوم 238 به سمت لبه هاي سانتريفوژ حرکت کند و اورانيوم 235 در مرکز سانتريفوژ جمع شوند. براي کاهش اصطکاک، گردنده هاي (روتور) داخل سانتريفوژ را خلأ مي کنند. ياتاقان مغناطيسي، قسمت بالاي روتور را ثابت نگه مي دارد و تماس فيزيکي با ياتاقان سوزني است که روتور روي آن قرار دارد. بعد از آزادسازي 60 دانشمند آلماني به وسيله شوروي سابق در سال 1965، دکتر زيپه متعجب شد که تعدادي مهندس آلماني سال ها در خفا روي تکنولوژي سانتريفوژ کار مي کرده اند. زيپه طراحي سانتريفوژ صنعتي را دوباره در دانشگاه ويرجينيا انجام داد و نتايج به دست آمده را نشر داد، هرچند شوروي سابق يادداشت هايش را ضبط کرد. در سال 1960 در اروپا دکتر زيپه و همکارانش به وسيله تغيير ماده مورد استفاده در روتور از آلومينيوم به آلياژي سخت تر به نام فولاد ماراژين توانستند راندمان سانتريفوژ را بالاتر ببرند که اين امر باعث شد گردنده هاي سانتريفوژ سريع تر بچرخد. اين بهبود در طراحي سانتريفوژ باعث شد که کمپاني تجاري يورنکو به وسيله آن اورانيوم را غني کرده و به عنوان سوخت در نيروگاه هاي هسته يي مورد استفاده قرار گيرد. جزئيات دقيق سانتريفوژ پيشرفته زيپه محرمانه باقي مانده است، اما کارايي آنها با بالارفتن تجربه بهبود يافته و سرعت گردنده هاي آن افزايش يافته است. در اين راستا از مواد قوي تر مانند ترکيب مسلح از فيبرهاي کربني استفاده شده است که يکي از اين تکنيک ها دم قابل تغيير براي کنترل مجاز قابليت انعطاف روتور است. اين کار يک کنترل بسيار دقيق سرعت چرخش گردنده ها در سانتريفوژ است وقتي که سانتريفوژ با سرعت زياد در يک مدت زمان طولاني کار مي کند. ساخت سانتريفوژ زيپه به صورت موفقيت آميز مشکل است زيرا قسمت هاي مختلف آن به ماشين کاري بسيار دقيقي نياز دارد. با اين حال در مقايسه؛ ديگر روش هاي غني سازي مانند فرآيندهاي آيروديناميکي، ايزوتوپي، ليزري، تبادل يوني، پخش گازي و... ارزان تر است. سانتريفوژهاي P1 و P2 از سانتريفوژهاي نوع زيپه هستند. در سانتريفوژهاي نوع P1 از روتور آلومينيومي ولي در سانتريفوژ P2 از روتور با جنس فولاد ماراژين استفاده مي شود که نسبت به سانتريفوژ نوع P1 قوي تر است و گردنده هاي آن سريع تر مي چرخند. سانتريفوژهاي پيشرفته تر P2 مي توانند با سرعت دو تا سه برابر بيشتر از نوع P1 اورانيوم را غني کنند، بنابراين در هر سانتريفوژ از P2 اورانيوم بيشتر نسبت به سانتريفوژ نوع P1 غني مي شود. ظرفيت دستگاه سانتريفوژ P2، بيش از دو برابر توان واحدهاي کاري تفکيک کننده است. سانتريفوژ نوع P1 استوانه هايي با دو متر طول و قطر 150 تا 200 ميلي متر هستند در حالي که سانتريفوژهاي نوع P2 يک متر طول و 145 ميلي متر قطر دارند و داراي دو بخش گردنده هاي فولادي سخت بوده که با انبان باد فولادي مرتبط است. با توجه به توضيحات فوق مي توان نتيجه گرفت که اگر غني سازي با سانتريفوژهاي نوع P2 انجام شود به تعداد کمتري نسبت به P1 نياز است که مقرون به صرفه تر است ولي تکنولوژي ساخت آن بالاتر است. بايد گفته شود که يک سانتريفوژ مدرن از زمان راه اندازي به مدت بيش از ده سال مي تواند بدون نگهداري به کار خود ادامه دهد. از مراکز مهم غني سازي اورانيوم که از سانتريفوژ استفاده مي کنند در اروپا مي توان به گروناو آلمان و يورنکو که متشکل از شرکت هاي انگليسي، آلماني و هلندي هستند اشاره کرد که مکان آنها در Capenhurst بريتانيا است. روسيه هم به عنوان يک غول صنعتي در اين زمينه از چهار مرکز(که چهل درصد ظرفيت جهان را توليد مي کند) به وسيله روش سانتريفوژ استفاده مي کند. امريکا هم تکنولوژي غني سازي به روش سانتريفوژ را در آينده نزديک جايگزين روش پخش گازي قديمي مي کند، زيرا اين روش نسبت به روش قديمي انرژي کمتري براي رسيدن به جداسازي مشابه نياز دارد. ژاپن، چين، برزيل، پاکستان و شايد کره شمالي هم از سانتريفوژ براي غني سازي اورانيوم استفاده مي کنند. به طور کلي مجموعه آبشارهاي بزرگ سانتريفوژ که در کشورهاي فرانسه، آلمان، بريتانيا و چين مورد استفاده قرار مي گيرند براي مصرف داخلي و نيز صادرات است اما در ژاپن توليد آن فقط براي مصرف داخلي است. بايد گفته شود که غني سازي اورانيوم به وسيله سانتريفوژ مهم ترين روش غني سازي در جهان است و هر روز در جهت افزايش تکنولوژي و راندمان آن کار مي شود. روسيه اين صنعت عظيم را به عنوان يادگاري ارزشمند از شوروي سابق به ارث برده است و در حال حاضر تامين کننده سوخت هسته يي تعداد زيادي از رآکتورهاي قدرت دنيا بوده و از اين نظر رکورددار است. با توجه به سياست هاي جهاني براي تامين انرژي و امکان تهيه آن از نيروگاه هاي اتمي مي توان به چشم انداز اقتصادي تهيه سوخت هسته يي اين نيروگاه ها اشاره کرد با اين ديد که يکي از مهم ترين مراحل تهيه سوخت هسته يي مرحله غني سازي اورانيوم است که بيش از 90 درصد آن در دنياي امروز از طريق سانتريفوژ صورت مي گيرد. کارشناس ارشد مهندسي هسته يي دکتر رامتین

این صفحه را در گوگل محبوب کنید

[ارسال شده از: راسخون]

[مشاهده در: www.rasekhoon.net]

[تعداد بازديد از اين مطلب: 382]