اورانیوم | پلوتونیوم | چگونگی کشف و مراحل استخراج آنها ( 1 )
- توضیحات
- نازو تک
- 153
در این پست میخوانید :
پیشگفتار
در دنیای پیچیده علم و فناوری، عناصر شیمیایی نقشهای متعددی ایفا میکنند. برخی از آنها در ساختار مواد روزمره ما حضور دارند، در حالی که برخی دیگر، به دلیل خواص منحصر به فرد خود، به حوزههای تخصصی و استراتژیک وارد شدهاند. اورانیوم و پلوتونیوم، دو عنصر سنگین و رادیواکتیو، در دسته دوم قرار میگیرند و به دلیل نقش محوری خود در فناوری هستهای، همواره مورد توجه و بحث بودهاند. این پیشگفتار به بررسی ماهیت و اهمیت این دو عنصر، با نگاهی حرفهای و جامع، خواهد پرداخت.
اورانیوم ( uranium )، عنصری با عدد اتمی 92، در طبیعت به صورت ایزوتوپهای مختلف یافت میشود که مهمترین آنها اورانیوم-238 و اورانیوم-235 هستند. ایزوتوپ اورانیوم-235، به دلیل قابلیت شکافتپذیری (فیشینگ) تحت بمباران نوترونی، نقش کلیدی در تولید انرژی هستهای و ساخت سلاحهای اتمی ایفا میکند. فرآیند غنی سازی اورانیوم، که شامل افزایش درصد ایزوتوپ اورانیوم-235 نسبت به اورانیوم-238 است، گامی حیاتی در کاربردهای صلحآمیز و نظامی این عنصر محسوب میشود. غنیسازی در سطوح پایین برای تولید سوخت نیروگاههای هستهای و در سطوح بالا برای ساخت کلاهکهای هستهای مورد نیاز است، که این تفاوت در سطح غنیسازی، حساسیت و اهمیت نظارت بینالمللی بر فعالیتهای مرتبط با اورانیوم را دوچندان میسازد.
پلوتونیوم، عنصری با عدد اتمی 94، عمدتاً به صورت مصنوعی در رآکتورهای هستهای و در نتیجه بمباران نوترونی اورانیوم-238 تولید میشود. ایزوتوپ پلوتونیوم-239، مانند اورانیوم-235، شکافتپذیر بوده و منبع انرژی قدرتمندی به شمار میرود. پلوتونیوم علاوه بر استفاده در سلاحهای هستهای، میتواند به عنوان سوخت در برخی از رآکتورهای هستهای نیز به کار رود. چرخه سوخت هستهای که شامل تولید، استفاده و بازفرآوری پلوتونیوم است، موضوعی پیچیده و دارای چالشهای فنی، اقتصادی و امنیتی فراوان است. بازفرآوری پلوتونیوم از سوخت مصرف شده رآکتورها، هرچند از نظر اقتصادی و زیستمحیطی مزایایی دارد، اما نگرانیهای جدی در خصوص گسترش سلاحهای هستهای را نیز به همراه دارد.
اهمیت اورانیوم و پلوتونیوم در عصر هستهای بر هیچکس پوشیده نیست. از یک سو، انرژی هستهای حاصل از شکافت این عناصر میتواند به عنوان منبعی پایدار و کم کربن برای تولید برق در نظر گرفته شود و در مقابله با تغییرات اقلیمی نقش آفرینی کند. از سوی دیگر، قابلیت استفاده از این عناصر در ساخت سلاحهای هستهای، تهدیدی جدی برای صلح و امنیت جهانی محسوب میشود. تعادل میان استفاده صلحآمیز و کنترل دقیق کاربردهای نظامی این عناصر، یکی از بزرگترین چالشهای پیش روی جامعه بینالمللی است.
در نهایت، درک صحیح از ماهیت، خواص و کاربردهای اورانیوم و پلوتونیوم برای هرگونه بحث تخصصی در حوزه انرژی، امنیت و سیاست بینالملل ضروری است. این دو عنصر، نه تنها نماد توانمندیهای علمی و مهندسی بشر هستند، بلکه یادآور مسئولیت سنگین ما در قبال استفاده از این توانمندیها برای ارتقاء رفاه و امنیت جمعی و جلوگیری از تهدیدات وجودی میباشند. این پیشگفتار، دریچهای برای ورود به دنیای پیچیده و حساس اورانیوم و پلوتونیوم و آغاز کاوشی عمیقتر در این حوزه فراهم میآورد.
اورانیوم چیست و چگونه کشف شد؟
اورانیوم ( uranium )، عنصری شیمیایی با نماد U و عدد اتمی 92 است که در گروه اکتینیدها و در جدول تناوبی عناصر قرار دارد. این عنصر، یکی از سنگینترین عناصر طبیعی موجود در پوسته زمین است و به دلیل خاصیت پرتوزایی آن، از اهمیت ویژهای برخوردار است. پرتوزایی اورانیوم به این معنی است که اتمهای این عنصر به صورت خودبخود فروپاشی میکنند و ذرات و انرژی آزاد میکنند. این خاصیت، اورانیوم را به منبعی قدرتمند برای تولید انرژی تبدیل کرده است، هرچند که خطرات خاص خود را نیز به همراه دارد.
اورانیوم در طبیعت به صورت سه ایزوتوپ اصلی یافت میشود: اورانیوم-238، اورانیوم-235 و اورانیوم-234. ایزوتوپهای یک عنصر، اتمهایی هستند که تعداد پروتونهای یکسانی دارند اما تعداد نوترونهای آنها متفاوت است. در مورد اورانیوم، ایزوتوپ 238 با فراوانی بیش از 99 درصد، ایزوتوپ غالب است. اورانیوم-235، با فراوانی حدود 0.7 درصد، ایزوتوپ اصلی است که قابلیت شکافت هستهای را دارد و برای تولید انرژی هستهای و تسلیحات هستهای مورد استفاده قرار میگیرد. اورانیوم-235 نیز به مقدار بسیار ناچیزی در طبیعت یافت میشود و حاصل واپاشی اورانیوم-238 است.
پرتوزایی اورانیوم از نوع آلفا است، به این معنی که در طی واپاشی، یک ذره آلفا (که شامل دو پروتون و دو نوترون است) از هسته اتم خارج میشود. این واپاشی به زنجیرهای از واپاشیها منجر میشود که در نهایت به تولید سرب پایدار ختم میشود. نیمهعمر اورانیوم-238 بسیار طولانی است، حدود 4.5 میلیارد سال، که آن را به ابزاری مفید برای تعیین سن سنگها و زمین تبدیل کرده است. نیمهعمر اورانیوم-235 کوتاهتر، حدود 7.4 میلیون سال است.
کشف اورانیوم داستانی از تلاش و تصادف
کشف اورانیوم یک فرآیند تدریجی بود که در قرن هجدهم و نوزدهم میلادی صورت گرفت. اولین قدمها در شناخت این عنصر به سال 1789 بازمیگردد، زمانی که یک شیمیدان آلمانی به نام مارتین هاینریش کلاپروت (Martin Heinrich Klaproth) با مطالعه کانی پچبلند (Pitchblende) که امروزه به نام اورانینیت شناخته میشود، به وجود عنصری جدید پی برد. پچبلند یک کانی معدنی سیاه رنگ است که به دلیل محتوای اورانیوم خود، دارای پرتوزایی است.
کلاپروت در آزمایشات خود، پچبلند را با نیتریک اسید واکنش داد و رسوبی زرد رنگ به دست آورد. او این رسوب را "اورانیم" نامید، به افتخار سیاره اورانوس که هشت سال پیشتر توسط ویلیام هرشل کشف شده بود. کلاپروت در آن زمان فکر میکرد که این ماده زرد رنگ، عنصر جدید اورانیوم است. او موفق شد برخی خواص این ماده را شناسایی کند، اما نتوانست آن را به صورت فلز خالص جدا کند. در واقع، مادهای که کلاپروت کشف کرد، اکسید اورانیوم بود.
برای نزدیک به پنجاه سال، کشف کلاپروت در حد شناخت یک اکسید فلزی ناشناخته باقی ماند. تا اینکه در سال 1841، اوژن-ملکیور پِلیگو (Eugène-Melchior Péligot)، شیمیدان فرانسوی، موفق به جداسازی فلز اورانیوم خالص برای اولین بار شد. پِلیگو با کاهش تتراکلرید اورانیوم (UCl4) با پتاسیم، توانست فلز براق و نقرهای رنگ اورانیوم را به دست آورد. این دستاورد، کشف واقعی عنصر اورانیوم را رقم زد و راه را برای مطالعات بیشتر بر روی خواص آن باز کرد.
با این حال، مهمترین خاصیت اورانیوم، یعنی پرتوزایی آن، تا سالهای پایانی قرن نوزدهم کشف نشد. در سال 1896، فیزیکدان فرانسوی آنری بکرل (Henri Becquerel) به صورت تصادفی متوجه شد که نمکهای اورانیوم، بدون نیاز به قرار گرفتن در معرض نور خورشید، قادر به سیاه کردن صفحههای عکاسی هستند. این پدیده، نشاندهنده تابش نوعی انرژی نامرئی از اورانیوم بود که بعدها به نام پرتوزایی شناخته شد. بکرل با این کشف پیشگامانه، جایزه نوبل فیزیک را در سال 1903 به صورت مشترک با ماری و پیر کوری دریافت کرد.
کارهای ماری و پیر کوری بر روی پرتوزایی، به درک عمیقتری از این پدیده و کشف عناصر پرتوزای دیگر مانند پولونیم و رادیوم منجر شد. آنها با مطالعه دقيق تر سنگ معدن پچبلند، به این نتیجه رسیدند که علاوه بر اورانیوم، عناصر پرتوزای دیگری نیز در آن وجود دارند که فعالیت رادیواکتیوی بیشتری دارند. این تلاشها، زمینه را برای شناخت کامل تر پدیده پرتوزایی و کاربردهای آن در علوم مختلف، از جمله پزشکی و انرژی، فراهم کرد.
پلوتونیوم چیست و چگونه کشف شد؟
پلوتونیوم ( plutonium )، یکی از عناصر شیمیایی با نماد Pu و عدد اتمی 94، فلزی رادیواکتیو و سمی است که به دلیل خواص هستهای منحصر به فردش، نقش مهمی در فناوریهای هستهای و کاربردهای مرتبط ایفا میکند. این عنصر سنگین، که عمدتاً به عنوان یک محصول جانبی در واکنشهای هستهای در رآکتورهای هستهای تولید میشود، در طبیعت به میزان بسیار ناچیزی یافت میشود و منشأ اصلی آن در زمین، واکنشهای هستهای طبیعی در سنگ معدن اورانیوم است. شناخت پلوتونیوم و تاریخچه کشف آن، پنجرهای را به درک پیشرفتهای علمی در زمینه فیزیک هستهای و پیامدهای آن برای جهان میگشاید.
کشف پلوتونیوم، رویدادی درخشان در تاریخ علم، در دوران جنگ جهانی دوم و در چارچوب پروژه منهتن، برنامهای فوق محرمانه برای توسعه بمب اتمی، صورت گرفت. در دسامبر سال 1940، گروهی از دانشمندان برجسته در دانشگاه کالیفرنیا، برکلی، به رهبری گلن تی. سیبورگ (Glenn T. Seaborg)، با بمباران اورانیوم-238 با نوترونهای حاصل از سیکلوترون، موفق به سنتز ایزوتوپ پلوتونیوم-239 شدند. این کشف اولیه، توسط یک تیم تحقیقاتی شامل ادوین مکمیلان (Edwin McMillan) و فیلیپ ابلسون (Philip Abelson) که پیش از این نپتونیوم را کشف کرده بودند، انجام شد. با این حال، سیبورگ و همکارانش با کشف دومین عنصر ترانساورانیومی، به نام پلوتونیوم، گامی بزرگ در جهت شناخت عناصر سنگینتر از اورانیوم برداشتند.
نام "پلوتونیوم" از سیاره کوتوله پلوتو، که در آن زمان هنوز به عنوان یک سیاره در نظر گرفته میشد و در نزدیکی سیاره نپتون قرار داشت، اقتباس شد. این نامگذاری، به دنبال سنت نامگذاری عناصر سنگینتر از اورانیوم بر اساس سیارات منظومه شمسی (اورانیوم از اورانوس و نپتونیوم از نپتون) انجام گرفت. کشف پلوتونیوم-239 در فوریه سال 1941 به صورت رسمی تأیید شد، اما به دلیل ماهیت فوق محرمانه پروژه منهتن، این کشف تا سال 1945 به صورت عمومی اعلام نشد.
پس از کشف اولیه، چالش بزرگ پیش روی دانشمندان، تولید مقادیر قابل توجهی از پلوتونیوم برای استفاده در سلاحهای هستهای بود. این امر نیازمند توسعه راکتورهای هستهای برای تولید نوترونهای لازم برای تبدیل اورانیوم-238 به پلوتونیوم-239 بود. رآکتور گرافیتی در شیکاگو، که در دسامبر سال 1942 به کار افتاد، اولین رآکتور هستهای جهان بود که برای این منظور طراحی و ساخته شد. به تدریج، رآکتورهای بزرگتر و پیچیدهتر در سایتهای هنفورد و اوک ریج ساخته شدند که نقش حیاتی در تولید پلوتونیوم برای ساخت بمبهای اتمی ایفا کردند.
خواص هستهای پلوتونیوم-239، به ویژه قابلیت شکافت هستهای آن در اثر جذب نوترونهای حرارتی، آن را به یک ماده مناسب برای ساخت سلاحهای هستهای تبدیل کرد. این ایزوتوپ، با انتشار تعداد زیادی نوترون در هنگام شکافت، امکان ایجاد یک واکنش زنجیرهای خودپایا را فراهم میکند که اساس عملکرد بمبهای اتمی است. علاوه بر کاربردهای نظامی، پلوتونیوم در تولید برق هستهای نیز اهمیت دارد. پلوتونیوم تولید شده در رآکتورها (عمدتاً Pu-239)، میتواند به عنوان سوخت در رآکتورهای نسلهای بعدی یا در قالب MOX fuel (مخلوط اکسیدهای اورانیوم و پلوتونیوم) مورد استفاده قرار گیرد.
با وجود اهمیت پلوتونیوم در فناوریهای هستهای، ماهیت رادیواکتیو و سمی آن، نگرانیهای جدی را در خصوص ایمنی و محیط زیست ایجاد میکند. نیمهعمر طولانی ایزوتوپهایی مانند پلوتونیوم-239 (حدود 24100 سال) به این معنی است که پلوتونیوم برای هزاران سال در محیط باقی میماند و دفع و مدیریت آن نیازمند تمهیدات ایمنی بسیار دقیق است. تماس با پلوتونیوم، چه از طریق استنشاق یا بلع، میتواند منجر به آسیب جدی به بافتها و افزایش خطر ابتلا به سرطان شود.
در نتیجه، کشف پلوتونیوم نه تنها نقطه عطفی در پیشرفتهای علمی در زمینه فیزیک هستهای بود، بلکه پیامدهای عمیقی برای امنیت جهانی و چالشهای زیست محیطی به همراه داشت. شناخت این عنصر، خواص آن و نحوه کشف و تولید آن، برای درک تاریخ قرن بیستم، پیشرفتهای تکنولوژیکی و چالشهای پیش روی بشر در زمینه استفاده از انرژی هستهای و مدیریت پسماندهای رادیواکتیو ضروری است. پلوتونیوم، عنصری با تاریخچه پیچیده و کاربردهای مهم، همچنان موضوع تحقیق و بحث در مجامع علمی و بینالمللی است.
مراحل و نحوه استخراج اورانیوم و پلوتونیوم
استخراج و فرآوری اورانیوم و پلوتونیوم ( plutonium )، به عنوان عناصر کلیدی در تولید انرژی هستهای و کاربردهای صنعتی و پزشکی، فرآیندی پیچیده و چند مرحلهای است که نیازمند دانش تخصصی، تجهیزات پیشرفته و رعایت دقیق پروتکلهای ایمنی و زیستمحیطی است. این دو عنصر، به دلیل خاصیت پرتوزایی و کاربردهای حساس خود، از اهمیت استراتژیک بالایی برخوردارند. در این نوشتار به بررسی مراحل و نحوه استخراج این دو عنصر میپردازیم.
استخراج اورانیوم
اورانیوم عنصری طبیعی است که در پوسته زمین یافت میشود. اصلیترین منبع اورانیوم، کانی اورانینیت (Uraninite) است که در رگههای معدنی در نقاط مختلف جهان وجود دارد. فرآیند استخراج اورانیوم از معدن تا تبدیل به محصول نهایی، شامل مراحل زیر است :
- اکتشاف و شناسایی ذخایر : اولین گام، شناسایی ذخایر حاوی اورانیوم از طریق روشهای اکتشافی زمینشناسی مانند نمونهبرداری و آنالیز، و همچنین استفاده از ابزارهای سنجش رادیواکتیویته است.
- استخراج معدنی : پس از شناسایی، اورانیوم به روشهای مختلفی از معدن استخراج میشود. این روشها بسته به نوع ذخیره، عمق و شرایط زمینشناسی متفاوت است. روشهای رایج شامل استخراج زیرزمینی (در معادن عمیق) و استخراج روباز (در ذخایر سطحیتر) است. همچنین در برخی موارد از روشهای حلالپاشی درجا (In-situ leaching) که در آن محلولهای شیمیایی برای حل کردن اورانیوم از طریق چاهها به لایههای زیرزمینی تزریق میشوند، استفاده میشود.
- خرد کردن و آسیا کردن سنگ معدن : سنگهای استخراج شده حاوی اورانیوم به قطعات کوچکتر خرد و سپس آسیاب میشوند تا سطح تماس برای فرآیندهای بعدی افزایش یابد.
- لیچینگ (انحلال) : در این مرحله، پودر سنگ معدن با محلولهای شیمیایی (معمولاً اسید سولفوریک یا محلول قلیایی) مخلوط میشود تا اورانیوم به صورت محلول درآید. این فرآیند لیچینگ نامیده میشود.
- جداسازی و تغلیظ اورانیوم : محلول حاوی اورانیوم از مواد زائد جامد جدا شده و سپس با استفاده از روشهایی مانند استخراج با حلال (Solvent extraction) یا تبادل یونی (Ion exchange)، اورانیوم از محلول جدا و تغلیظ میشود. محصول این مرحله "کیک زرد" (Yellowcake) نام دارد که ترکیبی از اکسیدهای اورانیوم است و حاوی حدود 70-90 درصد اورانیوم است.
- تبدیل کیک زرد به هگزا فلوراید اورانیوم (UF6): برای غنیسازی اورانیوم (افزایش غلظت ایزوتوپ اورانیوم-235)، کیک زرد به گاز هگزا فلورورید اورانیوم (UF6) تبدیل میشود. این تبدیل شامل چند مرحله شیمیایی است.
- غنیسازی اورانیوم : فرآیند غنیسازی، غلظت ایزوتوپ قابل شکافت اورانیوم-235 را از حدود 0.7 درصد در اورانیوم طبیعی به درصدهای بالاتر (معمولاً 3-5 درصد برای سوخت نیروگاههای هستهای و بالای 90 درصد برای کاربردهای تسلیحاتی) افزایش میدهد. روشهای رایج غنیسازی شامل استفاده از سانتریفیوژهای گازی است.
- تبدیل UF6 غنی شده به دیاکسید اورانیوم (UO2): در نهایت، UF6 غنی شده به پودر دیاکسید اورانیوم (UO2) تبدیل میشود که شکل اصلی سوخت در بسیاری از رآکتورهای هستهای است. این پودر سپس به صورت قرص (پلت) فشرده و در میلههای سوخت قرار میگیرد.
استخراج پلوتونیوم
پلوتونیوم عنصری نادر است که به طور طبیعی در مقادیر بسیار کم در سنگ معدن اورانیوم ( uranium ) یافت میشود. با این حال، بخش اعظم پلوتونیوم مورد استفاده، محصول فرعی فرآیند شکافت هستهای در رآکتورهای هستهای است. ایزوتوپ پلوتونیوم-239 از طریق جذب نوترون توسط اورانیوم-238 و سپس واپاشی بتا تولید میشود. استخراج پلوتونیوم از سوخت مصرف شده رآکتورهای هستهای، فرآیندی پیچیدهتر و خطرناکتر از استخراج اورانیوم بوده و شامل مراحل زیر است :
- خنک کردن سوخت مصرف شده : سوخت مصرف شده از رآکتور هستهای بسیار پرتوزا و گرم است. این سوخت ابتدا در استخرهای خنککننده برای چندین سال نگهداری میشود تا رادیواکتیویته کوتاهمدت آن کاهش یابد و حرارت آن دفع شود.
- برش و حل کردن میلههای سوخت : پس از خنک شدن، میلههای سوخت مصرف شده به قطعات کوچکتر برش داده شده و سپس در محلول اسید نیتریک قوی حل میشوند. این فرآیند منجر به تولید محلولی حاوی اورانیوم، پلوتونیوم و محصولات شکافت مختلف میشود.
- جداسازی پلوتونیوم : پلوتونیوم ( plutonium ) از محلول اسیدی با استفاده از فرآیندهای شیمیایی پیچیده، که اغلب بر پایه استخراج با حلال استوار است، جدا میشود. رایجترین فرآیند برای جداسازی پلوتونیوم از سوخت مصرف شده، فرآیند PUREX (Plutonium Uranium Redox Extraction) است که در آن از حلال تریبوتیل فسفات (TBP) در کروسین استفاده میشود.
- تغلیظ و خالصسازی پلوتونیوم : پلوتونیوم جدا شده با استفاده از روشهای مختلفی تغلیظ و خالصسازی میشود تا به درجه خلوص مورد نیاز برای کاربردهای مختلف (مانند ساخت سوخت مخلوط اکسید یا کاربردهای تسلیحاتی) برسد.
- تبدیل پلوتونیوم به اشکال مختلف : پلوتونیوم خالص شده میتواند به اشکال مختلف شیمیایی و فیزیکی تبدیل شود، از جمله دیاکسید پلوتونیوم (PuO2) که در ساخت سوخت MOX (مخلوط اکسید اورانیوم و پلوتونیوم) استفاده میشود، یا فلز پلوتونیوم برای کاربردهای تسلیحاتی.
ملاحظات ایمنی و زیستمحیطی
استخراج و فرآوری اورانیوم و پلوتونیوم به دلیل خاصیت پرتوزایی این عناصر، نیازمند رعایت سختگیرانه پروتکلهای ایمنی و زیستمحیطی است. این شامل :
- حفاظت در برابر پرتو : استفاده از تجهیزات حفاظت فردی، سپرهای حفاظتی، و طراحی تأسیسات به گونهای که قرار گرفتن کارکنان در معرض پرتو به حداقل برسد.
- مدیریت پسماندها : تولید پسماندهای پرتوزا در تمام مراحل این فرآیند اجتنابناپذیر است. مدیریت ایمن، ذخیرهسازی و دفع نهایی این پسماندها یکی از چالشهای اصلی است.
- کنترل آلودگی : جلوگیری از انتشار مواد پرتوزا در محیط زیست (هوا، آب و خاک) از طریق استفاده از سیستمهای فیلتراسیون پیشرفته و کنترل دقیق پسابها.
- ایمنی هستهای : رعایت پروتکلهای ایمنی هستهای برای جلوگیری از وقوع حوادث بحرانی، به خصوص در فرآیندهای مربوط به پلوتونیوم.
کلام آخر در این قسمت :
استخراج و فرآوری اورانیوم ( uranium ) و پلوتونیوم ( plutonium ) فرآیندهایی پیچیده، تکنیکی و نیازمند سرمایهگذاری کلان در زیرساخت و نیروی انسانی متخصص است. این فرآیندها علاوه بر تأمین نیازهای انرژی هستهای و کاربردهای صنعتی و پزشکی، با چالشهای مهمی در زمینه ایمنی، امنیت و حفاظت از محیط زیست نیز همراه هستند. رعایت دقیق استانداردها و مقررات بینالمللی در تمام مراحل این فرآیندها، از اکتشاف تا مدیریت پسماندها، برای اطمینان از استفاده مسئولانه و ایمن از این عناصر ضروری است.
پایان قسمت 1
امید ست که این پست برای شما جالب بوده باشد در قسمت بعدی ( آخر ) موضوع اورانیوم و پلوتونیوم به باقی موارد مربوطه خواهیم پرداخت.
نوشتن دیدگاه