چرخه سوخت هسته ای و اجزای تشکیل دهنده آن

انرژی هسته ای با توجه به ویژگی های حیرت انگیزش در آزادسازی حجم بالایی از انرژی در قبال از میان رفتن مقادیر ناچیزی از جرم، به عنوان جایگزین سوخت های پیرفسیلی که ناجوانمردانه در حال بلعیده شدن هستند، مطرح شده است. ایران نیز با وجود منابع گسترده نفت و گاز به دلیل کاربردهای بهتری که سوخت های فسیلی نسبت به سوزانده شدن در کوره ها و برای تولید حرارت دارند، برای دستیابی به این نوع از انرژی تلاش هایی را از سال های دور داشته است و در سال های پس از انقلاب همواره مورد اتهام واقع شده که هدف اصلی اش نه فناوری صلح آمیز که رسیدن به فناوری تسلیحات هسته ای است. در این گفتار پیش از آن که وارد مباحث متداول دیپلماتیک شویم نگاهی خواهیم انداخت به چرخه سوخت هسته ای و اجزای تشکیل دهنده آن، همچنین مرز میان کاربرد صلح آمیز و تسلیحاتی را نشان خواهیم داد.چرخه سوخت هسته ای شامل مراحل استخراج، آسیاب، تبدیل، غنی سازی، ساخت سوخت باز تولید و راکتور هسته ای است و به یک معنا کشوری که در چرخه بالا به حد کاملی از خودکفایی و توسعه رسیده باشد با فناوری تولید سلاح های هسته ای فاصله چندانی ندارد.

استخراج

در فناوری هسته ای، خواه صلح آمیز باشد یا نظامی، ماده بنیادی موردنیاز، اورانیوم است. اورانیوم از معادن زیرزمینی و همچنین حفاری های روباز قابل استحصال است. این ماده به رغم آن که در تمام جهان قابل دستیابی است اما سنگ معدن تغلیظ شده آن به مقدار بسیار کمی قابل دستیابی است.

زمانی که اتم های مشخصی از اورانیوم در یک واکنش زنجیره ای دنباله دار که به دفعات متعدد تکرار شده، شکافته می شود، مقادیر متنابهی انرژی آزاد می شود، به این فرآیند شکافت هسته ای می گویند. فرآیند شکاف در یک نیروگاه هسته ای به آهستگی و در یک سلاح هسته ای با سرعت بسیار روی می دهد اما در هر دو حالت باید به دقت کنترل شوند. مناسب ترین حالت اورانیوم برای شکافت هسته ای ایزوتوپ های خاصی از اورانیوم ۲۳۵ (یا پلوتونیوم ۲۳۹) است. ایزوتوپ ها، اتم های یکسان با تعداد نوترون های متفاوت هستند. به هرحال اورانیوم ۲۳۵ به دلیل تمایل باطنی به شکافت در واکنش های زنجیری و تولید انرژی حرارتی به عنوان «ایزوتوپ شکافت» شناخته شده است. هنگامی که اتم اورانیوم ۲۳۵ شکافته می شود دو یا سه نوترون آزاد می کند این نوترون ها با سایر اتم های اورانیوم ۲۳۵ برخورد کرده و باعث شکاف آنها و تولید نوترون های جدید می شود.برای روی دادن یک واکنش هسته ای به تعداد کافی از اتم های اورانیوم ۲۳۵ برای امکان ادامه یافتن این واکنش ها به صورت زنجیری و البته خودکار نیازمندیم. این جرم مورد نیاز به عنوان «جرم بحرانی» شناخته می شود.باید توجه داشت که هر ۱۰۰۰ اتم طبیعی اورانیوم شامل تنها حدود هفت اتم اورانیوم ۲۳۵ بوده و ۹۹۳ اتم دیگر از نوع اورانیوم ۲۳۸ هستند که اصولاً کاربردی در فرآیندهای هسته ای ندارند.

تبدیل اورانیوم

سنگ معدن اورانیوم استخراج شده در آسیاب خرد و ریز شده و به پودر بسیار ریزی تبدیل می شود. پس از آن طی فرآیند شیمیایی خاصی خالص سازی شده و به صورت یک حالت جامد به هم پیوسته که از آن به عنوان «کیک زرد» (yellow cake) یاد می شود، درمی آید. کیک زرد شامل ۷۰ درصد اورانیوم بوده و دارای خواص پرتوزایی (radioactive) است. هدف پایه ای دانشمندان هسته ای از فرآیند غنی سازی افزایش میزان اتم های اورانیوم ۲۳۵ است که برای این هدف اورانیوم باید اول به گاز تبدیل شود. با گرم کردن اورانیوم تا دمای ۶۴ درجه سانتیگرادی حالت جامد به گاز هگزا فلوئورید اورانیوم (UFG) تبدیل می شود. هگزافلوئورید اورانیوم خورنده و پرتوزا است و باید با دقت جابه جا شود، لوله ها و پمپ ها در کارخانه های تبدیل کننده به صورت ویژه ای از آلیاژ آلومینیوم و نیکل ساخته می شوند. گاز تولیدی همچنین باید از نفت و روغن های گریس به جهت جلوگیری از واکنش های ناخواسته شیمیایی دور نگه داشته شود.

غنی سازی

هدف غنی سازی مشخصاً افزایش میزان اورانیوم ۲۳۵ _ ایزوتوپ شکافت _ است. اورانیوم مورد نیاز در مصارف صلح آمیز نظیر راکتورهای هسته ای نیروگاه ها باید شامل دو تا سه درصد اورانیوم ۲۳۵ باشد اما اورانیوم مورد نیاز در تسلیحات اتمی باید شامل بیش از نود درصد اورانیوم ۲۳۵ باشد.شیوه متداول غنی سازی اورانیوم سانتریفوژ کردن گاز است. در این روش هگزافلوئورید اورانیوم در یک محفظه استوانه ای با سرعت بالا در شرایط گریز از مرکز قرار می گیرد. این کار باعث جدا شدن ایزوتوپ های با جرم حجمی بالاتر از اورانیوم ۲۳۵ می شود (اورانیوم ۲۳۸). اورانیوم ۲۳۸ در طی فرآیند گریز از مرکز به سمت پائین محفظه کشیده شده و خارج می شود، اتم های سبک تر اورانیوم ۲۳۵ از بخش میانی محفظه جمع آوری و جدا می شود. اورانیوم ۲۳۵ تجمیع شده پس از آن به محفظه های گریز از مرکز بعدی هدایت می شود. این فرآیند بارها در میان زنجیری از دستگاه های گریز از مرکز در کنار هم چیده شده تکرار می شود تا خالص ترین میزان اورانیوم بسته به کاربرد آن به دست آید.از اورانیوم غنی شده در دو نوع سلاح هسته ای استفاده می شود یا به صورت مستقیم در بمب های اورانیومی و یا طی چند مرحله در بمب های پلوتونیومی مورد استفاده قرار می گیرد.