اورانیوم چیست؟ – خواص و کاربردها
اورانیوم یک فلز سنگین، رادیواکتیو، سمی و نقره ای است که ایزوتوپ ۲۳۵ آن در ساخت سلاح های هسته ای و به عنوان سوخت رآکتورهای هسته ای استفاده می شود.
این فلز به این دلیل بسیار مورد توجه قرار گرفته است. این مقاله نشریه جهان شیمی فیزیک به بررسی خواص، ایزوتوپ ها و کاربردهای این عنصر می پردازد.
تاریخچه کشف
اولین استفاده از اورانیوم ۷۹ سال قبل از میلاد مسیح بود که برای ایجاد رنگ زرد در لعاب سرامیک ها کاربرد داشت. گانتر اولین کسی بود که شیشه های زرد حاوی اورانیوم را در خلیج ناپل ایتالیا پیدا کرد. اولین معدن استخراج اورانیوم تا اوایل قرن نوزدهم از معدن نقره در جمهوری چک بود.
اولین بار دانشمند آلمانی به نام مارتین هاینریش کلاپروت در سال ۱۷۸۹ در آزمایشگاه اکسید اورانیم را تولید و کشف کرد که سیاه رنگ بود. او فکر می کرد این ماده اورانیوم است اما آن اکسید اورانیوم بود. تا این که در سال ۱۸۴۱ یوجین- میشل پلیگات در پاریس با حرارت دادن اورانیوم تتراکلرید با پتاسیم، فلز اورانیوم را به دست آورد. در سال ۱۸۹۶ هانری بکرل متوجه شد که این عنصر خاصیت پرتوزایی دارد.
خواص اورانیوم
این عنصر به طور طبیعی فلزی به رنگ سفید مایل به نقره ای است که نسبت به فولاد نرم بوده و خاصیت رادیواکتیوی ضعیفی دارد. این فلز دارای عدد اتمی ۹۱ و نماد شیمیایی U، خاصیت چکش خواری دارد و در برابر هوا اکسید می شود. رسانای الکتریسیته بوده و بسیار سنگین و پرچگال است. اورانیوم دارای سه گونه آلفا (پایداری آن تا دمای ۷̸۶۶۷ درجه است)، بتا ( بین ۷̸۶۶۷ تا ۸̸۷۷۴ درجه پایدار است) و گاما (پایداری بین ۸̸۷۷۴ درجه تا نقطه ذوب دارد) است. گونه گاما رساناترین گونه است. این عنصر دارای دو ایزوتوپ مهم U۲۳۵ و U۲۳۸ است که U۲۳۵ تنها ایزوتوپ موجود در طبیعت است توسط نوترون های حرارتی شکافته می شود. این ایزوتوپ برای سلاح ها و رآکتورهای هسته ای استفاده می شود. اهمیت ایزوتوپ U۲۳۸ به دلیل جذب نوترون ها و تولید ایزوتوپ رادیواکتیو پلوتونیوم می باشد.
علت اصلی مسمومیت با این عنصر، قرار گرفتن در معرض اکسید آن است. سمیت این عنصرحتی به میزان خیلی کم باعث آسیب به کلیه ها می شود و می تواند کشنده باشد. اورانیوم نخستین عنصری است که می تواند شکافته شود. ایزوتوپ ۲۳۵ این عنصر با جذب نوترون به U۲۳۶ تبدیل می شود که فورا با تقسیم شدن به دو هسته، انرژی و نوترون های زیادی تولید می کند. دیگر ایزوتوپ های ۲۳۵ این نوترون ها را گرفته و باز هم شکافتگی اتفاق می افتد. اما اگر اورانیومی برای جذب نوترون ها موجود نباشد، انفجاری می شوند که همین اساس تولید بمب هسته ای است.
تولید
با کاهش هالیدهای اورانیوم با خاک فلزات قلیایی و همچنین به طور خالص با تجزیه گرمایی هالید این عنصر، تولید می شود. از طریق الکترولیز UF۴ نیز این فلز به دست می آید.
چرخه سوخت هسته ای
این چرخه از مراحلی تشکیل شده که باعث تبدیل سنگ معدن اورانیوم به سوخت کاربردی در نیروگاه های هسته ای می شود. این مراحل عبارتند از :
اکتشاف و استخراج
فراوانی اورانیوم در طبیعت بیشتر از طلا، نقره و جیوه است و این فلز در تمام زمین (سنگ، آب و خاک) وجود دارد. وقتی معدن این فلز شناسایی شد، با یکی از روش های روزمینی، زیرزمینی و یا تصفیه در معدن استخراج می شود. این فلز به صورت ترکیبی نیز (اکسید، سیلیکات و …) در طبیعت یافت می شود. استرالیا بزرگ ترین معادن این فلز در حدود ۳۰٪ ذخایر دنیا را دارد.
آسیاب و تبدیل
وقتی اورانیوم استخراج شد، برای جدا کردن آن از عناصر دیگر ابتدا آن را آسیاب می کنند. بعد با حل کردن در یک اسید خالص سازی شده و به شکل جامدی که به آن کیک زرد می گویند، در می آید. این ماده دارای خاصیت رادیواکتیوی است. اکسید اورانیوم جامد (U۳O۸ یا همان کیک زرد)، از نظر اندازه ذرات کنسانتره و سیالیت بررسی شده و با مراحل انحلال، استخراج و رسوب گیری و احیاء، UO۲ تولید می شود. سپس این ترکیب را با اسید فلوئوریک ترکیب کرده UF۴ ایجاد شده که با فلوریناسیون به هگزا فلوئورید اورانیوم تبدیل می شود. این ماده وارد دستگاه سانتریفوژ شده و غنی سازی می شود.
غنی سازی
مهم ترین ایزوتوپ لازم برای شکافته شدن و تولید انرژی U۲۳۵ است، در حالی که در اورانیوم استخراج شده مخلوط هر دو ایزوتوپ است. وقتی ایزوتوپ های این عنصر جدا می شود نسبت یکی به ایزوتوپ دیگر افزایش می یابد، این فرآیند را غنی سازی می گویند که با غنی سازی در صد ایزوتوپ U۲۳۵ از ۷̸۰ در صد به ۲ یا ۳٪ می رسد.
الف – غنی سازی با دستگاه سانتریفوژ
یک روش برای غنی سازی اورانیوم با دستگاه های سانتریفوژ گازی بر پایه نیروی گریز از مرکز است. این دستگاه وسیله ای برای جداسازی مواد از یکدیگر (مایع از مایع، مایع از جامد) است. در این دستگاه ایزوتوپ های سنگین تر ( U۲۳۸) دورتر از محور چرخش و ایزوتوپ های سبک تر (U۲۳۵) حول محور سانتریفوژ قرار می گیرند. این دستگاه استوانه ای بوده و شامل سیلندرهای موازی و پره هایی است که با چرخش، اورانیوم سبک و سنگین را از هم جدا می کند. با گذاشتن هزاران دستگاه سانتریفوژ می توان این عنصر را غنی سازی کرد.
ب : غنی سازی با لیزر
در روشی دیگر ایزوتوپ U۲۳۵ را ابتدا باردار کرده سپس تحت میدان مغاطیسی از هم جدا می کنند. چون در لیزرهای رنگی می توان طول موج را تنظیم کرد، بر این اساس می توان ایزوتوپ های یک عنصر را جدا کرد. با دو روش لیزر اتمی و لیزر مولکولی این غنی سازی انجام می شود. در روش لیزر اتمی، اول بخار اورانیوم را با لیزرهایی با طول موج های مختلف یونیزه می کنند، بعد اتم ها جذب می شود. اما در روش مولکولی از فرآیندهای فاز گازی استفاده می شود. روش لیزری استفاده زیادی ندارد و بیشتر از روش سانتریفوژ استفاده می شود.
کاربرد اورانیوم
چون ایزوتوپ U۲۳۵ تنها ایزوتوپ مورد استفاده برای ساخت رآکتورهای هسته ای است اما به میزان کمی در طبیعت یافت می شود، به همین جهت تحت عملی به اسم غنی سازی غلظت آن را افزایش می دهند تا قابل استفاده برای این کاربرد باشد. بیشترین کاربرد اورانیوم در ساخت اسلحه نفوذگر با چگالی زیاد است که به صورت آلیاژ با تیتانیوم یا مولیبدن استفاده می شود. از صفحات اورانیوم خنثی برای محکم کردن تانک استفاده می کنند. از این عنصر سنگین در قطب نماهای ژیروسکوپی و سیستم هدایت اینرسی استفاده می شود. اورانیوم تخلیه شده در ماشین کاری و ریخته گری کاربرد دارد.
همان طور که گفته شد U۲۳۵ به عنوان یک ماده شکافت پذیر برای ساخت بمب های اتمی استفاده می شود که غنی سازی این ایزوتوپ برای ساخت سلاح باید انجام شود. همچنین این ایزوتوپ به عنوان سوخت زیردریایی ها و دستگاه های تولید نیروی هسته ای کاربرد دارد. یکی از کاربردهای غیر نظامی آن لعاب ظروف سفالی و عکاسی و ساخت اشعه ایکس است.
آسیب به بدن
دلیل مسمومیت با اورانیوم مسوم شدن با ترکیب اکسید آن است. تمام ترکیبات این عنصر سمی و خطرناک است. اورانیوم خیلی سخت توسط روده و ریه جذب می شود. انسان می تواند از طریق هوا و یا خوردن یا آشامیدن در معرض این عنصر قرار بگیرد. این عنصر از طریق پوست نمی تواند وارد بدن شود. اما اگر شکافی روی پوست باشد به راحتی جذب بدن می شود و در بدن باعث ایجاد سرطان شود.
قیمت اورانیوم
اورانیوم برای انرژی هسته ای ایده آل است زیرا می تواند تحت شکافت القایی قرار گیرد، جایی که هسته آن پس از جذب یک نوترون شکافته می شود، مقدار قابل توجهی انرژی (حدود ۲۰۰ مگا ولت) آزاد می شود و نوترون های بیشتری برای ادامه فرآیند تولید می شود. شکافت نه تنها مقدار قابل توجهی گرما و تابش گاما تولید می کند، بلکه منجر به تولید محصولاتی با وزن کمتر از اتم اصلی می شود. برای تولید انرژی هسته ای، اورانیوم طبیعی باید غنی سازی شود تا میزان U-235 آن به حداقل ۳ درصد افزایش یابد، زیرا اورانیوم طبیعی تنها حاوی حدود ۰.۷ درصد U-235 است که اورانیوم غنی شده را به یک جزء حیاتی برای تولید پایدار انرژی هسته ای تبدیل می کند.
نیروگاه های هسته ای در ایالات متحده سالانه تقریباً ۲۰ درصد برق مورد نیاز این کشور را تأمین می کنند. نیروگاه های هسته ای در فرانسه تقریباً ۷۷ درصد برق مورد نیاز آن کشور را در سال تامین می کنند. این نیروگاه های هسته ای برای تولید این مقادیر عظیم نیرو به چه عنصر اساسی که به وفور در زمین یافت می شود نیاز دارند؟ پاسخ اورانیوم است.
هنگامی که اتم اورانیوم شکافته می شود، گرمای زیادی و همچنین تشعشعات گاما ( فوتون های پرانرژی) آزاد می شود. دو اتم حاصل، علاوه بر تابش بتا (الکترون های بسیار سریع)، تابش گاما را نیز آزاد می کنند. محصولات حاصل از شکافت، همراه با نوترون هایشان، وزن کمتری نسبت به اتم اصلی U-235 دارند. اختلاف وزن به انرژی تبدیل می شود و با استفاده از معادله E=mc2 قابل محاسبه است. برای آگاهی از قیمت اورانیوم می توانید به سایت های اینترنتی مراجعه نمایید. لازم به ذکر است که این عنصر به راحتی خرید و فروش نمی شود. بنابراین شما نمی توانید اقدام به خرید این عنصر کنید.
