از سنگ اورانيم تا بمب اتم

استخراج اورانيوم از معدن

اورانيوم كه ماده خام اصلي مورد نياز براي توليد انرژي در برنامه هاي صلح آميز يا نظامي هسته اي است، از طريق استخراج از معادن زيرزميني يا سر باز بدست مي آيد. اگر چه اين عنصر بطور طبيعي در سرتاسر جهان يافت ميشود اما تنها حجم كوچكي از آن بصورت متراكم در معادن موجود است.

هنگامي كه هسته اتم اورانيوم در يك واكنش زنجيره اي شكافته شود مقداري انرژي آزاد خواهد شد.

براي شكافت هسته اتم اورانيوم، يك نوترون به هسته آن شليك ميشود و در نتيجه اين فرايند، اتم مذكور به دو اتم كوچكتر تجزيه شده و تعدادي نوترون جديد نيز آزاد ميشود كه هركدام به نوبه خود ميتوانند هسته هاي جديدي را در يك فرايند زنجيره اي تجزيه كنند.

مجموع جرم اتمهاي كوچكتري كه از تجزيه اتم اورانيوم بدست مي آيد از كل جرم اوليه اين اتم كمتر است و اين بدان معناست كه مقداري از جرم اوليه كه ظاهرا ناپديد شده در واقع به انرژي تبديل شده است، و اين انرژي با استفاده از رابطه E=MC۲ يعني رابطه جرم و انرژي كه آلبرت اينشتين نخستين بار آنرا كشف كرد قابل محاسبه است.

اورانيوم به صورت دو ايزوتوپ مختلف در طبيعت يافت ميشود. يعني اورانيوم U۲۳۵ يا U۲۳۸ كه هر دو داراي تعداد پروتون يكساني بوده و تنها تفاوتشان در سه نوترون اضافه اي است كه در هسته U۲۳۸ وجود دارد. اعداد ۲۳۵ و ۲۳۸ بيانگر مجموع تعداد پروتونها و نوترونها در هسته هر كدام از اين دو ايزوتوپ است.

براي بدست آوردن بالاترين بازدهي در فرايند زنجيره اي شكافت هسته بايد از اورانيوم ۲۳۵ استفاده كرد كه هسته آن به سادگي شكافته ميشود. هنگامي كه اين نوع اورانيوم به اتمهاي كوچكتر تجزيه ميشود علاوه بر آزاد شدن مقداري انرژي حرارتي دو يا سه نوترون جديد نيز رها ميشود كه در صورت برخورد با اتمهاي جديد اورانيوم بازهم انرژي حرارتي بيشتر و نوترونهاي جديد آزاد ميشود.

اما بدليل "نيمه عمر" كوتاه اورانيوم ۲۳۵ و فروپاشي سريع آن، اين ايزوتوپ در طبيعت بسيار نادر است بطوري كه از هر ۱۰۰۰ اتم اورانيوم موجود در طبيعت تنها هفت اتم از نوع U۲۳۵ بوده و مابقي از نوع سنگينتر U۲۳۸ است.

دانشمندان هسته اي براي دست يابي هرچه بيشتر به ايزوتوپ نادر U۲۳۵ كه در توليد انرژي هسته اي نقشي كليدي دارد، از روشي موسوم به غني سازي استفاده مي كنند. براي اين كار، دانشمندان ابتدا كيك زرد را طي فرايندي شيميائي به ماده جامدي به نام هگزافلوئوريد اورانيوم تبديل ميكنند كه بعد از حرارت داده شدن در دماي حدود ۶۴ درجه سانتيگراد به گاز تبديل ميشود.

	كيك زرد داراي خاصيت راديو اكتيويته است و ۶۰ تا ۷۰ درصد آنرا اورانيوم تشكيل ميدهد

هگزافلوئوريد اورانيوم كه در صنعت با نام ساده هگز شناخته ميشود ماده شيميائي خورنده ايست كه بايد آنرا با احتياط نگهداري و جابجا كرد. به همين دليل پمپها و لوله هائي كه براي انتقال اين گاز در تاسيسات فراوري اورانيوم بكار ميروند بايد از آلومينيوم و آلياژهاي نيكل ساخته شوند. همچنين به منظور پيشگيري از هرگونه واكنش شيميايي برگشت ناپذير بايد اين گاز را دور از معرض روغن و مواد چرب كننده ديگر نگهداري كرد.

غني سازي

هدف از غني سازي توليد اورانيومي است كه داراي درصد بالايي از ايزوتوپ U۲۳۵ باشد.

اورانيوم مورد استفاده در راكتورهاي اتمي بايد به حدي غني شود كه حاوي ۲ تا ۳ درصد اورانيوم ۲۳۵ باشد، در حالي كه اورانيومي كه در ساخت بمب اتمي بكار ميرود حداقل بايد حاوي ۹۰ درصد اورانيوم ۲۳۵ باشد.

يكي از روشهاي معمول غني سازي استفاده از دستگاههاي سانتريفوژ گاز است.

سانتريفوژ از اتاقكي سيلندري شكل تشكيل شده كه با سرعت بسيار زياد حول محور خود مي چرخد. هنگامي كه گاز هگزا فلوئوريد اورانيوم به داخل اين سيلندر دميده شود نيروي گريز از مركز ناشي از چرخش آن باعث ميشود كه مولكولهاي سبكتري كه حاوي اورانيوم ۲۳۵ است در مركز سيلندر متمركز شوند و مولكولهاي سنگينتري كه حاوي اورانيوم ۲۳۸ هستند در پايين سيلندر انباشته شوند.

اورانيوم ۲۳۵ غني شده اي كه از اين طريق بدست مي آيد سپس به داخل سانتريفوژ ديگري دميده ميشود تا درجه خلوص آن باز هم بالاتر رود. اين عمل بارها و بارها توسط سانتريفوژهاي متعددي كه بطور سري به يكديگر متصل ميشوند تكرار ميشود تا جايي كه اورانيوم ۲۳۵ با درصد خلوص مورد نياز بدست آيد.

آنچه كه پس از جدا سازي اورانيوم ۲۳۵ باقي ميماند به نام اورانيوم خالي يا فقير شده شناخته ميشود كه اساسا از اورانيوم ۲۳۸ تشكيل يافته است. اورانيوم خالي فلز بسيار سنگيني است كه اندكي خاصيت راديو اكتيويته دارد و از آن براي ساخت گلوله هاي توپ ضد زره پوش و اجزاي برخي جنگ افزار هاي ديگر از جمله منعكس كننده نوتروني در بمب اتمي استفاده ميشود.

يك شيوه ديگر غني سازي روشي موسوم به ديفيوژن يا روش انتشاري است.

دراين روش گاز هگزافلوئوريد اورانيوم به داخل ستونهايي كه جدار آنها از اجسام متخلخل تشكيل شده دميده ميشود. سوراخهاي موجود در جسم متخلخل بايد قدري از قطر مولكول هگزافلوئوريد اورانيوم بزرگتر باشد.

در نتيجه اين كار مولكولهاي سبكتر حاوي اورانيوم ۲۳۵ با سرعت بيشتري در اين ستونها منتشر شده و تفكيك ميشوند. اين روش غني سازي نيز بايد مانند روش سانتريفوژ بارها و باره تكرار شود.

راكتور هسته اي

اورانيوم غني شده ، معمولا به صورت قرصهائي كه سطح مقطعشان به اندازه يك سكه معمولي و ضخامتشان در حدود دو و نيم سانتيمتر است در راكتورها به مصرف ميرسند. اين قرصها روي هم قرار داده شده و ميله هايي را تشكيل ميدهند كه به ميله سوخت موسوم است. ميله هاي سوخت سپس در بسته هاي چندتائي دسته بندي شده و تحت فشار و در محيطي عايقبندي شده نگهداري ميشوند.

در بسياري از نيروگاهها براي جلوگيري از گرم شدن بسته هاي سوخت در داخل راكتور، اين بسته ها را داخل آب سرد فرو مي برند. در نيروگاههاي ديگر براي خنك نگه داشتن هسته راكتور ، يعني جائي كه فرايند شكافت هسته اي در آن رخ ميدهد ، از فلز مايع (سديم) يا گاز دي اكسيد كربن استفاده مي شود.

1- هسته راكتور 2-پمپ خنك كننده 3- ميله هاي سوخت 4- مولد بخار 5- هدايت بخار به داخل توربين مولد برق

براي توليد انرژي گرمائي از طريق فرايند شكافت هسته اي ، اورانيومي كه در هسته راكتور قرار داده ميشود بايد از جرم بحراني بيشتر (فوق بحراني) باشد. يعني اورانيوم مورد استفاده بايد به حدي غني شده باشد كه امكان آغاز يك واكنش زنجيره اي مداوم وجود داشته باشد.

براي تنظيم و كنترل فرايند شكافت هسته اي در يك راكتور از ميله هاي كنترلي كه معمولا از جنس كادميوم است استفاده ميشود. اين ميله ها با جذب نوترونهاي آزاد در داخل راكتور از تسريع واكنشهاي زنجيره اي جلوگيري ميكند. زيرا با كاهش تعداد نوترونها ، تعداد واكنشهاي زنجيره اي نيز كاهش ميابد.

حدودا ۴۰۰ نيروگاه هسته اي در سرتاسر جهان فعال هستند كه تقريبا ۱۷ درصد كل برق مصرفي در جهان را تامين ميكنند. از جمله كاربردهاي ديگر راكتورهاي هسته اي، توليد نيروي محركه لازم براي جابجايي ناوها و زيردريايي هاي اتمي است.

براي بازيافت اورانيوم از سوخت هسته اي مصرف شده در راكتور از عمليات شيميايي موسوم به بازفراوري استفاده ميشود. در اين عمليات، ابتدا پوسته فلزي ميله هاي سوخت مصرف شده را جدا ميسازند و سپس آنها را در داخل اسيد نيتريك داغ حل ميكنند.

در نتيجه اين عمليات، ۱% پلوتونيوم ، ۳% مواد زائد به شدت راديو اكتيو و ۹۶% اورانيوم بدست مي آيد كه دوباره ميتوان آنرا در راكتور به مصرف رساند.

راكتورهاي نظامي اين كار را بطور بسيار موثرتري انجام ميدهند. راكتور و تاسيسات باز فراوري مورد نياز براي توليد پلوتونيوم را ميتوان بطور پنهاني در داخل ساختمانهاي معمولي جاسازي كرد. به همين دليل، توليد پلوتونيوم به اين طريق، براي هر كشوري كه بخواهد بطور مخفيانه تسليحات اتمي توليد كند گزينه جذابي خواهد بود.

بمب پلوتونيومي 1- منبع يا مولد نوتروني 2- هسته پلوتونيومي 3- پوسته منعكس كننده (بريليوم) 4- ماده منفجره پرقدرت 5- چاشني انفجاري

كلاهك هسته اي شامل گوي پلوتونيومي است كه اطراف آنرا پوسته اي موسوم به منعكس كننده نوتروني فرا گرفته است. اين پوسته كه معمولا از تركيب بريليوم و پلونيوم ساخته ميشود، نوترونهاي آزادي را كه از فرايند شكافت هسته اي به بيرون ميگريزند، به داخل اين فرايند بازمي تاباند.

استفاده از منعكس كننده نوتروني عملا جرم بحراني را كاهش ميدهد و باعث ميشود كه براي ايجاد واكنش زنجيره اي مداوم به پلوتونيوم كمتري نياز باشد.

براي كشور يا گروه تروريستي كه بخواهد بمب اتمي بسازد، توليد پلوتونيوم با كمك راكتورهاي هسته اي غير نظامي از تهيه اورانيوم غني شده آسانتر خواهد بود. كارشناسان معتقدند كه دانش و فناوري لازم براي طراحي و ساخت يك بمب پلوتونيومي ابتدائي، از دانش و فنآوري كه حمله كنندگان با گاز اعصاب به شبكه متروي توكيو در سال ۱۹۹۵ در اختيار داشتند پيشرفته تر نيست.

چنين بمب پلوتونيومي ميتواند با قدرتي معادل ۱۰۰ تن تي ان تي منفجر شود، يعني ۲۰ مرتبه قويتر از قدرتمندترين بمبگزاري تروريستي كه تا كنون در جهان رخ داده است.

بمب اورانيومي

هدف طراحان بمبهاي اتمي ايجاد يك جرم فوق بحراني ( از اورانيوم يا پلوتونيوم) است كه بتواند طي يك واكنش زنجيره اي مداوم و كنترل نشده، مقادير متنابهي انرژي حرارتي آزاد كند.

يكي از ساده ترين شيوه هاي ساخت بمب اتمي استفاده از طرحي موسوم به "تفنگي" است كه در آن گلوله كوچكي از اورانيوم كه از جرم بحراني كمتر بوده به سمت جرم بزرگتري از اورانيوم شليك ميشود بگونه اي كه در اثر برخورد اين دو قطعه، جرم كلي فوق بحراني شده و باعث آغاز واكنش زنجيره اي و انفجار هسته اي ميشود.

كل اين فرايند در كسر كوچكي از ثانيه رخ ميدهد.

جهت توليد سوخت مورد نياز بمب اتمي، هگزا فلوئوريد اورانيوم غني شده را ابتدا به اكسيد اورانيوم و سپس به شمش فلزي اورانيوم تبديل ميكنند. انجام اين كار از طريق فرايندهاي شيميائي و مهندسي نسبتا ساده اي امكان پذير است.

قدرت انفجار يك بمب اتمي معمولي حداكثر ۵۰ كيلو تن است، اما با كمك روش خاصي كه متكي بر مهار خصوصيات جوش يا گداز هسته اي است ميتوان قدرت بمب را افزايش داد.

در فرايند گداز هسته اي ، هسته هاي ايزوتوپهاي هيدروژن به يكديگر جوش خورده و هسته اتم هليوم را ايجاد ميكنند. اين فرايند هنگامي رخ ميدهد كه هسته هاي اتمهاي هيدروژن در معرض گرما و فشار شديد قرار بگيرند. انفجار بمب اتمي گرما و فشار شديد مورد نياز براي آغاز اين فرايند را فراهم ميكند.

طي فرايند گداز هسته اي نوترونهاي بيشتري رها ميشوند كه با تغذيه واكنش زنجيره اي، انفجار شديدتري را بدنبال مي آورند. اينگونه بمبهاي اتمي تقويت شده به بمبهاي هيدروژني يا بمبهاي اتمي حرارتي موسومند.