اورانیوم
Uranium شیمی - مقالات
اورانیوم یکی از عنصرهای شمیایی است که عدد اتمی آن ۹۲ و نشانه آن U است و در جدول تناوبی جزو آکتنیدها قرار میگیرد. ایزوتوپ ۲۳۵U آن در نیروگاه‌های هسته‌ای به عنوان سوخت و در سلاح‌های هسته‌ای به عنوان ماده منفجره استفاده میشود.
اورانیوم به طور طبیعی فلزی است سخت، سنگین، نقره‌ای رنگ و پرتوزا. این فلز کمی نرم تر از فولاد بوده و تقریبآ قابل انعطاف است. اورانیوم یکی از چگالترین فلزات پرتوزا است که در طبیعت یافت میشود. چگالی آن ۶۵٪ بیشتر از سرب و کمی کمتر از طلا است.
سال‌ها از اورانیوم به عنوان رنگ دهنده لعاب سفال یا برای تهیه رنگ‌های اولیه در عکاسی استفاده می‌شد و خاصیت پرتوزایی (رادیواکتیو) آن تا سال ۱۸۶۶ ناشناخته ماند و قابلیت آن برای استفاده به عنوان منبع انرژی تا اواسط قرن بیستم مخفی بود.
فراوانی
این عنصر از نظر فراوانی در میان عناصر طبیعی پوسته زمین در رده ۴۸ قراردارد.
اورانیوم در طبیعت بصورت اکسید و یا نمک‌های مخلوط در مواد معدنی (مانند اورانیت یا کارونیت) یافت میشود. این نوع مواد اغلب از فوران آتشفشان‌ها بوجود می‌‌آیند و نسبت وجود آنها در زمین معادل دو در میلیون نسبت به سایر سنگها و مواد کانی است. اورانیوم طبیعی شامل ۹۹/۳% از ایزوتوپ ۲۳۸U و ۰/۷% ۲۳۵U است.
این فلز در بسیاری از قسمت‌های دنیا در صخره‌ها، خاک و حتی اعماق دریا و اقیانوس‌ها وجود دارد. میزان وجود و پراکندگی آن از طلا، نقره یا جیوه بسیار بیشتر است.
تاریخچه
اورانیوم در سال ۱۷۸۹ توسط مارتین کلاپروت (Martin Klaproth) شیمی دان آلمانی از نوعی اورانیت بنام پیچبلند (Pitchblende) کشف شد. این نام اشاره به سیاره اورانوس دارد که هشت سال قبل از آن، ستاره شناسان آن را کشف کرده بودند.
اورانیوم یکی از اصلی‌ترین منابع گرمایشی در مرکز زمین است و بیش از ۴۰ سال است که بشر برای تولید انرژی از آن استفاده می‌‌کند.
دانشمندان معتقد هستند که اورانیوم بیش از ۶/۶ بیلیون سال پیش در اثر انفجار یک ستاره بزرگ بوجود آمده و در منظومه شمسی پراکنده شده است.
ویژگی‌های اورانیوم
اورانیوم سنگین‌ترین (به بیان دقیقتر چگالترین) عنصری است که در طبیعت یافت میشود (هیدروژن سبکترین عنصر طبیعت است.)
اورانیوم خالص حدود ۱۸/۷ بار از آب چگالتر است و همانند بسیاری از دیگر مواد پرتوزا در طبیعت بصورت ایزوتوپ یافت میشود.
اورانیوم شانزده ایزوتوپ دارد. حدود ۹۹/۳ درصد از اورانیومی که در طبیعت یافت میشود ایزوتوپ ۲۳۸ (U-۲۳۸) است و حدود ۰/۷ درصد ایزوتوپ ۲۳۵ (U-۲۳۵). دیگر ایزوتوپ‌های اورانیم بسیار نادر هستند.
در این میان ایزوتوپ ۲۳۵ برای بدست آوردن انرژی از نوع ۲۳۸ آن بسیار مهم‌تر است چرا که U-۲۳۵ (با فراوانی تنها ۰/۷ درصد) آمادگی آن را دارد که در شرایط خاص شکافته شود و مقادیر زیادی انرژی آزاد کند. به این ایزوتوپ Fissil Uranium، به معنای «اورانیوم شکافتنی» هم گفته میشود و برای شکافت هسته‌ای استفاده میشود.
اورانیوم نیز همانند دیگر مواد پرتوزا دچار تباهی میشود. مواد رادیو اکتیو دارای این خاصیت هستند که از خود بطور دایم ذرات آلفا و بتا و یا اشعه گاما منتشر میکنند.
U-۲۳۸ باسرعت بسیار کمی تباه میشود و نیمه عمر آن در حدود ۴،۵۰۰ میلون سال (تقریبآ معادل عمر زمین) است.
این موضوع به این معنی است که با تباه شدن اورانیوم با همین سرعت کم انرژی معادل ۰/۱ وات برای هر یک تن اورانیوم تولید میشود و این برای گرم نگاه داشتن هسته زمین کافی است.
شکاف هسته‌ای اورانیوم
U-۲۳۵ قابلیت شکاف هسته‌ای دارد. این نوع از اتم اورانیوم دارای ۹۲ پروتون و ۱۴۳ نوترون است (بنابراین جمعآ ۲۳۵ ذره در هسته خود دارد و به همین دلیل U-۲۳۵ نامیده میشود)، کافی است یک نوترون دریافت کند تا بتواند به دو اتم دیگر تبدیل شود.
این عمل با بمباران نوترونی هسته انجام میگیرد، در این حالت یک اتم U-۲۳۵ به دو اتم دیگر تقسیم میشود و دو، سه و یا بیشتر نوترون آزاد میشود. نوترون‌های آزاد شده خود با اتمهای دیگر U-۲۳۵ ترکیب می‌‌شوند و آنها را تقسیم کرده و به همین منوال یک واکنش زنجیره‌ای از تقسیم اتمهای U-۲۳۵ تشکیل میشود.
اتم U-۲۳۵ با دریافت یک نوترون به اورانیوم ۲۳۶ تبدیل میشود که ثبات و پایداری نداشته و تمایل دارد به دو اتم با ثبات تقسیم شود. انجام عمل تقسیم باعث آزاد شدن انرژی میشود بگونه‌ای که جمع انرژی حاصل از تقسیم زنجیره اتمهای U-۲۳۵ بسیار قابل توجه میشود.
نمونه‌ای از این واکنش‌ها به اینصورت است:
U-۲۳۵ + n –> Ba-۱۴۱ + Kr-۹۲ + ۳n + ۱۷۰ Million electron Volts
U-۲۳۵ + n –> Te-۱۳۹ + Zr-۹۴ + ۳n + ۱۹۷ Million electron Volts
که در آن: electron Volt = ۱.۶۰۲ x ۱۰-۱۹ joules
(یک ژول انرژی معادل توان یک وات برای مصرف در یک ثانیه است)
مجموع این عملیات ممکن است در محلی بنام رآکتور هسته‌ای انجام گیرد. رآکتور هسته‌ای می‌‌تواند از انرژی آزاد شده برای گرم کردن آب استفاده کند تا در نهایت از آن برای راه اندازی توربین‌های بخار و تولید برق استفاده شود.
غنی‌سازی اورانیوم
غنی‌سازی اورانیوم عملی است که بواسطه آن در یک توده اورانیوم طبیعی مقدار ایزوتوپ ۲۳۵U بیشتر شود و مقدار ایزوتوپ ۲۳۸U کمتر. غنی‌سازی اورانیوم یکی از مراحل چرخه سوخت هسته‌ای است.
اورانیوم طبیعی (که بشکل اکسید اورانیوم است) شامل ۳/۹۹٪ از ایزوتوپ ۲۳۸U و ۰/۷٪ از ۲۳۵U است. ایزوتوپ ۲۳۵U اورانیوم قابل شکافت و مناسب برای بمب‌ها و نیروگاه‌های هسته‌ای است.
۲۳۸U باقی‌مانده را اورانیوم ضعیف شده می‌نامند و نوعی زباله اتمی است. بخاطر سختی زیاد و آتشگیری و ویژگی‌های دیگر از آن در ساختن گلوله‌های ضد زره استفاده میکنند. اورانیوم ضعیف شده نیز همچنان پرتوزا است.
انواع اورانیوم
«اورانیوم با غنای پایین» که میزان ۲۳۵U آن کمتر از ۲۵٪ ولی بیشتر از ۰/۷٪ است. سوخت بیشتر نیروگاه‌های هسته‌ای بین ۳ تا ۵ درصد ۲۳۵U است.
«اورانیوم با غنای بالا» که ۲۳۵U در آن بیشتر از ۲۵٪ و حتی در مواردی تا ۹۸٪ است و مناسب برای کاربردهای نظامی وساخت بمب‌های هسته‌ای است.
روش‌های غنی‌سازی اورانیوم
* روش انتشار (پخش) حرارتی
* روش انتشار (پخش) گازها
* روش الکترومغناطیسی
* روش مرکزگریز گازی
* روش مرکزگریز گازی زیپه
* روش‌های لیزری
* روش شیمیایی
* روش پلاسمایی 