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 خورشیدی پراکنده شدهاست.
اورانیوم سنگینترین (به بیان دقیقتر چگالیترین) 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 «اورانیوم شکافتنی» (Fissil Uranium) هم گفته میشود و برای شکافت هسته ای استفاده میشود. اورانیوم نیز همانند دیگر مواد پرتوزا دچار تباهی میشود. مواد رادیو اکتیو دارای این خاصیت هستند که از خود بطور دائم ذرات آلفا و بتا و یاشعه گاما منتشر میکنند.
U-۲۳۸ باسرعت بسیار کمی تباه میشود و نیمه عمر آن در حدود ۴،۵۰۰ میلون سال (تقریبآ برابر عمر زمین) است. این موضوع به این معنی است که با تباه شدن اورانیوم با همین سرعت کم انرژی برابر ۰/۱ وات برای هر یک تن اورانیوم تولید میشود و این برای گرم نگاه داشتن هسته زمین کافی است.
هانری بکرل نخستین کسی بود که متوجه پرتودهی عجیب سنگ معدن اورانیم گردید پس از آن در سال ۱۹۰۹ میلادی ارنست رادرفورد هسته اتم را کشف کرد. وی همچنین نشان دادکه پرتوهای رادیواکتیو در میدان مغناطیسی به سه دسته تقیسیم می شود ( پرتوهای الفا و بتاوگاما ) بعدها دانشمندان دریافتند که منشاء این پرتوها درون هسته اتم اورانیم می باشددر سال ۱۹۳۸ با انجام آزمایشاتی توسط دو دانشمند آلمانی بنامهای آتوهان و فریتس شتراسمن فیزیک هسته ای پای به مرحله تازه ای نهاد این فیزیکدانان با بمباران هسته اتم اورانیم بوسیله نوترونها به عناصر رادیواکتیوی دست یافتند که جرم اتمی کوچکتری نسبت به اورانیم داشت و در اینجا بود که نا قوس شوم اختراع بمب اتمی به صدا در آمد.زیرا هر فروپاشی هسته اورانیم میتوانست تا ۲۰۰مگاولت انرژی ازاد کند وبدیهی بود اگر هسته های بیشتری فرو پاشیده می شد انرژی فراوانی حاصل می گردید.بعدها فیزیکدانان دیگری نیز در این محدوده به تحقیق می پرداختند یکی از آنان انریکو فرمی بود( ۱۹۵۴ - ۱۹۰۱) که بخاطر تحقیقاتش در سال ۱۹۳۸ موفق به دریافت جایزه نوبل گردید.در سال ۱۹۳۹ یعنی قبل از شروع جنگ جهانی دوم در بین فیزیکدانان این بیم وجود داشت که آلمانیهابه کمک فیزیکدانان نابغه ای مانند هایزنبرگ ودستیارانش بتوانند با استفاده از دانش شکافت هسته ای بمب اتمی بسازندبه همین دلیل از آلبرت انیشتین خواستند که نامه ای به فرانکلین روزولت رئیس جمهور وقت آمریکا بنویسد در آن نامه تاریخی از امکان ساخت بمبی صحبت شد که هر گز هایزنبرگ آن را نساخت.چنین شدکه دولتمردان امریکا برای پیشدستی برآلمان پروژه مانهتن را براه انداختندو از انریکو فرمی دعوت به عمل آوردند تا مقدمات ساخت بمب اتمی را فراهم سازد سه سال بعددر دوم دسامبر ۱۹۴۲ در ساعت ۳ بعد از ظهر نخستین راکتور اتمی دنیا در دانشگاه شیکاگو آمریکا ساخته شد.سپس در ۱۶ ژوئیه ۱۹۴۵ نخستین ازمایش بمب اتمی در صحرای الامو گرودو نیو مکزیکو انجام شد.سه هفته بعد هیروشیما درساعت ۸:۱۵ صبح در تاریخ ۶ اگوست ۱۹۴۵ بوسیله بمب اورانیمی بمباران گردیید و ناکازاکی در ۹ اگوست سال ۱۹۴۵ بمباران شدند که طی آن صدها هزار نفر فورا جان باختند. جهان بدون فیزیک معنا ندارد.
]
استخراج اورانيوم از معدناورانيوم 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.
=============== سایر مزایا ===============
ورانیوم خالی توسط بعضی از ارتشها برای ساخت محافظ برای تانکها و ساخت قسمتهایی از موشکها و ادوات جنگی استفاده میشود. ارتشها همچنین از اورانیوم غنیشده برای سوخت ناوگان خود و زیردریاییها و همچنین سلاحهای هستهای استفاده میکنند. سوخت استفاده شده در راکتورهای ناوگان ایالات متحده معمولا اورانیوم U235 غنی شده میباشد. اورانیوم موجود در سلاحهای هستهای بشدت غنی میشوند که این مقدار بصورت تقریبی 90% میباشد.
مهمترین کاربرد اورانیوم در بخش غیر نظامی تامین سوخت دستگاههای تولید نیروی هستهای است که در آنها سوخت U235 به میزان 2الی3% غنی میشود. اورانیوم تخلیه شده در هلیکوپترها و هواپیماها بهعنوان وزن متقابل بر هر بار استفاده میشود.
لعاب ظروف سفالی از مقدار کمی اورانیوم طبیعی تشکیل شده است ( که داخل فرایند غنی سازی نمیشود ) که این عنصر برای اضافه کردن رنگ با آن اضافه میشود.
نیمه عمر طولانی ایزوتوپ اورانیوم 238 آن را برای تخمین سن سنگهای آتشفشانی مناسب میسازد.
===============
کاربردهای پزشکی:
================
در پزشکی تشعشعات هسته ای کاربردهای زیادی دارند که اهم آنها عبارتند از:
•رادیو گرافی
•گامااسکن
•استرلیزه کردن هسته ای و میکروب زدایی وسایل پزشکی با پرتو های هسته ای
•رادیو بیولوژی
کاربرد انرژی هسته ای در بخش دامپزشکی و دامپروری :
تکنیکهای هسته ای در حوزه دامپزشکی موارد مصرفی چون تشخیص و درمان بیماریهای دامی ، تولید مثل دام ، اصلاح نژاد و دام ، تغذیه ، بهداشت و ایمن سازی محصولات دامی و خوراک دام دارد.
کاربرد انرژی هسته ای در دسترسی به منابع آب :
تکنیکهای هسته ای برای شناسایی حوزه های آب زیر زمینی هدایت آبهای سطحی و زیر زمینی ، کشف و کنترل نشت و ایمنی سدها مورد استفاده قرار میگیرد. در شیرین کردن آبهای شور نیز انرژی هستهای کاربرد دارد.
کاربردهای کشاورزی:
تشعشعات هسته ای کاربرد های زیادی در کشاورزی دارد که مهم ترین آنها عبارتست از:
• موتاسیون هسته ای ژن ها در کشاورزی
• کنترل حشرات با تشعشعات هسته ای
• جلوگیری از جوانه زدن سیب زمینی با اشعه گاما
• انبار کردن میوه ها
• دیرینه شناسی )باستان شناسی) و صخره شناسی )زمین شناسی) که عمر یابی صخره ها با C14 در باستان شناسی خیلی مشهور است.
کاربردهای صنعتی:
در صنعت کاربردها ی زیادی دارد از جمله مهمترین آنها عبارتند از:
• نشت یابی با اشعه
• دبی سنجی پرتویی(سنجش شدت تشعشعات ، نور و فیزیک امواج)
• سنجش پرتویی میزان سائیدگی قطعات در حین کار
• سنجش پرتویی میزان خوردگی قطعات
• چگالی سنج موادمعدنی با اشعه
• کشف عناصر نایاب در معادن
آنچه باید بدانیم:
تکنیکهای هسته ای بر کشف مینهای ضد نفر نیز کاربرد دارد. بنابرین ، دانش هسته ای با این قدرت و وسعتی که دارد، هر روز بر دامنه استفاده از فناوری هسته ای و بویژه انرژی هسته ای افزوده می شود. کاربرد انرژی در بخشهای مختلف به گونهای است که اگر کشوری فناوری هسته ای را نهادینه نماید، در بسیاری از حوزههای علمی و صنعتی ، ارتقای پیدا می کند و مسیر توسعه را با سرعت طی می نماید.
انرژی هسته ای در پزشکی هسته ای و امور بهداشتی:
در کشورهای پیشرفته صنعتی ، از انرژی هسته ای به صورت گسترده در پزشکی استفاده می گردد. با توجه به شیوع برخی از بیماریها از جمله سرطان ، ضرورت تقویت طب هسته ای در کشورهای در حال توسعه ، هر روز بیشتر می شود. موارد زیر از مصادیق تکنیکهای هسته ای در علم پزشکی است:
تهیه و تولید کیتهای رادیو دارویی جهت مراکز پزشکی هسته ای
تهیه و تولید رادیو دارویی جهت تشخیص بیماری تیرویید و درمان آنها
تهیه و تولید کیتهای هورمونی
تشخیص و درمان سرطان پروستات
تشخیص سرطان کولون ، روده کوچک و برخی سرطانهای سینه
تشخیص تومورهای سرطانی و بررسی تومورهای مغزی ، سینه و ناراحتی وریدی
تصویر برداری بیماریهای قلبی ، تشخیص عفونتها و التهاب مفصلی ، آمبولی و لختههای وریدی
موارد دیگری چون تشخیص کم خونی ، کنترل رادیو داروهای خوراکی و تزریقی و ...
کیک زرد =============== کیک زرد یا Yellowcake که به نام اورانیا (Urania) هم شناخته میشود در واقع خاک معدنی اورانیوم است که پس از گذراندن مراحل تصفیه و پردازشهای لازم از سنگ معدنی آن تهیه میشود.
تهیه این ماده به منزله رسیدن به بخش میانی مراحل مختلف تصفیه سنگ معدن اورانیوم است و باید توجه داشت که فاصله بسیار زیادی برای استفاده در بمب اتمی دارد. روش تهیه کیک زرد کاملاً به نوع سنگ معدن به دست آمده بستگی دارد، اما بهطور معمول با آسیاب کردن و پردازشهای شیمیایی بر روی سنگ معدن اورانیوم، پودر زبر و زردرنگی به دست میآید که قابلیت حل شدن در آب را ندارد و حدود ۸۰ درصد غلظت اکسید اورانیوم آن خواهد بود. این پودر در دمایی معادل ۲۸۷۸ درجه سانتیگراد ذوب میشود. ● روش تهیه کیک زرد ابتدا سنگ معدن با دستگاه های مخصوصی خرد و آسیاب می شود، پس از آن برای جداسازی اورانیم و بالابردن خلوص خاک سنگ، آن را در حمامی از اسید سولفوریک، آلکالاین و یا پراکسید میخوابانند؛ این عمل برای به دست آوردن اورانیوم خالص تر صورت میشود. سپس این محصول به دست آمده را خشک و ***** میکنند و نتیجه آن چیزی خواهد شد که به «کیک زرد» معروف است. امروزه روشهای جدیدی برای تهیه این پودر اورانیوم وجود دارد که محصول آنها بیش از آن که زرد باشد به قهوهای و سیاه نزدیک است، در واقع رنگ ماده به دست آمده به میزان وجود ناخالصیها در این پودر بستگی دارد. نهادن این نام بر روی این محصول به گذشته بر میگردد که کیفیت روشهای خالصسازی سنگ معدن مناسب نبود و ماده به دست آمده، زرد رنگ بود. ● مواد تشکیلدهنده کیک زرد: بخش اصلی کیک زرد (معادل ۷۰-۹۰ درصد وزنی) شامل اکسیدهای اورانیوم با فرمول شیمیایی U۳O۸ و یا سایر اکسیدهاست و بقیه آن از دیگر موادی تشکیل شدهاست که مهمترین آنها عبارتند از: ▪ هیدراکسید اورانیوم با فرمول شیمایی UO۲(OH)۲ یا UO۲)۲(OH)۲) که در صنایع ساخت شیشه و سرامیک استفاده میشود. این ماده تشعشع رادیواکتیو دارد و باید با شرایط خاصی نگهداری و حمل شود. ▪ سولفات اورانیوم با فرمول شیمیایی (U۰۲S۰۴) که مادهای بیبو با رنگ زرد لیموییاست. ▪ اکسید اورانیوم زرد (یا اورانیت سدیم) با فرمول شیمیایی Na۲O (UO۳)۲.۶H۲O که مادهای با رنگ زرد - نارنجی است. ▪ پراکسید اورانیوم با فرمول شیمیایی UO۴·nH۲O با رنگ زرد کمرنگ. یکی از کاربردهای کیک زرد، تهیه هگزا فلوراید اورانیوم است. این گاز در وضع عادی حدود هفت صدم درصد شامل ایزوتوپ ۲۳۵ و بقیه آن ایزوتوپ ۲۳۸ است. در مرحله غنیسازی درصد U-۲۳۵ به حدود ۵.۳ یا حتی بیشتر افزایش داده میشود. ● کاربردهای کیک زرد کیک زرد عموماً برای تهیه سوخت رآکتورهای هستهای به کار برده میشود، در واقع این ماده است که پس از پردازشهایی به UO۲ تبدیل و برای استفاده در میلههای سوختی به کار برده میشود. این ماده همچنین میتواند برای غنیسازی به گاز هگزا فلوراید اورانیوم یا UF۶ تبدیل شود، چون در این صورت میتوان چگالی ایزوتوپهای اورانیوم ۲۳۵ را در آن افزایش داد. در هر صورت کیک زرد در اغلب کشورهایی که معادن طبیعی اورانیوم دارند تهیه میشود و تولید این ماده مشکل خاصی ندارد و بهطور متوسط سالیانه ۶۴ هزار تن از این ماده در جهان تولید میشود. کانادا، یکی از تولیدکنندگان این ماده است، این کشور معادنی دارد که خلوص سنگ اورانیوم آنها به ۲۰ درصد هم میرسد. در آسیا نیز کشوری مانند قزاقستان صنایع بزرگ تولید این پودر را دارد. قیمت این پودر در بازارهای بین المللی، هر کیلوگرم حدود ۲۵ دلار است.
=============== راكتور هسته ای ===============
راكتور هسته ای وسیله ایست كه در آن فرایند شكافت هسته ای بصورت كنترل شده انجام میگیرد. انرژی حرارتی بدست آمده از این طریق را می توان برای بخار كردن آب و به گردش درآوردن توربین های بخار ژنراتورهای الكتریكی مورد استفاده قرار داد.اورانیوم غنی شده ، معمولا به صورت قرصهائی كه سطح مقطعشان به اندازه یك سكه معمولی و ضخامتشان در حدود دو و نیم سانتیمتر است در راكتورها به مصرف میرسند. این قرصها روی هم قرار داده شده و میله هایی را تشكیل میدهند كه به میله سوخت موسوم است. میله های سوخت سپس در بسته های چندتائی دسته بندی شده و تحت فشار و در محیطی عایقبندی شده نگهداری میشوند. در بسیاری از نیروگاهها برای جلوگیری از گرم شدن بسته های سوخت در داخل راكتور، این بسته ها را داخل آب سرد فرو می برند. در نیروگاههای دیگر برای خنك نگه داشتن هسته راكتور ، یعنی جائی كه فرایند شكافت هسته ای در آن رخ میدهد ، از فلز مایع (سدیم) یا گاز دی اكسید كربن استفاده می شود.
برای تولید انرژی گرمائی از طریق فرایند شكافت هسته ای ، اورانیومی كه در هسته راكتور قرار داده میشود باید از جرم بحرانی بیشتر (فوق بحرانی) باشد. یعنی اورانیوم مورد استفاده باید به حدی غنی شده باشد كه امكان آغاز یك واكنش زنجیره ای مداوم وجود داشته باشد. برای تنظیم و كنترل فرایند شكافت هسته ای در یك راكتور از میله های كنترلی كه معمولا از جنس كادمیوم است استفاده میشود. این میله ها با جذب نوترونهای آزاد در داخل راكتور از تسریع واكنشهای زنجیره ای جلوگیری میكند. زیرا با كاهش تعداد نوترونها ، تعداد واكنشهای زنجیره ای نیز كاهش میابد. حدودا ۴۰۰ نیروگاه هسته ای در سرتاسر جهان فعال هستند كه تقریبا ۱۷ درصد كل برق مصرفی در جهان را تامین میكنند. از جمله كاربردهای دیگر راكتورهای هسته ای، تولید نیروی محركه لازم برای جابجایی ناوها و زیردریایی های اتمی است. باز فراوری برای بازیافت اورانیوم از سوخت هسته ای مصرف شده در راكتور از عملیات شیمیایی موسوم به بازفراوری استفاده میشود. در این عملیات، ابتدا پوسته فلزی میله های سوخت مصرف شده را جدا میسازند و سپس آنها را در داخل اسید نیتریك داغ حل میكنند.
در نتیجه این عملیات، ۱% پلوتونیوم ، ۳% مواد زائد به شدت رادیو اكتیو و ۹۶% اورانیوم بدست می آید كه دوباره میتوان آنرا در راكتور به مصرف رساند. راكتورهای نظامی این كار را بطور بسیار موثرتری انجام میدهند. راكتور و تاسیسات باز فراوری مورد نیاز برای تولید پلوتونیوم را میتوان بطور پنهانی در داخل ساختمانهای معمولی جاسازی كرد. به همین دلیل، تولید پلوتونیوم به این طریق، برای هر كشوری كه بخواهد بطور مخفیانه تسلیحات اتمی تولید كند گزینه جذابی خواهد بود. بمب پلوتونیومی استفاده از پلوتونیوم به جای اورانیوم در ساخت بمب اتمی مزایای بسیاری دارد. تنها چهار كیلوگرم پلوتونیوم برای ساخت بمب اتمی با قدرت انفجار ۲۰ كیلو تن كافی است. در عین حال با تاسیسات بازفراوری نسبتا كوچكی میتوان چیزی حدود ۱۲ كیلوگرم پلوتونیوم در سال تولید كرد.
كلاهك هسته ای شامل گوی پلوتونیومی است كه اطراف آنرا پوسته ای موسوم به منعكس كننده نوترونی فرا گرفته است. این پوسته كه معمولا از تركیب بریلیوم و پلونیوم ساخته میشود، نوترونهای آزادی را كه از فرایند شكافت هسته ای به بیرون میگریزند، به داخل این فرایند بازمی تاباند. استفاده از منعكس كننده نوترونی عملا جرم بحرانی را كاهش میدهد و باعث میشود كه برای ایجاد واكنش زنجیره ای مداوم به پلوتونیوم كمتری نیاز باشد. برای كشور یا گروه تروریستی كه بخواهد بمب اتمی بسازد، تولید پلوتونیوم با كمك راكتورهای هسته ای غیر نظامی از تهیه اورانیوم غنی شده آسانتر خواهد بود. كارشناسان معتقدند كه دانش و فناوری لازم برای طراحی و ساخت یك بمب پلوتونیومی ابتدائی، از دانش و فنآوری كه حمله كنندگان با گاز اعصاب به شبكه متروی توكیو در سال ۱۹۹۵ در اختیار داشتند پیشرفته تر نیست. چنین بمب پلوتونیومی میتواند با قدرتی معادل ۱۰۰ تن تی ان تی منفجر شود، یعنی ۲۰ مرتبه قویتر از قدرتمندترین بمبگزاری تروریستی كه تا كنون در جهان رخ داده است.
