وقتی به انرژی هسته‌ای فکر می‌کنیم، نخستین چیزی که به ذهن متبادر می‌شود داستان سوخت آن، یعنی اورانیم و فرایند غنی‌سازی آن است. تصویر 1 تصویری از ورودی مجتمع معدنی اورانیم ساغند (واقع در حوالی شهر اردکان یزد) را نشان می‌دهد که از آن می‌توان سنگ‌های اورانیم طبیعی را استخراج کرد. سنگ معدن اورانیم، ترکیبی از دو ایزوتوپ 235 و 238 است، به طوری که درصد فراوانی ایزوتوپ 235 حدود هفت دهم درصد است. به عبارت دیگر، از هر 140 اتم اورانیم موجود در سنگ معدن اورانیم، تنها یکی از آن‌ها ایزوتوپ 235 و بقیه (یعنی 139 اتم اورانیم دیگر) ایزوتوپ 238 است (تصویر 2). اگرچه اورانیم 238 فراوان‌ترین ایزوتوپ طبیعی این عنصر در طبیعت است، ولی به دلایل فیزیکی، به عنوان منبعی برای سوخت هسته‌ای نامناسب است.
فرایند غنی‌سازی اورانیم 235
برای استفاده از اورانیم به عنوان سوخت در نیروگاه‌های هسته‌ای، باید درصد فراوانی ایزوتوپ‌های 235 را در یک نمونه اورانیم افزایش دهیم. به فرایند افزایش درصد یا غلظت ایزوتوپ‌های 235 در یک نمونه، غنی‌سازی گفته می‌شود. بیشتر راکتورهای تجاری تولید برق، مانند راکتور نیروگاه هسته‌ای بوشهر، از اورانیمی استفاده می‌کنند که در آن‌ها سوخت هسته‌ای بین 3 تا 5 درصد غنی‌سازی شده است (تصویر 3).
تمرین:
الف) وقتی سوخت هسته‌ای تا پنج درصد غنی‌سازی می‌شود، به ازای هر 140 اتم اورانیم چه تعدادی از اتم‌های آن ایزوتوپ اورانیم 235 است؟
ب) وقتی سوخت هسته‌ای تا سه درصد غنی‌سازی می‌شود، در هر هزار گرم آن، چند گرم ایزوتوپ اورانیم 235 داریم؟
خوب است بدانید
جدا ساختن ایزوتوپ کمیاب اورانیم 235 از ایزوتوپ فراوان اورانیم 238 بسیار دشوار است؛ زیرا هر دو ایزوتوپ به لحاظ شیمیایی یکسان‌اند و نمی‌توان از واکنش‌های شیمیایی استفاده کرد. جداسازی این دو ایزوتوپ بر اساس اختلاف جرم آن‌ها صورت می‌گیرد. یکی از روش‌های رایج و قدیمی انجام این کار، غنی‌سازی اورانیم با استفاده از روش سانتریفوژ گازی است. در این روش گاز هگزافلورید اورانیم در یک استوانه چرخان فوق سریع (معمولاً 50 هزار دور در دقیقه) به حرکت در می‌آید. مولکول‌های گاز حاوی اورانیم 238 که سنگین‌ترند، مانند شیر در جداکننده‌های لبنیات، به خارج رانده می‌شوند و مولکول‌های گاز حاوی اورانیم 235 که سبک‌ترند، از مرکز استخراج می‌شوند.
فرایند آزادشدن انرژی از سوخت هسته‌ای
بیش از 80 سال قبل، یعنی در سال 1939، گروهی از دانشمندان آلمانی کشف بسیار مهمی کردند که راهگشای عصر اتمی بود. آن‌ها دریافتند که هسته اورانیم 235 پس از جذب نوترون، به دو اتم سبک‌تر تبدیل می‌شود و مقدار زیادی انرژی آزاد می‌کند. فرایند تقسیم‌شدن یک هسته سنگین به دو هسته با جرم کمتر، شکافت هسته‌ای نامیده می‌شود (تصویر 4).
در فرایند شکافت هر گرم اورانیوم 235 حدود 82 میلیون کیلوژول انرژی گرمایی آزاد می‌شود. در جدول 1 انرژی شیمیایی ذخیره‌شده در هر گرم از سوخت‌های معمول برحسب کیلوژول داده شده است. مهم‌ترین کار لیزه مایتنر (1968-1878م)، دانشمند آلمانی، توصیف نتایج بمباران اورانیم توسط نوترون‌ها بود. وی نخستین دانشمندی بود که نام شکافت را برای فرایند شکافت هسته‌ای پیشنهاد کرد.
تمرین: چه مقدار زغال‌سنگ باید سوخته شود تا انرژی حاصل از آن، معادل انرژی حاصل از شکافت یک گرم اورانیم 235 باشد؟ پاسخ خود را بر حسب کیلوگرم و تُن بیان کنید.
خوب است بدانید
ممکن است در خصوص میله‌های سوخت هسته‌ای در رسانه‌ها زیاد شنیده باشید. در واقع میله سوخت از تعدادی قرص سوخت که درون هر میله سوخت قرار داده شده‌اند، تشکیل شده است. از کنار هم قراردادن میله‌های سوخت، مجتمع‌های سوخت تشکیل می‌شوند که سرانجام درون قلب راکتور جای‌گذاری می‌شوند. تصویر 5 طرح‌واره‌ای از این موضوع را نشان می‌دهد.