مقدمه
انرژى هسته‌اى با توجه به ویژگیهاى حیرت انگیزش در آزاد سازى حجم بالایى از انرژى در قبال از میان رفتن مقادیر ناچیزى از جرم ، به عنوان جایگزین سوختهاى پیر فسیلى که ناجوانمردانه در حال بلعیده شدن هستند، مطرح شده است. ایران نیز با وجود منابع گسترده نفت و گاز به دلیل کاربردهاى بهترى که سوختهاى فسیلى نسبت به سوزانده شدن در کوره‌ها و براى تولید حرارت دارند، براى دستیابى به این نوع از انرژى تلاشهایى را از سالهاى دور داشته است و در سالهاى پس از انقلاب همواره مورد اتهام واقع شده که هدف اصلیش نه فناورى صلح آمیز که رسیدن به فناورى تسلیحات هسته‌اى است.
چرخه سوخت هسته‌اى شامل مراحل استخراج ، آسیاب ، تبدیل ،
غنى سازى ، ساخت سوخت باز تولید و
راکتور هسته‌اى است و به یک معنا کشورى که در چرخه بالا به حد کاملى از خودکفایى و توسعه رسیده باشد با فناورى تولید سلاحهاى هسته‌اى فاصله چندانى ندارد.
استخراج
در
فناورى هسته‌اى ، خواه صلح آمیز باشد یا نظامى ، ماده بنیادى مورد نیاز،
اورانیوم است. اورانیوم از معادن زیر زمینى و همچنین حفاریهاى روباز قابل استحصال است. این ماده به رغم آنکه در تمام جهان قابل دستیابى است، اما سنگ معدن تغلیظ شده آن به مقدار بسیار کمى قابل دستیابى است. زمانى که اتمهاى مشخصى از اورانیوم در یک
واکنش زنجیره‌اى دنباله دار که به دفعات متعدد تکرار شده ، شکافته مى‌شود، مقادیر متنابهى انرژى آزاد مى‌شود، به این فرآیند
شکافت هسته‌اى مى‌گویند.
فرآیند شکاف در یک
نیروگاه هسته‌اى به آهستگى و در یک
سلاح هسته‌اى با سرعت بسیار روى مى‌دهد، اما در هر دو حالت باید به دقت کنترل شوند. مناسبترین حالت اورانیوم براى شکافت هسته‌اى ایزوتوپهاى خاصى از
235U (یا
239Pu) است.
ایزوتوپها ، اتمهاى یکسان با تعداد
نوترونهاى متفاوت هستند. به هرحال
235U به دلیل تمایل باطنى به شکافت در واکنشهاى زنجیرى و تولید انرژى حرارتى به عنوان «
ایزوتوپ شکافت» شناخته شده است.
هنگامى که اتم
235U شکافته مى‌شود دو یا سه نوترون آزاد مى‌کند. این نوترونها با سایر اتمهاى
235U برخورد کرده و باعث شکاف آنها و تولید نوترونهاى جدید مى‌شود. براى روى دادن یک
واکنش هسته‌اى به تعداد کافى از اتمهاى
235U براى امکان ادامه یافتن این واکنشها بصورت زنجیرى و البته خودکار نیاز است. این جرم مورد نیاز به عنوان «
جرم بحرانى» شناخته مى‌شود. باید توجه داشت که هر 1000 اتم طبیعى اورانیوم شامل تنها حدود هفت اتم
235U ، یعنی (0.7 درصد) بوده و 993 اتم دیگر از نوع
238U هستند که اصولا کاربردى در فرآیندهاى هسته‌اى ندارند.
تبدیل اورانیوم
سنگ معدن اورانیوم استخراج شده در آسیاب خرد و ریز شده و به پودر بسیار ریزى تبدیل مى‌شود. پس از آن طى فرآیند شیمیایى خاصى خالص سازى شده و بصورت یک حالت جامد به هم پیوسته که از آن به عنوان «
کیک زرد» (
yellow cake) یاد مى‌شود، درمى‌آید. کیک زرد شامل 70 درصد اورانیوم بوده و داراى خواص پرتوزایى (radioactive) است. هدف پایه‌اى دانشمندان هسته‌اى از فرآیند غنى سازى افزایش میزان اتمهاى
235U است که براى این هدف اورانیوم باید اول به گاز تبدیل شود.
با گرم کردن اورانیوم تا دماى 64 درجه سانتیگراد حالت جامد به گاز
هگزا فلوئورید اورانیوم (
UFG) تبدیل مى‌شود. هگزافلوئورید اورانیوم خورنده و پرتوزا است و باید با دقت جابجا شود، لوله‌ها و پمپها در کارخانه‌هاى تبدیل کننده بصورت ویژه‌اى از
آلیاژ آلومینیوم و نیکل ساخته مى‌شوند. گاز تولیدى همچنین باید از
نفت و روغنهاى گریس به جهت جلوگیرى از واکنشهاى ناخواسته شیمیایى دور نگه داشته شود.
غنى سازى اورانیوم
هدف
غنى سازى مشخصا افزایش میزان
235U _ ایزوتوپ شکافت _ است. اورانیوم مورد نیاز در مصارف صلح آمیز نظیر راکتورهاى هسته‌اى نیروگاهها باید شامل دو تا سه درصد
235U باشد، اما اورانیوم مورد نیاز در
تسلیحات اتمى باید شامل بیش از نود درصد
235U باشد. شیوه متداول غنى سازى اورانیوم
سانتریفوژ کردن گاز است. در این روش هگزافلوئورید اورانیوم در یک محفظه استوانه‌اى با سرعت بالا در شرایط گریز از مرکز قرار مى‌گیرد. این کار باعث جدا شدن ایزوتوپهاى با جرم حجمى بالاتر از
235U مى‌شود (
238U).
238U در طى فرآیند گریز از مرکز به سمت پائین محفظه کشیده شده و خارج مى‌شود، اتمهاى سبکتر
235U از بخش میانى محفظه جمع آورى و جدا مى شود.
235U تجمع یافته پس از آن به محفظه‌هاى گریز از مرکز بعدى هدایت مى‌شود. این فرآیند بارها در میان زنجیرى از
دستگاههاى گریز از مرکز در کنار هم چیده شده تکرار مى‌شود تا خالصترین میزان اورانیوم بسته به کاربرد آن به دست آید. از اورانیوم غنى شده در دو نوع سلاح هسته‌اى استفاده مى‌شود، یا بصورت مستقیم در
بمبهاى اورانیومى و یا طى چند مرحله در
بمبهاى پلوتونیومى مورد استفاده قرار مى گیرد.
بمب اورانیومى
هدف نهایى طراحان بمبهاى هسته‌اى رسیدن به یک جرم «
فوق بحرانى» است که باعث ایجاد یک سرى واکنشهاى زنجیره‌اى به همراه تولید حجم بالایى از حرارت مى‌شود. در یکى از ساده‌ترین نوع طراحى این بمبها یک جرم زیر بحرانى کوچکتر به جرم بزرگترى شلیک مى‌شود و جرم ایجاد شده باعث ایجاد یک جرم فوق بحرانى و به تبع آن یک سرى واکنشهاى زنجیره‌اى و یک انفجار هسته‌اى مى‌شود. کل این فرآیند در کمتر از یک دقیقه رخ مى‌دهد. براى ساخت سوخت براى یک بمب اورانیومى
هگزافلوئورید اورانیوم فوق غنى شده در ابتدا به
اکسید اورانیوم و سپس به شمش فلزى اورانیوم تبدیل مى‌شود.
میزان انرژى آزاد شده ناشى از شکافت هسته‌اى را به کمک یک فناورى تقویتى افزایش مى‌دهند. این فناورى شامل کنترل و بکار گیرى خواص همجوشى یا
گداخت هسته‌اى است. در همجوشى هسته‌اى شاهد بهم پیوستن ایزوتوپهایى از
هیدروژن و پس از آن تشکیل یک اتم هلیوم هستیم. به دنبال این واکنش مقادیر قابل توجهى گرما و فشار آزاد مى شود. از سوى دیگر همجوشى هسته اى سبب تولید نوترونهاى بیشتر و تغذیه واکنش شکافت شده و انفجار بزرگترى را ترتیب مى‌دهد. برخى تجهیزات این فناورى تقویتى به عنوان
بمب هیدروژنى و سلاحهاى
هسته‌اى _ حرارتى (
Thermonuclear) شناخته مى‌شوند.
راکتورهاى هسته‌اى
راکتورها داراى کاربردهاى کاملا دوگانه هستند. در مصارف صلح آمیز با بهره گیرى از حرارت تولیدى در شکافت هسته‌اى کار مى‌کنند. این حرارت جهت گرم کردن آب ، تبدیل آن به بخار و استفاده از بخار براى حرکت توربینها بهره گرفته مى‌شود. همچنین اگر قصد ساخت
بمبهاى پلوتونیومى در کار باشد نیز اورانیوم غنى شده را به راکتورهاى هسته‌اى منتقل مى‌کنند. در نوع خاصى از راکتورهاى هسته‌اى از اورانیوم غنى شده به شکل قرصهایى به اندازه یک سکه و ارتفاع یک اینچ بهره مى‌گیرند. این قرصها بصورت کپسولهاى میله‌اى شکل صورت بندى شده و درون یک محفظه عایق ، تحت فشار قرار داده مى‌شوند.
در بسیارى از
نیروگاههاى هسته‌اى این میله‌ها جهت خنک شدن درون آب غوطه‌ور هستند. روشهاى دیگر خنک کننده نیز نظیر استفاده از دى اکسیدکربن یا فلز مایع هستند. براى کارکرد مناسب یک راکتور (مثلا تولید حرارت با کمک واکنش شکافت) هسته اورانیومى باید داراى جرم فوق بحرانى باشد، این بدین معناست که مقدار کافى و مناسبى از اورانیوم غنى شده جهت شکل گیرى یک واکنش زنجیرى خود به خود پیش رونده موردنیاز است.
براى تنظیم و کنترل فرآیند شکافت میله‌هاى کنترل کننده از جنس موادى نظیر
گرافیت با قابلیت جذب نوترونهاى درون راکتور وارد محفظه مى شوند. این میله‌ها با جذب نوترونها باعث کاهش شدت فرآیند شکافت مى‌شوند. در حال حاضر بیش از چهارصد نیروگاه هسته‌اى در جهان وجود دارند و 17 درصد الکتریسیته جهان را تولید مى کنند. راکتورها همچنین در کشتیها و زیردریاییها کاربرد دارند.
باز پردازش
باز پردازش یک عملیات شیمیایى است که سوخت کارکردى را از
زباله‌هاى اتمى جدا مى‌کند. در این عملیات میله سوخت مصرف شده ، غلاف بیرونى فلزى خود را در قبال حل شدن در
اسید نیتریک داغ از دست مى‌دهد. محصولات این عملیات که در راکتور مورد استفاده دوباره قرار مى‌گیرد، شامل 96 درصد اورانیوم ، سه درصد زباله اتمى به شدت پرتوزا و یک درصد
پلوتونیوم است.
همه راکتورهاى هسته‌اى پلوتونیوم تولید مى‌کنند، اما انواع نظامى آنها بصورت کاملا بهینه‌ترى نسبت به سایر انواع راکتور این کار را انجام مى‌دهند. یک واحد باز پردازش و یک راکتور جهت تولید مقدار کافى پلوتونیوم مى‌توانند به صورت نامحسوسى در یک ساختمان عادى جاسازى شوند.این مسئله باعث مى شود استخراج پلوتونیوم با کمک باز پردازش به گزینه‌اى جذاب براى هر کشورى که به دنبال برنامه‌هاى غیرقانونى سلاحهاى اتمى است، تبدیل شود.
بمب پلوتونیومی
پلوتونیوم مزیتهاى متعددى نسبت به اورانیوم به عنوان جزیى از سلاحهاى اتمى دارد. تنها حدود چهار کیلوگرم پلوتونیوم براى ساخت یک بمب موردنیاز است، همچنین براى تولید 12 کیلوگرم پلوتونیوم در هر سال تنها به یک واحد کوچک باز پردازش نیاز است. یک کلاهک هسته‌اى شامل یک کره پلوتونیوم ، احاطه شده توسط پوسته‌اى از فلز، مثلا
بریلیوم ، است که نوترونها را به فرآیند شکاف باز مى‌گرداند. این مسئله باعث مى‌شود مقدار کمترى پلوتونیوم براى رسیدن به جرم بحرانى و ایجاد یک واکنش شکافت زنجیره‌اى مورد نیاز باشد.
به هرحال یک گروه تروریستى براى دسترسى به پلوتونیوم از راکتورهاى هسته‌اى غیرنظامى داراى مشکلات کمترى نسبت به دسترسى به اورانیوم غنى شده جهت ایجاد یک انفجار هسته‌اى هستند. کارشناسان معتقدند که بمبهاى عمل آورى شده پلوتونیوم مى‌تواند با تخصصى کمتر از آنچه که توسط فرقه «
آئوم» در حمله با گاز اعصاب به مترو توکیو (1995) بکار گرفته شد، طراحى و جمع آورى شود. یک
انفجار هسته‌اى از این نوع مى‌تواند با نیروى معادل یکصد تنی
TNT منفجر شود؛ بیست بار قویتر از بزرگترین حمله تروریستى تاریخ می‌باشد.
مباحث مرتبط با عنوان
