در طبيعت اورانيوم شامل کمتر از يک درصد ايزوتوپ اورانيوم 235 است. موادانفجاري هسته اي به اورانيومي که حداقل داراي 20 درصد اورانيوم 235 غنيشده است نياز دارند. بطور ايده آل اورانيوم 235 نود درصدي بکار مي رود.براي افزايش درصد اورانيوم 235 به اورانيوم 238، اورانيوم بايد "غني سازي"شود.
چرخه سوخت اورانيوم با استخراج و آسياب کانسنگ اورانيوم جهت توليد"کيک زرد" شروع شده و سپس به هگزافلورايد اورانيوم (UF6) تبديل مي شود.ماده اخير پس از آن غني سازي مي شود تا به سوخت هسته اي مبدل گردد.
فرايندهاي جداسازي و غني سازي ايزوتوپ اورانيوم:
اين روشها عبارتند از:

1) جداسازي ايزوتوپي الکترومغناطيسي

2) ديفوزيون گرمايي

3) پخش ديفوزيون گازي

4) سانتريفوژ گازي

5) فرايندهاي آئروديناميکي

6) جداسازي ايزوتوپي ليزري – که شامل دو روش زير است

الف) جداسازي ايزوتوپي ليزري با بخار گازي (AVLIS) (atomic vapor laser isotope separation)

ب) جداسازي ايزوتوپي ليزري مولکولي (MLIS) (molecular laser isotope separation)

7) تبادل يوني و شيميايي

8) فرايند جداسازي پلاسمايي (PSP)

در تمام صنعت هسته اي دنيا، اورانيوم بوسيله يکي از دو روش: پخش گازي و سانتريفوژ گازي غني مي شود.







ازآنجايي که فرايند کاربردي در ايران، روش سانتريفوژ گازي است در باره روندپخش گازي تنها به ذکر اين توصيف اکتفا مي شود که در روش پخش گازي،هگزافلورايد اورانيوم تحت فشار از ميان يک سري ديافراگم ها يا غشاهايمتخلخل گذر کرده از آنجايي که مولکولهاي اورانيوم 235 سبکتر از مولکولهاياورانيوم 238 است آنها سريعتر حرکت کرده و امکان کمي بيشتري براي عبور ازسوراخهاي موجود در غشا را دارند. گاز UF6 که از طريق غشا پخش مي شود اندکيغني بوده ضمن اينکه آنچه که نمي تواند گذر کند تهي از اورانيوم 235 است.



سانتريفوژ گازي

سانتريفوژگازي نوعي هيپرسانتريفوژ است که براي توليد اورانيوم غني شده استفاده ميشود. اين روش در آلمان در طي جنگ جهاني دوم توسعه يافت اما موارد کاربردواقعي آن تنها در دهه پنجاه و شصت ميلادي بود.

در اين روش از اثرسانتريفوژ که دوران سريع ماده سبب مي شود تا ايزوتوپهاي سنگين تر به طرفديواره خارجي حرکت کنند استفاده شده و غالبا با استفاده از سانتريفوژ نوعزيپ (Zippe-type centrifuge) در شکل گازي انجام مي شود. عامل جداسازي دراين روش به تفاوت جرمي ايزوتوپهايي که بايد جداسازي شوند بستگي دارد.

نمونهنيروگاه هاي غني سازي اورانيوم که از اين روش استفاده مي کنند درGronau/Wesphalia (آلمان) و بوسيله URENCO (اورنکو يک گروه صنعتي است کهمتشکل از شرکتهاي انگليسي، آلماني و هلندي مي باشد) در Capenhurst(بريتانيا) هستند. بانک سانتريفوژهاي کازي در نيروگاه اورنکو (Urenco)

علاوهبر نيروگاههاي اورنکو در بريتانيا، هلند و آلمان، چهار نيروگاه روسيه کهچهل درصد ظرفيت جهان را بالغ مي شوند از اين شيوه استفاده مي کنند. ژاپن،چين و برزيل نيز نيروگاههاي سانتريفوژ را مي گردانند. پاکستان تکنولوژيغني سازي سانتريفوژ را توسعه داده و بنظر مي رسد که آن را به کره شماليفروخته است ايران نيز داراي تکنولوژي سانتريفوژ پيچيده اي است.

درايالات متحده آمريکا هيچ نيروگاه سانتريفوژ گازي فعاليت ندارد اما بتازگيآمريکا و فرانسه نيز درحال جايگزيني تکنولوژي سانتريفوژ بجاي نيروگاههايپخش گازي قديمي هستند. اين روش نسبت به روش پخش گازي به انرژي کمتري برايرسيدن به جداسازي مشابه نياز داشته و از اين جهت غالبا اين شيوه که بااستفاده از هگزافلورايد اورانيوم انجام مي شود جايگزين شيوه پخش گازي شدهو بجاي آن استفاده مي گردد.

در غني سازي اورانيوم با روش سانتريفوژگازي، از تعداد زيادي سيلندر دوار که به صورت موازي و سري کنارهم قرارداده شده اند استفاده مي شود. ماشينهاي سانتريفوژ جهت تشکيل "ترين ها"(trains) يا "مجموعه آبشارها يا کاسکادها" (سيستمهاي غني سازي دنباله اي)بهم مرتبط هستند.

اصول کلي روش سانتريفوژ گازي براي غني سازياورانيوماين دوران باعث ايجاد يک نيرو مرکزگريز مي شود بطوري که مولکولهايگازي سنگين تر (که شامل اورانيوم 238 هستند) بطرف خارج سيلندر حرکت کرده ومولکولهاي گازي سبکتر (که شامل اورانيوم 235 است) در قسمت مرکزي (محورگردنده) جمع مي شوند.

گاز به داخل يک سري لوله هاي خلا تغذيه شدهکه هر يک شامل يک گردنده با بيش از دو متر طول و 20-15 سانتيمتر قطرهستند. وقتي که گردنده ها با سرعت بالا مي چرخند (rmpا 70000-50000)مولکولهاي سنگين تر حاوي اورانيوم 238 در لبه خارجي سيلندر متمرکز ميشوند. افزايش اورانيوم 235 نيز در نزديک مرکز وجود دارد. براي رسيدن بهجداسازي موثر، به سانتريفوژهاي با سرعتهاي بالا نياز است. مراحل سانتريفوژمعمولاٌ شامل تعداد زيادي سانتريفوژ به صورت موازي است.

اين جريانگازي که کمي از اورانيوم 235 غني شده است بازگيري شده و به داخل مرحلهبالاتر بعدي تغذيه مي شود ضمن اينکه جريان گازي کم تهي شده به مرحله پايينتر قبلي مجددا بازيابي مي شود. ميزان غني سازي اورانيوم 235 حاصل از يکمرحله تک واحدي سانتريفوژ گازي، بسيار بيشتر از ميزان آن در يک مرحله تکواحدي غني سازي پخش گازي است اما به تکنولوژي توسعه يافته اي براي توليدماشينهاي سانتريفوژ نياز مي باشد. اين ماشينها بدليل سرعتهاي دوران موردنياز در آنها، به مهندسي متالورژي پيچيده با دقت بالا و نياز دارند.

بخاطرماهيت خورندگي UF6، تمام اجزايي که در تماس با اين ماده هستند بايد ازمواد مقاوم در برابر خوردگي ساخته شوند. ظرفيت جداسازي يک سانتريفوژ تکواحدي، با طول گردنده و سرعت ديواره گردنده افزايش مي يابد. درنتيجهسانتريفوژهايي که داراي گردنده هاي يا روتورهاي پرسرعت و بلند باشند اهدافبرنامه هاي توسعه سانتريفوژ هستند. در داخل يک سانتريفوژ گازي

موادمناسب براي گردنده ها شامل آلياژهاي آلومينيم، تيتانيم، فولاد ماراژين(maraging steel) يا ترکيباتي که با برخي شيشه هاي خاصي تقويت مي شوند،فيبرهاي کربني هستند. درحال حاضر فولاد ماراژين متداول ترين ماده گردنهاست.

براي مصارف غيرنظامي، اورانيوم طبيعي که شامل 0.7 درصداورانيوم 235 است به حدود 5-3 درصد اورانيوم 235 غني شده و اورانيوم تهيشده شامل 0.3-0.2 درصد اورانيوم 235 مي باشد. اما براي کاربردهاي نظامي،اورانيوم بسيار غني شده (HEU) که شامل بيش از 20 درصد اورانيوم 235 استمعمولاٌ توليد مي شود.

از زمان راه اندازي، يک سانتريفوژ مدرن بمدت بيش از 10 سال بدون نگهداري به کار خود ادامه مي دهد.

مجموعهآبشارها يا کاسکادهاي بزرگ سانتريفوژ گازي که در کشورهاي فرانسه، آلمان،بريتانيا، و چين مورد استفاده قرار مي گيرند براي توليد اورانيومي است کهبراي مصارف داخلي و نيز صادرات است. اما در مورد ژاپن اين موارد صرفا جهتمصرف داخلي است. يک نيروگاه سانتريفوژ گازي مهم، در پيکتون اوهايوي آمريکاواقع است.نمونه يک کاسکاد سانتريفوژ گازي واقع در آوک ريج (Oak Ridge)آمريکا

اين روش علاوه بر انرژي کمتر، به نيروگاه هاي با مقياسبمراتب کوچکتري نياز داشته و از اين جهت براي کشورهاي کوچکي که مبادرت بهتوليد سلاحهاي هسته اي مي نمايند داراي امکان پذيري اقتصادي است.

روسيهصنعت عظيم سانتريفوژ را از اتحاد جماهير سابق به ميراث برده است. گفته ميشد که عراق نيز اين روش را براي دستيابي به سلاحهاي هسته اي بکار گرفتهبود. تصور مي شود که پاکستان بااستفاده از اين روش درحال ساخت يک کاسکادکوچکتر جهت اهداف نظامي و توسعه سلاحهاي هسته اي خود است.

بايد توجه کرد که براي توليد تنها يک سلاح هسته اي در سال، به چندين هزار سانتريفوژ نياز مي باشد.