سنگ معدن اورانیوم موجود در طبیعت از دو ایزوتوپ U235 به مقدار 7/0 درصد و U238 به مقدار 99.3 درصد تشکیل شده است. سنگ معدن را ابتدا در اسید حل کرده و بعد از تخلیص فلز ، اورانیوم را بصورت ترکیب با اتم فلوئور F(9 ) و بصورت مولکول اورانیوم هگزا فلوراید تبدیل مىکنند که به حالت گازى است. سرعت متوسط مولکولهاى گازى با جرم مولکولى گاز نسبت عکس دارد.
غنى سازى با دستگاه سانتریفیوژ
سانتریفیوژ دستگاهى است که براى جدا سازى مواد از یکدیگر بر اساس وزن آنها استفاده مىشود. این دستگاه مواد را با سرعت زیاد حول یک محور به گردش در مىآورد و مواد متناسب با وزنى که دارند از محور فاصله مىگیرند. در واقع در این روش براى جدا سازى مواد از یکدیگر از شتاب ناشى از نیروى گریز از مرکز استفاده مىگردد، کاربرد عمومى این دستگاه براى جداسازى مایع از مایع و یا مایع از جامد است. سانتریفیوژهایى که براى غنى سازى اورانیوم استفاده مىشود حالت خاصى دارند که براى گاز تهیه شدهاند که به آنها Centrifuge-Hyper گفته مىشود. پیش از آنکه دانشمندان از این روش براى غنى سازى اورانیوم استفاده کنند از تکنولوژى خاصى بنام Gaseous Diffusion به معنى پخش و توزیع گازى استفاده مىکردند.
غنى سازى با دیفوزیون گازى Gaseous Diffusion
گراهان در سال 1864 پدیدهاى را کشف کرد که در آن سرعت متوسط مولکولهاى گاز با معکوس جرم مولکولى گاز متناسب بود. از این پدیده که به نام دیفوزیون گازى مشهور است براى غنى سازى اورانیوم استفاده مىکنند. در عمل اورانیوم هگزا فلوراید طبیعى گازى شکل را از ستونهایى که جدار آنها از اجسام متخلخل (خلل و فرج دار) درست شده است عبور مىدهند. سوراخهاى موجود در جسم متخلخل باید قدرى بیشتر از شعاع اتمى یعنى در حدود 5.2 آنگسترم (7-10x25 سانتیمتر) باشد.
ضریب جداسازى متناسب با اختلاف جرم مولکولها است. روش غنى سازى اورانیوم تقریبا مطابق همین اصولى است که در اینجا گفته شد. با وجود این مىتوان به خوبى حدس زد که پرخرج ترین مرحله تهیه سوخت اتمى همین مرحله غنى سازى ایزوتوپها است، زیرا از هر هزاران کیلو سنگ معدن اورانیوم 140 کیلوگرم اورانیوم طبیعى بدست مىآید که فقط یک کیلوگرم U235 خالص در آن وجود دارد. Gaseous Diffusion از جمله تکنولوژیهایى بود که ایالات متحده طى جنگ جهانى دوم در پروژهاى بنام منهتن () براى ساخت بمب هستهاى ، با کمک انگلیس و کانادا به آن دست پیدا کرد.
در این روش با تکرار استفاده از این صفحات فیلتر مانند ، بصورت آبشارى )Cascade( ، میزان U235 را به مقدار دلخواه بالا مىبردند. این روش اولین راهکارهاى صنعتى براى غنى سازى اورانیوم بود که کابرد عملى پیدا کرد. نمونهاى از سانتریفیوژهاى گازى آبشارى که براى غنى سازى اورانیوم از آنها استفاده مىشود. Centrifuge-Hyper اما در روش استفاده از سانتریفیوژ براى غنى سازى اورانیوم ، تعداد بسیار زیادى از این دستگاهها بصورت سرى و موازى بکار مىبرند تا با کمک آن بتوانند غلظت U235 را افزایش دهند.
گاز هگزافلوراید اورانیوم (6)UF در داخل سیلندرهاى سانتریفیوژ تزریق مىشود و با سرعت زیاد به گردش در آورده مىگردد. گردش سریع سیلندر ، نیروى گریز از مرکز بسیار قوى تولید مىکند و طى آن مولکولهاى سنگینتر (آنهایى که شامل ایزوتوپ U238 هستند) از مرکز محور گردش دورتر مىگردند و برعکس آنها که مولکولهاى سبکترى دارند (حاوى ایزوتوپ U235 ) بیشتر حول محور سانتریفیوژ قرار مىگیرند.
در این هنگام با استفاده از روشهاى خاص گازى که حول محور جمع شده است جمع آورى شده به مرحله دیگر یعنى دستگاه سانتریفیوژ بعدى هدایت مىگردد. میزان گاز هگزافلوراید اورانیوم شامل U235 که در این روش از یک واحد جداسازى بدست مىآید به مراتب بیشتر از مقدارى است که در روش قبلى )Gaseous Diffusion( بدست مىآید، به همین علت است که امروزه در بیشتر نقاط جهان براى غنى سازى اورانیوم از این روش استفاده مىکنند.
بزرگترین دستگاههاى آبشارى سانتریفیوژ در کشورهایى مانند فرانسه ، آلمان ، انگلستان و چین در حال غنى سازى اورانیوم هستد. این کشورها علاوه بر مصرف داخلى به صادرات اورانیوم غنى شده نیز مىپردازند. کشور ژاپن هم داراى دستگاههاى بزرگ سانتریفیوژ است، اما تنها براى مصرف داخلى اورانیوم غنى شده تولید مىکند.
غنى سازى اورانیوم از طریق میدان مغناطیسى
یکى از روشهاى غنى سازى اورانیوم استفاده از میدان مغناطیسى بسیار قوى مىباشد. در این روش ابتدا اورانیوم هگزا فلوئورید را حرارت مىدهند تا تبخیر شود. از طریق تبخیر ، اتمهاى اورانیوم و فلوئورید از هم تفکیک مىشوند. در این حالت ، اتمهاى اورانیوم را به میدان مغناطیسى بسیار قوى هدایت مىکنند. میدان مغناطیسى بر هستههاى باردار اورانیم نیرو وارد مىکند ( این نیرو به نیروى لورنتس معروف مىباشد) و اتمهاى اورانیوم را از مسیر مستقیم خود منحرف مىکند. اما هستههاى سنگین اورانیم U(238 ) نسبت به هستههاى سبکتر U(235 ) انحراف کمترى دارند و درنتیجه از این طریق مىتوان U235 را از اورانیوم طبیعى تفکیک کرد.
کاربردهاى اورانیوم غنى شده
شرایطى ایجاد کرده اند که نسبت U235 به U238 را به 5 درصد مىرساند. براى این کار و تخلیص کامل اورانیوم از سانتریفوژهاى بسیار قوى استفاده مىکنند.
براى ساختن نیروگاه اتمى ، اورانیوم طبیعى و یا اورانیوم غنى شده بین 1 تا 5 درصد کافى است.