چگونه آبشار سانتریفیوژ گازی غلظت اورانیوم-۲۳۵ را برای سوخت رآکتورهای آب سبک افزایش می‌دهد

نتیجه غنی‌سازی اورانیوم در نقطه تغذیه هر روتور مشخص می‌شود. هنگامی که گاز هگزافلوراید اورانیوم وارد استوانه‌ای می‌شود که با سرعت ۱۰۰ هزار دور در دقیقه می‌چرخد، نیروی گریز از مرکز، ایزوتوپ‌های سنگین‌تر اورانیوم-۲۳۸ را به سمت دیواره بیرونی می‌راند و ایزوتوپ‌های سبک‌تر اورانیوم-۲۳۵ را در نزدیکی مرکز باقی می‌گذارد. این جداسازی فیزیکی در مقیاس میکروسکوپی، کل معماری چرخه سوخت هسته‌ای را دیکته می‌کند.[6]

اورانیوم طبیعی استخراج‌شده از زمین، دقیقاً حاوی ۰٫۷۱۱ درصد از ایزوتوپ شکافت‌پذیر اورانیوم-۲۳۵ است. ۹۹٫۲۸ درصد باقی‌مانده از اورانیوم-۲۳۸ تشکیل شده است که به‌تنهایی قادر به حفظ واکنش شکافت نیست. رآکتورهای آب سبک که بخش اعظم ناوگان تجاری جهان را تشکیل می‌دهند، برای فعالیت به سوختی با غنای ۳ تا ۵ درصد اورانیوم-۲۳۵ نیاز دارند.[1][3]

پر کردن این شکاف از ۰٫۷۱۱ درصد تا ۵ درصد، گلوگاه اصلی مهندسی در تولید انرژی هسته‌ای است. بر اساس گزارش وزارت انرژی ایالات متحده، این فرآیند با تبدیل اکسید اورانیوم جامد به هگزافلوراید اورانیوم (UF6) آغاز می‌شود؛ ترکیبی که در دمای نسبتاً پایین ۱۳۴ درجه فارنهایت (۵۶٫۶ درجه سانتی‌گراد) به گاز تبدیل می‌گردد.[1]

پایگاه داده اصطلاحات سازمان ملل متحد خاطرنشان می‌کند: «هگزافلوراید اورانیوم، ماده تغذیه استاندارد برای تمامی تاسیسات غنی‌سازی تجاری است.» این گاز به داخل سانتریفیوژ پمپ می‌شود، جایی که جداسازی فیزیکی بر اساس تفاوت جرمی تنها ۱٫۲۶ درصدی میان این دو ایزوتوپ صورت می‌گیرد.[4][6]

یک سانتریفیوژ منفرد نمی‌تواند غنای ۵ درصدی مورد نیاز را در یک مرحله به دست آورد. تفاوت جرمی به قدری ناچیز است که یک ماشین تنها می‌تواند غلظت اورانیوم-۲۳۵ را با ضریبی حدود ۱٫۱ تا ۱٫۲ افزایش دهد. اگر گاز تغذیه با غنای ۰٫۷۱۱ درصد وارد ماشین شود، جریان غنی‌شده - که محصول نامیده می‌شود - احتمالاً با غنای ۰٫۷۸ درصد خارج می‌گردد.[6]

برای رسیدن به آستانه ۵ درصدی مورد نیاز رآکتورهای آب سبک، گاز باید بارها پردازش شود. این محدودیت فیزیکی، ضرورت وجود «آبشار» را ایجاب می‌کند. شرکت انرژی سنتروس (Centrus Energy Corp)، یکی از تامین‌کنندگان عمده غنی‌سازی در ایالات متحده، توضیح می‌دهد که سانتریفیوژها در آرایش‌های پیچیده سری و موازی به یکدیگر متصل می‌شوند.[2]

در مستندات شرکت سنتروس آمده است: «محصول غنی‌شده از یک سانتریفیوژ به مرحله بالاتر بعدی تغذیه می‌شود، در حالی که پسماند تهی‌شده به مرحله پایین‌تر قبلی بازگردانده می‌شود.» این حلقه بازخورد پیوسته تضمین می‌کند که هیچ کار جداسازی‌ای هدر نرود.[2]

یک آبشار تجاری شامل هزاران ماشین مجزا است. اتصالات موازی، حجم کل گازی را که تاسیسات می‌تواند پردازش کند افزایش می‌دهند، در حالی که اتصالات سری، غلظت نهایی اورانیوم-۲۳۵ را بالا می‌برند. هندسه آبشار به شکل یک هرم بسیار نامتقارن است.[6]

در نقطه تغذیه که اورانیوم طبیعی وارد می‌شود، تاسیسات به بیشترین تعداد ماشین‌های موازی نیاز دارد تا بتواند حجم عظیم گاز را مدیریت کند. با حرکت گاز به سمت بالای آبشار و غنی‌تر شدن آن، حجم کل جریان محصول کاهش می‌یابد. تا زمانی که گاز به مرحله نهایی غنی‌سازی ۵ درصدی برسد، تنها کسری از ماشین‌های اولیه در حالت موازی مورد نیاز است.[6]

ریاضیات این کاهش حجم، قطعی و غیرقابل تغییر است. برای تولید یک کیلوگرم اورانیوم غنی‌شده ۵ درصدی از تغذیه طبیعی ۰٫۷۱۱ درصدی، یک تاسیسات باید حدود ۱۰٫۳ کیلوگرم اورانیوم طبیعی وارد کند، با این فرض که پسماند تهی‌شده تا غلظت ۰٫۲۵ درصد اورانیوم-۲۳۵ کاهش یابد.[6]

۹٫۳ کیلوگرم باقی‌مانده، به عنوان هگزافلوراید اورانیوم تهی‌شده از پایین آبشار خارج می‌شود. این مواد در سیلندرهای فولادی عظیم در سایت غنی‌سازی ذخیره می‌شوند و نمایانگر جرم فیزیکی‌ای هستند که باید برای دستیابی به غلظت مورد نیاز رآکتور دور ریخته می‌شد.[1][6]

شرکت نوسانو (Nusano)، فعال در زمینه ایزوتوپ‌های پزشکی و فناوری هسته‌ای، تاکید می‌کند که این فرآیند بنیادی اکنون در حال توسعه بیشتر است. در حالی که رآکتورهای آب سبک استاندارد از سوخت ۵ درصدی استفاده می‌کنند، طراحی‌های پیشرفته رآکتور به اورانیوم با غنای پایین اما خلوص بالا (HALEU) نیاز دارند که بین ۵ تا ۲۰ درصد غنی شده است.[5]

نوسانو در ژوئیه ۲۰۲۶ گزارش داد: «سوخت HALEU امکان طراحی رآکتورهای کوچک‌تر و چرخه‌های عملیاتی طولانی‌تر بین هر بار سوخت‌گیری را فراهم می‌کند.» دستیابی به این غلظت بالاتر نیازمند گسترش آبشار و افزودن مراحل سری بیشتر است تا کسر اورانیوم-۲۳۵ را از مرز تجاری سنتی فراتر ببرد.[5]

بهره‌وری انرژی سانتریفیوژ گازی، این گسترش را از نظر اقتصادی توجیه‌پذیر می‌کند. پایگاه هایپرفیزیکس کانسپتس (HyperPhysics Concepts) خاطرنشان می‌کند که سانتریفیوژها تنها حدود ۲ درصد از برق مورد نیاز روش قدیمی‌تر انتشار گازی را که جایگزین آن شده‌اند، مصرف می‌کنند.[3]

در روش انتشار گازی، گاز UF6 با فشار از غشاهای متخلخل عبور داده می‌شد که نیازمند کمپرسورهای عظیم و نیروی برق فوق‌العاده‌ای بود. گذار به سانتریفیوژها اقتصاد چرخه سوخت هسته‌ای را اساساً تغییر داد و هزینه غنی‌سازی را به جای برق مصرفی، به ساخت دقیق روتورها محدود کرد.[1][3]

این روتورها باید برای دهه‌ها بدون نیاز به تعمیر و نگهداری به‌طور پیوسته بچرخند. از آنجا که گاز UF6 به شدت خورنده است، اجزای داخلی از آلیاژهای تخصصی آلومینیوم، فولاد مارایجینگ یا کامپوزیت‌های فیبر کربن ساخته می‌شوند.[6]

اگر یک روتور در سرعت ۱۰۰ هزار دور در دقیقه از کار بیفتد، فوراً متلاشی می‌شود. اپراتورهای تاسیسات، محفظه‌های آلومینیومی اطراف هر سانتریفیوژ را به گونه‌ای طراحی می‌کنند که ترکش‌ها را مهار کرده و از نابودی ماشین‌های مجاور در آبشار متراکم بر اثر یک نقص مکانیکی جلوگیری کنند.[6]

تعداد دقیق مراحل و ضریب جداسازی دقیق ماشین‌های منفرد، همچنان به عنوان اسرار تجاری و دولتی به‌شدت محافظت می‌شوند و تابع معاهدات بین‌المللی منع گسترش سلاح‌های هسته‌ای هستند. همان معماری آبشاری که سوخت ۵ درصدی رآکتور را تولید می‌کند، در صورت پیکربندی مجدد، می‌تواند غنای ۹۰ درصدی مورد نیاز برای تسلیحات را نیز تولید کند.[4][6]

آژانس بین‌المللی انرژی اتمی این تاسیسات را با اندازه‌گیری جریان جرمی گاز UF6 ورودی و خروجی نظارت می‌کند تا اطمینان حاصل کند که آبشار دقیقاً مطابق با آنچه اعلام شده عمل می‌کند. محدودیت‌های فیزیکی سانتریفیوژ ایجاب می‌کند که هرگونه انحراف از جریان محصول ۵ درصدی، نیازمند تغییر قابل‌اندازه‌گیری در تغذیه و پسماند باشد و بدین ترتیب، خروجی تاسیسات را به ورودی قابل‌راستی‌آزمایی آن گره می‌زند.[6]