دانلود مقاله مواد رادیو اکتیو ، استخراج و آماده سازی جهت استفاده در راکتورها و تولید برق . ( بررسی چرخه سوخت هسته ای و تکنولوژی پالایشی در ایرا

بخشی از مقاله

مواد راديو اكتيو، استخراج و آماده سازي جهت استفاده در راكتورها و توليد برق. (بررسي چرخه سوخت هسته اي و تكنولوژي پالايشي در ايران)

فصل اول

معرفي مواد پرتوزا

1-1- راديواكتيويته (Radio activity)
فروپاشي خودبخود هسته يك اتم باعث گسيل پرتوهائي از اتم مي گردد كه اين پديده را راديواكتيويته وپرتوهاي ساطع شده را در مجموع تشعشعات راديو اكتيو مي نامند كه خود شامل اشعه فروپاشي خودبخود هسته يك اتم باعث گسيل پرتوهائي از اتم مي گردد كه اين پديده را راديواكتيويته وپرتوهاي ساطع شده را در مجموع تشعشعات راديو اكتيو مي نامند كه خود شامل اشعه از جنس هسته هليم (بارمثبت)، اشعة از الكترونها ( بار منفي ) و اشعه است كه آن نيز از سري امواج الكترومانيتيك با فركانس

بالا مي باشد و مي توان ذرات فوتون را به آن نسبت داد. قدرت نفوذ اشعه در شرايط متعارفي در حدود چند سانتيمتر در هوا بوده بطوريكه با يك ورق كاغذ براحتي مي توان جلوي آنها را سد كرد. اشعة حداكثر تا 5/1 ميلي متر در سرب قابليت نفوذ داشته و بالاخره اشعة داراي قدرت نفوذ بسيار زيادي است و تا چندين سانتيمتر در سرب نفوذ مي كند. پرتوهاي راديواكتيو بهنگام برخورد با مواد گوناگوني سه اثر مختلف از خود بجا مي گذارند:
1-1-1- اثر شيميائي:

نظير اثر نور بر امولوسيونهاي حساس وفيلم عكاسي ( كه منجر به كشف اشعة راديواكتيو توسط هانري بكرل (1896) گرديد):
1-1-2- اثر لومينسانس ( فسفرسانس) :
اين پديده تحت عنوان Scintillation در ساختمان دستگاه هاي سنتيلومتر مورد بحث قرار خواهد گرفت.
1-1-3- اثر يونيزاسيون:

كه باعث يونيزه شدن برخي از گازها مي شود كه اين خاصيت نيز بنوبه خود اساس كار برخي از وسايل سنجش راديواكتيويته مي باشد. (شمارشگر هاي گايگر)
هستة اتم با تشعش پرتوهاي به هسته‌اي متفاوت با خواص جديد تبديل مي‌گردد. به عبارتي با تغيير جرم و عدد اتمي كه ناشي از خروج پروتونها در قالب اشعه و الكترونها در قالب اشعة است اتم جديدي بوجود مي‌آيد. اين پديده تحت عنوان تلاش هسته‌اي يا تلاشي راديواكتيو ناميده مي شود. مي‌دانيم مقدار تغييرات لحظه اي فوق نسبت به اتمهاي حاضر در اتم(N) در لحظة دلخواه (T) مقدار ثابتي است ( قانون تجزيه) ، يعني:
( = مقدار ثابت براي هر ايزوتوپ )

به عبارتي نسبت تلاشي هر هسته با تعداد اتمهاي حاضر آن ايزوتوپ بوجود آمده نسبت مستقيم دارد.
(N تعداد اتمهاي اوليه در لحظه t=0)
قانون تجزيه

هرگاه حالتي رادر نظر بگيريم كه نصف اتمهاي اوليه تبديل به اتمهاي حاضر شده اند يعني نسبت باشد، داريم:

در اينجا t را با نمايش داده و آنرا نيمه عمر آن اتم مي ناميم.
(Half-Life)

پس مدت زمان لازم براي تبديل نصف اتمهاي اوليه به اتمهاي ثانويه مي باشد. اين زمان براي اتمهاي گوناگون متفاوت بوده و مثلاً براي پلونيوم – 214 برابر ثانيه وب راي اروانيوم –238 برابر سال مي باشد. اين فعل و انفعالات تا جائي ادامه مي‌يابد كه منتهي به ايجاد يك اتم پايدار گردد. تا به حال سه سري از اين واكنش ها شناسايي شده اند كه پس از طي مراحل واسطه‌اي همگي به سرب ختم مي‌شوند. در شكلهاي (1-1) و (1-2) دو سري اورانيوم –238 و توريم – 232 نشان داده شده اند.
در علم زمين شناسي از پديده فوق براي تعيين سن مطلق (Absolute Age) سنگها استفاده مي‌شود كه به روشهاي مختلف مثل روش اورانيوم، روش پتاسيم آرگن، روش روبيديم – استرونسيوم و كربن –14 انجام مي پذيرد.

شكل (1-1): سري تلاشي راديواكتيو مربوط به اورانيوم – 238 كه به ايزوتوپ پايدار
سرب –206 ختم مي شود.

شكل (1-2) : سري تلاشي راديواكتيو مربوط به توريوم –232 كه به ايزوتوپ پايدار
سرب –208 ختم مي شود.

1-2-1- تاريخچه
مواد راديواكتيو اورانيوم در سال 1789 توسط M.H.Klaproth كشف و بخاطر همزماني آن با كشف سياره اورانوس در آن دهه (1781) بنام اورانيوم خوانده شد ولي براي اولين بار بطور خالص توسط Peligot (1841) تهيه گرديد. توريوم نيز در سال 1828 توسط J.Berzelius كشف شد. با كشف پديده راديواكتيويته توسط بكرل، (1896) و مطالعات پرارزش بعدي توسط دانشمنداني نظير راترفورد، كوري، گابگر، ماير، ويلورد، بكلر، چادويك و سرانجام كشف راديواكتيويتة مصنوعي توسط ايرن و ژوليوكوري (1934) اهميت مواد راديواكتيو فزوني يافت.

1-2-2- 1- كاربرد:
مواد راديواكتيو انفجار دو بمب اتمي در 1945 قدرت بسيار عظيم انرژي اتمي را بر همگان روشن ساخت و از آن ببعد موج جديدي براي اكتشاف اورانيوم و دستيابي به انرژي هسته‌اي آغاز گشت. تا قبل از آن تاريخ مهمترين استفاده از سنگهاي معدني اورانيوم بخاطر تهيه راديوم بود كه براي اولين بار توسط كوري ها كشف شده بود. راديوم در آن موقع بعنوان يك منبع راديواكتيو براي آزمايشات فيزيكي و شيميائي گوناگون اربرد داشت و در نتيجه اورانيوم بعنوان يك محصول فرعي راديوم محسوب مي شد.
از خود اورانيوم نيز بعنوان ماده رنگين در صنايع سراميك و شيشه سازي عكاسي و بعنوان كاتاليزور در برخي واكنشهاي شيميائي و موارد محدود ديگري استفاده مي‌شد.
1-2-1-1- تكنولوژي هسته‌اي:

نياز به اورانيوم براي مصارف صنعتي با كنترل انرژي اتمي آغاز شد و پيشرفتهاي بسيار چشمگيري در تكنيكهاي اكتشافي و استخراج آن بوقوع پيوست. اهميت انرژي اتمي را زماني بهتر درك مي‌كنيم كه بدانيم چيزي حدود 500 گرم اورانيوم خالص ( كه مكعبي به ابعاد 5/1 اينچ مي شود) در حدود 10000 وات- ساعت انرژي توليد مي‌كند كه معادل انرژي حاصل از احتراق 1500 تن زغالسنگ است. در حال حاضر در حدود 375 نيروگاه اتمي در جهان در حال كار بوده و در حدود 15% انرژي مورد نياز در جهان را تأمين مي ‌كنند و صنايع ديگري نيز با استفاده از انرژي اتمي مشغول بكار هستند.

كاربردهاي وسيع تكنولوژي هسته‌اي را در همه جا مي‌توان يافت از جمله در ايران از فعاليتهاي سازمان انرژي اتمي ايران در زمينة استرليزاسيون با اشعة گاما و يا توليد راديوايزوتوپ هاي داروئي مي‌توان نام برد.
اورانيوم خالص طبيعي حاوي حدود 28/99% ايزوتوپ اورانيوم –238 و 71/0% اورانيوم – 235 و0057/0 % اورانيوم –234 است كه در اين ميان تنها ايزوتوپ – 235 قابليت شكافتن با نوترونهاي حرارتي را داراست و از اين رو بايستي بوسيله روشهاي پيچيده‌اي از اورانيوم طبيعي جدا شود. دو ماده ديگر نيز بعنوان سوخت مي‌توانند بكار روند: اورانيوم –233 كه بطريق «تحولات زاينده» از توريوم – 232 بدست مي آيد و نيز پلوتونيوم –239 كه آن نيز بطور مصنوعي از اورانيوم –238 حاصل مي شود. ولي تقريبا تمامي راكتورهاي در حال بهره برداري در جهان با اورانيوم – 235 و تعداد كمي با پلوتونيوم –239 كار مي‌كنند.

بنابراين هدف اصلي پروژه هاي اكتشافي عنصر اورانيوم مي باشد چرا كه فعلاً توريوم مصرف چنداني مگر بعنوان ديرگداز در ساخت برخي آلياژهاي مخصوص ندارد و مصرف جهاني آن تنها حدود 300 تن در سال است. در قسمتهاي بعدي نيز اكثراً تأكيد بر اورانيوم داشته و فقط در مواردي از توريوم نيز ذكر مي شود.

پس از استفاده از سوختهاي هسته اي در راكتورها برخي از مواد باقيمانده مجدداً با اعمال فرايندهائي روي آنها بعنوان سوخت به راكتور بازگردانده و برخي بصورت پس مانده‌ها بايستي از جريان خارج شوند. امروزه مسئله از بين بردن و يا به عبارت صحيح تر از سترس خارج شدن اين مواد كه فوق العاده قدرت آلوده كنندگي دارند از جمله مشكلات فرعي تكنولوژي هسته‌اي مي باشد. بخصوص آنكه مسئله دفن زباله هاي اتمي نياز به مطالعات و بررسي بسيار دقيق و كنترل شده ژئوتكنيكي و مهندسي بهداشت دارند؛ چرا كه نشت اين مواد در اثر هر عامل پيش بيني نشده اي مي تواند زندگي و محيط زيست همه موجودات را بشدت به خطر اندازد.

به طور خلاصه كليه مراحل اكتشاف ،استخراج، كانه آرائي و غني سازي، تهيه ميله هاي سوخت راكتور ، توليد جريان برق از نيروگاه هاي هسته اي و سرانجام دفن پس مانده ها را در سيكلي به نام چرخه سوخت هسته اي نمايش مي‌دهيم ؛ (شكل 2-1) ابتداي اين چرخه‌ها با اكتشاف و استخراج اين مواد از زمين شروع شده و انتهاي آن نيز با دفن اين مواد در زمين خاتمه مي يابد. كه بدين ترتيب لزوم حضور كارشناسان معدن، زمين شناسي و ژئوتكنيك را در اين دو مرحله و داشتن يك اطلاعات كلي از ساير مراحل را براي اين افراد بخوبي توجيه مي كند.

بنا به گزارشات آژانس بين المللي انرژي اتمي ميزان تقاضا براي اورانيوم از 100-85 هزار تن ( با ضريب تبديل 85/0 ) در سال 1985 به حدود 800-200 هزار تن در سال 2000 خواهد رسيد. ( اين آمار شامل بلوك شرق نمي‌شود).
در شكلهاي (2-2) و((2-3) ميزان توليد جهاني و نيز ميزان تقاضا براي اورانيوم در سطح جهان نشان داده شده است.

شكل (2-2) : نمودار مربوط به توليد اورانيوم در جهان در طول سالهاي (1980-1952)

شكل (2-3)

در حال حاضر در انبارهاي كشورهاي توليد كننده اورانيوم در حدود 100.000 تن موجود مي‌باشد.
قيمت اورانيوم با توجه به نوسانات اقتصادي جهان كه بنوبه خود به بازار جهاني نفت بر مي گردد و نيز به ميزان عرضه و تقاضاي آن بستگي دارد. در عين حال توليد كنندگان اصلي اين ماده نيز براي حفظ بازار و ديگر عوامل اقتصادي مربوطه بر روي اين ماده نيز براي حفظ بازار و ديگر عوامل اقتصادي مربوطه بر روي اين ماده نرخ گذاري مي‌كنند. بطوريكه در سال 1974 برخي پيش بيني نموده بودند كه در طول سالهاي 1979 تا 1982 مي بايست قيمتها از حدود $24 به $30 براي هر كيلوگرم افزايش يابد…
(CANADIAN MINIG JOURNAL, Feb,1974)

در خاتمة اين قسمت يادآوري اين نكته بجاست كه با توجه به گسترش روز افزون تكنولوژي هسته‌اي، علوم و فنون مرتبط با آن نيزسريعاً در حال گسترش هستند و بد نيست اشاره كنيم كه اورانيوم و توريم تنها مواد سوخت

هسته‌اي بوده و در راه شناسائي، اكتشاف و استخراج و بهره برداري از ساير عناصر طبيعي نيز كه مواد ساختماني در تكنولوژي هسته‌اي بشمار مي‌روند، پيشرفتهاي فراواني صورت گرفته است. گرافيك بسيار خالص، كادميوم تنگستن، زيركونيم، موليبدن، تانتاليوم، تيتانيوم، نيوبيوم ، آلياژهاي بسيار مخصوص فولاد، منيزيم ، آلومينيم و برخي از عناصر نادر ازجمله ديگر مواد اساسي مورد نياز در تكنولوژي هسته‌اي بشمار مي‌روند.
1-3- شيمي عناصر راديواكتيو

1-3-1- شيمي اورانيوم:
اورانيوم فلزي راديواكتيو و نقره‌اي رنگ با ساختمان الكتروني و عدد اتمي 92 و وزن مخصوص آن 04/19 گرم بر سانتي متر مكعب و داراي نقطه ذوب و نقطه جوش است. اورانيوم در گروه آكتينيدها بوده و آخرين عنصر طبيعي جدول مندليف محسوب مي شود. اورانيوم داراي عدد اكسيداسيون 3-4-5 و6 مي‌باشد.
اكسيدهاي اورانيوم كه از اجزاء اصلي تركيبات و كاني هاي اورانيوم بشمار مي روند از پيچيده ترين ساختمانهاي شيميائي برخوردارند از اين رو فرمول دقيق بسياري از تركيبات و كاني هاي آن بدرستي شناخته نشده است.

مهمترين اكسيدهاي اورانيوم، عبارتند از ( به رنگ سياه قهوه اي) ( به رنگ سياه سبز) و ( به رنگ زرد نارنجي) معمولترين حالتهاي اكسيداسيون اورانيوم در طبيعت هستند كه نيز بسادگي بصورت مي‌تواند اكسيد شود. كاني‌هاي اورانيوم حاوي معمولاً تيره رنگ و فاقد خاصيت فلوئورسانس در زير اشعة ماوراء بنفش هستند و متاميكتيزاسيون در مورد آنها صورت مي گيرد.

اين دسته غالباً منشاء اوليه داشته و عناصر نظير Ce, Zr,Ca,Th ساير عناصر نادر خاكي مي توانند جانشين يون گردند. كاني هاي اورانيوم حاوي از دو سري تشكيل شده اند: الف – سري اورانات ها به فرمول كلي و معمولاً به رنگ قرمز، نارنجي و قهوه اي بوده و در معرض اشعه ماوراء بنفش گاهي فلوئورسانس قرمز يا نارنجي از خود نشان مي دهند. ب- سري اورانيل ها شامل يون كه بطور بارزي پايدار بوده و بخاطر شكل غيرعادي و اندازه بزرگ اين يون بندرت جانشيني در مورد آن صورت مي گيرد. اين كاني ها معمولاً به رنگهاي زرد يا سبز بود، و اغلب داراي خاصيت فلوئورسانس مشابهي هستند. كاني هاي حاوي معمولاً منشاء ثانوي داشته و بندرت متاميكت مي شوند .در شكل (3-1) پايداري اكسيدهاي ( محلول درآ‘) بصورت توابعي از PH و Eh محيط نشان داده شده است.

روشهاي متعدد پيچيده‌اي جهت تهية اورانيوم فلزي وجود دارند كه اكثراً در مراحل نهائي آنها از استخراج نيترات اورانيل از محلولهاي آبي به كمك اتر و يا ساير محلولهاي آلي استفاده مي شود.

1-3-2- شيمي توريوم:
توريوم فلزي راديواكتيو و خاكستري رنگ با ساختمان الكتروني و عدد اتمي 90 و وزن اتمي حدود 038/232 مي باشد. وزن مخصوص آن 7/11 گرم برسانتيمتر مكعب و داراي نقطه ذوب 1750 و نقطه جوش 3850 است ( استفاده بعنوان ديرگداز). توريوم در گروه آكتينيدها بوده و بعنوان يكي از دو منبع اصلي مواد راديو اكتيو طبيعي بشمار مي رود. توريوم داراي عدد اكسيداسيون 4 مي باشد.

1-4- كاني شناسي اورانيوم و توريم
هر چندكه فراواني اورانيوم از عناصري مانند نقره، جيوه، كادميوم و بريليوم بيشتر است ولي ذخائر اقتصادي آن گسترش چنداني ندارند. مهمترين كاني هاي اورانيوم از اكسيدهاي آن و سپس واناداتهاي اورانيم تشكيل شده است. از ميان بيش از 200 كاني شناخته شده اورانيوم و توريوم مهمترين آنها عبارتنداز:
1-4-1- اتونيت

رنگ آن زرد روشن تا زرد سبز و بشكل صفحات ميكائي شكل است- سيستم تبلور آن تتراگوتال و سختي آن 5/2-2 است – داراي كليواژ كامل و وزن مخصوص آن 2/3 مي‌باشد. نيمه شفاف و با جلاي شيشه اي تا صدفي بوده و بشدت راديواكتيو است. تحت اشعه ماوراء بنفش داراي خاصيت فلوئورسانس برنگ زرد سبز مي باشد. در اثر حرارت تبديل به متااتونيت با دو الي شش ملكول آب مي شود. مقدار متوسط اورانيوم اين كاني حدود 1/56-3/48% است. اتونيت كاني ثانويه ناشي از دگرساني كاني هاي اورانيم دار در پگماتيت ها و رگه هاي هيدروترمال است. غالباً در مناطق دگرساني گرانيت ها نيز مشاهده مي شود.

1-4-2- كارنوتيت

رنگ آن زرد روشن و بصورت ميكروكريستالين است. معمولاً به شكل خاك يا پودري شكل يافت شده و بندرت بلورهاي هگزاگونال كاذب آن نيز مشاهده شده است. سيستم تبلور آن منوكلينيك بوده و بسيارنرم است. وزن مخصوص آن بين 0/5- 7/4 بوده و نيمه كدر با جلاي خاكي است – كارنوتيت بشدت راديواكتيو بوده و تحت اشعه ماوراء بنفش خاصيت فلورسانس از خود نشان نمي دهد –كمي در اسيدها محلول است- مقدار متوسط اورانيوم در اين كاني حدود 55-2/55% است- كارنوتيت كاني ثانوي بوده و احتمالاً ناشي از رسوبگذاري آبهاي فرو رو مي باشد و بصورت اشباع در ماسه ها، ماسه سنگها و درختان سنگ شده يافت مي شود ( كاني رسوبي)
1-4-3- توربرنيت (كالكوليت)

رنگ آن سبز زمردي و بشكل صفحات ميكائي شكل است – سيستم تيلور آن تتراگونال و سختي آن 5/2-2 است. داراي كليواژ كامل ووزن مخصوص 3/3 مي‌باشد. جلاي مرواريدي و خاصيت راديواكتيو دارد. تحت اشعه ماوراء بنفش خاصيت فلوئورسانس نشان نداده و در اسيدهاي قوي محلول است. در هواي آزاد دهيدراته شده و به متاتور برنيت با 8 مولكول آب تبديل مي شود. مقدار متوسط اورانيوم اين كاني حدود 1/47% است. توربرنيت يك كاني ثانويه ناشي از دگرساني دريچيلاند مي باشد.
1-4-4- از ديگر كاني هاي مهم اورانيوم و توريم مي توان كاني هاي زير را ذكر نمود:
- اورانينيت
(Uraninite) (پيچيلاند)

- اورانوفان


- اورانيت


- ويكسيت


- توريت


- مونازيت


- ميكروليت


- زيركن


- كوفينيت



5- وسايل آشكارسازي راديواكتيو
5-1- آشكارسازي اشعه بكمك سنتيلومتر

در اين روش از خاصيت فلوئورسانس موارد استفاده مي‌شود و با شمارش جرقه‌هاي ناشي از بمباران مادة فلوئورسانس مثل ZnS و با كمك Photomultiplier مقدار تشعشعات را اندازه گيري مي كنند. بهترين ماده بعنوان كريستال آشكارساز يدورسديم (NaI) با كمي ناخالص تاليوم است؛ (هدف از افزودن ناخالصي به يدور سديم تغيير مكان طول موجها به ناحيه مرئي است ) در اثر برخورد اشعه به كريستال يدور سديم نوري توليد مي شود كه توسط فتوكاتد به جريان الكتريكي تبديل شده (فتوالكتريك) و پس از تقويت به روش Secondary Emissions توسط آمپلي فايرها مقدار تشعشات توسط عقربه يا صفحه ديجيتال نشان داده مي شود. اين دستگاهها كه براساس Scintillation كار مي كنند سنتيلومتر ناميده شده و مي توانند در ابعاد كوچك (Hand-held Scintillometer) و يا ابعاد بزرگ جهت Airborne, Carborne باشند.
1-5-2- آشكارسازي راديواكتيو به كمك شمارنده گايگر

در اين روش از خاصيت يونيزاسيون تشعشعات راديواكتيو بر روي گازها استفاده
مي شود. بنابراين اساس كاربسيار ساده است و با اندازه گيري مقدار يونيزاسيون كه نسبت مستقيم با مقدار تشعشعات دارد؛ به مقدار راديواكتيو پي مي بريم. معمولاً شمارنده هاي گايگر شامل سه بخش مي باشد : 1- لوله استوانه اي كه ازجنس شيشه ( و گاهي فلز نازك) و به قطر حدود يك سانتي متر و طول چند سانتي متر مي باشد و كاتد كه آن نيز به شكل استوانه است درون آن قرار مي گيرد.

2- سيم نازكي كه نقش آند را داشته و در مركز استوانه شيشه اي قرار دارد.
3- گاز درون استوانه شيشه اي ( Ar يا He) كه بصورت خالص و يا بصورت مخلوط با الكل و يا يك ماده هالوژن (Br) تحت فشار چند ده اتمسفر قرار دارد.

1-5-3- اسپكترومترهاي اشعه
اساس اين دستگاهها بر متناسب بودن پالسهاي الكتريكي خارج شده از فتومولتي پلاير با پالسهاي نوراني وارده به آن ونيز متناسب بودن اين پالسهاي الكتريكي با انرژي اوليه اشعه برخورد كننده با دتكتور (آشكارساز) مي‌باشد. مهمترين مزيت اين دستگاهها جدا كردن تشعشعات ناشي از انواع ايزوتوپهاست كه اين امر كمك مهمي در تشخيص و شناسائي Source هاي ساطع كننده به ما مي كند، بعنوان مثال در اكثراسپكترومترهاي مورد استفاده ما تعيين مقدار تشعشعات ناشي از ‌‌ (ايزوتوپ راديواكتيو

طبيعي پتاسيم) و نيز مجموع تشعشعات مورد نظر است. بدين منظور از آناليزورهاي الكترونيكي استفاده مي شود(Analyzor) . هر يك از اين آناليزورهاي به ازاي ولتاژ معيني كه ناشي از مقدار مشخصي اشعه دريافت شده توسط دتكتور (Detector) است بكار افتاده و به ازاي ولتاژ معين ديگري ( كه آن نيز ناشي از مقدار مشخصي ديگري از اشعه است) از كار مي‌افتند. در نتيجه مي‌توان اشعه دريافتي را در كانالهاي مختلف تفكيك كرده و تغييرات هر يك را جداگانه بررسي نمود.

فاصله اين دو ولتاژ را Window Width يا پهناي پنجره و ولتاژ اوليه را كه بر مبناي آن آناليزور شروع بكار مي‌كند. Window Peak يا ارتفاع پنجره مي‌نامند. بنابراين با توجه به مقدار انرژي كه از مدار آناليزور عبور مي كند ، مقدار اشعه هر عنصر مشخص مي شود. يك كانال نيز جهت مجموع راديواكتيو يا Total Count بكار مي‌رود كه مجموع راديواكتيو ساطع شده از همه عناصر فوق را نشان مي دهد.

شكل (5-1): دياگرام ساختمان و طرز كار بخش هاي يك دستگاه اسپكتروسكوپ اشعه

شكل (5-1) طرز كار يك اسپكترومتر اشعه را نشان مي دهد. البته در روش فوق مقداري از انرژي هر كانال در كانال ديگر نيز عبور مي كند كه بايستي اين مقدار را تصحيح كرد كه با توجه به مدل دستگاه و ميزان دقت آن ضريب حساسيت يا “Stripping Sensitivity Constants” را محاسبه و در نتايج حاصله اثر مي دهند. بايستي توجه داشت مقاديري كه توسط كانالهاي ثبت مي شوند ناشي از خود اين عناصر نيستند، بعبارتي چون هر يك از عناصر فوق باسطوح مختلف انرژي كه مربوط به عناصر ديگري هستند خودرا نشان مي دهند يعني پيك كه عنصر ما در است با پيك عنصر دختر و نيز پيك عنصر ما در با پيك عنصر دختر مطابقت دارد. و فقط مقدار اندازه گيري شده براي عنصر مربوط به خودش مي‌باشد. در ذيل مقادير سطوح انرژي اين عناصر مادر و دختر ذكر شده اند:

انرژي ساطع شده عنصر دختر عنصر مادر
1.46 MeV

0.608-2.44 MeV

0.227-2.62 MeV

از اين رو بهنگام ثبت مقادير ناشي از آناليز براي عناصر ‏Th,U بجاي ppm از eppm
( مقدار معادل ppm) استفاده مي شود.
درشكل (5-2) سطوح انرژي مختلف نشان داده شده است.
شكل (5-3) و (5-4) نيز اسپكتروگرام هاي سري هاي و را نشان مي‌دهند.

شكل (5-2) مقايسه اسپكتروگرامهاي اورانيوم، توريوم و پتاسيم

شكل (5-4):اسپكتروگرام سري تلاشي هسته اي توريوم -232

1-5-4- روشهاي اكتشافي اورانيوم بكمك آشكارسازي اشعه
مقدمه
در اينجا با روشهاي اكتشافي اورانيوم بكمك آشكارسازي اشعه آشنا مي شويم از مراجعي كه در نوشتن اين بخش از آنها استفاده شده است مقاله اي تحت همين نام تهيه و تنظيم شده از شهروز نيكپور بدر از سراي گزارشات سازمان انرژي اتمي ايران – واحد اكتشاف و نيز اصول اكتشافات ژئوشيميايي نوشته دكتر حسني پاك و بالاخره روشهاي ژئوفيزيك اكتشافي نوشته دكتر فريدون قاسمي مي باشد.

1-5-4-1- امانومتري:
در اين روش ميزان ايزوتوپهاي گاز رادون( از عناصر دختر اورانيوم) را در هاله هاي هيدروژئوشيميايي وليتوژئوشيميايي توسط دستگاه امانومتر Emanometer كه Radon Monitor يا Radon Sniffer نيز خوانده مي شود اندازه گيري مي كنند. اين روش بايستي در مراحل تفصيلي اكتشافي مورد استفاده قرار گيرد تا نتيجه مطلوبي حاصل شود.

1-5-4-2- تراك اچ:
از ديگر روشهاي اندازه گيري گاز رادون مي‌باشد: در اين روش پس از شبكه بندي منطقه مورد مطالعه فيلم هاي مخصوصي بنام « آلفا دوزيمتر‌» را داخل ليوانهايي (معمولا پلاستيكي) قرار داده و ليوان را بطور معكوس در داخل گودالهايي به عمق تقريبي 75 سانتيمتر قرار مي دهيم و روي ليوانها را مي پوشانيم. زمان لازم براي اندازه گيري بين 4 هفته تا 6 ماه است سپس با جمع آوري فيلم ها از درون ليوانها و ظهور آنها مي توان مسيرها و برخوردهاي اشعه را بر روي فيلم مشاهده كرد كه با شمارش اين خطوط در سطح هر فيلم (شمارش دقيق يك ميلي متر مربع از هر فيلم بطور ميانگيني نماينده تام سطح فيلم مي تواند باشد ) مي توان به ميزان تجمع گاز رادون در نقاط مختلف شبكه بندي در منطقه مورد مطالعه پي برد. با محاسبات آماري وجود آنومالي در منطقه را مي توان مشخص ساخت.

1-5-4-3- هليوم متري:
در اين روش از اين مسئله اسفتاده مي شود كه اشعه با ساطع شده از اورانيوم در اثر عمل يونيزاسيون تبديل به گاز He مي‌شود پس با اندازه گيري He در هاله هيدرژئوشيميائي و ليتوژئوشيميائي مي توان آنرمالي هاي اورانيم رامشخص كرد. بدين منظور سه نمونه برداري ازسه محيط مختلف مستقلاً انجام مي شود كه نتايج آنها در مجموع مورد بررسي قرار خواهند گرفت. اين سه نمونه برداري عبارتند از : 1- نمونه برداري از آب چاهها و چشمه ها، 2- نمونه برداري از گازهاي خاك، 3- نمونه برداري از خاك

1-5-4-4- اتو راديوگرافي Autoradiography
در اين روش از اثر شيميائي مواد راديواكتيو استفاده مي‌كنيم. فيلم هاي مخصوصي كه در اينجا جهت ثبت مسير حركت ذرات اشعه بر روي آنها استفاده مي شوند داراي پوششي از تركيبات نقره و غلظت 10 برابر بيشتر از فيلم هاي معمولي عكاسي مي باشند و پلاك هسته اي ناميده مي شوند. با مجاور ساختن جسم راديواكتيو با اين فيلم دراطاق تاريك كه به مدت سه هفته يا كمترانجام مي شود و ظاهر كردن فيلم مزبور پس از مدت فوق در زيرميكروسكوپ بخوبي مي توان مسير اشعه را مشاهده كرد. با اندازه گيري طول اشعه توسط متخصصين با تجربه مي توان ذرات ساطع شده از اورانيوم و توريم از يكديگر تشخيص و حتي با شمارش اشعه و در دست داشتن زمان و به شرط در تعادل بودن عنصر راديواكتيو مي توان مقدار اوزانيوم سنگ را مشخص كرد، اجتماع ذرات بدور يك جزء آكتيوشكلي را بنام اورسن ايجاد مي كند.

روش اتوراديوگرافي از جمله روشهاي پيشرفته جهت شناسايي كاني هاي حاوي عنصر راديواكتيو مي باشد كه در كشورهاي معدودي در جهان از آن استفاده مي گردد. هم اكنون در سازمان انرژي اتمي ايران نيز اين روش براي مطالعه مقاطع نازك سنگها و شناسايي كاني آكتيو بكار مي رود.بدين ترتيب كه با قرار دادن پلاك هسته اي روي مقطع نازك (Thin Section) و ثابت كردن آندو با يكديگر براي مدتي (كمتر از سه هفته ) آنها را در اطاق تاريك قرار ميدهيم. سپس پلاك را جدا كرده و در محلولهاي

شيميائي ظاهر مي كنيم در زير ميكروسكوپ بخوبي مسيرهاي پرتوهاي مشخص است اكنون پلاك ظاهر شده را روي مقطع نازك قرار مي دهيم و با توجه به علامتي كه موقع مجاور ساختن آنها روي هر دو زده ايم، پلاك و مقطع نازك را بدقت روي هم تطبيق مي كنيم . بعلت افزوده شدن ضخامت حاصل در زيرميكروسكوپ ( ضخامت پلاك + ضخامت تيغه نازك ) و با چرخاندن پيچ تنظيم ميكروسكوپ يكبار پلاك و يكبار تيغه نازك را بخوبي و بطور واضح مشاهده مي كنيم و در حالت بينابين مي توان هر دو را بطور نيمه واضح مشاهده كنيم. در اين حالت براحتي مي توانيم تشخيص دهيم كه اورسن هاي حاصل، از كداميك از كاني هاي سنگ ناشي شده اند.
1-6- معرفي اورانيوم خواص، كاربرد

مقدار اورانيوم در سطح زمين محدود است؛ و در حال حاضر مقدار آن حدود 4/2 (p.p.m) تخمين زده مي شود؛ بنابراين عنصري كمياب محسوب مي شود اورانيوم مي تواند بصورت چند ايزوتوپ وجود داشته باشد. اورانيوم طبيعي بطور معمول شامل : 006/0 درصد ، 71/0 درصد و مقدار زيادي است اورانيوم 235 قابل شكافت بوده و مي تواند منشاء ي براي توليد انرژي باشد؛ ولي اورانيوم 238 به آساني قابل شكافت نيست.

اورانيوم فلز براقي به رنگ سفيد مايل به آبي است؛ و قابليت صيقل كاري زيادي دارد. فلزي سنگين و وزن مخصوص آن 7/18 است. خالص آن، چكش خوار و نرم است و سيم به قطر كمتر از يك ميلي متر نيز، از آن ساخته شده است خواص فيزيكي اورانيوم در جدول (1-1)، آمده است.

قبل از سال 1942 ميلادي، استفاده از آن براي رنگ كردن شيشه و لعاب كاري بود؛ ولي با كشف شكافت هسته اي كنترل شده، مورد توجه صنايع هسته اي قرار گرفت. بيشترين كاربرد اورانيوم در صنايع دفاعي و هسته اي است. اورانيوم غني شده به صورت سوخت راكتورهاي هسته اي، مورد استفاده قرار مي گيرد؛و معمولاً مخلوطي از اكسيد اورانيوم ودي اكسيد پلوتونيوم است. بعلاوه از، اورانيوم غني شده به عنوان يك ماده منفجره هسته‌اي ، استفاده مي شود.

اورانيوم بعلت تشعشعات راديواكتيو، در صنعت مورد اسفتاده زيادي ندارد. اين عنصر از لحاظ شيميايي شبيه تنگستن و موليبدن بوده و مانند آنها كربورهاي ثابت مي سازد. از اورانيوم ، بطور تجربي در فولادهاي آلياژي استفاده كرده و فولادهاي تند برساخته اند. بهر حال بطوريكه گفته شد؛ بعلت گراني و راديواكتيو بودن آن، اين فولادها نيز مورد استفاده صنعتي نداشته، و بعلاوه مزيتي بر فولادهاي آلياژي ديگر ندارند.

جدول (1-1) خواص فيزيكي اورانيوم

1-6-1- منشاء و اهميت خطرات راديولوژيكي
سنگ معدن اورانيوم، بطور غالب محتوي است؛ كه اين عنصر با 13 محصول ناشي از تجزية آن، زنجيره در حال تعادل قرار دارد ( شكل 1-1). مهمترين عناصر زنجيره عبارتند از و برخي عناصر كوتاه عمر مانند : و گروهش.

نيمه عمر يك عنصر راديواكتيو، زماني تعريف مي شود كه جرم آن به نصف جرم اوليه‌اش تقليل يابد و معمولاً ميزان فعاليت عنصر مزبور را ، نشان مي دهد.
همانطوريكه از شكل مشاهده مي شود؛ عنصر اورانيوم خاصيت ساطع نمودن و انتشار پرتوهاي يون ساز را دارد. اين پرتوها در اثر تجزيه خودبخودي هسته ناپايدار اتم حاصل مي شوند و آنقدر ادامه پيدا مي كند؛ تا به يك هسته پايدار برسند. بنابراين مهمترين منبع توليد كننده آلودگي، پرتوهاي يون ساز هستند. اين پرتوها معمولاً وقتي از ماده يا بافت عبور مي كنند، مي توانند در اثر پديده تحريك يا يون سازي انرژي خود را به ماده منتقل كنند.