سانتریفیوژ تکنیکی ساده اما حیاتی در توسعه علوم

سانتریفیوژ به هر دستگاهی گفته می‌شود که با سرعت زیادی به دور خود چرخیده و در همین حال با استفاده از نیروی گریز از مرکز ایجاد شده مواد درون خود را نیز به بیرون پرتاب می‌کند. بررسی این فرآیند در نوع خود کار ساده‌ای است. آزمایشی ساده می‌تواند بسیاری از علامت پرسش‌ها را از میان بردارد. سطل آبی را برداشته و درحالی که تا نیمه پر از آب است با سرعت به دور خود چرخانده و پس از چند دور پرتاب کنید. به خوبی دیده می‌شود که به واسطه نیروی گریز از مرکز ایجاد شده، آب درون سطل از آن بیرون نمی‌ریزد. این پایه و اساس سیستم‌های سانتریفیوژ به حساب می‌آید.

در یک سانتریفیوژ واقعی نیز فرآیند مشابهی روی می‌دهد. به واسطه چرخش بسیار سریع محفظه‌ای به دور خود، هر آنچه در درون آن وجود دارد به سمت بیرون تحت فشار قرار می‌گیرد. این دستگاه می‌تواند در برگیرنده هر ماده‌ای باشد. از نمونه‌های خونی گرفته تا مواد شیمیایی مختلف. از این رو نمونه‌های آن بسیار متنوع است. به عنوان مثال ناسا دارای سانتریفیوژ عظیمی است که از آن برای قرار دادن فضانوردان در معرض نیروهای شدید استفاده می‌شود. نیروی گریز از مرکز تولید شده در این سانتریفیوژ می‌تواند شبیه‌سازی بسیار مناسبی از نیروی گرانشی باشد که در زمان پرتاب فضاپیماها بر بدن فضانوردان وارد می‌شود.

سانتریفیوژ، لازمه اصلی غنی‌سازی اورانیوم

در فرآیند تولید سوخت هسته‌ای و استفاده از آن در نیروگاه‌ها که با هدف تولید انرژی نظیر الکتریسیته صورت می‌گیرد، سانتریفیوژها نقش اساسی را در غنی‌سازی اورانیوم ایفا می‌کنند به طوری که در صورت نبود آنها عملا مانع بزرگی بر سر راه غنی‌سازی اورانیوم به وجود می‌آید. پس از آن‌که سنگ معدن اورانیوم از معادن استخراج شد، آسیاب شده و به شکل پودر درمیآید. براساس برآوردهای صورت گرفته شده از هر تن سنگ معدن اورانیوم بالغ بر 140‌‌کیلوگرم اورانیوم طبیعی حاصل می‌شود که فقط می‌توان حدود یک کیلوگرم اورانیوم خالص 235 به دست آورد یعنی در مجموع یک کیلوگرم اورانیوم خالص از هر هزار کیلوگرم سنگ معدن اورانیوم. در ادامه اسید سولفوریک به مواد افزوده شده و پس از طی‌شدن چند مرحله دیگر اکسید اورانیوم با اسید سولفوریک ترکیب می‌شود و در نهایت سولفات اورانیل حاصل می‌شود و در آخر با افزودن حلال‌های مخصوصی به سولفات اورانیل، ماده جامدی به نام کیک زرد به وجود می‌آید که شامل 70 درصد اورانیوم بوده و دارای خواص پرتوزایی می‌باشد. برای غنی‌سازی اورانیوم، باید ابتدا کیک زرد را با اتم فلوئور ترکیب کرده و به صورت گاز هگزا‌فلوراید اورانیوم درآورد. از اینجا به بعد است که غنی‌سازی اورانیوم به واسطه استفاده از فناوری سانتریفیوژی کامل می‌شود. البته روش‌های مختلفی برای این منظور وجود دارد اما بررسی‌ها نشان داده‌اند که استفاده از سانتریفیوژ بهترین و مؤثرترین روش برای غنی‌سازی اورانیوم به حساب می‌آید.

غنی‌سازی اورانیوم با استفاده از فناوری سانتریفیوژ برای نخستین بار حدود 40 سال پیش به وسیله مهندس آلمانی به نام زیپه صورت گرفت. البته از آن زمان تا به اکنون این فناوری با تغییرات و پیشرفت‌های گوناگونی همراه بوده است. در کل 2 روش سانتریفیوژ و پخش گازی پایه صنعتی غنی‌سازی در کل جهان وجود دارد. روش سانتریفیوژ در مقیاس صنعتی ابتدا در هلند در دهه 60 میلادی مورد استفاده قرار گرفت، برای این منظور توسعه مواد با استقامت و خواص ویژه و ساخت یاطاقان‌های پیشرفته برای سانتریفیوژهایی با سرعت دورانی زیاد لازم می‌بود. در آلمان و انگلستان نیز این روش توسعه یافت و در سال 1970 سه کشور آلمان، هلند و انگلستان شرکتURENCO را برای توسعه این فرآیند و عرضه سرویس غنی‌سازی به بازار بین‌المللی تشکیل دادند. این فرآیند در دهه 80 در کشورهای آمریکا، فرانسه، ژاپن، استرالیا و چند کشور دیگر نیز به کار گرفته شده است. البته باید یادآوری کرد که استفاده از سانتریفیوژ برای جداسازی مواد با جرم‌های ویژه مختلف از صد سال پیش شروع شده است ولی در آن زمان بحث غنی‌سازی به هیچ‌وجه مطرح نبود، به طوری که از سال 1919 میلادی این روش برای جداسازی ایزوتوپ گازها مورد استفاده قرار گرفت؛ تا این‌که در جنگ جهانی دوم از دستگاه سانتریفیوژ برای غنی‌سازی اورانیوم استفاده شد.

جدای از استفاده از این فرآیند در غنی‌سازی هسته‌ای، استفاده از آن برای دانشمندان علوم مختلف مزایای قابل توجهی داشته است. دانشمندان می‌توانند با استفاده از این تکنیک به جداسازی مایعات و تفکیک آنها به ذرات سازنده آنها بپردازند و جالب این است که پس از توقف فرآیند سانتریفیوژ، ذرات جدا شده دیگر با یکدیگر ترکیب نمی‌شوند. یکی دیگر از موارد استفاده سانتریفیوژ در امور پزشکی و تجزیه و تحلیل نمونه‌های خونی است. زمانی که نمونه خونی در دستگاه سانتریفیوژ قرار می‌گیرد، دستگاه شروع به چرخش بسیار سریع کرده و در ادامه عناصر سازنده خون از یکدیگر جدا می‌شوند به طوری که سلول‌های خونی در کف محفظه و سلول‌های پلاسما به بالای محفظه می‌روند. امروزه استفاده از این تکنیک در فعالیت‌های هسته‌ای به دلیل پیچیدگی‌ها و دشواری‌هایی که دارد، فرآیندی سخت و پرهزینه به حساب می‌آید و از این تکنیک تنها برخی کشورهای جهان می‌توانند از آن استفاده کنند و معمولا فناوری آن به جهت مزایای قابل توجهی که به همراه دارد در دسترس سایر کشورها قرار نمی‌گیرد. با این حال در چند سال اخیر بحث استفاده از سانتریفیوژها در غنی‌سازی اورانیوم در داخل کشور به شدت دنبال شده و نتیجه تحقیقات به عمل آمده در این زمینه خودکفایی کشور را به دنبال داشته است.

فاطمه پورمزرعه