فرآوري شامل خردايش و شستشو و جدايش در محيط سنگين است. براي مگنتيت مي‌توان از جدايش مغناطيسي كمك گرفت. اكسيد آهن مصنوعي به روش‌هاي متنوعي از جمله فروپاشي دمايي ته‌نشيني مستقيم, فرآيند آنيلين يا سنتز بروش بخار توليد مي‌شود.
در راستاي استفاده بهينه از ضايعات و توليد اقتصادي با جمع‌آوري گرد و غبار، لجن و پوسته‌هاي اكسيدي، آهن اسفنجي به روش ‏RHF‏ يا (‏Rotary heary furnace‏) توليد شد.‏
واحد ‏RHF‏ كه مجموعه‌اي از تجهيزات شامل يك مخزن مخلوط مواد با كربن، ديسك مخصوص جهت تبديل مواد به گندله و يا تبديل مواد به بريكت توسط تجهيزات خاص، كوره خشك‌كن و كوره چرخشي مورد نظر است، گندله را در مدت ‌10 تا ‌20 دقيقه تحت اتمسفر احياي كوره تبديل به آهن اسفنجي مي‌كند.‏
مواد ورودي اين واحد از غبارات سنگ آهن، لجن‌ها و پوسته‌هاي اكسيدي حاصل از توليد محصولات فولاد تشكيل شده به منزله كاهش آلودگي و توليد اقتصادي در كارخانه‌هاي فولادسازي پيشرفته جهان به‌كار مي‌رود و ضايعات و مواد ورودي پس از مخلوط شدن با كربن در مسير پروسس توليد كلوخه، تبديل به گندله يا بريكت گشته و پس از عبور از كوره شك كن به منظور افزايش استحكام آن وارد كوره ‏RHF‏ شده و عمليات احيا صورت مي‌گيرد.‏ استحكام آهن اسفنجي (‏DRI‏) به دست آمده از اين طريق در حدود ‌5/1 برابر استحكام سنگ آهن زينتر شده ‌باشد. ‏
با توجه به اينكه در صنايع توليد فولاد هميشه مقداري از مواد ورودي به سيستم به صورت ضايعات به هدر مي‌رود، بنابراين جمع‌آوري و بازگشت آنها به چرخه توليد در حد امكان كمك بزرگي در جهت رفع آلودگي‌هاي زيست محيطي و همچنين كاهش هزينه‌هاي توليد بوده و در واقع به منزله حداكثر استفاده از منابع خواهد بود.‏

آهن اسفنجي:
در خلال سي سالي که از معرفي فرآيند ميدرکس در احيا مستقيم مي‌گذرد، اين روش تکنيک‌هاي بسياري را به منظور کارايي بيشتر به کار گرفته که عبارتند از:
- استفاده از کوره‌هاي بزرگتر
- افزايش بازيابي گرما
- چگونگي شکست گاز و توليد گاز احيايي
- استفاده از کاتاليست‌هاي بهينه شده
- استفاده از بريکت گرم
- اين مقاله به نحوه بهينه‌سازي فرآيند ميدرکس طي شش فازي که به‌دنبال اين مي‌آيند مي‌پردازد.

فاز 1 - در اين فاز طبق فرآيند اصلي ميدرکس از شارژ صد در صد گندله به عنوان ورودي استفاده شد.
فاز 2- در اين فاز سنگ آهن درشت دانه نيز به ورودي اضافه گرديد
فاز 3 - پو شش دادن گندله ورودي
فاز 4 - تزريق اکسيژن به داخل کوره
فاز 5 - معرفي سيستم اکسي پلاس، اين روش يکي از فناوري‌هاي ميدرکس است که طي آن نرخ شکست گاز طبيعي به وسيله افزودن اکسيژن و حرارت بهبود داده مي‌شود.
فاز 6- در اين فاز روش تزريق اکسيژن و تکنيک اکسي پلاس به منظور دستيابي به کارايي بهينه فرآيند شکست گاز را با يکديگر تلفيق مي‌کنند.

بهره‌وري در کوره احيا
مهمترين عاملي که در موفقيت فرآيند ميدرکس دخيل است بهينه‌سازي مستمر بهره‌وري کوره است. چالش اصلي در اين زمينه همواره افزايش نرخ و درجه مصرف گازهاي احيايي (هيدروژن و منواکسيد کربن) در کوره بوده است که اين عامل اثر عميقي بر بهره‌وري کوره و مصرف بهينه انرژي دارد.
طي 30 سال گذشته به‌کار گيري اين گازها در کوره‌هاي احيا تا 25 درصد بهبود داده شده است و به اين مهم با بهبود يکنواختي برخورد گاز با سطح مواد ورودي و افزايش دماي گاز احيايي دست يافته‌اند.

بکارگيري فرآيند اصلي ميدرکس (دهه هفتاد)
بکارگيري فرآيند اصلي ميدرکس در اوايل دهه هفتاد با گندله بعنوان تنها ورودي و گاز احيايي با دماي پايين همراه بود. دماي پايين گاز به علت تمايلي بود که مواد نسبت به به‌هم چسبيدن از خود نشان مي‌دادند.
بکارگيري سنگ‌آهن درشت دانه (دهه هشتاد)
شارژ سنگ‌آهن دشت دانه براي اولين بار در اواسط دهه 70 در کوره‌هاي ميدرکس به‌کار گرفته و طي دهه 80 گسترش پيدا کرد. شارژ سنگ آهن بدين صورت اين حسن را به ارمغان آورد که جلوي چسبيدن مواد ورودي و پديد آمدن قطعات بزرگ و بروز اختلال در حرکت مواد در کوره را مي‌گرفت. در اين زمان دماي گاز احيايي توانست به حدود 780 تا 850 درجه سانتيگراد افزايش داده شود و اين روش‌ها توانست 13 درصد به بهره‌وري کوره کمک کند.‎‏

بکارگيري روش پوشش دادن گندله(PELLET COATING) (دهه نود)
فعاليت‌هاي تکميلي در دهه 80 در اواسط دهه 90 به معرفي روش پوشش دادن مواد قابل شارژ در کوره واحدهاي احيا به وسيله ‎ CaO , CaO/MgO‎‏گرديد
با افزايش علاقه به استفاده از اين روش توليدکنندگان بين‌المللي گندله نيز محصول خود را با اين روش سازگار نمودند و بدين‌ترتيب استفاده‌کنندگان روش ميدرکس توانستند دماي گاز احيايي کوره‌هاي خود را به کمي بالاتر از 900 درجه سانتيگراد افزايش بدهند که اين خود باعت افزايش کارايي کوره به اندازه يازده درصد نسبت به قبل گرديد. بين فازهاي 1 و 3 دماي گاز احيايي تا حدود 140 درجه افزايش يافت و در همين حال دماي توده مواد جاري در داخل کوره نيز حود 45 درجه افزايش دما پيدا کرد. و از اين مهمتر اينکه دستيابي به اين حد در کارايي بدون سرمايه‌گذاري هنگفت و تغييرات عمده در تجهيزات در واحد انجام گرديد.
توليد آهن اسفنجي به عنوان يکي از اساسي‌ترين مواد اوليه فولاد در بسياري از کشورهاي خاورميانه و آمريکاي لاتين انجام مي‌شود. يکي از دلائل عمده در انتخاب اين روش‌ گاز طبيعي است، گاز طبيعي که منبع اصلي سوخت در فرآيند توليد آهن اسفنجي است در بسياري از کشورهاي دنيا گران است، لذا از اين روش استفاده نمي‌کنند. هر چند که امکان دارد با تبديل به گاز کردن محصولات فرعي نفتي و زغال‌سنگي به گاز و وصل به يک واحد توليد‌کننده ‏DRI‏ جذابيت اقتصادي خاصي به‌وجود آيد. در اين مقاله کوتاه سعي بر آن است که امکانات ترکيب يک واحد تبديل گاز با يک واحد توليدي ‏ DRI‏ به روش ميدرکس مورد بررسي قرار گيرد.‏

احياي سنگ آهن
سنگ‌آهن خام به صورت ‏Fe2O3‎‏ بوده که ترکيبي از آهن و اکسيژن است و تمامي عمليات احياي سنگ‌آهن مربوط به جدا کردن اقتصادي سنگ‌آهن از اکسيژن است. آهن اصلي‌ترين بخش يک فولاد است که به عنوان پرمصرف‌ترين ماده در دنيا شهرت دارد. اگر فرآيند احياسازي سنگ‌آهن تماماً در حالت جامد انجام يابد، محصول حاصل به ‏ DRI‏ يا آهن اسفنجي شهرت مي‌يابد.‏ براي توليد ‏ DRI‏اکسيژن موجود در سنگ‌آهن در حرارت بسيار زياد نزديک به 900 درجه سانتيگراد يا 1650 درجه فارنهايت با گاز احيا کننده ‏CO (منواکسيد کربن) يا هيدروژن ‏‎(H2)‎‏ ترکيب مي‌شود. رابطه شيميايي احياي سنگ‌آهن با گازهاي احياکننده به صورت زير است:

همانگونه که از روابط بالا به دست مي‌آيد کارخانه توليدکننده ‏DRI‏ به دو گاز احيا کننده ‏CO‏ و ‏H2‎‏ نياز دارد که معمولا از گازهاي طبيعي يا ذغال حاصل مي‌گردد. هر چند بالاتر از 90 درصد در فرآيند ‏DRI‏ به عنوان سوخت گاز طبيعي استفاده مي‌شود.

‏فولادسازي
فولاد با تصفيه فولاد مذاب، سرد کردن و شکل دادن در قالب‌ها حاصل مي‌شود. دو روش اساسي براي به دست آوردن فولاد مذاب وجود دارد:
1- فرآيندي براساس ذغال‌سنگ شامل: کک متالوژي، کوره بلند و کوره اکسيژن.
2- فرآيندي براساس ذوب‌ قراضه و آهن اسفنجي به وسيله جريان قوس الکتريکي در کوره‌هايي به همين نام.
کارخانه‌اي که از نيروي برق به عنوان انرژي در قوس الکتريکي استفاده مي‌کند ميني‌ميل مي‌گويند. اغلب کارخانه‌هاي توليدکننده ‏ DRIاغلب ميني‌ميل ناميده مي‌شود. در 20 سال گذشته در بيشتر نقاط دنيا گرايش به فرآيند توليد ‏ DRI‏افزايش يافته و سهم آن در توليد فولاد دنيا بيشتر و بيشتر مي‌شود. دليل اين گرايش و توسعه هزينه پايين‌تر آن نسبت به روش کوره بلند و آسيب نرساندن به محيط زيست مي‌باشد. در روش کوره بلند به دليل استفاده از کمک به جاي سوخت آلودگي محيط‌زيست بيشتر است. در کشورهايي که هزينه آهن قراضه زياد و در عوض هزينه استفاده از گاز طبيعي ناچيز مي باشد، توليد ‏DRI‏‏ به عنوان اصلي‌ترين منبع آهن براي روش ميني‌ميل انجام مي‌پذيرد. اين شامل تمامي طبقه‌بندي‌هاي فولادي در ميني‌ميل‌ها مي‌باشد.
در بيشتر کشورهاي صنعتي دنيا براي اينکه محصول خالص‌تري به دست آورند در کوره قوس فقط از ‏ DRI‏ استفاده مي‌کنند. زيرا ‏DRI‏ ناخالصي‌هايي که در قراضه‌هاي آهن موجود است در بر ندارد. اين از اهميت ويژه‌اي برخوردار است زيرا که ناخالصي‌هاي موجود در آهن ‏‎(Mo, Ni, Cr, Sn, Zn, Cu)‎‏ اثرات مضري در خواص شيميايي و فيزيکي فولاد مي‌گذارد. از آنجايي‌که ميني‌ميل سهم بازار را هر روز بيشتر از آن خود مي‌کند، تقاضا در سطح جهان براي آهن اسفنجي هر لحظه افزايش مي‌يابد.
ميدركس، بزرگترين سازنده واحد احياي مستقيم آهن
شركت ميدركس (Inc midrex technologies) شركتي است نوآور كه حدود 3 دهه در زمينه احياي مستقيم آهن (DRI) فعاليت كرده است. اين شركت بين المللي سازنده تكنولوژي است كه به وسيله آن سنگ آهن، تبديل به آهن احيا شده با درجه خلوص بالا مي شود. آهن احيا شده در صنايع ذوب آهن و توليد فولاد داراي استفاده بسيار است.
اولين كارخانه از سلسله كارخانجات ميدركس، فعاليت توليدي و اقتصادي خود را به سال 1969 آغاز كرد و به تدريج تعداد اين كارخانه ها به 53 واحد در 19 كشور دنيا افزايش يافت كه آخرين آن ها واقع در مصر است. به طوري كه در گرماي سوزان صحراي شني عربستان يا در نقاط سرد شمال كانادا و روسيه، كارخانه هاي اين شركت بزرگ در حال توليد محصولات خود هستند.
كارخانه هاي اين شركت از سال 1987 تاكنون حدود 60 درصد كل آهن احيا شده مورد نياز جهان را تامين مي كنند و رويكرد مديران آن ها عموماً كاهش قيمت و افزايش كيفيت محصولات است كه از طريق هر چه مدرن تر كردن تكنولوژي توليد به دست مي آيد. بدين ترتيب است كه توليد آهن احيا شده توسط ميدركس از حدود يك ميليون تن در سال 1970 به چهل ميليون تن رسيده است.
علاوه بر همه اين ها ميدركس در برخي پروژه هاي زيست محيطي (بازيافت)، توليد انرژي و فعاليت هاي توليدي غيرفلزي نيز فعاليت دارد و همه محصولات آن داراي گواهينامه بين المللي 9001 ISO هستند.
ميدركس بزرگترين كارخانه توليد (DRI) جهان را در شهر ترينيداد و توباگو براي شركت بين المللي ايسپات ساخته و به مرحله بهره برداري رسانيده است. ميدركس در ايران فعاليت داشته و در حال حاضر واحدهاي احياي مستقيم چندان چندين فولاد ساز بزرگ ايراني از جمله فولاد خوزستان و فولاد مباركه اصفهان از اين دسته است.
واحد احياي مستقيم ميدركس با يكسري تغييرات و افزايش ظرفيت توليد آن با نام زمزم هم اكنون در ايران در چندين كارخانه فولاد سازي در حال نصب و يا استفاده است. ميدرکس روشي در تهيه توليد ‏DRI‏ است که در اختيار شرکت شارلوت مي‌باشد. يک تکنولوژي کاملا خصوصي، روش ميدرکس در دنيا براي توليد ‏ DRI‏‏يک روش چيره و همه‌گير است. حدود 85 درصد توليد ‏ DRI‏‏در دنيا با روش ميدرکس توليد مي‌شود.‏ به صورت فعلي حدود 49 واحد ميداکس در 16 کشور دنيا مشغول به کار هستند که تمامي اينها از گازشکن‌ها براي تبديل گاز طبيعي به ‏CO‏ و ‏H2‎‏ استفاده مي‌کنند و تنها دو واحد در آفريقاي جنوبي و کره‌جنوبي مشغول به کار هستند که واحد تبديل به گاز دارند و گازهاي مورد نياز و احياکننده خود را توليد مي‌کنند.‏ اين دو واحد در واقع از فرآيند کورکس/ ميدرکس استفاده مي‌کنند و با استفاده از فرآيند کودکي گاز احياي مورد نياز خود را به دست مي‌آورند. عملکرد فرآيند ميدرکس، احياي سنگ‌آهن خام در درون يک راکتور بلند و عمومي است که کوره ميله‌اي ميدرکس نام دارد. اين کار به اين صورت انجام مي‌گيرد که اکسيدهاي آماده آهن که به صورت گلوله‌هاي تيله شکل مي‌باشند به خاطر وزن خود به سوي پايين کوره غلتانده مي‌شوند، درست خلاف مسير گازهاي داغ احياکننده که از پايين کوره به بالا مي‌آيند. گازهاي داغ با اکسيد آهن ترکيب شده و اکسيژن آن را مي‌گيرند به اين‌صورت اکسيد آهن احيا مي‌گردد.‏

اتصال تبديل‌کننده گاز و يک واحد ميدرکس
همان‌طور که در شروع مقاله بيان شد، اغلب ‏ DRI‏ ‏‌هاي توليد شده با استفاده از گاز طبيعي به عنوان منبع سوخت ايجاد مي‌شوند. از آنجايي که گاز طبيعي با هزينه کم بسيار محدود است، متاسفانه اين روش براي همه توليد‌کننده‌هاي ‏ DRIقابل استفاده نمي‌باشد.
مناطقي مانند آسياي غربي و اروپاي غربي که توليدکننده‌هاي فولادي در آنجا مشغول به کار هستند از آن جمله محسوب مي‌گردند. بدين لحاظ دارندگان دانش فني توليد ‏ DRIدر جست‌وجوي روشي اقتصادي با استفاده از ذغال به عنوان اين منبع هستند.
به خاطر نياز به استفاده از ذغال و محصولات فرعي نفت تصفيه شده به عنوان منبع انرژي روش ميدرکس به دنبال اتصال يک تبديل‌کننده گاز با واحد ميدرکس مي‌باشد و اين طرح با شروع بحران انرژي در سال 1973 قوت گرفت. ايده کلي ترکيب يا اتصال دو فرآيند از دو سيستم کليدي به‌صورت زير تشکيل شده است:
1- کارخانه تبديل‌گننده گاز
2- کارخانه ميدرکس
3-در درون کارگاه تبديل‌کننده گاز بخش‌هاي زير موجود هستند:‏
واحد تبديل‌کننده گاز، واحد بازسازي و پاکسازي گاز، واحد بهينه‌سازي، کارگاه جداکننده هوا، در درون
کارگاه ميدرکس بخش‌هاي زير موجود هستند.
- کوره قائم ميله‌اي ميدرکس
- سيستم جمع‌کننده گازهاي ‏Co2‎‏ برگشتي
- سيستم گرم‌کننده گازهاي احيا کننده
- ديدگاه اقتصادي
ترکيب ساختمان مستقل دو کارگاه گازسازي و ميدرکس به علت هزينه سرمايه زياد روشي اقتصادي در توليد آهن اسفنجي شمرده نمي‌شود. علت اين عدم گرايش هزينه زيادي است که ساخت اين دو کارگاه در کنار يکديگر و براي يک واحد مستقل ايجاد مي‌کند. اين هزينه بالا امتياز استفاده از ذغال را در اين فرآيند به عنوان منبع اوليه سوخت که يک مزيت شمرده مي‌شود را ناديده مي‌گيرد. براي توليد گازهاي ترکيبي در واحد از فرآيند گازسازي با ذغال استفاده شده است. متأسفانه ميانگين هزينه 7/130 دلار براي واحدهاي توليدکننده آهن اسفنجي با استفاده از گاز طبيعي، فولادسازي براساس احياي سنگ‌آهن با کک و استفاده از قراضه‌هاي با کيفيت در کوره‌هاي قوس در کشوري مانند آمريکا رقم بالايي است.
سرمايه‌گذاران در جست‌وجوي رقمي حدود 120 دلار يا کمتر هستند. لذا به‌دنبال اين ديدگاه نظرشان به ترکيب کارگاه گازسازي به همراه واحد ميدرکس جلب شده است ولي استفاده از اين روش نيز نبايد هزينه واحد را از 120 دلار بالاتر ببرد.
از سوي ديگر در بسياري از نقاط دنيا ترکيب دو کارگاه مستقل گازسازي و ميدرکس از لحاظ هزينه‌اي توانايي رقابت دارد. اين ادعا به خاطر چندين دليل قابل اثبات است:‏
1- هزينه نسبتاً پايين ذغال‌ و سنگ‌آهن.
2- استفاده از محصولات فرعي و ارزان نفت.
3- پايين بودن هزينه کارگران ساختمان.
4- افزايش تقاضاي محصولات فولادي به علت کمبود.‏
5- فشار مسئولان محيط‌زيست به خاطر عدم استفاده از کک در فرآيند فولادسازي
بسياري از امتيازات آهن اسفنجي در خصوص ترکيب دو کارگاه مستقل گازسازي و ميدرکس در کشورهايي مانند چين، هندوستان، کره‌جنوبي، برزيل، آفريقاي جنوبي و اروپاي غربي يافت مي‌شود. در اين کشورها نيروي برق ارزان براي استفاده در کارگاه‌هاي فولادسازي از موارد بحراني محسوب مي‌گردد. اگر سوخت ارزان در دسترس باشد، آنگاه واحد تبديل‌کننده گاز قادر به توليد گازهاي ترکيبي موردنياز نيروگاه براي توليد الکتريسته ارزان خواهد بود.‏ براي ساخت موفقيت‌آميز يک واحد ترکيبي تبديل‌کننده گاز/ ميدرکس بايد به موارد کليدي زير توجه داشته باشيم:
وجود يک تبديل کننده گاز مستقل بر پايه استفاده از نيروگاه يا کارگاه شيميايي براي استفاده بيشتر از گازهاي ترکيبي بسيار مورد نياز مي‌باشد. براساس شرايط محيطي اگر گازهاي ترکيبي با کيفيت قابل قبول در دسترس باشد، احداث کارگاه توليد ‏ DRI‏‏زماني بهينه خواهد شد که هزينه توليد گاز بيشتر از 3 دلار بر ‏MMBtu‏ نگردد. بايد تا آنجايي که امکان دارد هزينه سرمايه کارگاه توليد گازهاي ترکيبي را کم کنيم اگر امکان داشته باشد از سيستم گوگردزدايي، سيستم غبارروب، سيستم پاک‌کننده هيدروکربن و بسط‌دهنده گاز استفاده نشود. همچنين تا آنجا که مي‌توانيم عمليات مشترک دو سيستم ميدرکس و توليد گاز را افزايش دهيم.‏و تا آنجا که امکان دارد از محصولات فرعي پالايشگاه‌هاي نفت با قيمت ارزان استفاده شود. مي توان يک مجتمع توليد فولاد به همراه نيروگاه ساخت.
ترکيب دو واحد توليد گاز و ميدرکس نهايتاً منجر به توليد آهن اسفنجي مورد نياز براي واحد فولادسازي مي‌شود. مجتمع توليد فولاد در حجم کوچک شامل: کارگاه توليد گاز، کارگاه ميدرکس، سيستم جمع‌کننده گازهاي چرخشي متصل با نيروگاه و کارگاه فولادسازي مي‌شود. نيروگاه بايد برق موردنياز جداسازي گازها، کارگاه ميدرکس و فولادسازي را فراهم نمايد.‏ نيروگاه برق بايد از امتياز سوخت ارزان براي توليد انرژي با قيمت رقابتي برخوردار باشد. در کشورهاي واقع در اروپاي غربي هندوستان، برزيل و آسياي شرقي توليد يا خريد نيروي برق با قيمت رقابتي بسيار با اهميت است. اگر آهن اسفنجي توليد شده با گرماي 700 درجه سانتي‌گراد (‏F‏1300) فارنهايت، مستقيماً از کارگاه ميدرکس به گرم نگهدارنده‌هاي موجود در کارگاه ميدرکس منتقل گردد، براي توليد يک تن محصول مياني از کارگاه فولادسازي 650 کيلووات بر ساعت انرژي مورد نياز خواهد بود. اين انرژي تنها نياز کارگاه فولادسازي را برطرف مي‌کند و ارتباطي با انرژي موردنياز درکارگاه‌هاي توليد گاز و ميدرکس ندارد.‏ مقياس جديد جهاني در ايجاد مجتمع کوچک فولادسازي، ظرفيت 4/2 ميليون تن محصولات مياني فولادي است. اين چنين مجتمع 7/2 ميليون تن در سال آهن اسفنجي نياز دارد. کل انرژي مورد نياز اين واحد 360 مگاوات تخمين‌زده مي‌شود.

● استخراج اورانيوم از معدن

اورانيوم که ماده خام اصلي مورد نياز براي توليد انرژي در برنامه هاي صلح آميز يا نظامي هسته اي است، از طريق استخراج از معادن زيرزميني يا سر باز بدست مي آيد. اگر چه اين عنصر بطور طبيعي در سرتاسر جهان يافت ميشود اما تنها حجم کوچکي از آن بصورت متراکم در معادن موجود است.

هنگامي که هسته اتم اورانيوم در يک واکنش زنجيره اي شکافته شود مقداري انرژي آزاد خواهد شد.

براي شکافت هسته اتم اورانيوم، يک نوترون به هسته آن شليک ميشود و در نتيجه اين فرايند، اتم مذکور به دو اتم کوچکتر تجزيه شده و تعدادي نوترون جديد نيز آزاد ميشود که هرکدام به نوبه خود ميتوانند هسته هاي جديدي را در يک فرايند زنجيره اي تجزيه کنند.

مجموع جرم اتمهاي کوچکتري که از تجزيه اتم اورانيوم بدست مي آيد از کل جرم اوليه اين اتم کمتر است و اين بدان معناست که مقداري از جرم اوليه که ظاهرا ناپديد شده در واقع به انرژي تبديل شده است، و اين انرژي با استفاده از رابطه E=MC۲ يعني رابطه جرم و انرژي که آلبرت اينشتين نخستين بار آنرا کشف کرد قابل محاسبه است.

اورانيوم به صورت دو ايزوتوپ مختلف در طبيعت يافت ميشود. يعني اورانيوم U۲۳۵ يا U۲۳۸ که هر دو داراي تعداد پروتون يکساني بوده و تنها تفاوتشان در سه نوترون اضافه اي است که در هسته U۲۳۸ وجود دارد. اعداد ۲۳۵ و ۲۳۸ بيانگر مجموع تعداد پروتونها و نوترونها در هسته هر کدام از اين دو ايزوتوپ است.

براي بدست آوردن بالاترين بازدهي در فرايند زنجيره اي شکافت هسته بايد از اورانيوم ۲۳۵ استفاده کرد که هسته آن به سادگي شکافته ميشود. هنگامي که اين نوع اورانيوم به اتمهاي کوچکتر تجزيه ميشود علاوه بر آزاد شدن مقداري انرژي حرارتي دو يا سه نوترون جديد نيز رها ميشود که در صورت برخورد با اتمهاي جديد اورانيوم بازهم انرژي حرارتي بيشتر و نوترونهاي جديد آزاد ميشود.

اما بدليل 'نيمه عمر” کوتاه اورانيوم ۲۳۵ و فروپاشي سريع آن، اين ايزوتوپ در طبيعت بسيار نادر است بطوري که از هر ۱۰۰۰ اتم اورانيوم موجود در طبيعت تنها هفت اتم از نوع U۲۳۵ بوده و مابقي از نوع سنگينتر U۲۳۸ است.

● فراوري

سنگ معدن اورانيوم بعد از استخراج، در آسيابهائي خرد و به گردي نرم تبديل ميشود. گرد بدست آمده سپس در يک فرايند شيميائي به ماده جامد زرد رنگي تبديل ميشود که به کيک زرد موسوم است. کيک زرد داراي خاصيت راديو اکتيويته است و ۶۰ تا ۷۰ درصد آنرا اورانيوم تشکيل ميدهد.

دانشمندان هسته اي براي دست يابي هرچه بيشتر به ايزوتوپ نادر U۲۳۵ که در توليد انرژي هسته اي نقشي کليدي دارد، از روشي موسوم به غني سازي استفاده مي کنند. براي اين کار، دانشمندان ابتدا کيک زرد را طي فرايندي شيميائي به ماده جامدي به نام هگزافلوئوريد اورانيوم تبديل ميکنند که بعد از حرارت داده شدن در دماي حدود ۶۴ درجه سانتيگراد به گاز تبديل ميشود.

هگزافلوئوريد اورانيوم که در صنعت با نام ساده هگز شناخته ميشود ماده شيميائي خورنده ايست که بايد آنرا با احتياط نگهداري و جابجا کرد. به همين دليل پمپها و لوله هائي که براي انتقال اين گاز در تاسيسات فراوري اورانيوم بکار ميروند بايد از آلومينيوم و آلياژهاي نيکل ساخته شوند. همچنين به منظور پيشگيري از هرگونه واکنش شيميايي برگشت ناپذير بايد اين گاز را دور از معرض روغن و مواد چرب کننده ديگر نگهداري کرد.

● غني سازي

هدف از غني سازي توليد اورانيومي است که داراي درصد بالايي از ايزوتوپ U۲۳۵ باشد.

اورانيوم مورد استفاده در راکتورهاي اتمي بايد به حدي غني شود که حاوي ۲ تا ۳ درصد اورانيوم ۲۳۵ باشد، در حالي که اورانيومي که در ساخت بمب اتمي بکار ميرود حداقل بايد حاوي ۹۰ درصد اورانيوم ۲۳۵ باشد.

يکي از روشهاي معمول غني سازي استفاده از دستگاههاي سانتريفوژ گاز است.

سانتريفوژ از اتاقکي سيلندري شکل تشکيل شده که با سرعت بسيار زياد حول محور خود مي چرخد. هنگامي که گاز هگزا فلوئوريد اورانيوم به داخل اين سيلندر دميده شود نيروي گريز از مرکز ناشي از چرخش آن باعث ميشود که مولکولهاي سبکتري که حاوي اورانيوم ۲۳۵ است در مرکز سيلندر متمرکز شوند و مولکولهاي سنگينتري که حاوي اورانيوم ۲۳۸ هستند در پايين سيلندر انباشته شوند.

اورانيوم ۲۳۵ غني شده اي که از اين طريق بدست مي آيد سپس به داخل سانتريفوژ ديگري دميده ميشود تا درجه خلوص آن باز هم بالاتر رود. اين عمل بارها و بارها توسط سانتريفوژهاي متعددي که بطور سري به يکديگر متصل ميشوند تکرار ميشود تا جايي که اورانيوم ۲۳۵ با درصد خلوص مورد نياز بدست آيد.

آنچه که پس از جدا سازي اورانيوم ۲۳۵ باقي ميماند به نام اورانيوم خالي يا فقير شده شناخته ميشود که اساسا از اورانيوم ۲۳۸ تشکيل يافته است. اورانيوم خالي فلز بسيار سنگيني است که اندکي خاصيت راديو اکتيويته دارد و از آن براي ساخت گلوله هاي توپ ضد زره پوش و اجزاي برخي جنگ افزار هاي ديگر از جمله منعکس کننده نوتروني در بمب اتمي استفاده ميشود.

يک شيوه ديگر غني سازي روشي موسوم به ديفيوژن يا روش انتشاري است.

دراين روش گاز هگزافلوئوريد اورانيوم به داخل ستونهايي که جدار آنها از اجسام متخلخل تشکيل شده دميده ميشود. سوراخهاي موجود در جسم متخلخل بايد قدري از قطر مولکول هگزافلوئوريد اورانيوم بزرگتر باشد.

در نتيجه اين کار مولکولهاي سبکتر حاوي اورانيوم ۲۳۵ با سرعت بيشتري در اين ستونها منتشر شده و تفکيک ميشوند. اين روش غني سازي نيز بايد مانند روش سانتريفوژ بارها و باره تکرار شود.

● راکتور هسته اي

راکتور هسته اي وسيله ايست که در آن فرايند شکافت هسته اي بصورت کنترل شده انجام ميگيرد. انرژي حرارتي بدست آمده از اين طريق را مي توان براي بخار کردن آب و به گردش درآوردن توربين هاي بخار ژنراتورهاي الکتريکي مورد استفاده قرار داد.

اورانيوم غني شده ، معمولا به صورت قرصهائي که سطح مقطعشان به اندازه يک سکه معمولي و ضخامتشان در حدود دو و نيم سانتيمتر است در راکتورها به مصرف ميرسند. اين قرصها روي هم قرار داده شده و ميله هايي را تشکيل ميدهند که به ميله سوخت موسوم است. ميله هاي سوخت سپس در بسته هاي چندتائي دسته بندي شده و تحت فشار و در محيطي عايقبندي شده نگهداري ميشوند.

در بسياري از نيروگاهها براي جلوگيري از گرم شدن بسته هاي سوخت در داخل راکتور، اين بسته ها را داخل آب سرد فرو مي برند. در نيروگاههاي ديگر براي خنک نگه داشتن هسته راکتور ، يعني جائي که فرايند شکافت هسته اي در آن رخ ميدهد ، از فلز مايع (سديم) يا گاز دي اکسيد کربن استفاده مي شود.

براي توليد انرژي گرمائي از طريق فرايند شکافت هسته اي ، اورانيومي که در هسته راکتور قرار داده ميشود بايد از جرم بحراني بيشتر (فوق بحراني) باشد. يعني اورانيوم مورد استفاده بايد به حدي غني شده باشد که امکان آغاز يک واکنش زنجيره اي مداوم وجود داشته باشد.

براي تنظيم و کنترل فرايند شکافت هسته اي در يک راکتور از ميله هاي کنترلي که معمولا از جنس کادميوم است استفاده ميشود. اين ميله ها با جذب نوترونهاي آزاد در داخل راکتور از تسريع واکنشهاي زنجيره اي جلوگيري ميکند. زيرا با کاهش تعداد نوترونها ، تعداد واکنشهاي زنجيره اي نيز کاهش ميابد.

حدودا ۴۰۰ نيروگاه هسته اي در سرتاسر جهان فعال هستند که تقريبا ۱۷ درصد کل برق مصرفي در جهان را تامين ميکنند. از جمله کاربردهاي ديگر راکتورهاي هسته اي، توليد نيروي محرکه لازم براي جابجايي ناوها و زيردريايي هاي اتمي است.

● باز فراوري

براي بازيافت اورانيوم از سوخت هسته اي مصرف شده در راکتور از عمليات شيميايي موسوم به بازفراوري استفاده ميشود. در اين عمليات، ابتدا پوسته فلزي ميله هاي سوخت مصرف شده را جدا ميسازند و سپس آنها را در داخل اسيد نيتريک داغ حل ميکنند.

در نتيجه اين عمليات، ۱% پلوتونيوم ، ۳% مواد زائد به شدت راديو اکتيو و ۹۶% اورانيوم بدست مي آيد که دوباره ميتوان آنرا در راکتور به مصرف رساند.

راکتورهاي نظامي اين کار را بطور بسيار موثرتري انجام ميدهند. راکتور و تاسيسات باز فراوري مورد نياز براي توليد پلوتونيوم را ميتوان بطور پنهاني در داخل ساختمانهاي معمولي جاسازي کرد. به همين دليل، توليد پلوتونيوم به اين طريق، براي هر کشوري که بخواهد بطور مخفيانه تسليحات اتمي توليد کند گزينه جذابي خواهد بود.

● بمب پلوتونيومي

استفاده از پلوتونيوم به جاي اورانيوم در ساخت بمب اتمي مزاياي بسياري دارد. تنها چهار کيلوگرم پلوتونيوم براي ساخت بمب اتمي با قدرت انفجار ۲۰ کيلو تن کافي است. در عين حال با تاسيسات بازفراوري نسبتا کوچکي ميتوان چيزي حدود ۱۲ کيلوگرم پلوتونيوم در سال توليد کرد.

کلاهک هسته اي شامل گوي پلوتونيومي است که اطراف آنرا پوسته اي موسوم به منعکس کننده نوتروني فرا گرفته است. اين پوسته که معمولا از ترکيب بريليوم و پلونيوم ساخته ميشود، نوترونهاي آزادي را که از فرايند شکافت هسته اي به بيرون ميگريزند، به داخل اين فرايند بازمي تاباند.

استفاده از منعکس کننده نوتروني عملا جرم بحراني را کاهش ميدهد و باعث ميشود که براي ايجاد واکنش زنجيره اي مداوم به پلوتونيوم کمتري نياز باشد.

براي کشور يا گروه تروريستي که بخواهد بمب اتمي بسازد، توليد پلوتونيوم با کمک راکتورهاي هسته اي غير نظامي از تهيه اورانيوم غني شده آسانتر خواهد بود. کارشناسان معتقدند که دانش و فناوري لازم براي طراحي و ساخت يک بمب پلوتونيومي ابتدائي، از دانش و فنآوري که حمله کنندگان با گاز اعصاب به شبکه متروي توکيو در سال ۱۹۹۵ در اختيار داشتند پيشرفته تر نيست.

چنين بمب پلوتونيومي ميتواند با قدرتي معادل ۱۰۰ تن تي ان تي منفجر شود، يعني ۲۰ مرتبه قويتر از قدرتمندترين بمبگزاري تروريستي که تا کنون در جهان رخ داده است.

● بمب اورانيومي

هدف طراحان بمبهاي اتمي ايجاد يک جرم فوق بحراني ( از اورانيوم يا پلوتونيوم) است که بتواند طي يک واکنش زنجيره اي مداوم و کنترل نشده، مقادير متنابهي انرژي حرارتي آزاد کند.

يکي از ساده ترين شيوه هاي ساخت بمب اتمي استفاده از طرحي موسوم به 'تفنگي” است که در آن گلوله کوچکي از اورانيوم که از جرم بحراني کمتر بوده به سمت جرم بزرگتري از اورانيوم شليک ميشود بگونه اي که در اثر برخورد اين دو قطعه، جرم کلي فوق بحراني شده و باعث آغاز واکنش زنجيره اي و انفجار هسته اي ميشود.

کل اين فرايند در کسر کوچکي از ثانيه رخ ميدهد.

جهت توليد سوخت مورد نياز بمب اتمي، هگزا فلوئوريد اورانيوم غني شده را ابتدا به اکسيد اورانيوم و سپس به شمش فلزي اورانيوم تبديل ميکنند. انجام اين کار از طريق فرايندهاي شيميائي و مهندسي نسبتا ساده اي امکان پذير است.

قدرت انفجار يک بمب اتمي معمولي حداکثر ۵۰ کيلو تن است، اما با کمک روش خاصي که متکي بر مهار خصوصيات جوش يا گداز هسته اي است ميتوان قدرت بمب را افزايش داد.

در فرايند گداز هسته اي ، هسته هاي ايزوتوپهاي هيدروژن به يکديگر جوش خورده و هسته اتم هليوم را ايجاد ميکنند. اين فرايند هنگامي رخ ميدهد که هسته هاي اتمهاي هيدروژن در معرض گرما و فشار شديد قرار بگيرند. انفجار بمب اتمي گرما و فشار شديد مورد نياز براي آغاز اين فرايند را فراهم ميکند.

طي فرايند گداز هسته اي نوترونهاي بيشتري رها ميشوند که با تغذيه واکنش زنجيره اي، انفجار شديدتري را بدنبال مي آورند. اينگونه بمبهاي اتمي تقويت شده به بمبهاي هيدروژني يا بمبهاي اتمي حرارتي موسومند.