مقدمه

غنیسازي اورانیوم، یکی از مراحل مهم چرخهي سوخت هستهاي میباشد.به این منظور، روشهایمختلفی شامل نفوذ گازي، سانتریفیوژ گازي، آیرودینامیک، نفوذ جرمی، نفوذ حرارتی، لیزر و الکترومغناطیسی وجود دارد که از این میان فقط دو روش اول در ابعاد صنعتی مورد استفاده قرار گرفتهاند.[۱]در برخی از منابع علمی نسبتا جدید،تفکیک ایزوتوپی اورانیوم طی واکنش احیاي میکروبی توسط برخی از باکتريهاي بیهوازي تایید و گزارش شده است. لذا فرایند احیاي میکروبی میتواند به عنوان یک روش بالقوه در غنیسازي اورانیوم به شمار آید ۲]،۳،۴،۵،۶،۷،۸و.[۹ در اینمقاله، ابتدا به بحث احیاي میکروبی اورانیوم پرداخته شده و سپس مباحثی راجع به تغییر ترکیب درصدایزوتوپی اورانیوم ناشی از احیاي میکروبی ارائه شده است.

احیاي میکروبی اورانیوم

احیاي میکروبی اورانیوم اولین بار در سال ۱۹۶۲ توسط Woolfolk وهمکارش با استفاده ازباکتريMicrococcuslactilyticus و با مصرف هیدروژن (به عنوان دهندهي الکترون) گزارش شد. این کار اگرچه اولین گزارش احیاي میکروبی اورانیوم به شمار میرود اما میکروبی بودن فرایند احیا در آن اثبات نشده است. گزارش بعدي حدود ۲۹ سال بعد در سال ۱۹۹۱ توسط شخصی به نام D. R. Lovley در مقالهاي در مجله-

۲۱st Iranian Nuclear Conference 25-26Feb 2015 University of Isfahan

_ ت و ی_ ن ا س _ ه _ی ان

۶و۷ ا” د ماه ۳۹۳۱ دا+ گاه ) هان

يNature ارائهشد که میکروبی بودن احیاي اورانیوم توسط دو باکتريGS-15 و A.putrefaciens به خوبیاثباتشده است. لذا در بیشتر مقالات بعدي در این حوزه، به همین مقالهي آقاي Lovley ارجاع میشود ۱۰] و .[۱۱ درکارهایتحقیقاتیبعدي،جنس-هایمختلفباکتریاییازجملهGeobacter،Shewanella،ClostridiumوDesulfovibrioبهمنظوراحیایمیکروبیاورانیومم ورداستفادهقرارگرفتهاند۱۲]، ۱۳، ۱۴، ۱۵ و .[۱۶ درکارهایتحقیقاتیجدیدتر،بیشتررویجنسGeobacterکارشدهاست.علتمزیتاینباکتریبهوجوداندامکهایباریکوبلندآن با نام piliمربوطاستکهکارانتقالالکترونراتسریعمینماید۱۳]،۱۷و.[۱۸

اورانیوم در طبیعت معمولا در دو حالت اکسایشی U(VI) و U(IV) وجود دارد. تحرك و سرنوشت نهایی اورانیوم در محیط کاملا به حالت اکسایشی آن وابسته است. اورانیوم شش ظرفیتی (معمولا به صورت اورانیل (UO22+ حلالیت بالایی در آب و تحرك بالایی در محیط دارد. در حالیکه فرم کاهش یافتهي اورانیوم (معمولا به صورت مولکولهاي اورانینیت (UO2 حلالیت بسیار پایین و در نتیجه تحرك خیلی کمی در آب و محیط دارد ۱۹]و.[۲۰

منظور از احیاي میکروبی اورانیوم، تغییر حالت اکسایش اورانیوم از U(VI) به U(IV) با استفاده از باکتري میباشد (شکل.(۱ در این فرایند، باکتري الکترونها را از یک الکتروندهنده (مانند استات، هیدروژن مولکولی یا …) گرفته و در نهایت به یک گیرندهي نهایی الکترون (که در اینجا U(VI) است) میدهد. دو مثال از احیاي میکروبی اورانیوم در ادامه آمده است.[۱۱]

(۱) (۲)

شکل:۱ شماتیک نحوهي احیاي میکروبیاورانیوم توسط باکتري[۲۱]

عامل اصلی احیا در باکتريها، آنزیمهاي سیتوکروم هستند .[۱۷] به علتطبیعت نامحلول U(IV)، محل تشکیل رسوب را میتوان به عنوان شاخصی جهت تعیین محلآنزیمهایاحیا کنندهدانست.تصاویر TEMنشان میدهد که

۲۱st Iranian Nuclear Conference 25-26Feb 2015 University of Isfahan

_ ت و ی_ ن ا س _ ه _ی ان

۶و۷ ا” د ماه ۳۹۳۱ دا+ گاه ) هان

تشکیل اورانینیتهم درفضایخارجسلولیوهمدرفضایپریپلاسمیک امکان پذیر است (شکل(۲؛ در موارد بسیار محدودي، تشکیل اورانینیت در سیتوپلاسم نیز مشاهده شده است.[۲۲]

شکل:۲ تصاویر TEM از تشکیل رسوب سیاهرنگ اورانینیت طی فرایند احیاي میکروبی؛ در ناحیهي خارج سلولی (تصویر سمت راست) [۲۳] و در ناحیهي پریپلاسمیک (تصویر سمت چپ) [۱۶]

غنیسازي میکروبیاورانیوم

با وجود تکثر مقالات در زمینهي احیایمیکروبی اورانیوم، تعدادمنابع علمی موجود درزمینهیتغییر ترکیب درصد ایزوتوپی اورانیوم طی فرایند احیاي میکروبی بسیار محدود است ۲] تا .[۹ نکتهي مهم این منابع علمی، این است که در برخی از آنها ترکیب درصد ایزوتوپ سبکتر اورانیوم در اورانیوم احیا شده نسبت به اورانیوم اولیه بیشتر ۲]، ۳ و [۹ و در برخی نیز کمتر ۴] تا [۸ است. مقادیر فاکتورهاي جداسازي گزارش شده نیز متفاوت است.

در بیشتر همین منابع محدود موجود، از تغییر ترکیب درصد ایزوتوپی اورانیوم به عنوان یک عامل شناساگر جهت تایید فرایند احیا و انجام برخی مطالعات ژئوشیمیایی استفاده شده است. مقدار فاکتور جداسازي آنها نیز بسیار کوچک است ۳] تا .[۸ فقط در دو منبع علمی (یک ثبت اختراع و یک پایاننامهي دکتري) مقدار فاکتور جداسازي در آن قابل ملاحظه بوده ولذا در آنها از غنیسازي اورانیومبحث است ۲] و .[۹

به منظور غنیسازي میکروبی،اورانیوم بایدبا باکتري مناسب در تماس قرارگرفته و بخشی از آن احیا شود. براي رسیدن به یک غناي مطلوب، اورانیوم احیا شده رامیتوان پس از اکسایش و انحلال در آب،مجددا به فرایند احیاي میکروبی وارد نمود. تغییر غناي ایزوتوپی در این فرایند، ناشی از اختلاف سرعت احیاي دو ایزوتوپ اورانیوم است. فاکتور جداسازي در این روش حدود ۱/۰۶ (در ثبت اختراع) و حدود۱/۰۳ (در پایاننامه) گزارش شد کهاز روش دیفیوژن گازي بسیار بیشتر و از روش سانتریفیوژ گازي کمی کمتر است. حتی با بهینهسازي فرایند، میتوان به فاکتور جداسازي بالاتري از روش سانتریفیوژ گازي نیز دست یافت. پارامترهاي مختلفی شامل دما،pH،نوعالکترون-دهنده،غلظتاولیهیاورانیوم،نوعوغلظتمیکروارگانیسم،مدتزمانانکوباسیون (درجهیاحیا) در این فرایند موثر هستند. باتوجه به آنزیمی بودن فرایند احیاي میکروبی اورانیوم، انجام فرایند در سیستمهاي آنزیمی بدون سلول نیز امکان-پذیر است. سرعت احیا در سیستمهایبدون سلول نسبت به سیستمهاي سلولی بیشتر ولی سرعت رسوبدهی آنها کمتر است ۲] و .[۹