بسم الله الرحمن الرحيم
السلام عليكم ورحمة الله وبركاته
في ضل التطور و التزايد على الطاقة سيصبح اليورانيوم هو المادة الأولى في التنافس للحصول عليه و خاصة عندما يخصب (235
يُصنّف عنصر اليورانيوم كيميائياً من سلسلة الأكتينيدات بالجدول الدوري، يرمز له بالإنجليزي بحرف (U)، والعدد الذري له هو (92)، أما عن شكله فهو يُشبه تقريباً المعادن الفولاذ، الذهب، والفضة ، إلا أن ورنه ثقيل جداً مقارنة مع حجمه، ويُعّد الأكثر وزناً بين المعادن، ذو كثافته عالية حداً، قريبة إلى كثافة الذهب.
تبلغ كثافة اليورانيوم نحو 19.1 جرام /سنتيمتر مكعب في درجة حرارة الغرفة، أي أن 1 متر مكعب من اليورانيوم يزن نحو 19.1 طنا، وهو بذلك أعلى كثافة من الرصاص بحوالي 70٪، ولكنه أقل بقليل من الذهب أو التنغستن. يتواجد اليورانيوم طبيعيا في التراب والصخور والماء بتركيزات منخفضة تصل لبضعة أجزاء لكل مليون، ويتم استخلاصه تجاريا من المعادن الحاوية له مثل اليورانينيت.
ما هو؟
اليورانيوم.. اليورانيوم المخصب.. الماء الثقيل.. الانشطار النووي..جهاز الطرد المركزي.. المفاعل النووي.. القنبلة النووية
حين وقع الرئيسان السوفيتي والاميركي ميخائيل غورباتشوف ورونالد ريغان في الثمانينات على 'معاهدة تخفيض الاسلحة النووية الاستراتيجية' قال احد معدي المعاهدة الروس لزميله في الطرف الاميركي: 'الرئيسان سيوقعان على معاهدة لن يفهما منها اي شيء'.
والمزحة نفسها يمكن إطلاقها على الرؤساء والسياسيين وقسم من محرري الاخبار الذين يتناول حديثهم وتتشدد خطبهم فيما يتعلق بتخصيب اليورانيوم وجهاز الطرد المركزي والماء الثقيل وغيرها من 'متعلقات نووية' فيما يخص الازمة الدائرة حول إيران.
ولكي لا ينسحب الامر نفسه على المتتبع لانباء الملف النووي الإيراني أو أي ملف مشابه آخر، يقدم الملحق عرضا موجزا وتعريفيا للاسئلة النووية بمفهومها الفيزيائي والكيميائي المبسط، لغرض استكمال الصورة الخاصة بالمناوشات الدائرة على هذا الصعيد.
اليورانيوم
اليورانيوم فلز مشع، رمزه الكيميائيU عدده الذري هو 92، ومن ابرز صفاته: ثقيل، ابيض فضي، سام. وهو مصدر الطاقة المستخدمة في توليد الطاقة الكهربائية في كل محطات القدرة النووية التجارية الكبيرة. فبإمكان قطعة من اليورانيوم في حجم كرة المضرب إطلاق كمية من الطاقة تساوي كمية الطاقة التي تطلقها حمولة من الفحم الحجري يبلغ وزنها ثلاثة ملايين ضعف وزن قطعة اليورانيوم. اهم نظائره 235 الذي يستخدم في المفاعلات النووية وتصنع منه القنابل الذرية والهيدروجينية الاندماجية والانشطارية، وكذلك 238 الذي يستخدم في الدراسات والتشخيص ويستعمل ايضا في تحسين الزراعة والعلاج الكيماوي.
واليورانيوم هو ثاني اثقل عنصر موجود في الطبيعة بعد البلوتونيوم. ويستغل المهندسون ثقل اليورانيوم في عدد من التطبيقات، حيث يستخدمون اليورانيوم في البوصلات الدوارة في الطائرات، لحفظ توازن الاجنحة وغيرها من سطوح التحكم في الطائرات والمركبات الفضائية، وللوقاية من الإشعاع باستخدام اليورانيوم كغطاء. واليورانيوم المستخدم في هذه التطبيقات ذو خاصية إشعاعية ضعيفة جدا. ويستخدم العلماء اليورانيوم ايضا لتحديد اعمار الصخور والمياه الجوفية وترسبات الترافرتين (احد اشكال الحجر الجيري) في المواقع الاثرية.
وجود اليورانيوم
يوجد اليورانيوم اساسا في الصخور، ولكن بتركيزات منخفضة جدا. ففي المتوسط، يوجد 26 رطلا فقط من اليورانيوم في كل مليون رطل من القشرة الارضية. ويوجد اليورانيوم بتركيزات اقل من ذلك في الانهار والبحيرات والمحيطات وغيرها من الاجسام المائية، حيث يوجد ما بين 0,1 رطل و10 ارطال من اليورانيوم في كل مليار رطل من الماء، بما تحتويه من مواد محتوية على اليورانيوم.
مكتشف اليورانيوم
اكتشف الكيميائي الالماني مارتن كلابروث اليورانيوم في عام 1789، حيث وجده في البتشبلند، وهو معدن داكن، اسود مزرق اللون. وقد سمى كلابروث اليورانيوم على اسم كوكب اورانوس، الذي كان قد اكتشف في عام 1781 وفي عام 1841 فصل الكيميائي الفرنسي يوجين بليجو اليورانيوم النقي من البتشبلند.
مصادر اليورانيوم
المصدر الاساسي لليورانيوم هو اليورانينيت، ومن اهم انواعه البتشبلند، الذي اكتشف فيه اليورانيوم لاول مرة. ومن الخامات الرئيسية الاخرى اليورانوفان والكوفينيت والكارنوتيت. وقد يحتوي الحجر الجيري والطفل والفوسفات على ترسبات قيمة من خامات اليورانيوم، بينما يحتوي الغرانيت عادة على كميات قليلة من اليورانيوم.
وفي اوائل القرن الحادي والعشرين بلغ إجمالي وزن اليورانيوم القابل للتعدين بتكاليف معقولة حوالي 3.100.000 طن متري. ويبلغ إنتاج العالم السنوي من اليورانيوم حوالي 40.200 طن متري. وتأتي كندا في مقدمة الدول المنتجة لليورانيوم في العالم، حيث تنتج منطقة ساسكاتشوان اكثر من نصف ما تنتجه كندا من اليورانيوم.
نظائر اليورانيوم
يوجد اليورانيوم في الطبيعة في ثلاثة نظائر ولكل من هذه النظائر عدد مختلف من النيوترونات، ولذلك تختلف هذه النظائر في العدد الكتلي الذري (مجموع عدد البروتونات والنيوترونات في النواة). ويحتوي اخف هذه النظائر على 92 بروتونا و142 نيوترونا، بعدد إجمالي قدره 234 من الجسيمات النووية، ويسمى هذا النظير اليورانيوم ،234 والنظيران الطبيعيان الآخران لليورانيوم هما اليورانيوم 235 واليورانيوم 238، ويحتويان على 143 نيوترونا و146 نيوترونا على التوالي. ويشكل اليورانيوم 238 حوالي 99,28% من إجمالي اليورانيوم الطبيعي، بينما يمثل اليورانيوم 235 حوالي 0,71%، واليورانيوم 234 حوالي 0,006%. ويعرف اليورانيوم 238 باليورانيوم المستنفد، او الخامد، او المنضب.
واليورانيوم 235 هو النظير الطبيعي الوحيد الذي يمكن إخضاع نواته لعملية الانشطار، اي الانشقاق إلى نصفين. وتنطلق عن عملية الانشطار الطاقة النووية المستخدمة في محطات القدرة وفي الاسلحة.
خواص اليورانيوم
الوزن الذري لليورانيوم 0238, 289 وكثافته عند 25 م 19,05غم لكل سنتيمتر مكعب. وينصهر اليورانيوم عند 1،132م، ويغلي عند 3،818م. وهو ينتمي إلى مجموعة العناصر المسماة سلسلة الاكتينيدات. ويتحد اليورانيوم بسهولة مع العناصر الاخرى، ويوجد في الطبيعة عادة مكونا مركبات مع الاكسجين. وفي معظم المياه السطحية والجوفية يوجد اليورانيوم في شكل اكسيد او كربونات او فوسفات او فلوريد او كبريتات. وبالإضافة إلى ذلك، يتفاعل اليورانيوم مع الاحماض مكونا مركبات تسمى املاح اليورانيل. وكل مركبات اليورانيوم عالية السمية.
نشاطه الإشعاعي
كل نظائر اليورانيوم مشعة، حيث تنحل (تتفتت) نوى ذراتها مطلقة جسيمات وطاقة، وخاصة جسيمات الفا وجسيمات بيتا واشعة غاما وعندما ينحل النظير يتحول إلى نظير آخر. وبحدوث سلسلة من الانحلالات يتحول اليورانيوم في النهاية إلى نظير للرصاص غير مشع.
ويقيس العلماء معدل إشعاع اي نظير على اساس عمره النصفي، اي الفترة الزمنية التي يتبقى بعدها نصف عدد الذرات المكونة لعينة من النظير في شكل ذرات لذلك النظير.
ولنظائر اليورانيوم اعمار نصفية طويلة. فالعمر النصفي لليورانيوم 238 يبلغ حوالي 4,5 بليون عام، ولليورانيوم 235 حوالي 700 مليون عام، ولليورانيوم 234 حوالي 250,000 عام. ويعتقد ان جزءا كبيرا من حرارة باطن الارض ينتج عن الإشعاع الصادر عن اليورانيوم.
قابلية انشطاره
ينشطر اليورانيوم 235 إلى شظيتين عند قذفه بنيوترون، وتنطلق عن ذلك طاقة، كما ينطلق نيوترونان او اكثر. وتسبب هذه النيوترونات بدورها انشطار نوى اخرى، مطلقة ايضا طاقة ونيوترونات. وتحت ظروف معينة يمكن لهذه العملية ان تستمر في سلسلة من الانشطارات ذاتية الاستمرار تسمى التفاعل السلسلي.
ولا تنشطر نواة اليورانيوم 238 عند قذفها بنيوترون إلا نادرا، وذلك لانها عادة تمتص النيوترونات التي تصطدم بها.
كيف يعدن ويعالج؟
تستخدم شركات التنقيب ثلاث طرق رئيسية لاستخراج اليورانيوم من الارض :وهي التعدين المحلولي المكاني والتعدين المكشوف والتعدين الارضي. ولكل طريقة خصائصها نجد من الغنى التوقف عندها.
تكرير ومعالجة خام اليورانيوم. ينقل الخام من المنجم إلى مطحنة لتركيز اليورانيوم. وفي المطحنة يستخدم العاملون حامض الكبريتيك او محاليل الكربونات لإنتاج ملح من املاح اليورانيوم يسمى الكعكة الصفراء. وتنقى الكعكة الصفراء إلى اكسيد يسمى ايضا الكعكة الصفراء، وصيغته الكيميائيةU3O8 . ويخضع الاكسيد في معمل تحويل إلى تفاعل كيميائي مع الفلور، لإنتاج سادس فلوريد اليورانيوم UF6.
وينقل سادس فلوريد اليورانيوم إلى محطة تخصيب لفصل اليورانيوم 235 عن اليورانيوم 238. وينتج عن هذا الفصل يورانيوم مخصب، يحتوي على نسبة من اليورانيوم 235 اعلى من النسبة التي يحتويها اليورانيوم الموجود في الطبيعة. وتستخدم معظم المفاعلات النووية في محطات القدرة النووية وقودا يحتوي على اليورانيوم 235 بنسبة تتراوح بين 2% و4% تقريبا. اما الاسلحة النووية ومفاعلات السفن التي تعمل بالقدرة النووية فتتطلب نوعا من اليورانيوم يحتوي على اليورانيوم 235 بنسب اعلى من ذلك.
اما اليورانيوم المخصب، الذي يراد استخدامه في المفاعلات فينقل إلى محطة صنع الوقود، لتحويل سادس فلوريد اليورانيوم إلى ثاني اكسيد اليورانيوم، الذي يضغط إلى كريات اسطوانية الشكل، تستخدم وقودا.
فصل نظائر اليورانيوم
طور العلماء طرقا عديدة لفصل نظائر اليورانيوم. وتستخدم شركات التخصيب طريقتين من هذه الطرق، هما : طريقة الانتشار الغازي وطريقة الطرد المركزي. وهناك طريقة ثالثة تحت التجريب تسمى طريقة فصل النظائر بالليزر.
طريقة الانتشار الغازي: تستخدم هذه الطريقة في الولايات المتحدة. وفي هذه الطريقة تضخ جزيئات سادس فلوريد اليورانيوم خلال حواجز تحتوي على ملايين الثقوب الدقيقة. وتمر جزيئات الغاز الخفيفة عبر ثقوب الحواجز اسرع من الجزيئات الثقيلة. وتحتوي الجزيئات الخفيفة على ذرات اليورانيوم 235، ولذلك يحتوي الغاز الذي يمر عبر الحاجز على نسبة من اليورانيوم 235 اعلى من الغاز الاصلي. ونظرا لان هذه الزيادة طفيفة جدا فإن الغاز يجب ان يمر عبر الحاجز عدة آلاف مرة لإنتاج اليورانيوم المخصب الذي يراد استخدامه في محطات القدرة النووية.
طريقة الطرد المركزي: تستخدم هذه الطريقة في عدد من المحطات في اوروبا واليابان. ويتكون جهاز الطرد المركزي في هذه الطريقة من اسطوانات عمودية ذات حركة دوامية سريعة. ويضخ غاز سادس فلوريد اليورانيوم في كل اسطوانة عبر انبوبة عمودية ثابتة داخل كل اسطوانة.
وتجبر الحركة الدوامية للاسطوانة كل الغاز الخارجي تقريبا في اتجاه الجدران المنحنية. وبالإضافة إلى ذلك، تساعد مغرفة متصلة بقاعدة الانبوبة الثابتة في انسياب الغاز عموديا، كما تساهم الفروق في درجات الحرارة داخل الاسطوانة في إحداث هذا الانسياب العمودي.
وبسبب هذه التأثيرات ـ الحركة الدوامية للاسطوانة وحركة المغرفة وفروق درجات الحرارة ـ ينساب الغاز بنمط معقد، ويصبح الغاز القريب من قاعدة الاسطوانة مركزا باليورانيوم 238 اكثر من الغاز العلوي.
وتزيل المغرفة السفلية النفايات الغازية، التي تحتوي على تركيزات اعلى نسبيا من اليورانيوم 238، بينما تزيل المغرفة العلوية الغاز المخصب الذي يحتوي على اليورانيوم 235 بتركيز اعلى. وتتكرر العملية حتى يتم الحصول على التركيز المطلوب من اليورانيوم .235
فصل النظائر بالليزر
في هذه الطريقة تستخدم توليفة من ضوء الليزر وشحنة كهربائية لفصل نظائر اليورانيوم. والليزر نبيطة تنتج حزمة رفيعة من الضوء ذات مدى ترددي ضيق جدا (تردد الضوء هو معدل اهتزاز موجات الضوء).
وفي طريقة فصل النظائر بالليزر تسمى طريقة البخار الذري تسخن حزمة من الإلكترونات قطعة من اليورانيوم عند قاعدة حاوية مغلقة، محولة اليورانيوم إلى بخار (غاز)، ثم يخترق الغاز بنبضات من حزمة ليزرية. ويوالف تردد الحزمة بحيث تستطيع الإلكترونات في ذرات اليورانيوم 235 امتصاص الضوء، ولا تستطيع إلكترونات ذرات اليورانيوم 238 ذلك.
وعندما يمتص إلكترون اليورانيوم 235 هذا الضوء يحصل على طاقة تكفيه لترك الذرة. وتغير هذه العملية التوازن الكهربائي للذرة. فالإلكترون يحمل شحنة كهربائية سالبة، بينما تحمل النواة شحنة كهربائية موجبة واحدة او اكثر. وفي الذرة العادية يكون عدد الشحنات الموجبة مساويا لعدد الشحنات السالبة. ولذلك تكتسب الذرة شحنة موجبة عندما يتركها إلكترون. ويقول العلماء عن هذه الحالة إن الذرة تحولت إلى ايون موجب. وهكذا يؤين ضوء الليزر ذرات اليورانيوم 235، ولا يؤين ذرات اليورانيوم .238
وعند صعود البخار الساخن إلى اعلى تجذب الواح تجميع سالبة الشحنة في قمة الحاوية ايونات اليورانيوم 235 الموجبة. ولان الواح التجميع ابرد من الغاز فإن اليورانيوم 235 يتكثف عليه (يتحول من غاز إلى سائل). ويتقطر اليورانيوم 235 من الواح التجميع إلى حاويات خاصة، مكونا كتلة صلبة. ثم تجمع الكتل الصلبة وتنقى وتؤكسد لاستخدامها وقودا نوويا. وفي نفس الاثناء ينتقل اليورانيوم 238، المتعادل كهربائيا، عبر الالواح المشحونة، ثم يتكثف فوق لوحة نفايات قرب قمة الحاوية.
وفي إحدى التقنيات الليزرية تسخن وحدة كهربائية قطعة من اليورانيوم منتجة بخارا. وتعمل حزمتان ليزريتان معا لتأيين ذرات اليورانيوم 235 في البخار، ثم تجمع لوحة موجبة الشحنة ايونات اليورانيوم 235، تاركة بخار ذرات اليورانيوم 238 تخرج عبر فتحة في قمة الحاوية.
وتستهلك طريقة فصل النظائر بالليزر طاقة كهربائية اقل بكثير من الطاقة التي تستهلكها طريقة الانتشار الغازي، كما ان تكلفة معدات طريقة الفصل بالليزر اقل بكثير من تكلفة معدات طريقة الطرد المركزي. ولذلك تجري الشركات المدعومة حكوميا في فرنسا واليابان والولايات المتحدة التجارب لاستخدام طريقة فصل النظائر بالليزر.
تاريخ
استخدام اليورانيوم
استخدم الإنسان اليورانيوم ومركباته منذ حوالي الفي عام تقريبا. فقد احتوى زجاج ملون انتج في حوالي عام 79م على اكسيد اليورانيوم، وظل مصنعو الزجاج يستخدمون هذا المركب مادة ملونة حتى القرن التاسع عشر. واستخدم اليورانيوم ايضا مادة ملونة في طلاء او تزجيج الخزف الصيني. وبالإضافة إلى ذلك استخدم اليورانيوم في معالجة الصور الفوتوغرافية. وفي عام 1896م، اكتشف الفيزيائي الفرنسي انطوان هنري بكويريل ان اليورانيوم مادة مشعة، وكان هذا الاكتشاف اول اكتشاف لعنصر مشع في التاريخ. وفي عام 1935، اكتشف الفيزيائي الكندي المولد آرثر دمبستر اليورانيوم ،235 واستخدم الكيميائيان الالمانيان اوتو هان وفرتز ستراسمان اليورانيوم لإنتاج اول انشطار نووي اصطناعي في عام 1938م. وفي عام 1942م، انتج الفيزيائي الإيطالي المولد إنريكو فيرمي ومساعدوه في جامعة شيكاغو اول تفاعل سلسلي اصطناعي، مستخدمين اليورانيوم 235 مادة انشطارية. وقد قاد عمل فيرمي إلى تطوير القنبلة الذرية، كما قادت الابحاث العلمية إلى الاستخدامات السلمية لليورانيوم. ومنذ اوائل سبعينات القرن العشرين اصبحت محطات القدرة النووية التي تستخدم اليورانيوم وقودا من اهم مصادر الطاقة. وتوجد هذه المحطات في 30 دولة، يواصل عدد منها الآن بناء المزيد من المحطات. اما بقية الدول فقد اوقفت بناء المحطات الجديدة لاسباب عديدة منها القلق من تأثير هذه المحطات الجديدة على السلامة العامة، والنظم الحكومية المرتبطة بالسلامة، وارتفاع تكلفة وتشغيل المحطات الجديدة مقارنة بتكلفة محطات القدرة التي تستخدم الطاقة الناتجة عن حرق الفحم الحجري والغاز الطبيعي.
كيف يتم تخصيب اليورانيوم؟
عملية التخصيب عبارة عن عزل نظائر عناصر كيميائية محددة Isotope separation من عنصر ما لغرض زيادة تركيز نظائر اخرى للحصول على مادة تعتبر مشبعة بالنظير المطلوب، على سبيل المثال عزل نظائر معينة من اليورانيوم الطبيعي للحصول على اليورانيوم المخصب واليورانيوم المنضب. وتتم عملية التخصيب على مراحل حيث يتم في كل مرحلة عزل كميات اكبر من النظائر غير المرغوبة حيث يزداد العنصر تخصيبا بعد كل مرحلة لحد الوصول الى نسبة النقاء المطلوبة. وتبلغ نسبة اليورانيوم-235 الذي يراد تخصيبه من اجمالي ذرة اليورانيوم الطبيعي نسبة 0.7% فقط ولكن هذا الجزء هو المرغوب فيه لكونه اخف من ناحية الكتلة من الاجزاء الاخرى من اليورانيوم الطبيعي. الجزء المتبقي من اليورانيوم الطبيعي بعد استخلاص جزء اليورانيوم-235 يسمى اليورانيوم.238- تم تخصيب اليورانيوم لاول مرة في الولايات المتحدة بعد الحرب العالمية الثانية حيث تم بناء 3 من المفاعلات النووية في ولايات تينيسي و اوهايو وكنتاكي وكانت الطريقة المستعملة عبارة عن ضخ كميات كبيرة من اليورانيوم على شكل غاز يورانيوم هيكسافلوريد uranium hexafluoride الى حواجز ضخمة تحوي على ملايين الثقوب الصغيرة جدا وبهذه الطريقة يتم انتشار اليورانيوم-235 (وهو الجزء المطلوب) بسرعة اكبر نسبة الى اليورانيوم-238 (وهو الجزء غير المرغوب فيه لكونه اثقل) وتم استغلال الفرق في سرعة الانتشار وجمع كميات هائلة من اليورانيوم-235 وتمتلك الولايات المتحدة يورانيوم مخصبا من النوع عالي الخصوبة بنسبة 90%. و اليورانيوم هو المكون الوحيد الذي يمكن ان ينتج طاقة نووية، يحتوي اليورانيوم الطبيعي على ذرات ذات كتلات مختلفة تسمى النظائر وتوجد عادة في (اليورانيوم 238) و(اليورانيوم235). والنسب كما يلي:
(اليورانيوم 238 )- 99,3 %
(اليورانيوم 235) -0,7 %
النظائر الاخرى - 0,01 %
ما هي مراحل استخلاص اليورانيوم؟
1- استخلاص معدن اليورانيوم الخام من المناجم ( حوالي 1-5 كلغ للطن)، ثم التنقية ثم التحويل.
2- يتم سحق المعدن تمهيدا لاستخلاصه وينتج عن ذلك مسحوق بني الكعكة الصفراء الذي يحتوي على 70% من ثاني اكسيد اليورانيوم- (اكسيد اليورانيوم المركز).
3- تحويل اكسيد اليورانيوم (الكعكة الصفراء) إلى غاز هكسا فلورايد اليورانيوم.
4ـ عملية فصل اليورانيوم 238 واليورانيوم 235 تتم بواسطة الطرد المركزي للغاز. حيث يتم تغذية الاسطوانة الدائرة (الطرد المركزي) التي تدور على قاعدة يديرها محرك - بغاز اليورانيوم هكسا فلورايد - يذهب اليورانيوم في حالته الغازية إلى جهاز الطرد المركزي ويحول من 50-70 الف دورة في الدقيقة.
5ـ تتجمع الجزيئات الاكثر ثقلا من اليورانيوم 238 على جدار الاسطوانة ويهبط وهو اليورانيوم الاقل تخصيبا.
6ـ تتجمع الجزيئات الاخف من اليورانيوم 235 بالقرب من مركز الاسطوانة ويتحرك لاعلى.
7ـ يتم ارسال اليورانيوم 235 المخصب إلى جهاز ثان للطرد المركزي، يجري تغذية المرحلة التالية بغاز ثم تخصيبه على نحو طفيف بيورانيوم .235
8 ـ يتم الدفع بغاز مستنفد على نحو خفيف من اليورانيوم 235 لعمل تغذية راجعة إلى المرحلة السابقة.
ما هو الانشطار النووي؟
يختلف الانشطار النووي عن عملية التحلل الإشعاعي من ناحية انه يمكن السيطرة على عملية الانشطار النووي خارجيا. تقوم النيوترونات الحرة الناتجة من كل عملية انشطار إلى تحفيز انشطارات اخرى التي بالتالى تؤدي الى تكوين نيوترونات حرة اخرى وتستمر هذه السلسلة من الفعاليات مؤدية إلى إنتاج كميات هائلة من الطاقة.
يطلق على نظائر عناصر كيميائية لها القدرة على تحمل هذه السلسلة الطويلة من الانشطارات النووية اسم الوقود النووي. من اكثر انواع الوقود النووي استعمالا هو اليورانيوم ذو كتلة ذرية رقم 235 (يورانيوم-235) وبلوتونيوم ذو كتلة ذرية رقم 239 (بلوتونيوم-239)، هذان العنصران ينشطران بصورة بطيئة جدا تحت الظروف الطبيعية التي تسمى بالانشطار التلقائي spontaneous fission وتأخذ هذه العملية التلقائية مايقارب 550 مليون سنة على اقل تقدير ولكن عملية الانشطار هذه يتم تحفيزها والإسراع بها في المفاعلات النووية.
تنتج عادة عن سلسلة من الانشطارات في المواد المذكورة اعلاه طاقة حركية هائلة تقدر بحوالي المئات من الكترون فولت وللتوضيح فان 0.03 الكترون فولت قادرة على تدفئة منزل صغير . يرجع السبب الرئيسي في تفضيل اليورانيوم لاجراء عملية الانشطار النووي عليه لغرض تصنيع الاسلحة النووية الى كون النظير 235 لليورانيوم او مايسمى يورانيوم-235 خفيف الكتلة ويمكن تحفيز انشطاره بسهولة بواسطة تسليط حزمة من النيوترون عليه وبعد الانشطار يتولد 2.5 نيوترون وهذه الكمية من النيوترون كافية لاستمرار عمليات انشطار متسلسلة و متعاقبة.
ماهو ؟ جهاز الطرد المركزي .. المفاعل النووي .. القنبلة النووية
المفاعلات النووية
هي عبارة عن منشآت ضخمة يتم فيها السيطرة على عملية الانشطار النووي حيث يتم الاحتفاظ بالاجواء المناسبة لاستمرار عملية الانشطار النووي دون وقوع انفجارات اثناء الانشطارات المتسلسلة. تستخدم المفاعلات النووية لاغراض خلق الطاقة الكهربائية و تصنيع الاسلحة النووية و ازالة الاملاح والمعادن الاخرى من الماء للحصول على الماء النقي و تحويل عناصر كيميائية معينة الى عناصر اخرى و خلق نظائر عناصر كيميائية ذات فعالية اشعاعية واغراض اخرى.
من اخترع المفاعل النووي؟
يعتبر انريكو فيرمي عالم الفيزياء من ايطاليا والذي حاز على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1938 وغادر ايطاليا بعد صعود الفاشية الى سدة الحكم واستقر في نيويورك في الولايات المتحدة من اوائل من اقترحوا بناء مفاعل نووي حيث اشرف مع زميله ليو زيلارد على بناء اول مفاعل نووي في العالم عام 1942 وكان الغرض الرئيسي من هذا المفاعل هو تصنيع الاسلحة النووية. في عام 1951 تم وللمرة الاولى انتاج الطاقة الكهربائية من مفاعل ايداهو في الولايات المتحدة.
ما هو الماء الثقيل؟
هو ماء له كثافة أعلى من الماء العادي بسبب ان ذرات الأوكسجين التي فيه ترتبط مع ذرتين من النظير الثاني للهيدروجين المسمى بالديتريوم، الذي تحتوي نواته على بروتون ونيوترون على خلاف ذرات الهيدروجين الأكثر انتشارا، والتي تحتوي على بروتون واحد ولا تحتوي على نيوترونات، وبالتالي فإن كتلة الجزيء الواحد من الماء الثقيل أكبر بمقدار وحدتي قياس ذريتين من كتلة جزيء الماء العادي، وهذا الفرق يعطي ميزة للهيدروجين الثنائي الموجود في الماء الثقيل في تفاعلاته مع النيوترونات، حيث من المعروف ان احتمالية انشطار نواة اليورانيوم 235 تكون كبيرة بواسطة نيوترونات ذات طاقة منخفضة، كما ان هذه النيوترونات تساهم في انتاج وقود نووي جديد هو البلوتونيوم ،239 وذلك من خلال امتصاص انوية اليورانيوم 238 لها وتحولها الى بلوتونيوم. ومن هنا كانت اهمية الماء الثقيل نتيجة لوجود ذرات الهيدروجين الثنائي فيه حيث يكون فقدان النيوترونات بالامتصاص أقل وبالتالي فإنه يمكن الاستفادة منها في المزيد من انتاج الطاقة بزيادة معدل الانشطار وزيادة انتاج البلوتونيوم ،239 الذي يستخدم بدوره كوقود للمفاعلات أو في الاسلحة النووية.
أول مفاعلات الماء الثقيل وأشهرها
أول مفاعل يستخدم الماء الثقيل بنته الولايات المتحدة لغرض انتاج البلوتونيوم 239 لاستخدامه في الاسلحة النووية عام ،1950 اما مفاعلات الماء الثقيل المستخدمة لإنتاج القدرة الكهربائية فيعد مفاعل الكاندو من أشهرها، وبالرغم من انه يستخدم اليورانيوم الطبيعي كوقود، ويمكنه انتاج ضعفي ما ينتجه مفاعل الماء العادي من البلوتونيوم ،239 فإن كلفته التشغيلية أكبر من مفاعل الماء العادي.
يرمز للماء الثقيل ب O2D أو O2H2، وله الخصائص الكيمائية ذاتها التي للماء العادي. اما الخصائص الفيزيائية فتختلف عن الماء العادي بعض الشيء، فللماء الثقيل:
درجة غليان: 51.42 سيلسيوس عند الضغط الجوي القياسي.
درجة تجمد: 53.81 سيلسيوس.
كثافة نسبية: 1.1079 عند الضغط الجوي القياسي.
ويستخدم على نطاق واسع في مجالات العلوم النووية ودون الذرية.
السلام عليكم ورحمة الله وبركاته
في ضل التطور و التزايد على الطاقة سيصبح اليورانيوم هو المادة الأولى في التنافس للحصول عليه و خاصة عندما يخصب (235
يُصنّف عنصر اليورانيوم كيميائياً من سلسلة الأكتينيدات بالجدول الدوري، يرمز له بالإنجليزي بحرف (U)، والعدد الذري له هو (92)، أما عن شكله فهو يُشبه تقريباً المعادن الفولاذ، الذهب، والفضة ، إلا أن ورنه ثقيل جداً مقارنة مع حجمه، ويُعّد الأكثر وزناً بين المعادن، ذو كثافته عالية حداً، قريبة إلى كثافة الذهب.
تبلغ كثافة اليورانيوم نحو 19.1 جرام /سنتيمتر مكعب في درجة حرارة الغرفة، أي أن 1 متر مكعب من اليورانيوم يزن نحو 19.1 طنا، وهو بذلك أعلى كثافة من الرصاص بحوالي 70٪، ولكنه أقل بقليل من الذهب أو التنغستن. يتواجد اليورانيوم طبيعيا في التراب والصخور والماء بتركيزات منخفضة تصل لبضعة أجزاء لكل مليون، ويتم استخلاصه تجاريا من المعادن الحاوية له مثل اليورانينيت.
ما هو؟
اليورانيوم.. اليورانيوم المخصب.. الماء الثقيل.. الانشطار النووي..جهاز الطرد المركزي.. المفاعل النووي.. القنبلة النووية
حين وقع الرئيسان السوفيتي والاميركي ميخائيل غورباتشوف ورونالد ريغان في الثمانينات على 'معاهدة تخفيض الاسلحة النووية الاستراتيجية' قال احد معدي المعاهدة الروس لزميله في الطرف الاميركي: 'الرئيسان سيوقعان على معاهدة لن يفهما منها اي شيء'.
والمزحة نفسها يمكن إطلاقها على الرؤساء والسياسيين وقسم من محرري الاخبار الذين يتناول حديثهم وتتشدد خطبهم فيما يتعلق بتخصيب اليورانيوم وجهاز الطرد المركزي والماء الثقيل وغيرها من 'متعلقات نووية' فيما يخص الازمة الدائرة حول إيران.
ولكي لا ينسحب الامر نفسه على المتتبع لانباء الملف النووي الإيراني أو أي ملف مشابه آخر، يقدم الملحق عرضا موجزا وتعريفيا للاسئلة النووية بمفهومها الفيزيائي والكيميائي المبسط، لغرض استكمال الصورة الخاصة بالمناوشات الدائرة على هذا الصعيد.
اليورانيوم
اليورانيوم فلز مشع، رمزه الكيميائيU عدده الذري هو 92، ومن ابرز صفاته: ثقيل، ابيض فضي، سام. وهو مصدر الطاقة المستخدمة في توليد الطاقة الكهربائية في كل محطات القدرة النووية التجارية الكبيرة. فبإمكان قطعة من اليورانيوم في حجم كرة المضرب إطلاق كمية من الطاقة تساوي كمية الطاقة التي تطلقها حمولة من الفحم الحجري يبلغ وزنها ثلاثة ملايين ضعف وزن قطعة اليورانيوم. اهم نظائره 235 الذي يستخدم في المفاعلات النووية وتصنع منه القنابل الذرية والهيدروجينية الاندماجية والانشطارية، وكذلك 238 الذي يستخدم في الدراسات والتشخيص ويستعمل ايضا في تحسين الزراعة والعلاج الكيماوي.
واليورانيوم هو ثاني اثقل عنصر موجود في الطبيعة بعد البلوتونيوم. ويستغل المهندسون ثقل اليورانيوم في عدد من التطبيقات، حيث يستخدمون اليورانيوم في البوصلات الدوارة في الطائرات، لحفظ توازن الاجنحة وغيرها من سطوح التحكم في الطائرات والمركبات الفضائية، وللوقاية من الإشعاع باستخدام اليورانيوم كغطاء. واليورانيوم المستخدم في هذه التطبيقات ذو خاصية إشعاعية ضعيفة جدا. ويستخدم العلماء اليورانيوم ايضا لتحديد اعمار الصخور والمياه الجوفية وترسبات الترافرتين (احد اشكال الحجر الجيري) في المواقع الاثرية.
وجود اليورانيوم
يوجد اليورانيوم اساسا في الصخور، ولكن بتركيزات منخفضة جدا. ففي المتوسط، يوجد 26 رطلا فقط من اليورانيوم في كل مليون رطل من القشرة الارضية. ويوجد اليورانيوم بتركيزات اقل من ذلك في الانهار والبحيرات والمحيطات وغيرها من الاجسام المائية، حيث يوجد ما بين 0,1 رطل و10 ارطال من اليورانيوم في كل مليار رطل من الماء، بما تحتويه من مواد محتوية على اليورانيوم.
مكتشف اليورانيوم
اكتشف الكيميائي الالماني مارتن كلابروث اليورانيوم في عام 1789، حيث وجده في البتشبلند، وهو معدن داكن، اسود مزرق اللون. وقد سمى كلابروث اليورانيوم على اسم كوكب اورانوس، الذي كان قد اكتشف في عام 1781 وفي عام 1841 فصل الكيميائي الفرنسي يوجين بليجو اليورانيوم النقي من البتشبلند.
مصادر اليورانيوم
المصدر الاساسي لليورانيوم هو اليورانينيت، ومن اهم انواعه البتشبلند، الذي اكتشف فيه اليورانيوم لاول مرة. ومن الخامات الرئيسية الاخرى اليورانوفان والكوفينيت والكارنوتيت. وقد يحتوي الحجر الجيري والطفل والفوسفات على ترسبات قيمة من خامات اليورانيوم، بينما يحتوي الغرانيت عادة على كميات قليلة من اليورانيوم.
وفي اوائل القرن الحادي والعشرين بلغ إجمالي وزن اليورانيوم القابل للتعدين بتكاليف معقولة حوالي 3.100.000 طن متري. ويبلغ إنتاج العالم السنوي من اليورانيوم حوالي 40.200 طن متري. وتأتي كندا في مقدمة الدول المنتجة لليورانيوم في العالم، حيث تنتج منطقة ساسكاتشوان اكثر من نصف ما تنتجه كندا من اليورانيوم.
نظائر اليورانيوم
يوجد اليورانيوم في الطبيعة في ثلاثة نظائر ولكل من هذه النظائر عدد مختلف من النيوترونات، ولذلك تختلف هذه النظائر في العدد الكتلي الذري (مجموع عدد البروتونات والنيوترونات في النواة). ويحتوي اخف هذه النظائر على 92 بروتونا و142 نيوترونا، بعدد إجمالي قدره 234 من الجسيمات النووية، ويسمى هذا النظير اليورانيوم ،234 والنظيران الطبيعيان الآخران لليورانيوم هما اليورانيوم 235 واليورانيوم 238، ويحتويان على 143 نيوترونا و146 نيوترونا على التوالي. ويشكل اليورانيوم 238 حوالي 99,28% من إجمالي اليورانيوم الطبيعي، بينما يمثل اليورانيوم 235 حوالي 0,71%، واليورانيوم 234 حوالي 0,006%. ويعرف اليورانيوم 238 باليورانيوم المستنفد، او الخامد، او المنضب.
واليورانيوم 235 هو النظير الطبيعي الوحيد الذي يمكن إخضاع نواته لعملية الانشطار، اي الانشقاق إلى نصفين. وتنطلق عن عملية الانشطار الطاقة النووية المستخدمة في محطات القدرة وفي الاسلحة.
خواص اليورانيوم
الوزن الذري لليورانيوم 0238, 289 وكثافته عند 25 م 19,05غم لكل سنتيمتر مكعب. وينصهر اليورانيوم عند 1،132م، ويغلي عند 3،818م. وهو ينتمي إلى مجموعة العناصر المسماة سلسلة الاكتينيدات. ويتحد اليورانيوم بسهولة مع العناصر الاخرى، ويوجد في الطبيعة عادة مكونا مركبات مع الاكسجين. وفي معظم المياه السطحية والجوفية يوجد اليورانيوم في شكل اكسيد او كربونات او فوسفات او فلوريد او كبريتات. وبالإضافة إلى ذلك، يتفاعل اليورانيوم مع الاحماض مكونا مركبات تسمى املاح اليورانيل. وكل مركبات اليورانيوم عالية السمية.
نشاطه الإشعاعي
كل نظائر اليورانيوم مشعة، حيث تنحل (تتفتت) نوى ذراتها مطلقة جسيمات وطاقة، وخاصة جسيمات الفا وجسيمات بيتا واشعة غاما وعندما ينحل النظير يتحول إلى نظير آخر. وبحدوث سلسلة من الانحلالات يتحول اليورانيوم في النهاية إلى نظير للرصاص غير مشع.
ويقيس العلماء معدل إشعاع اي نظير على اساس عمره النصفي، اي الفترة الزمنية التي يتبقى بعدها نصف عدد الذرات المكونة لعينة من النظير في شكل ذرات لذلك النظير.
ولنظائر اليورانيوم اعمار نصفية طويلة. فالعمر النصفي لليورانيوم 238 يبلغ حوالي 4,5 بليون عام، ولليورانيوم 235 حوالي 700 مليون عام، ولليورانيوم 234 حوالي 250,000 عام. ويعتقد ان جزءا كبيرا من حرارة باطن الارض ينتج عن الإشعاع الصادر عن اليورانيوم.
قابلية انشطاره
ينشطر اليورانيوم 235 إلى شظيتين عند قذفه بنيوترون، وتنطلق عن ذلك طاقة، كما ينطلق نيوترونان او اكثر. وتسبب هذه النيوترونات بدورها انشطار نوى اخرى، مطلقة ايضا طاقة ونيوترونات. وتحت ظروف معينة يمكن لهذه العملية ان تستمر في سلسلة من الانشطارات ذاتية الاستمرار تسمى التفاعل السلسلي.
ولا تنشطر نواة اليورانيوم 238 عند قذفها بنيوترون إلا نادرا، وذلك لانها عادة تمتص النيوترونات التي تصطدم بها.
كيف يعدن ويعالج؟
تستخدم شركات التنقيب ثلاث طرق رئيسية لاستخراج اليورانيوم من الارض :وهي التعدين المحلولي المكاني والتعدين المكشوف والتعدين الارضي. ولكل طريقة خصائصها نجد من الغنى التوقف عندها.
تكرير ومعالجة خام اليورانيوم. ينقل الخام من المنجم إلى مطحنة لتركيز اليورانيوم. وفي المطحنة يستخدم العاملون حامض الكبريتيك او محاليل الكربونات لإنتاج ملح من املاح اليورانيوم يسمى الكعكة الصفراء. وتنقى الكعكة الصفراء إلى اكسيد يسمى ايضا الكعكة الصفراء، وصيغته الكيميائيةU3O8 . ويخضع الاكسيد في معمل تحويل إلى تفاعل كيميائي مع الفلور، لإنتاج سادس فلوريد اليورانيوم UF6.
وينقل سادس فلوريد اليورانيوم إلى محطة تخصيب لفصل اليورانيوم 235 عن اليورانيوم 238. وينتج عن هذا الفصل يورانيوم مخصب، يحتوي على نسبة من اليورانيوم 235 اعلى من النسبة التي يحتويها اليورانيوم الموجود في الطبيعة. وتستخدم معظم المفاعلات النووية في محطات القدرة النووية وقودا يحتوي على اليورانيوم 235 بنسبة تتراوح بين 2% و4% تقريبا. اما الاسلحة النووية ومفاعلات السفن التي تعمل بالقدرة النووية فتتطلب نوعا من اليورانيوم يحتوي على اليورانيوم 235 بنسب اعلى من ذلك.
اما اليورانيوم المخصب، الذي يراد استخدامه في المفاعلات فينقل إلى محطة صنع الوقود، لتحويل سادس فلوريد اليورانيوم إلى ثاني اكسيد اليورانيوم، الذي يضغط إلى كريات اسطوانية الشكل، تستخدم وقودا.
فصل نظائر اليورانيوم
طور العلماء طرقا عديدة لفصل نظائر اليورانيوم. وتستخدم شركات التخصيب طريقتين من هذه الطرق، هما : طريقة الانتشار الغازي وطريقة الطرد المركزي. وهناك طريقة ثالثة تحت التجريب تسمى طريقة فصل النظائر بالليزر.
طريقة الانتشار الغازي: تستخدم هذه الطريقة في الولايات المتحدة. وفي هذه الطريقة تضخ جزيئات سادس فلوريد اليورانيوم خلال حواجز تحتوي على ملايين الثقوب الدقيقة. وتمر جزيئات الغاز الخفيفة عبر ثقوب الحواجز اسرع من الجزيئات الثقيلة. وتحتوي الجزيئات الخفيفة على ذرات اليورانيوم 235، ولذلك يحتوي الغاز الذي يمر عبر الحاجز على نسبة من اليورانيوم 235 اعلى من الغاز الاصلي. ونظرا لان هذه الزيادة طفيفة جدا فإن الغاز يجب ان يمر عبر الحاجز عدة آلاف مرة لإنتاج اليورانيوم المخصب الذي يراد استخدامه في محطات القدرة النووية.
طريقة الطرد المركزي: تستخدم هذه الطريقة في عدد من المحطات في اوروبا واليابان. ويتكون جهاز الطرد المركزي في هذه الطريقة من اسطوانات عمودية ذات حركة دوامية سريعة. ويضخ غاز سادس فلوريد اليورانيوم في كل اسطوانة عبر انبوبة عمودية ثابتة داخل كل اسطوانة.
وتجبر الحركة الدوامية للاسطوانة كل الغاز الخارجي تقريبا في اتجاه الجدران المنحنية. وبالإضافة إلى ذلك، تساعد مغرفة متصلة بقاعدة الانبوبة الثابتة في انسياب الغاز عموديا، كما تساهم الفروق في درجات الحرارة داخل الاسطوانة في إحداث هذا الانسياب العمودي.
وبسبب هذه التأثيرات ـ الحركة الدوامية للاسطوانة وحركة المغرفة وفروق درجات الحرارة ـ ينساب الغاز بنمط معقد، ويصبح الغاز القريب من قاعدة الاسطوانة مركزا باليورانيوم 238 اكثر من الغاز العلوي.
وتزيل المغرفة السفلية النفايات الغازية، التي تحتوي على تركيزات اعلى نسبيا من اليورانيوم 238، بينما تزيل المغرفة العلوية الغاز المخصب الذي يحتوي على اليورانيوم 235 بتركيز اعلى. وتتكرر العملية حتى يتم الحصول على التركيز المطلوب من اليورانيوم .235
فصل النظائر بالليزر
في هذه الطريقة تستخدم توليفة من ضوء الليزر وشحنة كهربائية لفصل نظائر اليورانيوم. والليزر نبيطة تنتج حزمة رفيعة من الضوء ذات مدى ترددي ضيق جدا (تردد الضوء هو معدل اهتزاز موجات الضوء).
وفي طريقة فصل النظائر بالليزر تسمى طريقة البخار الذري تسخن حزمة من الإلكترونات قطعة من اليورانيوم عند قاعدة حاوية مغلقة، محولة اليورانيوم إلى بخار (غاز)، ثم يخترق الغاز بنبضات من حزمة ليزرية. ويوالف تردد الحزمة بحيث تستطيع الإلكترونات في ذرات اليورانيوم 235 امتصاص الضوء، ولا تستطيع إلكترونات ذرات اليورانيوم 238 ذلك.
وعندما يمتص إلكترون اليورانيوم 235 هذا الضوء يحصل على طاقة تكفيه لترك الذرة. وتغير هذه العملية التوازن الكهربائي للذرة. فالإلكترون يحمل شحنة كهربائية سالبة، بينما تحمل النواة شحنة كهربائية موجبة واحدة او اكثر. وفي الذرة العادية يكون عدد الشحنات الموجبة مساويا لعدد الشحنات السالبة. ولذلك تكتسب الذرة شحنة موجبة عندما يتركها إلكترون. ويقول العلماء عن هذه الحالة إن الذرة تحولت إلى ايون موجب. وهكذا يؤين ضوء الليزر ذرات اليورانيوم 235، ولا يؤين ذرات اليورانيوم .238
وعند صعود البخار الساخن إلى اعلى تجذب الواح تجميع سالبة الشحنة في قمة الحاوية ايونات اليورانيوم 235 الموجبة. ولان الواح التجميع ابرد من الغاز فإن اليورانيوم 235 يتكثف عليه (يتحول من غاز إلى سائل). ويتقطر اليورانيوم 235 من الواح التجميع إلى حاويات خاصة، مكونا كتلة صلبة. ثم تجمع الكتل الصلبة وتنقى وتؤكسد لاستخدامها وقودا نوويا. وفي نفس الاثناء ينتقل اليورانيوم 238، المتعادل كهربائيا، عبر الالواح المشحونة، ثم يتكثف فوق لوحة نفايات قرب قمة الحاوية.
وفي إحدى التقنيات الليزرية تسخن وحدة كهربائية قطعة من اليورانيوم منتجة بخارا. وتعمل حزمتان ليزريتان معا لتأيين ذرات اليورانيوم 235 في البخار، ثم تجمع لوحة موجبة الشحنة ايونات اليورانيوم 235، تاركة بخار ذرات اليورانيوم 238 تخرج عبر فتحة في قمة الحاوية.
وتستهلك طريقة فصل النظائر بالليزر طاقة كهربائية اقل بكثير من الطاقة التي تستهلكها طريقة الانتشار الغازي، كما ان تكلفة معدات طريقة الفصل بالليزر اقل بكثير من تكلفة معدات طريقة الطرد المركزي. ولذلك تجري الشركات المدعومة حكوميا في فرنسا واليابان والولايات المتحدة التجارب لاستخدام طريقة فصل النظائر بالليزر.
تاريخ
استخدام اليورانيوم
استخدم الإنسان اليورانيوم ومركباته منذ حوالي الفي عام تقريبا. فقد احتوى زجاج ملون انتج في حوالي عام 79م على اكسيد اليورانيوم، وظل مصنعو الزجاج يستخدمون هذا المركب مادة ملونة حتى القرن التاسع عشر. واستخدم اليورانيوم ايضا مادة ملونة في طلاء او تزجيج الخزف الصيني. وبالإضافة إلى ذلك استخدم اليورانيوم في معالجة الصور الفوتوغرافية. وفي عام 1896م، اكتشف الفيزيائي الفرنسي انطوان هنري بكويريل ان اليورانيوم مادة مشعة، وكان هذا الاكتشاف اول اكتشاف لعنصر مشع في التاريخ. وفي عام 1935، اكتشف الفيزيائي الكندي المولد آرثر دمبستر اليورانيوم ،235 واستخدم الكيميائيان الالمانيان اوتو هان وفرتز ستراسمان اليورانيوم لإنتاج اول انشطار نووي اصطناعي في عام 1938م. وفي عام 1942م، انتج الفيزيائي الإيطالي المولد إنريكو فيرمي ومساعدوه في جامعة شيكاغو اول تفاعل سلسلي اصطناعي، مستخدمين اليورانيوم 235 مادة انشطارية. وقد قاد عمل فيرمي إلى تطوير القنبلة الذرية، كما قادت الابحاث العلمية إلى الاستخدامات السلمية لليورانيوم. ومنذ اوائل سبعينات القرن العشرين اصبحت محطات القدرة النووية التي تستخدم اليورانيوم وقودا من اهم مصادر الطاقة. وتوجد هذه المحطات في 30 دولة، يواصل عدد منها الآن بناء المزيد من المحطات. اما بقية الدول فقد اوقفت بناء المحطات الجديدة لاسباب عديدة منها القلق من تأثير هذه المحطات الجديدة على السلامة العامة، والنظم الحكومية المرتبطة بالسلامة، وارتفاع تكلفة وتشغيل المحطات الجديدة مقارنة بتكلفة محطات القدرة التي تستخدم الطاقة الناتجة عن حرق الفحم الحجري والغاز الطبيعي.
كيف يتم تخصيب اليورانيوم؟
عملية التخصيب عبارة عن عزل نظائر عناصر كيميائية محددة Isotope separation من عنصر ما لغرض زيادة تركيز نظائر اخرى للحصول على مادة تعتبر مشبعة بالنظير المطلوب، على سبيل المثال عزل نظائر معينة من اليورانيوم الطبيعي للحصول على اليورانيوم المخصب واليورانيوم المنضب. وتتم عملية التخصيب على مراحل حيث يتم في كل مرحلة عزل كميات اكبر من النظائر غير المرغوبة حيث يزداد العنصر تخصيبا بعد كل مرحلة لحد الوصول الى نسبة النقاء المطلوبة. وتبلغ نسبة اليورانيوم-235 الذي يراد تخصيبه من اجمالي ذرة اليورانيوم الطبيعي نسبة 0.7% فقط ولكن هذا الجزء هو المرغوب فيه لكونه اخف من ناحية الكتلة من الاجزاء الاخرى من اليورانيوم الطبيعي. الجزء المتبقي من اليورانيوم الطبيعي بعد استخلاص جزء اليورانيوم-235 يسمى اليورانيوم.238- تم تخصيب اليورانيوم لاول مرة في الولايات المتحدة بعد الحرب العالمية الثانية حيث تم بناء 3 من المفاعلات النووية في ولايات تينيسي و اوهايو وكنتاكي وكانت الطريقة المستعملة عبارة عن ضخ كميات كبيرة من اليورانيوم على شكل غاز يورانيوم هيكسافلوريد uranium hexafluoride الى حواجز ضخمة تحوي على ملايين الثقوب الصغيرة جدا وبهذه الطريقة يتم انتشار اليورانيوم-235 (وهو الجزء المطلوب) بسرعة اكبر نسبة الى اليورانيوم-238 (وهو الجزء غير المرغوب فيه لكونه اثقل) وتم استغلال الفرق في سرعة الانتشار وجمع كميات هائلة من اليورانيوم-235 وتمتلك الولايات المتحدة يورانيوم مخصبا من النوع عالي الخصوبة بنسبة 90%. و اليورانيوم هو المكون الوحيد الذي يمكن ان ينتج طاقة نووية، يحتوي اليورانيوم الطبيعي على ذرات ذات كتلات مختلفة تسمى النظائر وتوجد عادة في (اليورانيوم 238) و(اليورانيوم235). والنسب كما يلي:
(اليورانيوم 238 )- 99,3 %
(اليورانيوم 235) -0,7 %
النظائر الاخرى - 0,01 %
ما هي مراحل استخلاص اليورانيوم؟
1- استخلاص معدن اليورانيوم الخام من المناجم ( حوالي 1-5 كلغ للطن)، ثم التنقية ثم التحويل.
2- يتم سحق المعدن تمهيدا لاستخلاصه وينتج عن ذلك مسحوق بني الكعكة الصفراء الذي يحتوي على 70% من ثاني اكسيد اليورانيوم- (اكسيد اليورانيوم المركز).
3- تحويل اكسيد اليورانيوم (الكعكة الصفراء) إلى غاز هكسا فلورايد اليورانيوم.
4ـ عملية فصل اليورانيوم 238 واليورانيوم 235 تتم بواسطة الطرد المركزي للغاز. حيث يتم تغذية الاسطوانة الدائرة (الطرد المركزي) التي تدور على قاعدة يديرها محرك - بغاز اليورانيوم هكسا فلورايد - يذهب اليورانيوم في حالته الغازية إلى جهاز الطرد المركزي ويحول من 50-70 الف دورة في الدقيقة.
5ـ تتجمع الجزيئات الاكثر ثقلا من اليورانيوم 238 على جدار الاسطوانة ويهبط وهو اليورانيوم الاقل تخصيبا.
6ـ تتجمع الجزيئات الاخف من اليورانيوم 235 بالقرب من مركز الاسطوانة ويتحرك لاعلى.
7ـ يتم ارسال اليورانيوم 235 المخصب إلى جهاز ثان للطرد المركزي، يجري تغذية المرحلة التالية بغاز ثم تخصيبه على نحو طفيف بيورانيوم .235
8 ـ يتم الدفع بغاز مستنفد على نحو خفيف من اليورانيوم 235 لعمل تغذية راجعة إلى المرحلة السابقة.
ما هو الانشطار النووي؟
يختلف الانشطار النووي عن عملية التحلل الإشعاعي من ناحية انه يمكن السيطرة على عملية الانشطار النووي خارجيا. تقوم النيوترونات الحرة الناتجة من كل عملية انشطار إلى تحفيز انشطارات اخرى التي بالتالى تؤدي الى تكوين نيوترونات حرة اخرى وتستمر هذه السلسلة من الفعاليات مؤدية إلى إنتاج كميات هائلة من الطاقة.
يطلق على نظائر عناصر كيميائية لها القدرة على تحمل هذه السلسلة الطويلة من الانشطارات النووية اسم الوقود النووي. من اكثر انواع الوقود النووي استعمالا هو اليورانيوم ذو كتلة ذرية رقم 235 (يورانيوم-235) وبلوتونيوم ذو كتلة ذرية رقم 239 (بلوتونيوم-239)، هذان العنصران ينشطران بصورة بطيئة جدا تحت الظروف الطبيعية التي تسمى بالانشطار التلقائي spontaneous fission وتأخذ هذه العملية التلقائية مايقارب 550 مليون سنة على اقل تقدير ولكن عملية الانشطار هذه يتم تحفيزها والإسراع بها في المفاعلات النووية.
تنتج عادة عن سلسلة من الانشطارات في المواد المذكورة اعلاه طاقة حركية هائلة تقدر بحوالي المئات من الكترون فولت وللتوضيح فان 0.03 الكترون فولت قادرة على تدفئة منزل صغير . يرجع السبب الرئيسي في تفضيل اليورانيوم لاجراء عملية الانشطار النووي عليه لغرض تصنيع الاسلحة النووية الى كون النظير 235 لليورانيوم او مايسمى يورانيوم-235 خفيف الكتلة ويمكن تحفيز انشطاره بسهولة بواسطة تسليط حزمة من النيوترون عليه وبعد الانشطار يتولد 2.5 نيوترون وهذه الكمية من النيوترون كافية لاستمرار عمليات انشطار متسلسلة و متعاقبة.
ماهو ؟ جهاز الطرد المركزي .. المفاعل النووي .. القنبلة النووية
المفاعلات النووية
هي عبارة عن منشآت ضخمة يتم فيها السيطرة على عملية الانشطار النووي حيث يتم الاحتفاظ بالاجواء المناسبة لاستمرار عملية الانشطار النووي دون وقوع انفجارات اثناء الانشطارات المتسلسلة. تستخدم المفاعلات النووية لاغراض خلق الطاقة الكهربائية و تصنيع الاسلحة النووية و ازالة الاملاح والمعادن الاخرى من الماء للحصول على الماء النقي و تحويل عناصر كيميائية معينة الى عناصر اخرى و خلق نظائر عناصر كيميائية ذات فعالية اشعاعية واغراض اخرى.
من اخترع المفاعل النووي؟
يعتبر انريكو فيرمي عالم الفيزياء من ايطاليا والذي حاز على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1938 وغادر ايطاليا بعد صعود الفاشية الى سدة الحكم واستقر في نيويورك في الولايات المتحدة من اوائل من اقترحوا بناء مفاعل نووي حيث اشرف مع زميله ليو زيلارد على بناء اول مفاعل نووي في العالم عام 1942 وكان الغرض الرئيسي من هذا المفاعل هو تصنيع الاسلحة النووية. في عام 1951 تم وللمرة الاولى انتاج الطاقة الكهربائية من مفاعل ايداهو في الولايات المتحدة.
ما هو الماء الثقيل؟
هو ماء له كثافة أعلى من الماء العادي بسبب ان ذرات الأوكسجين التي فيه ترتبط مع ذرتين من النظير الثاني للهيدروجين المسمى بالديتريوم، الذي تحتوي نواته على بروتون ونيوترون على خلاف ذرات الهيدروجين الأكثر انتشارا، والتي تحتوي على بروتون واحد ولا تحتوي على نيوترونات، وبالتالي فإن كتلة الجزيء الواحد من الماء الثقيل أكبر بمقدار وحدتي قياس ذريتين من كتلة جزيء الماء العادي، وهذا الفرق يعطي ميزة للهيدروجين الثنائي الموجود في الماء الثقيل في تفاعلاته مع النيوترونات، حيث من المعروف ان احتمالية انشطار نواة اليورانيوم 235 تكون كبيرة بواسطة نيوترونات ذات طاقة منخفضة، كما ان هذه النيوترونات تساهم في انتاج وقود نووي جديد هو البلوتونيوم ،239 وذلك من خلال امتصاص انوية اليورانيوم 238 لها وتحولها الى بلوتونيوم. ومن هنا كانت اهمية الماء الثقيل نتيجة لوجود ذرات الهيدروجين الثنائي فيه حيث يكون فقدان النيوترونات بالامتصاص أقل وبالتالي فإنه يمكن الاستفادة منها في المزيد من انتاج الطاقة بزيادة معدل الانشطار وزيادة انتاج البلوتونيوم ،239 الذي يستخدم بدوره كوقود للمفاعلات أو في الاسلحة النووية.
أول مفاعلات الماء الثقيل وأشهرها
أول مفاعل يستخدم الماء الثقيل بنته الولايات المتحدة لغرض انتاج البلوتونيوم 239 لاستخدامه في الاسلحة النووية عام ،1950 اما مفاعلات الماء الثقيل المستخدمة لإنتاج القدرة الكهربائية فيعد مفاعل الكاندو من أشهرها، وبالرغم من انه يستخدم اليورانيوم الطبيعي كوقود، ويمكنه انتاج ضعفي ما ينتجه مفاعل الماء العادي من البلوتونيوم ،239 فإن كلفته التشغيلية أكبر من مفاعل الماء العادي.
يرمز للماء الثقيل ب O2D أو O2H2، وله الخصائص الكيمائية ذاتها التي للماء العادي. اما الخصائص الفيزيائية فتختلف عن الماء العادي بعض الشيء، فللماء الثقيل:
درجة غليان: 51.42 سيلسيوس عند الضغط الجوي القياسي.
درجة تجمد: 53.81 سيلسيوس.
كثافة نسبية: 1.1079 عند الضغط الجوي القياسي.
ويستخدم على نطاق واسع في مجالات العلوم النووية ودون الذرية.
