تخصيب اليورانيوم (Uranium Enrichment)

Share on facebook
Share on twitter
Share on linkedin
اليورانيوم الجزء الأول

  1. مقدمة:

قد سمعنا تلك الجملة مرارًا وتكرارًا في وسائل الإعلام المرئية والمسموعة وطالعناها في الصحف، ومن المؤكد أننا نريد أن نعرف ماهية تخصيب اليورانيوم بشكل علمي وكيف يُخصّب اليورانيوم. في هذه المقالة -على جزأين- سنستعرض: تعريف التخصيب، وعمليات التخصيب، وعمليات تخصيب اليورانيوم المستنفذ، والقضايا البيئية المتصلة بعملية التخصيب.

 

  1. تعريف تخصيب اليورانيوم:

 

2-1. اليورانيوم في الطبيعة:

يتواجد اليورانيوم في الطبيعة بشكل كبير في نظيرين: يورانيوم 238، ويورانيوم 235. فالنظيرُ isotope هو أكثرُ من شكل لعنصر واحد يتشابه في العدد الذري ويختلف في العدد الكتلي؛ على سبيل المثال: الهيدروجين له أكثر من نظير، منها: البروتيوم والديوتيريوم والتريتيوم، وجميع هذه النظائر متشابهة في العدد الذري (1)، ومختلفة في العدد الكتلي، ومن ثم فهي مختلفة في عدد النيترونات. وبالرجوع إلى ليورانيوم؛ فكما ذكرنا أن اليورانيوم متواجدٌ في الطبيعة بشكل ٍ كبير في اليورانيوم 238 و235، حيث يمثل اليورانيوم 238 النسبة الساحقة بنحو 99.3%، بينما يمثل اليورانيوم 235: 0.7%. يورانيوم 238 غير ملائم لإنتاج الطاقة بسبب أنه عنصر غير انشطاري، لأنه ليس جيدًا لامتصاص النيوترونات التي ستُحدث التفاعل المتسلسل. ولكن في بعض الظروف يمكن أن يكون انشطاريًا، عندما تحدث عملية تعجيل للنيوترونات -أي زيادة طاقتها الحركية- ومن ثم لا يحدث لها تشتُّت (scattering)، وهو ما حدا بالعلماء لاستحداث مصطلح التخصيب؛ فالتخصيب هو: عملية زيادة نسبة يورانيوم 235 من 0.7% إلى 3.5% من اليورانيوم 238 بطرق التخصيب التي سنعرفها لاحقا.

 

 

2-2. لماذا اليورانيوم ،235 وليس 238:

كما ذكرنا سابقا، فإن اليورانيوم 238 ليس ممتصًا جيدًا للنيترونات. وعلى النقيض، فاليورانيوم 235 ممتصٌّ مثاليٌّ للنيوترونات، وبتالي سيخضع للتفاعل الانشطاري. فعملية الانشطار تكون مصحوبةً بطاقة حرارية عالية جدا وتُستغل هذه الحرارة في عملية إنتاج الطاقة الكهربية حسب نوع المفاعل -إما مفاعلات ماء ثقيل أو خفيف، وسوف نعرض في مقالات قادمة لعمل المفاعلات وأنواعها-، وبسبب اختلاف الخواص الفيزيائية لليورانيوم 235 عن يورانيوم 238، فقد سهّل عملية فصل اليورانيوم 235 عن 238.

 

 

2-3. عمليات التخصيب بشكل عام:

بشكلٍ عام، يتم تحويل اليورانيوم في صورة غازية عند درجة حرارة منخفضة، حيث يكون اليورانيوم القادم من المناجم في صورة أكسيد اليورانيوم (UO3)، ويتم تحويله إلى سادس فلوريد اليورانيوم (UF6) الذي يمثل المادة المغذية (feed material) لليورانيوم 235. هنالك عمليات كثيرة تُجرى معمليا لتخصيب اليورانيوم، ولكن صناعيًا وتجاريًا هنالك عمليتان:

  1. الانتشار الغازي (Gaseous diffusion process).
  2. الطرد المركزي (centrifuge process).

 

2-3-1. الانتشار الغازي:

تتم في هذه العملية مرور غاز سادس فلوريد اليورانيوم (UF6) من خلال مادة ذات حاجز مسامي (porous barrier material)، حيث تسمح هذه المادة بمرور جزيئات اليورانيوم 235 الأخف فحسب، لاعتماد هذه العملية على السيلان الجزيئي (molecular effusion) -أي سيلان الغاز من خلال ثقوب صغيرة-، حيث أن سيلان جزيئات الغاز الأخف أسرعُ من سيلان الجزيئات الأثقل، مما يُحدث حالة صدام بالمادة ذات الحاجز المسامي، حيث يكون يورانيوم 235 أسرع وأسهل اختراقًا من يورانيوم 238، لأن يورانيوم 238 أثقل من 235، ويكون فارق السرعة بينهما 0.4%ئ

 

يكون سادس فلوريد اليورانيوم في الحالة الصلبة في درجة حرارة الغرفة، ولكن يصبح غازًا إذا سُخّن عند درجة حرارة أعلى من 135 درجة فهرنهايت. فعند تحويله إلى غاز، تبدأ عملية الانتشار الغازي، حيث يُضغط الغاز من خلال سلسلة من الأغشية المسامية ذات الفتحات الميكروسكوبية، ولأن يورانيوم 235 أخف –كما قلنا- يخترق المسام بسهولة، ويتركز يورانيوم 235 بشكل كبير ويقل تركيز يورانيوم 238 بشكل كبير.

 

المعدات المستخدمة في عملية الانتشار الغازي يفضل أن تكون كبيرةً ومرشّدةً الطاقة.

 

2-3-1-1. مكونات عملية الانتشار الغازي:

  • وعاء أسطواني كبير يسمى الناشر (diffuser)، يحتوي على الحاجز المسامي.
  • ضاغط (compressor) يضغط فيه الغاز بضغط كبير، ليمر من خلال المادة ذات الحاجز المسامي.
  • موتور كهربي لتحريك الضاغط.
  • مبدّل حراري لإزالة الحرارة الناجمة عن ضغط الغاز.
  • أنابيب وصمامات للتحكم في العملية.

 

بعد معرفة مكونات عملية الانتشار الغازي، لابد أن هنالك مشكلة؛ أن غاز سادس فلوريد اليورانيوم يسبب التآكل للضاغط والصمامات، مما يؤدى إلى حدوث تسريب. ولحل هذه المشكلة تُطلَى الصمامات والضاغط بالنيكل أو الألمونيوم، كما يجب أن تكون هناك أبراجُ تبريد للتخلص من النفايات الناتجة عن عملية التسخين.

 

2-3-2. عملية الطرد المركزي:

الخطوة الأولى هي تفاعل اليورانيوم الخام مع حمض الهيدوفلورك شديد الحمضية، حيث يتحول اليورانيوم إلى سادس فلوريد اليورانيوم، فيوضع غاز سادس فلوريد اليورانيوم في الخطوة التالية في أجهزة الطرد المركزي لكي تدور، حيث أن القوة الناتجة من عملية الدوران أقوى آلاف المرات من قوة الجاذبية. وبما أن ذرات اليورانيوم 238 أثقل من ذرات اليورانيوم 235، فلذلك تميل للالتصاق بجدران أجهزة الطرد المركزي، بينما يبقى اليورانيوم 235 في منتصف الجهاز. يؤخذ الغاز الذي في المنتصف ويوضع في أجهزة طرد مركزي شبيهة بتلك التي ذكرناها. فكلما زادت مرات الطرد المركزي، زادت نسبة يورانيوم 235. وفي نهاية المطاف ستحصل على غاز سادس فلوريد اليورانيوم ذي نسبة كبيرة من يورانيوم 235. ولتكون أجهزة الطرد المركزي ذات كفاءة عالية، يجب توافر الآتي:

  • أن يكون معدل الدوران حوالي 100 ألف لفة في الدقيقة.
  • أن تكون أجهزة الطرد المركزي خفيفة وذات محركات قوية.
  • أن تكون محركاتها مثبتة ومتزنة جيدًا.
  • أن تكون ذات محملات (bearing) سريعة جدًا، ومغناطيسية لتقليل الاحتكاك.

 

أجهزة الطرد المركزي

 

المراجع:

http://www.world-nuclear.org/information-library/nuclear-fuel-cycle/conversion-enrichment-and-fabrication/uranium-enrichment.aspx

 

http://science.howstuffworks.com/uranium-centrifuge.htm

 

http://www.world-nuclear.org/information-library/nuclear-fuel-cycle/conversion-enrichment-and-fabrication/uranium-enrichment.aspx

 

تقديم وإعداد: Mustafa Freeman

مُراجعة: علي أدهم