ما هو تخصيب اليورانيوم؟
49917#11
عملية تخصيب اليورانيوم عبارة عن عزل نظير معين Isotope separation ، وهذ النظير المعين هو اليورانيوم-235 الذي يصلح لإنتاج الطاقة الكهربائية في مفاعل نووي. اليورانيوم الطبيعي يحتوي على 7.0% من اليورانيوم-235 أما باقي اليورانيوم فهو اليورانيوم -238. والمطلوب من عملية التخصيب هو رفع نسبة اليورانيوم-235 في اليورانيوم الطبيعي إلى 5.3% حتى يمكن استخدامه في مفاعل نووي يعمل بالماء الخفيف. اليورانيوم المخصب إذا يمكن أن يكون ذو نسبة 5.3% من اليورانيوم-235 أو أعلى من ذلك (إنتاج أسلحة نووية يحتاج إلى تخصيب أعلى من 90%)، ويسمى الجزء من اليورانيوم المنزع منه اليورانيوم-235 "اليورانيوم المنضب" . وتتم عملية التخصيب على مراحل حيث يتم في كل مرحلة عزل كميات أكبر من النظير المرغوب فيه (اليورانيوم-235) حيث يزداد اليورانيوم تخصيبا بعد كل مرحلة لحد الوصول إلى نسبة النقاء المطلوبة (5.3% لإنتاج الطاقة الكهربائية في مفاعلات نووية ؛ أو 20% لمفاعلات البحوث العلمية أو 90% لإنتاج أسلحة نووية).
يورانيوم مخصب
3551461#37
عملية تخصيب اليورانيوم عبارة عن عزل نظير معين من مخلوط نظائر، وهذ النظير المعين هو اليورانيوم-235 الذي يصلح لإنتاج الطاقة الكهربائية في مفاعل نووي. اليورانيوم الطبيعي يحتوي على 7و0% من اليورانيوم-235 أما باقي اليورانيوم فهو اليورانيوم -238. والمطلوب من عملية التخصيب هو رفع نسبة اليورانيوم-235 في اليورانيوم الطبيعي إلى 5و3% حتى يمكن استخدامه في مفاعل نووي يعمل بالماء الخفيف. اليورانيوم المخصب إذا يمكن أن يكون ذو نسبة 5و3% من اليورانيوم-235 أو أعلى من ذلك (إنتاج أسلحة نووية يحتاج إلى تخصيب أعلى من 90%)، ويسمى الجزء من اليورانيوم المنزع منه اليورانيوم-235 "اليورانيوم المنضب". وتتم عملية التخصيب على مراحل حيث يتم في كل مرحلة عزل كميات أكبر من النظير المرغوب فيه (اليورانيوم-235) حيث يزداد اليورانيوم تخصيبا بعد كل مرحلة لحد الوصول إلى نسبة النقاء المطلوبة (5و3% لإنتاج الطاقة الكهربائية في مفاعلات نووية ؛ أو 90% لإنتاج أسلحة نووية).
مفاعل نووي
3551461#38
على سبيل المثال اليورانيوم المخصب عبارة عن يورانيوم تمت زيادة نسبة نظائر اليورانيوم-235 فيه وازالة النظائر الأخرى مثل اليورانيوم-238. وعملية التخصيب هذه صعبة ومكلفة وتكمن الصعوبة في أن النظائر الذي يراد ازالتها من اليورانيوم شبيهة جدا من ناحية الكتلة الذرية والخواص الكينميائية للنظائر الذي يرغب بالإبقاء عليها وتخصيبها. وتتم عملية التخصيب باستخدام بطرق متعددة، كلها تعتمد على الحرارة العالية. الطريقة الأمريكية المتبعة في مشروع مانهاتن لغنتاج القنابل الذرية كانت بطريقة النغاذية ؛ حيث تختلف نفاذية اليورانيوم -235 عن نفاذية اليورانيوم-238 في السيراميك مثلا. الطريقة الثانية التي يكثر استخدامها هي طريقة الطرد المركزي. وهناك طرق أخرى أكثر تعقيدا كاستعمال الليزر أو الأشعة الكهرومغناطيسية ولكنها ليست للأغراض الصناعية. معامل الفصل بين النظيرين عبر مرحلة واحدة هو 1.3 للطريقة الطرد المركزي بالمقارنة بمعامل 1.005 للإنتشار الحراري عبر حاجز، وهي نسبة تعادل 1:50 من وجهة الطاقة المستخدمة. طريقة الطرد المركزي تتبع في تخصيب 54% من اليورانيوم المخصب في العالم.
مفاعل نووي
66914#9
وفي حالة التخصيب يتطلب تزويد المفاعل النووي ب 30 طن من اليورانيوم المخصب إلى درجة 5 و3% لإمداد مفاعل واحد بالوقود النووي لمدة عام إذا كان يعمل بقدرة 1000 ميجاوات. وعملية تخصيب اليورانيوم Uranium Enrichment تتم بتخلل مادة هكسافلوريد اليورانيوم Uranium Hexaflourideالغازية وراء حاجز من مادة مسامية فتزيد نسبة اليورانيوم-235 في اليورانيوم من 7و0% إلى نحو 5و3%. وذلك لأن نفاذية اليورانيوم-235 في الحاجز المسامي تكون أعلى من نفاذية النظير يورانيوم-238 الأثقل منه، وبتكرار عملية النفاذية خلال حواجز متتالية مرات كثيرة ترتفع نسبة اليورانيوم-235 من 7و0% إلى 5 و3 % ويصبح بذلك صالحا للإستخدام في المفاعلات النووية التي تعمل بالماء العادي، مثل مفاعل الماء المغلي.
طاقة نووية
66914#12
ويمكن تخصيب اليورانيوم بعدة طرق. ففي برنامج تصنيع الأسلحة النووية بأمريكا يتبع طريقة الانتشار الغازي باستغلال النفاذية المختلفة لكل من يورانيوم-235 ويورانيوم-238 في المواد. يتم ذلك بتحويل اليورانيوم الطبيعي (نسبة يورانيوم-235 فيه 7و0% فقط) إلي غاز هكسافلوريد اليورانيوم Uranium Hexafluoride ثم يضخ خلال حاجز مسامي يسمح لذرات يورانيوم-235 بالمرور خلاله بسرعة أكبر من سرعة نفاذية بقية ذرات اليورانيوم، وبتكرار هذه العملية في عدة دورات يرتفع تركيز اليورانيوم-235 إلى نحو 90% فيصلح لصنع الأسلحة النووية، وهذا ما اتبعته الولايات المتحدة الأمريكية خلال الحرب العالمية الثانية]] لصنع قنبل هيروشيما. إما الصين وفرنسا وبريطانيا والإتحاد السوفيتي فقد لجؤا إلي طريقة تخصيب اليورانيوم بطريقة الطرد المركزي لغاز هكسافلوريد اليورانيوم بسرعة عالية بدلا من طريقة الانتشار الغازي، وهذا ما تتبعته إيران حاليا لتخصيب اليورانيوم. وطبقا لهذه الطريقة يحول اليورانيوم الطبيعي إلى غاز هكسافلوريد اليورانيوم بالتسخين ثم يدخل في آلة طرد مركزي تدور بسرعة كبيرة. وبتاثير قوة الطرد المركزي تتجه ذرات اليورانيوم الأثقل يورانيوم-238 إلى حافة أسطوانة الطرد المركزي، بينما تبقى ذرات اليورانيوم-235 (الأخف) في وسط الأسطوانة، ويتركز اليورانيوم-235 في وسط الأسطوانة فيـُسحب ويُفصل. وتستخدم هذه الطريقة لتخصيب اليورانيوم أيضا في الهند وباكستان وإيران وكوريا الشمالية، وهي تختصر الطاقة المستخدمة للتخصيب عن طريقة النفاذية الغازية.
طاقة نووية
401841#3
يتكون اليورانيوم الطبيعي بصفة أساسية من اليورانيوم-238 بنسبة 3و99% واليورانيوم-235 بنسبة 7و0% . وفي عملية تخصيب اليورانيوم نحتاج إلى رفع نسبة اليورانيوم- 235 إلى نحو 5و3% ولهذا نسمي العملية "تخصيب" . اليورانيوم-235 هو الذي يصلح لتشغيل مفاعل نووي حيث أنه يمتص النيوترونات بدرجة عالية تفوق امتصاص اليورانيوم-238 للنيوترونات. (في المفاعل النووي يصيب نيوترونا نواة يورانيوم -235 فتنقسم إلى جزئين وتنطلق منها طاقة (حرارة) و 2 أو 3 من النيوترونات تعمل على انشطار أنوية يورانيوم -235 أخرى ، يصدر من كل منها 2 - 3 نيوترونات جديدة تعمل على شطر أنوية يورانيوم-235 أخرى . يضبط المفاعل النووي بحيث تصل تلك العملية إلى حد "توازن "، بحيث يسير التفاعل في وجود عدد ثابت من النيوترونات - لا تزيد ولا تقل - من غير أن تتزايد النيوترونات إلى حد الانفجار).
طرد مركزي
38530#3
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 الأجزاء الأخرى من اليورانيوم الطبيعي. الجزء المتبقي من اليورانيوم الطبيعي بعد استخلاص جزء اليورانيوم-235 يسمى اليورانيوم-238. تم تخصيب اليورانيوم لأول مرة في الولايات المتحدة بعد الحرب العالمية الثانية حيث تم بناء 3 من المفاعلات النووية في ولايات تينيسي وأوهايو وكنتاكي وكانت الطريقة المستعملة عبارة عن ضخ كميات كبيرة من اليورانيوم على شكل غاز يورانيوم هيكسافلوريد uranium hexafluoride إلى حواجز ضخمة تحوي على ملايين الثقوب الصغيرة جدا وبهذه الطريقة يتم انتشار اليورانيوم-235 (وهو الجزء المطلوب) بسرعة أكبر نسبة إلى اليورانيوم-238 (وهو الجزء الغير مرغوب فيه لكونه أثقل) وتم استغلال الفرق في سرعة الأنتشار وجمع كميات هائلة من اليورانيوم-235 وتمتلك الولايات المتحدة يورانيوم مخصب من النوع العالي الخصوبة بنسبة 90%.
قنابل المواد المخصبة
225665#5
وتستعمل طريقة "انتشار الغازات" لتخصيب اليروانيوم، أي زيادة نسبة اليورانيوم 235 من 0.0711 إلى نسبة تتراوح ما بين 3-90% وتقليل نسبة يورانيوم 238 من 99.282% إلى نسبة تتراوح ما بين 10-97%, وينتج اليورانيوم المنضب من عملية التخصيب هذه. وكما ذكرنا سابقا فإن الهدف من عملية التخصيب هذه هو زيادة نسبة اليورانيوم 235 للاستخدام في بعض مفاعلات القوى النووية أو للاستخدامات العسكرية.وبعد انتهاء عملية التخصيب يفصل اليورانيوم المنضب بطرق كيميائية وينقل إلى مخازن معادن اليورانيوم وهذه هي الخطوة الأولي الضرورية لإنتاج اليورانيوم المنضب، تليها خطوات معالجة أخرى للتصنيع الحربي.
يورانيوم منضب
49917#12
أول عملية تخصيب اتبعتها الولايات المتحدة خلال الحرب العالمية الثانية بغرض صناعة قنبلة هيروشيما النووية؛ تلك الطريقة هي طريقة إنتشار الغازي. في تلك العملية تستغل معدل نفاذية اليورانيوم-235 السريع عبر حاجز سيراميكي بالمقارنة بسرعة نفاذية اليورانيوم-238 في رفع نسبة اليورانيوم-235 في المخلوط. الطريقة تستغل اليورانيوم الطبيعي في حالة غازية (أي في درجة حرارة مرتفعة) (سداسي فلوريد اليورانيوم ). الطريقة الثانية هي طريقة الطرد المركزي ، وفيه أيضا يكون اليورانيوم الطبيعي في صورة غاز وفي درجة حرارة عالية. معامل الفصل بين النظيرين عبر مرحلة واحدة هو 1.3 للطريقة الطرد المركزي بالمقارنة بمعامل 1.005 للإنتشار الحراري عبر حاجز, وهي نسبة تعادل 1:50 من وجهة الطاقة المستخدمة . طريقة الطرد المركزي تتبع في تخصيب 54% من اليورانيوم المخصب في العالم.
يورانيوم مخصب
923167#7
ولهذا يستخدم مفاعل الماء الخفيف يورانيوم مخصب، أي يورانيوم يحتوي على نسبة أعلى من اليورانيوم-235 تصل من 3% إلى 5 %. (ويسمي اليورانيوم المستهلك في عملية التخصيب يورانيوم منضب depleted uranium، حيث تنخفض فيه نسبة اليورانيوم-235 إلى نحو 07و0 %). وتعمل تلك ال 3% إلى 5 % من اليورانيوم-235 الموجودة في اليورانيوم المخصب على استمرار التفاعل في المفاعل والوصول إلى الحالة الحرجة .
يحتاج تخصيب اليورانيوم إلى بناء مصنع للتخصيب وهو أولا يتكلف مبالغ باهظة وثانيا يحتاج إلى تصريح في إطار المعاهدة الدولية لمنع انتشار السلاح النووي. وذلك لأنه يمكن تكبير المصنع بحيث ينتج ليس فقط يورانيوم مخصب بدرجة 5% وإنما أيضا بنسبة 90% من اليورانيوم-235 والذي تصنع منه القنابل الذرية.
ويمكن حل مشكلة التخصيب واليورانيوم المخصب باستخدام اليورانيوم الطبيعي الذي يحتوي على 7و0% يورانيوم-235 مع الماء الثقيل كمهدئ لسرعة النيوترونات، وهو لا يمتص النيوترونات بالدرجة التي يمتصها الماء. ولذلك يصلح الماء الثقيل إيضا للعمل في مفاعل استنسال لإنتاج البلوتونيوم أو الليثيوم وهي مواد تدخل في صناعة الأسلحة الذرية.
صمم المفاعل الكندي المسمى CANDU اختصارا ل CANada Deuterium Uranium reactor ليعمل بالماء الثقيل المضغوط كمهدئ واليورانيوم الطبيعي لإنتاج الطاقة الكهربائية من الطاقة النووية.
مفاعل ماء ثقيل مضغوط