مقدمة إلى فصل النظائر

إن فصل النظائر هو أحد أكثر العمليات الصناعية التي تتطلبها التقنية وأهميتها الاستراتيجية في العصر الحديث، وفي جوهره، تنطوي التقنية على تقسيم النظائر المكونة من عنصر معين - طماطم يتقاسم نفس عدد البروتونات ولكن تختلف في عدد النيوترونات للحصول على تركيبة مرئية مدروسة، وفي حين أن مختلف العناصر تجهز لأغراض طبية وصناعية وعلمية(35)، لا يوجد أي شيء أكثر أهمية من اليورانيوم.

ومن ثم فإن الأهمية العملية لفصل النظائر ترجع إلى أن معظم العناصر التي تحدث بصورة طبيعية هي خلائط من النظائر ذات الخصائص الكيميائية المتطابقة تقريبا، إذ أن فصلها يتطلب استغلال الاختلافات المادية الفرعية - في معظم الأحيان عمليات شاملة - من خلال كل من الطاقة الكثيفة والمعقدة من الناحية التكنولوجية، أما بالنسبة لليورانيوم، فإن المادة الأولى هي خام اليورانيوم الطبيعي، التي تحتوي عادة على نحو 99.274 في المائة من اليورانيوم-238 و0.35 في المائة من اليورانيوم-234 في المائة.

فهم الأورانيوم

وللادراك لما هو ضروري من الإثراء، يجب أولا أن يفهم المرء الخواص النووية لنظائر اليورانيوم الرئيسية، إذ إن كلا من اليورانيوم-238 وU-235 مشعتان، حيث تبلغ مدة العمر النصف 4.5 بليون سنة (U-238) و 704 مليون سنة (U-235). وتنتج سلاسل التحلل فيها مجموعة متنوعة من النظائر التي تنتج بعضها إشعاعا ويسهم في الخطر العام لليورانيوم أو الخام.

The Fissionability of U-235

أما اليورانيوم - 235 فهو النظائر الوحيدة التي تحدث بصورة طبيعية والتي تعني أن من الممكن أن تستوعب النيوترونات الحرارية (النفاذية) ثم تنقسم إلى نواة أخف، وتطلق الطاقة وأجهزة النيوترونات الإضافية، وهذا الرد المتسلسل هو الأساس لكل من المفاعلات النووية والأسلحة النووية، بينما يُحتمل أن يؤدي التوليد الحراري إلى تمزق في اليورانيوم - 235 إلى نحو 580 قطعة من البارونات.

الامتصاص النيوتروني في U-238

فعند احتراق اليورانيوم-238 نيوترون، يصبح اليورانيوم-239، الذي يُطلق عليه الديكاس أولاً إلى النبتونيوم-239 ثم إلى البلوتونيوم-239 (نصف عمر 2.4 يوماً) ويكون البلوتونيوم-239 هو نفسه من المواد الانشطارية ويمكن استخدامه كوقود، وهو السبب الذي يجعل المفاعلات النووية تنتج البلوتونيوم كنتيجة ثانوية.

تركيبة اليورانيوم الطبيعي

واليورانيوم الطبيعي هو خليط ظل ثابتاً أساساً على النطاقات الزمنية الجيولوجية بسبب النصف العمري الطويل جداً من النظائر الرئيسية، والنسبة الأيزوتوغرافية ثابتة بشكل ملحوظ بين الودائع في جميع أنحاء العالم، والطريقة العملية الوحيدة لتغيير هذه النسبة هي الإثراء الذي يتطلب تغذية اليورانيوم في شكل ثاني أكسيد الكربون - المركب الكيميائي الوحيد الذي يمكن أن يُستغل تحته(6).

لماذا (إنريك أورانيوم)؟

والغرض من الإثراء هو زيادة تركيز اليورانيوم - 235 إلى مستوى يمكن فيه الحفاظ على تفاعل سلسلة مكتفية ذاتياً في تصميم مفاعل معين، وفي حين أن اليورانيوم الطبيعي يمكن استخدامه في عدد قليل من المفاعلات (وهذا يتطلب أساساً تصميمات مصممة بواسطة الغازات، ومزودة بالجرعات مثل مفاعلات المغنوكس في المملكة المتحدة ومفاعلات البارد - 3 في كندا)، فإن الغالبية العظمى من محطات الطاقة النووية - 400 في العالم

اليورانيوم المنخفض التخصيب

ويحتوي اليورانيوم المنخفض التخصيب عادة على 3-5 من اليورانيوم-235، وهذا هو الوقود العادي لمفاعلات المياه المزروعة ومفاعلات المياه المغلية (BWRs) ولا يعتبر اليورانيوم المنخفض التخصيب قابلاً للاستخدام المباشر للأسلحة لأن جهازاً نووياً يتطلب كتلة حرجة كبيرة بشكل غير قابل للتطبيق مع هذا التركيز المنخفض، ومع ذلك، يمكن زيادة إثراء اليورانيوم المنخفض إلى مستويات أعلى إذا كان لدى أحد مصانع ضمانات الإثراء.

اليورانيوم العالي التخصيب

ويعرَّف اليورانيوم العالي التخصيب بأنه يحتوي على ما لا يقل عن 20 في المائة من اليورانيوم - 235، ولكن المواد التي تستخدم في صنع الأسلحة تتجاوز عادة 80 في المائة وكثيرا ما تكون 90 في المائة من اليورانيوم - 235، ويستخدم اليورانيوم العالي التخصيب في مفاعلات بحرية (مثلاً لحاملي الطائرات والغواصات) بسبب متطلبات كثافة الطاقة المدمجة، وكذلك في بعض مفاعلات البحوث ومرافق إنتاج النظائر، ويحتاج خطر الانتشار المرتبط بوحدة اليورانيوم العالي التخصيب إلى الحد الأدنى، وهو ما يتطلبه.

دورة الوقود

إن الإثراء هو مرحلة رئيسية في دورة الوقود النووي، وتبدأ العملية بتعدين اليورانيوم، وصناعة الطاحن، وتحويله إلى سادس فلوريد اليورانيوم، وبعد التخصيب، يتحول سادس فلوريد اليورانيوم إلى مسحوق ثاني أكسيد اليورانيوم، ويُضغط على فوليتس، ويُصنع في ذرات الوقود، ولا يزال الوقود المستهلك من المفاعلات يحتوي على نحو 1 في المائة من اليورانيوم-235 (وقود البلوتونيوم ومنتجات الإشعاع) يمكن إعادة تصنيعها

أساليب الفصل بين النظائر

وعلى مدى العقود الثمانية الماضية، طور العلماء والمهندسون مجموعة متنوعة من العمليات المادية لفصل النظائر اليورانيومية، وكل طريقة تستغل الفرق الطفيف في الكتلة، ولكن مع أوجه الكفاءة والتكاليف والتحديات التكنولوجية المختلفة اختلافا كبيرا، واليوم، تهيمن تكنولوجيا الطرد المركزي الغازي على سوق التخصيب، ولكن فهم البدائل يوفر سياقا للتطور التاريخي والبحث المستمر عن أساليب أفضل.

دفوزون الغاز

فالنطاق المثير للغاز هو أول تكنولوجيا واسعة النطاق لتخصيب اليورانيوم، يتم نشرها خلال مشروع مانهاتن، وتستخدمها على نطاق واسع الولايات المتحدة وفرنسا والاتحاد السوفياتي والمملكة المتحدة حتى أواخر القرن العشرين، وتعتمد العملية على المبدأ القائل بأن جزيئات أخف من ثاني أكسيد الكربون توزع من خلال ممر مسكر أسرع من ذي قبل مرحلتين أكاديميتين هما: ٠٠٤ ١ عامل انفصال نظري لكل مرحلة

إن الميدرات المنتشرة نفسها هي تحفة رئيسية لعلوم المواد، التي عادة ما تكون مصنوعة من أكسيد النيكل المقطع أو الألومنيوم مع مسامير من 10 إلى 20 نانومترات في قطرها، وأي عيب أو إستنساخ سيفسد الانفصال، وتظل محطات الانتشار الغازية في الولايات المتحدة (بادوكا وبيكيتون) تعمل من الخمسينات حتى عام 2013، عندما كانت آخر محطة مقفلة.

Gas Centrifuge

١-١-٣ إن طريقة الطرد المركزي للغاز، التي وضعت في البداية في الأربعينات ولكنها مثالية في الستينات - ٠٨، قد أصبحت المعيار العالمي لأنها لا تستهلك سوى نحو ٠٥ كيلوواط لكل وحدة من وحدات خفض الانبعاثات، أي أكثر كفاءة من الانتشار للطاقة، ومبدأ العمل بسيط: إذ يُغذي غاز ثاني أكسيد الكربون في مركب حراري يمتد بسرعة عالية للغاية، وينتج عن ذلك عادة ٠٠٠ ٠٦ ريبي - ٠٠٠ ٠٨ ثورة

كما أن تصميم التسلسلات يسمح بسحب عدة نقاط تغذية وسحب منتجات في مراحل متوسطة، والأداء الجزيئي إلى نظام الطرد المركزي هو توازن الدوار ونظام الحوامل الذي يجب أن يعمل بدون يقظة لسنوات عديدة، كما أن القدرة على الإثراء للطرد المركزي تقاس في السنة بـ 100 مركب من محركات الحرق المرنة.

إثراء اللازر

ويُتيح فصل النظائر المشعة إمكانية وجود عوامل فصل أعلى بكثير لأنها تستهدف مباشرة مستويات الطاقة الإلكترونية أو اليقظة في النظائر، وقد تم التحقيق في نهجين رئيسيين هما: فصل النظائر المشعة عن البخار الذري، وفصل النظائر المضغوطة من القاع (MLIS)، وفي نظام AVLIS، يتم تبخير معدن اليورانيوم في غرفة فراغ، و2

(ب) استخدامات الغاز من طراز UF6 مقترنة بغاز ناقل مثل أرجون أو هيدروجين، وثاني أكسيد الكربون غير القابل للتكسير أو الليزر الحر يُستخدم في شكل حراري فريد من نوعه إلى 235 أوف. 6، وتُفصل الجزيئات المثيرة بشكل انتقائي عن طريق الليزر الثاني، مما يسمح بفصل المنتج من الناحية الكيميائية، على الرغم من عقود من البحوث (بما في ذلك برنامج سيليكيز في فرنسا).

أساليب أخرى

أما فصل النظائر المغناطيسية (الكالوترون، المستخدم في مشروع مانهاتن) فيستخدم مغناطيسات كبيرة لغسل أفران اليورانيوم، مع إيونات أخف بعد إشعاع أضيق، ومع أنه حقق إثراء عالي، فإن إنتاجه من خلال النيتروجين هو خام، واستهلاك طاقة هائل.

The Science Behind Gas Centrifuge Enrichment

ونظرا لأن الطرد المركزي الغازي يهيمن على صناعة الإثراء اليوم، فإنه يستحق دراسة أعمق، وتجذر فيزياء الفصل بين أجهزة الطرد المركزي في ديناميات السوائل وعلم الديناميات الحرارية في ظروف تناوبية شديدة.

المبادئ الأساسية للفصل بين الزوجين

أما الغاز داخله، فهو قابل لتسارع نصفي نصف قطري في ألفا، وهو أقوى بملايين المرات من الجاذبية، حيث تعطى نسبة الضغط الإشعاعي في البواخرة إلى الكتلة 1، حيث تعدل نسبة الجزأين في القوة الطاردية المركزية: P(r) = P0 expon = الألف 2 / 2 درجة مئوية، حيث يشكل ضغط التراكم 2 مكافئاً

تصميم السلاسل التعاقبية ووحدة المياه والصرف الصحي

وعادة ما تحقق مرحلة الطرد المركزي في فرنسا عاملاً في الإثراء (في مرحلة) يتراوح بين 1.05 و1.20 لليورانيوم، ولتصل إلى نسبة تتراوح بين 3 و5 في المائة من الإثراء الطبيعي، قد يتطلب التعاقب 10 إلى 20 مرحلة في ترتيب مثالي مقابل، ولكن في الواقع يتطلب التناظر والخسائر في المزيجات الكلية، ويقاس حجم سلسلة من موردي الطاقة في السنة الواحدة، التي تحقق فيها كمية

العناصر الرئيسية للطرد المركزي

وتتكون الطاردات المركزية الحديثة من أنبوب دوارة رقيق )حتى ٥,٥ متر في قطره و ٢-٥ متر طويل( مصنوع من ممرات الألومنيوم العالية القوة أو مركبة محررة من الكربون لتحمل الإجهاد الهائل للهوب )أكثر من ٤٠٠ متر في الحافة( ويقود الدوار بواسطة محرك كهربائي في أعلى أو أسفله، مع وجود محطة مغناطيسية ذات مضخة ثابتة أو حاجتها.

الاعتبارات الحرارية والتدفقية

ويقع تدفق الغازات داخل الطرد المركزي في نظام متطرف: إذ يمكن أن يكون عدد الرايينولدز مرتفعا جدا بسبب التناوب المرتفع، ولكن التدفق كثيرا ما يكون ضئيلا بسبب الفجوة الإشعاعية الصغيرة، ويتسبب التدفق الموازي بدرجات حرارة أو بحجم من الارتفاع، ويدخل غلاف الغاز بالقرب من المركز، ويحصل على جزء صغير من الناتج )وهو ما يقرب من بضع في المائة من المعبر(

التحديات والنظر في المسألة

إن إثراء اليورانيوم ليس مجرد انتصار للفيزياء والهندسة؛ كما أنه يمثل تحديات اقتصادية وبيئية وأمنية هائلة تشكل السياسة العالمية.

استهلاك الطاقة والاقتصاد

وفي حين أن أجهزة الطرد المركزي الغازية أكثر كفاءة بكثير من الانتشار، فإن الإثراء لا يزال مستهلكاً كبيراً للكهرباء، وقد لا تحتاج هذه الشركة عادة إلى 10 ملايين وحدة سويدية/سنة إلا إلى 500 إلى 700 ميغاوات من الطاقة الكهربائية، وتكلفة الإثراء هي عنصر رئيسي من عناصر أسعار الوقود النووي - وهو ما يناهز حالياً 50 إلى 70 دولار لكل وحدة من وحدات خفض الانبعاثات في السوق الثابتة، وتكلفة رأس المال لبناء منشأة جديدة للطرد المركزي هي:

مخاطر الانتشار

ولعل أخطر تحد هو الطابع المزدوج الاستخدام لتكنولوجيا التخصيب، كما أن نفس الطاردات المركزية التي تنتج اليورانيوم المنخفض التخصيب للمفاعلات يمكن إعادة تشكيلها لإنتاج اليورانيوم العالي التخصيب من أجل القنابل، وبالتالي فإن انتشار تكنولوجيا الطرد المركزي تخضع لمراقبة صارمة من جانب مجموعة موردي المواد النووية وترصدها الوكالة الدولية للطاقة الذرية، وقد واجهت بلدان مثل إيران وكوريا الشمالية وباكستان جزاءات دولية أو عزلة لتطوير برامج تخصيب السكان الأصليين دون أن تُكشف الشفافية الكاملة.

النفايات والأثر البيئي

وتنتج الإثراء كميات كبيرة من اليورانيوم المستنفد - الذي يُخزن حالياً أكثر من 1.5 مليون طن في جميع أنحاء العالم، وهو مادة سامة من الناحية الكيميائية ومشعة بشكل ضعيف، مما يشكل تحديات طويلة الأجل في التخزين والتصريف، وكثيراً ما تُخزَّن المخلفات كمواد غذائية من اليورانيوم العالي الإثراء في أكاذيب الفولاذ، وهو ما قد يتآكل بمرور الوقت ويطلق غاز الفلوريد الهيدروجين الارتجائي المتآكل.

التطور التكنولوجي والمستقبل

ويتواصل البحث في مجال تكنولوجيات التخصيب في الجيل التالي: يمكن أن يقلل إثراء السائل، كما ذكر، بصورة كبيرة من استهلاك الطاقة وعدد المراحل، مما قد يسمح بالإثراء في تمريرة واحدة، غير أن التكنولوجيا لا تزال بعيدة عن القدرة التجارية نظرا لصعوبة تشغيل الليزرات ذات الطاقة العالية بشكل موثوق به على نطاق صناعي لسنوات، ويهدف نهج آخر، " الطاردة المفرطة " ، إلى زيادة سرعة كربون الدوار باستخدام مواد متقدمة مثل إنتاجية عالية.

الأثر العالمي والتنظيم

وتتجلى الأهمية الاستراتيجية للإثراء في الشبكة المعقدة للمعاهدات والمؤسسات والاتفاقات التجارية الدولية التي تحكمها.

معاهدة عدم الانتشار والوكالة الدولية للطاقة الذرية

وتقسم معاهدة عدم الانتشار الدول إلى الدول الحائزة للأسلحة النووية: الأعضاء الخمسة الدائمين في مجلس الأمن التابع للأمم المتحدة والدول غير الحائزة للأسلحة النووية، وهي الدول التي توقع على المعاهدة توافق على عدم تطوير الأسلحة النووية وعلى قبول ضمانات الوكالة الدولية للطاقة الذرية بشأن جميع المواد والمرافق النووية، وفي المقابل، تحصل على التكنولوجيا النووية السلمية، بما في ذلك الإثراء، بموجب المادة الرابعة.

مرافق الإثراء الرئيسية والموردون

أما اليوم، فإن معظم قدرات الإثراء الرئيسية تتركز في عدد قليل من البلدان، حيث يعمل أورينكو في مصانع الطرد المركزي في المملكة المتحدة )كابنهورست(، وهولندا )ألميلو(، وألمانيا )غرونو(، التي تبلغ قدرتها الإجمالية نحو ٢٠ مليون وحدة إنتاجية في السنة، ويعمل أورانو )أيريفا سابقا( في مصنع جورج بيس الثاني في فرنسا، ويستخدم أيضا تكنولوجيا الطرد المركزي، وينتج حوالي ٧,٥ مليون سوت

الجهود الدولية للحد من مخاطر الانتشار

وقد تقدمت عدة مقترحات للحد من مخاطر الإثراء الناشئة: مصارف الوقود المتعددة الأطراف، حيث كانت البلدان ستكفل إمكانية الوصول إلى اليورانيوم المنخفض التخصيب دون بناء مرافق تخصيبها الخاصة؛ وتحويل مفاعلات البحوث التي تستخدم اليورانيوم العالي التخصيب إلى اليورانيوم المنخفض التخصيب؛ وإنشاء مراكز إثراء دولية تحت إشراف الوكالة الدولية للطاقة الذرية، ويحتفظ مصرف الاتحاد الأوروبي المنخفض التخصيب الذي أنشئ في عام 2019 وموجود في كازاخستان باحتياطي من اليورانيوم المنخفض التخصيب لأي دولة عضو تعاني من اضطراب العرض.

مستقبل الإثراء في بيئة متغيرة للطاقة

ومع تحول العالم إلى طاقة منخفضة الكربون، يُعترف بالطاقة النووية كمصدر موثوق للكهرباء المحتوية على حمولة أساسية مع انبعاثات شبه صفرية، ومن المتوقع أن ينمو الطلب على خدمات التخصيب، لا سيما إذا كانت مفاعلات الجيل الرابع (مثل المفاعلات السريعة، والمفاعلات ذات العتبة العالية، ومفاعلات التخزين المتحركة) تشكل تجارة، وتحتاج بعض هذه التصميمات إلى مستويات أعلى من الإثراء (المعروفة بنسبة 20 في المائة من اليورانيوم - 235).

وسيظل إثراء اليورانيوم في قلب الطاقة النووية وعدم الانتشار النووي في المستقبل المنظور، وقد تطور العلم من الكالوترونات الخام للحرب العالمية الثانية إلى الطاردات المركزية المتطورة التي حدثت اليوم، ومع ذلك فإن التحدي الأساسي الذي يمثل ٠,٨٦ في المائة من الفارق الجماعي لخلق مادة يمكن أن تُمكن المدن من توليد الطاقة أو تدميرها - يُبقي على إنجاز تكنولوجي معمّز بأبعاد أخلاقية وسياسية عميقة.

وللحصول على مزيد من القراءة، يرجى الرجوع إلى لمحة عامة للوكالة الدولية للطاقة الذرية عن تكنولوجيات التخصيب و الدليل التفصيلي للرابطة النووية العالمية لتخصيب اليورانيوم . ويمكن الاطلاع على منظور إضافي بشأن مخاطر الانتشار في تقارير من ] مبادرة التهديد النووي .