العلوم خلف اليورانيوم الإثراء: استعراض شامل

إن إثراء اليورانيوم هو أحد أكثر العمليات الصناعية التي تطورت على الصعيد التقني، ولكنه يرتكز على كل من طموحات الطاقة النظيفة في الطاقة النووية والحسابات الاستراتيجية للأسلحة النووية، ويزيد الإثراء من تركيز اليورانيوم النظيف الإنشطاري - 235 (U-235) من حيث الوفر الطبيعي الذي يناهز 0.71 في المائة إلى مستويات مناسبة لإثراء المفاعلات (من الناحية الأساسية 3 إلى 5 في المائة من اليورانيوم - 2335) أو أي مادة ذات قيمة من الأسلحة (أ)().

التحدي الأساسي: فصل النظائر

ويحدث اليورانيوم بطبيعة الحال بثلاثة نظائر هي: اليورانيوم - 234 (مبالغ التراقص)، واليورانيوم - 235 (0.71 في المائة)، واليورانيوم - 238 (99.2.8 في المائة)، والفرق الرئيسي الذي يميز استغلال الإثراء هو الكتلة، و238 لديه ثلاث أوكسيدات أكثر من ثاني أكسيد اليورانيوم - 235، مما يجعله أكثر ثقلاً من 1.3 في المائة، وهذا الفرق الكتلي - أقل من الفرق بين مصانع الإثراء الريشات المتماثلة والمراحل.

والنتيجة العملية هائلة: إذ أن مصنعا نموذجيا للإثراء يحتوي على آلاف الطاردات المركزية (أو مراحل النشر)، وينفذ كل منها تخفيضا تدريجيا صغيرا، والتحدي الهندسي ليس الفيزياء فحسب، بل أيضا العلوم المادية، وصنع الدقة، والمراقبة التشغيلية اللازمة لإبقاء هذه الآلات مستمرة طوال عقود دون فشل.

تاريخ إثراء اليورانيوم

وكان أول جهود للإثراء جزءا من مشروع مانهاتن خلال الحرب العالمية الثانية. واستكشف العلماء أربعة نُهج رئيسية هي: الفصل الكهرومغناطيسي )الكوترونات(، والنشر الغازي، والتدنيس الحراري السائل، والتقريد المركزي، وكانت الطريقة الكهرومغناطيسية - وهي أساسا مطياف الكتلة العملاقة - هي الطريقة الأولى الأكثر نجاحا، مما أدى إلى إنتاج طاقة من طراز U-235 في قنبلة هيروشيما.

وبعد الحرب، أصبح الانتشار الغازي تكنولوجيا التخصيب العالمية المهيمنة، حيث استخدمت النباتات المكثفة في أوك ريدج )تينيسي(، وبادوكا )كينتوكي(، وبورتسموث )أوهايو( آلاف من الأغبياء المهبلة للفصل البطيء النظائر عن طريق الدفء الجزيئي، والديمووسون هو غندق شديد في الطاقة: حيث كانت أمة الأوسمون تستخدم في ذروة الكهرباء.

وقد بدأت الثورة التالية بالطرد المركزي للغاز، وكان الاختراق الرئيسي هو Zippe centrifuge ، الذي استحدثته شركة جيرينو زبي العالمية النمساوية خلال وبعده، واستخدم تصميمه دواراً في إثراء سطحي داخل مشغل منخفض الضغط، مدفوعاً بأغلبية بسيطة من المحركات المضغة ومرشدة من قبل منظمة " Znefutic " .

وفي الآونة الأخيرة، انتقلت تكنولوجيات إثراء الليزر إلى التسويق التجاري، وتعود عملية " سيلكس " (تفصيل الإيسوبوز من قبل شركة لازر للعرض)، التي استحدثت في أستراليا وأصبحت الآن مرخصة من جانب شركة غسيل لازر العالمية، بأن تكون أكثر كفاءة من عملية التشفير المركزي، رغم أنها واجهت عقبات تنظيمية وتجارية.

أساليب الإثراء الحديثة

دفوزون الغاز

وتعتمد عملية الانتشار الغازي المرتفعة على قانون غراهام للدغ: الغاز الذي يحتوي على جزيئات أخف من خلال ممر مخروطي أسرع قليلا من المستوى المثقف، حيث تحول اليورانيوم إلى غاز الفلوريد اليورانيوم المكثّف (UF6) الذي يُجبر بعد ذلك على الوصول إلى آلاف من مواد التخصيب الميكروسية في النيكل أو في طور اللوم()().

وعلى الرغم من عدم كفاءة الانتشار، فقد بنيت البنية الأساسية للسن النووية وأنتجت معظم الوقود المثرى لمدة أربعة عقود، وتعتبر التكنولوجيا الآن قديمة بالنسبة للتشييد الجديد، رغم أن بعض المرافق القديمة لا تزال مستخدمة في بلدان مثل فرنسا (تستخدم محطة Georges Besse II الطاردة المركزية الآن).

الغازات

فالتكنولوجيا التراكمية للإثراء الحديث لليورانيوم هي التكنولوجيا الآخذة في الارتحال، وهذا المبدأ بسيط بشكل واضح: فإدارة أسطوانة مليئة بالغاز من سادس فلوريد اليورانيوم بسرعة عالية جدا - تتجاوز سرعة الدوار ٦٠٠ متر في الثانية، أسرع من سرعة الصوت في الهواء - وربما يكون الطبق الأعظم من طراز U-238 في الخارج، بينما يزيد عدد التكافلات من اليورانيوم - ٥٣١ في المائة على مرحلة الانتقال إلى مرحلة الوسط.

إن كل طاردة مركزية هي عظمة هندسة دقيقة، إذ أن المحركات مصنوعة من مواد عالية الارتفاع مثل رعي الفولاذ أو ألياف الكربون يجب أن تكون متوازنة تماماً لتجنب الاهتزاز التدميري، وتعمل داخل غرفة فراغ لتقليل الاحتكاك، وتسير الآلات بسرعة عالية لسنوات متواصلة مع الحد الأدنى من الصيانة، ويجب أن تظل صالة الطرد المركزي كاملة نظيفة، حيث يمكن أن تؤدي إلى حرق واحد من الغبار

أما المشغلون الرئيسيون للطرد المركزي فهم أورينكو )مصانع التشغيل في هولندا وألمانيا والمملكة المتحدة والولايات المتحدة الأمريكية(، وجهاز التلفزيون الروسي )جزء من روزاتوم(، وشبكة الإنقاذ الصينية، وهي تقاس بقدرات الإثراء في وحدات العمل الانفصالية، ولديها قدرة سنوية عالمية الآن حوالي ٦٠ مليون وحدة من وحدات الأسلحة النووية، ووفرت روسيا نصفها، كما أن برامج كفاءة الطاردات المركزية والتعاظمة تجعلها جذابة فيما بعد.

إثراء اللازر

(أ) إن أكثر الطرق تقدماً هي فصل النظائر المشعة غير الجزيئية (MLIS) عن الغاز من طراز UF6، وهو ما يُعدّ أكثرها أشعة مقطعية (GLH) وهي مُعدّة خصيصاً للليزر المُحْصَل عليه حالياً في جزيئات الـ (UF6) التي تخضع لرد فعل كيميائي يُثبّت عليه في مرحلة ما قبل بدء التشغيل.

ويتيح إثراء اللازر إمكانية وجود عوامل إثراء عالية جدا في مرحلة واحدة، مما يقلل كثيرا من طول التعاقب، وتكاليف رأس المال، واستهلاك الطاقة، ومن الأسهل أيضا إخفاء أكثر من مصنع الطرد المركزي، مما يجعله شاغلا مزدوجا الاستخدام، غير أن التكنولوجيا لا تزال غير متاحة على نطاق تجاري، وقد فشلت عدة محاولات لأسباب تقنية واقتصادية، بما في ذلك برنامج " AVLIS " الذي تم التخلي عنه في التسعينات.

أساليب الإثراء الأخرى

وقد تم وضع عدد من النهج الأخرى، معظمها على نطاق المختبرات. ]](الإثراء الجوي ]FLT:1]) ]التي استخدمها برنامج جنوب أفريقيا السابق( تستخدم الألغاز المشكله لخلق قوات الطرد المركزي في دوامة الغاز. ][[[([

سلسلة التعاقبيات الإثراء ووحدة العمل الانفصالي

A given separative stage can only produce a small increase in U-235 concentration. To reach useful levels, many stages are connected in sequence (a cascade) where the enriched product from one stage feeds the next, and the depleted tails from each stage are recycled or discarded. The enriching section

إن مؤخرات ذيول التوابع هي مواصفات اقتصادية هامة: إن خفض ذيل (تخفيض قيمة النفايات من اليورانيوم-235) يتطلب عملا فصليا أكثر، ولكنه يستخدم اليورانيوم الأقل إطعاما، ويحقق مشغلو محطات التخصيب الذراع الأمثل للذيولين من 0.25 إلى 0.3 في المائة تقريبا لموازنة تكاليف التغذية والطاقة، ويصل اليورانيوم المستنفد إلى 0.2 إلى 0.3 في المائة من اليورانيوم-235، ويخزن في الذخائر من اليورانيوم المستعمل في الأجل الطويل.

مستويات الإثراء وتطبيقاته

(أ) يُعرَّف " المقياس التراكمي " (HLT:0) " Low-Enriched Uranium (LEU) بأنه يورانيوم يقل تركيزه عن 20 في المائة، ويُستخدم معظم مفاعلات المياه الخفيفة (LWRs) في إطار اليوران المنخفض بنسبة 3 إلى 5 في المائة من اليورانيوم - 235.

(أ) اليورانيوم العالي التخصيب (HEU) ) هو أي يورانيوم بنسبة 20 في المائة من اليورانيوم-235، ويُثري اليورانيوم العالي التخصيب في الدرجة الأولى عادة بنسبة 93 في المائة أو أكثر، ويُستخدم اليورانيوم العالي التخصيب أيضاً في وقود المفاعلات البحرية (الخامسة، ناقلات الطائرات) وفي بعض مفاعلات البحوث وإنتاج النظائر الطبية.

مخاطر الانتشار والضمانات الدولية

كما أن نفس التكنولوجيا التي تتيح الطاقة النووية السلمية توفر القدرة على إنتاج المواد ذات الصفة من الأسلحة، وهذه المعضلة ذات الاستخدام المزدوج هي في صميم عدم الانتشار النووي، وتشكل محطات الطرد المركزي الغازية، على وجه الخصوص، تحديا خاصا لأنها مدمجة، ومكفولة للطاقة نسبيا، ويمكن تشكيلها في سلسلة تعاقبية تثري اليورانيوم الطبيعي في أسابيع أو أشهر من التخصيب.

وعلى الرغم من هذه التدابير، تابعت عدة بلدان برامج سرية للتخصيب، حيث قامت شبكة A.Q. Khan بتزويد إيران وليبيا وكوريا الشمالية بصورة غير مشروعة بتصميمات ومكونات الطرد المركزي، وكان برنامج التخصيب الإيراني، رغم التحقق من الوكالة الدولية للطاقة الذرية، مصدرا للنزاع الدبلوماسي المكثف لأن التخصيب في مستويات قريبة من الأسلحة قد وثق في مرفق الفورد للوقف في أوائل عام 2010، كما أن ضوابط الإثراء، مثل تلك التي كانت منتشر في نقل مجموعة موردي المواد النووية، كانت تقيداً كبيراً.

وتشمل الشواغل المستقبلية المتعلقة بالانتشار إمكانية إثراء الليزر، وهو ما يمكن أن يكون أسهل من إخفاءه عن أجهزة الطرد المركزي، ويمكن أن تجري عملية إثراء الليزر في مرفق صغير حجم مستودع، بحيث لا تستهلك سوى طاقة ضئيلة نسبيا، مما أدى إلى توجيه نداءات لتعزيز الرقابة الدولية على عمليات البوابونات الذرية والليزر الجزيئي، وإن لم تكن تجارية بعد.

الاعتبارات البيئية والمتعلقة بالطاقة

وإثراء اليورانيوم صناعة كثيفة الطاقة، إذ تستهلك محطات الانتشار الغازية كميات ضخمة من الكهرباء - بما يكفي لتهيمن تكلفة الإثراء على تكلفة الطاقة، وتستهلك محطات الطاردة المركزية، على النقيض، حوالي ١/٢٠ من الطاقة لكل وحدة من وحدات الطاقة الشمسية، مما يجعلها أكثر ملاءمة للبيئة، غير أن الإثراء لا يزال يتطلب طاقة كبيرة، وتتوقف آثار الكربون المرتبطة بذلك على مصدر الكهرباء.

وتشمل الإرث البيئي كميات كبيرة من سداسي فلوريد اليورانيوم المستنفد (DUF6) مخزنة في أسطوانات معدنية بانتظار تحويلها إلى أكسيد أو التخلص منها، وتحتفظ الولايات المتحدة بأكثر من 000 700 طن متري من اليورانيوم المحتوي على وقود ثنائي الفينيل متعدد الكلور في بادوشا وبورسموث، في حين أن المصطلحين المختلطين كيميائيين هما حالياً اليورانيوم المحتويان على اليورانيوم العالي التخصيب(د)

كما يمكن أن يكون استخدام المياه لتبريد بعض محطات التخصيب كبيرا، وإن كان أقل من ذلك بالنسبة لمصانع الطاقة الأحفورية، ويجري تصميم تصميمات الطرد المركزي الحديثة بتبريد من أحواض مغلقة للحد من سحب المياه، ومع انتقال الصناعة النووية نحو دورات الوقود الأكثر كفاءة واستدامة، يجري تخفيض الأثر البيئي للإثراء، ولكنه يظل عاملا في تحليل دورة الحياة للطاقة النووية.

مستقبل الإثراء

إن العديد من الاتجاهات ستشكل في المستقبل تخصيب اليورانيوم، أولا، تغير مشهد العرض: فروسيا توفر حاليا نحو ٣٥-٤٠ في المائة من خدمات التخصيب العالمية، ولكن الحرب في أوكرانيا دفعت المرافق الغربية إلى التماس سلاسل الإمداد غير الروسية، وقد تتسع قدرة أورينكو وأورانو )فرنسا( على إحداث مزيد من المرونة، بينما تقوم شركة Centrus Energy )استخدام تكنولوجيا طاردة الاتحاد الأوروبي التراكمي( الجديدة التي تزيد على ٥,٥ في المائة، وغيرها من الطلب،

وما زال العلم الأساسي لفصل النظائر هو نفس العلم الذي كان عليه في الأربعينات، ولكن الهندسة قد تطورت إلى درجة أن الإثراء صناعة ناضجة وموثوقة، وسيختبر العقد القادم ما إذا كان المجتمع الدولي يستطيع إدارة الطبيعة المزدوجة الاستخدام لهذه التكنولوجيا مع تلبية الطلب المتزايد على الطاقة النووية المنخفضة الكربون، وسيظل الإثراء العلمي - وهو زواج من ميكانيكيات الكمي، وديناميات السوائل، وعلوم المواد - الأساس للعمر النووي.