Table of Contents

مقدمة: لماذا مسائل تكنولوجيا الغاز

وقد حولت عملية الطرد المركزي الغازي تخصيب اليورانيوم من عملية صناعية مكلفة وكثيفة الطاقة إلى عملية مدمجة تتسم بالكفاءة العالية، وهذه التكنولوجيا تكمن في صميم دورة الوقود النووي المدني وأشد التحديات التي تواجه الانتشار في عصرنا، وفهم كيفية عمل أجهزة الطرد المركزي الغازية، ومزاياها على الأساليب القديمة، والجهود العالمية لمكافحة انتشارها، أمر أساسي لأي شخص يتبع سياسة الطاقة، أو عدم الانتشار، أو الأمن الدولي.

ويحتوي اليورانيوم الطبيعي على نحو 0.7 في المائة من النظائر الانشطارية U235]، بينما يُعزى الجزء المتبقي إلى ]U —238.() أما بالنسبة لمعظم مفاعلات الطاقة النووية، فيجب إثراء اليورانيوم بما يتراوح بين 3 في المائة و5 في المائة من اليورانيوم - 235، وبالنسبة للأسلحة النووية، فإن مستويات الإثراء تزيد على 90 في المائة من التكنولوجيا القديمة.

The Science Behind Gas Centrifuge Separation

من الصلب إلى الغاز: دور أكسيد الهلك الحديدية

وقبل أن يبدأ التشفير المركزي، يجب تحويل اليورانيوم إلى مجمع غازي.

How a Gas Centrifuge Achieves Isotope Separation

The centrifuge rotor runs at extremely high speeds – often exceeding 70,000 revolutions per minute (RPM). Inside the rotor, the gas is subjected to a centrifugal force many thousands of times stronger than Earth’s gravity. This force causes the slightly heavier U —238] isotopes (mass 238) to concentrate near

وكل مرحلة من مراحل الطرد المركزي تزيد تركيز اليورانيوم 235 بمقدار ضئيل - وهو عادة جزء من المئة - وتصل إلى التخصيب المفاعليئوي (3-5 في المائة)، وتراوحت بين عدة مئات وألف طاردة مركزية تعمل في سلسلة وموازاة، ويلزم بالنسبة لليورانيوم العالي التخصيب، أن تكون هناك حاجة إلى مراحل أخرى كثيرة.

ألف - مزايا تكنولوجيا الطاردات الغازية على الديموغرافيا الغازية

وتوفر تكنولوجيا الطرد المركزي للغاز عدة مزايا حاسمة على طريقة الانتشار الغازي التي تغلبت على الإثراء من الأربعينات حتى أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين.

  • ]Energy Efficiency:] Gaseous diffusion requires enormous amounts of electricity to pump UF]6] through porous membranes. A diffusion plant uses roughly 2,400-3,000 kilowatt — hourss per separative work unit (SWU).
  • () Smaller Physical Footprint:] A centrifuge cascade occupies a fraction of the space required for an equivalent —capacity diffusion plant. For example, the US diffusion plant in Paducah, Kentucky, sprawls over hundreds of acres, while a modern centrifuge plant can achieve the same output.
  • Higher Separation Factor:] A single centrifuge stage can achieve a separation factor of 1.3 to 1.6, compared to 1.004 for a diffusion stage. This means fewer stages are needed, reducing the overall length of the cascade and allowing faster production.
  • Modular Design:] Centrifuge plants can be built incrementally. Machines can be added or removed as demand changes, offering operational flexibility that diffusion plants cannot match.

التنمية التاريخية والمنظور العالمي

Origins in Europe and the Manhattan Project

وقد تم أولا استكشاف مفهوم استخدام القوة الطاردية المركزية لفصل النظائر في الأربعينات من قبل علماء في الولايات المتحدة وألمانيا، وخلال مشروع مانهاتن، قام الباحثون الأمريكيون ببناء أجهزة الطرد المركزي التجريبية، ولكنهم اختاروا في نهاية المطاف الانتشار الغازي كأسلوب الإثراء الأولي لأن تكنولوجيا الطرد المركزي لم تكن ناضجة بما فيه الكفاية للإنتاج الواسع النطاق، وبعد الحرب العالمية الثانية، استمر البحث في أوروبا، ولا سيما في اتحاد هولندا وألمانيا.

برنامج روسيا المتقدم للطرد المركزي

وقد طور الاتحاد السوفياتي تكنولوجيا الطرد المركزي الخاصة به بالتوازي، وبحلول السبعينات، كانت روسيا قد أنشأت بعض أكبر وأكفأ سلسلة من سلاسل الطرد المركزي في العالم، واليوم، تعمل روزاتوم أربع محطات لتخصيب الطرد المركزي، وروسيا ما زالت المصدر الرئيسي لخدمات التخصيب، والطاردات المركزية الروسية معروفة بموثوقيتها العالية وحياتها التشغيلية الطويلة.

حالات الانتشار: إيران وباكستان وكوريا الشمالية

وقد جعل ترابط تكنولوجيا الطرد المركزي الغازي وكفاءتها من الجذابة للدول التي تسعى إلى تطوير قدرات تخصيب السكان الأصليين، في بعض الأحيان في تحد للمعايير الدولية.

  • () Iran:]) بدأ برنامج الطرد المركزي الإيراني في الثمانينات، ويقال إن خطة العمل الشاملة المشتركة للتخصيب لعام 2015 قد استخدمت التصميمات التي تم الحصول عليها من شبكة السوق السوداء التي يديرها عالم باكستاني أ. ك. خان.
  • Pakistan:] Under A. Q. Khan, Pakistan acquired centrifuge designs from Europe and built a clandestine enrichment plant at Kahuta. This facility produced weapon —grade uranium for Pakistan’s nuclear weapons and the Khan network later sold centrifuge technology to Iran, Libya, and North Korea, becoming one of the most serious nuclear proliferation cases in history.
  • North Korea:] North Korea is believed to operate a centrifuge enrichment plant at the Yongbyon Nuclear Scientific Research Center. Intelligence reports suggest the facility may have hundreds of centrifuges, capable of producing both low-enriched uranium for reactors and HEU for weapons.

الضمانات الدولية والتحقق منها

والوكالة الدولية للطاقة الذرية هي الهيئة الرئيسية المسؤولة عن رصد أنشطة التخصيب بموجب معاهدة عدم الانتشار، ونظرا لأن محطات الطرد المركزي يمكن إعادة تشكيلها بسرعة نسبيا لإنتاج اليورانيوم العالي التخصيب، وضعت الوكالة تدابير محددة لضمانات مرافق التخصيب.

تقنيات الضمانات الرئيسية

  • Environmental Sampling:] Swipe samples are taken from inside centrifuge halls and analyzed for trace uranium particles. The ratio of U —235 to U —238 can reveal whether enrichment has exceed declared levels.
  • Surveillance and Monitoring:] IAEA cameras and sensors are installed to track the movement of UF]6] feed and product cylinders, as well as to monitor the operation of centrifuge cascades.
  • Unannounced Inspections:] Under the Additional Protocol, the IAEA can conduct short —notice inspections at undeclared sites, reducing the risk of clandestine enrichment.
  • Measurement of Enrichment Products:] The IAEA uses nondestructive assay techniques, such as gamma spectroscopy, to verify the enrichment level of uranium hexafluoride in storage cylinders.

ورغم هذه التدابير، لا يزال التحقق صعباً، إذ يمكن أن تكون مرافق الطرد صغيرة ويسهل إخفائها، ويتطلب الكشف عن أنشطة الإثراء غير المعلنة التعاون في مجال الاستخبارات والحصول على أدوات تحليلية متقدمة، وللاطلاع على نظرة أعمق عن ضمانات الوكالة الدولية للطاقة الذرية، انظر استعراض ضمانات الوكالة .]

التصميم والمواد الحديثة للطرد المركزي

بناء روتور: Carbon Fiber and Maraging Steel

وتُصنع أجهزة الطرد المركزي الحديثة عادة من مواد عالية السلسلة مثل الفولاذ المرتجل أو السبيكة الألومنيوم أو مركبات الكربون المتحررة، وتوفر ألياف الكربون أفضل نسبة من حيث القوة إلى الوزن، مما يتيح للدوارين أن يسرعوا دون فشل، كما أن الروتينات هي ميكانيكية ذات رقعة، وكثيرا ما تُستخدم فيها عدة أمتار طويلة وبضعة سنتيمترات في المقاييس.

جيم - الخيوط ونظم السيارات

ويعلق الدوار على مزيج من الركاز الميكانيكي الأدنى والعلامة العليا المغناطيسية، ويقود محرك كهربائي صغير الدوار عبر مغناطيس سبنكي أو قنابل ميكانيكية، وتُغلق جميع التجمعات في فراغ يُقلل الاحتكاك من الجزيئات الجوية، مما سيتسبب في فقدان التدفئة والطاقة، وتُصمم أجهزة الطرد المركزي الحديثة لتستمر لمدة 10-15 سنة دون صيانة.

مراقبة التسلسل والتألق

ويجب أن يكون هناك توازن دقيق بين المئات أو الآلاف من أجهزة الطرد المركزي، كما أن أجهزة التحكم في العمليات ترصد ضغط الغاز ودرجات الحرارة ومعدلات التدفق في جميع أنحاء التعاقب، وقد يؤدي الفشل في أي طاردة مركزية واحدة إلى إزعاج كامل التعاقب، بحيث تكون الآلات مجهزة بنظم إغلاق حالة الطوارئ، كما أن الصمامات الآلية والمجسات تسمح للمشغلين بعزل الوحدات المعيبة والحفاظ على الإنتاج بأقل قدر من الوقت.

الطاقة والاعتبارات الاقتصادية

وإثراء الطاردات المركزية الغازية هو أكثر الطرق المتاحة حالياً من حيث كفاءة الطاقة، وكثيراً ما تقاس تكلفة الطاقة من وحدات العمل الفصلي، وتمثل وحدة واحدة من وحدات الحرق الحراري الطاقة اللازمة لفصل كمية معينة من اليورانيوم إلى مجرىين من مختلف أنواع التخصيب، ويمكن لمصانع الطرد المركزي الحديثة أن تحقق استهلاكاً محدداً للطاقة يتراوح بين 40 و60 كيلوواط في كل وحدة من وحدات الغسل، وعلى النقيض من ذلك، فإن أساليب الإثراء غير القائمة على أساس الليزر قد تؤدي إلى مزيد من التنمية.

كما تتأثر اقتصاديات التخصيب بتكلفة تغذية اليورانيوم وقيمة ذيل (اليورانيوم المستنفد) ويمكن لمشغلي الطاردات أن يعدلوا المؤخرات التي يمكن استخدامها على الوجه الأمثل، ويستهلك الحد الأدنى من المؤخرات طاقة أكبر ولكن تقل فيها النفايات اليورانيوم؛ ويحتفظون بالطاقة ولكنهم يحتاجون إلى مزيد من الغذاء، ويتوقف التوازن الأمثل على أسعار اليورانيوم والكهرباء الحالية [الفرنسية].

الجوانب البيئية والمتعلقة بالسلامة

وتنتج محطات الطرد المركزي الغازي نفايات مشعة أقل بكثير من محطات الانتشار الغازية، ويُستنفد مجرى النفايات الأولية من سادس فلوريد اليورانيوم (6 ) التي تخزن في أكشاك فولاذية، وتُخزَّن بمرور الوقت المادة المستنفدة من اليورانيوم (6)

وتشمل الشواغل المتعلقة بالسلامة في إطار محطات الطرد المركزي خطر الفشل الدوار ( " تحطم الطاردة المركزية " ) الذي يمكن أن يطلق الغازات والضررات المتاخمة ()(6).

التطورات المستقبلية في تكنولوجيا الطرد المركزي

متقدمون في الرواتب و السُرعة العليا

وتهدف البحوث والتطوير إلى زيادة سرعة التناوب في أجهزة الطرد المركزي مع الحفاظ على السلامة الهيكلية، ويمكن للأجهزة التي تستخدمها مركبات الكربون المحررة بواسطة نظم راتنج محسنة أن تتسامح مع الضغوط المرتفعة قليلا، وتستخدم بعض التصميمات سلسلة من الملاعب أو المفاصل المرنة للسماح للدوار بالعمل بسرعة تسبب في حدوث صدمات مدمرة.

النظم الهجينة

وقد أدت أساليب فصل النظائر، مثل ]] فصائل الإيسوتروب من قبل شركة لازر Excitation (SILEX) ، إلى تحقيق عوامل انفصال عالية جداً مع انخفاض استهلاك الطاقة، غير أن هذه التكنولوجيات ثبتت صعوبة ضخها تجارياً، وتستكشف بعض الشركات نظماً هجينة تجمع بين إنتاجية الليزر التي أجريت مع الغازات.

أجهزة الطرد الصغيرة

ومن أكثر الاتجاهات إثارة للقلق تطوير أجهزة الطرد المركزي الصغيرة ذات الكفاءة العالية التي يمكن إخفائها في المباني العادية، والطرد المركزي الذي يحتوي على دوار كربوني طوله متران فقط و10 سم في مقياس قطره يمكن أن ينتج ما يكفي من اليورانيوم العالي التخصيب لسلاح نووي في غضون بضعة أشهر، وتستثمر الوكالة الدولية للطاقة الذرية والدول الأعضاء في تكنولوجيات الرصد عن بعد وتحليل الصور الساتلية لكشف هذه المرافق السرية.

التحديات المتعلقة بالانتشار والتصدي للسياسات

"الدمّة المزدوجة"

وتكنولوجيا الطرد المركزي للغاز هي في جوهرها ذات الاستخدام المزدوج: فالأجهزة التي تنتج اليورانيوم المنخفض التخصيب لمفاعلات الطاقة يمكن أن تنتج، مع إعادة تشكيل بسيطة للمجمع، مواد ذاتية حرارة، مما يجعل من الصعب للغاية فصل الإثراء السلمي عن التطبيقات العسكرية، وتسمح معاهدة عدم الانتشار للأطراف الموقعة على المعاهدة بتخصيب اليورانيوم للأغراض السلمية تحت ضمانات الوكالة الدولية للطاقة الذرية، ولكن بعض الدول استغلت هذا الأمر لتطوير قدرات متأخّرة على الانفصال.

النهج المتعددة الأطراف

  • Fuel Banks and Assured Supply Mechanisms:] To reduce the incentive for countries to build their own enrichment plants, proposals have been made for international fuel banks that would guarantee access to reactor fuel and the IAEA Low Enriched Uranium (LEU) Bank in Kazakhstan is one such example; it stores a reserve of enriched uranium that can be released to any member state facing supply.
  • Export Controls:] The Nuclear Suppliers Group (NSG) maintains guidelines for the transfer of enrichment —related equipment and technology and these controls are not legally binding but are widely observed by suppliers states. However, black-market networks have repeatedly circumvented them.
  • Verification of Centrifuge Manufacturing:] One emerging approach is to monitor the production of centrifuge rotors, which require specialized high-speed machining or filament airwinding equipment. Restricting access to such machines could slow the proliferation of centrifuge technology.

دور الدبلوماسية والجزاءات

وقد أثبتت الجهود الدبلوماسية، مثل برنامج العمل المشترك مع إيران، أن المفاوضات يمكن أن تحد مؤقتا من برامج التخصيب، ولكنها تظل هشة، ويمكن أن تفرض الجزاءات على الدول أن تقبل عمليات تفتيش أكثر صرامة، ولكنها يمكن أن تحفز أيضا على التنمية السرية، وهناك حاجة إلى استراتيجية شاملة تجمع بين التحقق، وضوابط التصدير، والمشاركة الدبلوماسية، والحوافز الاقتصادية لإدارة المخاطر التي تشكلها تكنولوجيا الطرد المركزي الغازي.

وللحصول على تحليل أكثر تفصيلا للسياسات الحالية المتعلقة بعدم الانتشار، انظر تقرير الوكالة الدولية للطاقة الذرية عن الانتشار النووي لعام 2020 ].

الاستنتاج: تحقيق التوازن بين الاستحقاقات والمخاطر

وقد مكّنت تكنولوجيا الطرد المركزي للغاز من نمو صناعة الطاقة النووية العالمية بتوفير خدمات إثراء فعالة من حيث التكلفة، كما أنها أوجدت تهديدا مستمرا لانتشار الأسلحة النووية يتطلب يقظة مستمرة، وستستمر التطورات في علوم المواد والتشغيل الآلي في تحسين كفاءة الطرد المركزي، مما يجعل الإثراء أكثر سهولة، ويجب على المجتمع الدولي أن يكيف ضماناته وضوابطه ليواكب هذه التغيرات التكنولوجية.

وفي نهاية المطاف، فإن مستقبل تكنولوجيا الطرد المركزي الغازي لن يكون مهيأاً للابتكار الهندسي فحسب، بل أيضاً بقرارات سياسية تتعلق بإدارة دورة الوقود النووي، وضمان إتاحة منافع الطاقة النووية للجميع مع منع إساءة استخدام تكنولوجيا التخصيب في الوقت نفسه، يظل أحد أكثر التحديات إلحاحاً في القرن الحادي والعشرين.