من طرف یحتوى الیورانیوم الطبیعي على الیورانیوم 238 :بنسبة 99.3 %والیروراینوم بنسبھ% 0.7 ،ولتشغیل المفاعل علینا أن نزید
ھذه النسبة إلى حوالي % 5 أو أكثر وھذا ما یعرف بالتخصیب. ویتم ذلك في المفاعل النووي الانشطار النووي المتسلسل
الذاتي، :
وتتحرر ھذه الطاقة الھائلة وتستخدم فیما یعرف بالاستخدامات السلمیة للطاقة النوویة . حیثQ تساوى حوالي 200 MeV
كما وانھ یمكن استخدامھا لصناعة القنابل النوویة
الوقود النووي
ینقسم الوقود الذي یستخدمھ الإنسان إلى نوعین رئیسیین:
-1 وقود حفري (زیت البترول – الفحم – الخشب) وھى مواد ناضبة.
-2 وقود نووي: ویشتمل على:
ا– مواد انشطاریة مثل الیورانیوم - 235
إلى مواد انشطاریة مثل ) ب – مواد مخصبة: وھذه یمكن أن تحول باستخدام المفاعلات الإنتاجیة(breeder
. الثوریوم 232 ، الیورانیوم 238
ج – الھیدروجین الثقیل (الدیوتیریوم) وھو متوفر بلا حدود في میاه المحیطات والبحار !!
إنتاج الوقود النووي
لاستخدام الیورانیوم كوقود للمفاعل لا بد أن نزید تركیز النظیر - 235 فیھ فیما یعرف بعملیات التخصیب، كما اشرنا سابقا.
نبین فیما یلي المراحل التي یمر بھا خام الیورانیوم حتى یصل إلى المفاعل كوقود.
بمعدل یتراوح بین - 0.6 U3O 2 یورانیوم على شكل أكسید یورانیوم 8 - یحتوى خام الیورانیوم الجید على حوالي % 5
70 منھ یعرف ھذا المركب بالكعكة الصفراء - 1.0 كیلوجرام لكل طن من الخام.وعندما تصل ھذه النسبة إلى % 80
من الكعكة الصفراءحیث یعتبر ھذا الغاز المفتاح الأساسي لعملیات تخصیب الیورانیوم كما سنبینھ فیما بعد، ومن ثم تشغیل . (U3O8)
المفاعلات النوویة أو الحصول على نظیر الیورانیوم - 235 نقیا أو بنسب تصل إلى % 99 المستخدم في صناعة القنبلة
النوویة.وتجرى عدة عملیات على الكعكة الصفراء، حیث تعالج بالامونیا أو عن طریق التفاعل :
(1) U3O8 +2H2 → 3UO2 + 2H2O
. UO للحصول على أكسید الیورانیوم 2
UO من 2 UF ویتم تحضیر رابع فلورید الیورانیوم 4
حسب العلاقة:
UO2 + 4HF → 2H2O + UF4 (2)
ثم ینتج سادس فلورید الیورانیوم من التفاعل
UF4+ F2 → UF6
كما ویمكن الحصول على الیورانیوم المعدني من رابع فلورید الیورانیوم
UF4
حسب العلاقة :
UF4 + 2 Ca → U+ 2CaF2 (3)
أو العلاقة:
UF4 + 2Mg → U + 2MgF2 (4)
.
طرائق تخصیب الیورانیوم
ھناك العدید من الطرق المستخدمة لتخصیب الیورانیوم، بعضھا معروف وبعضھا الآخر ما زال رھن الأسرار العسكریة
في الدول المتقدمة، سوف نستعرضھنا باختصار أھم الطرق المعروفة :
gas diffusion -1 الانتشار الغازي
\تخصیب الیورانیوم باستخدام تقنیة الانتشار
إلى حجرة UF الغازي البسیطة . حیث یدخل غاز الیورانیوم 6
الانتشار ومن ثم ینتشر خلال غشاء خاص حیث نجد أن سرعة
الانتشار خلال الغشاء تعتمد على كتل جزیئات الغاز، حیث نجد
أن ھذه السرعة تتناسب مع كتل الجزیئات حسب العلاقة :
(v2/v1)rms = ( M1 / M2 )1/2 (5)
بالعلاقة : ( α ) ومن ثم یعطى معامل الفصل
α = ( M2/ M1 )(6)½
= (352/349)1/2 = 1.0043
ونتیجة لذلك یخرج الغاز المخصب بالنظیر - 235 من جانبي
الغشاء، بینما یستمر الغاز الغیر مخصب في التدفق إلى خارج الحجیرة،
الطرد المركزي
یستخدم ھنا الطرد المركزي لفصل نظیري الیورانیوم عن بعضھما البعض.
UF وتعتبر ھذه التقنیة ھنا تحسینا للتقنیة السابقة، حیث یدخل غاز الیورانیوم 6
إلى جھاز الطرد المركزي وعند تشغیل الجھاز فان كلا من
النظیرین یتخذ مسارا خاصا بھ، حسب كتلة كل منھما . حیث نجد أن النظیر
المخصب ( المركبة الخفیفة ) تتجمع بالقرب من محور الدوران، بینما تتجمع
الجزیئات الثقیلة بالقرب من جدار جھاز الطرد المركزي
3 الفصل الكھرومغناطیسي
تدخل ھنا ایونات مركبتي الیورانیوم إلى مجالات مغناطیسیة وحیث أن القوة
المغناطیسیة المؤثرة تعتمد على كتلة كل منھما فانھ یمكن فصل ھاذین النظیرین
عن بعضھما البعض ( كما في جھاز مطیاف الكتلةmass spectrometer )
4 – الدینامیكا الھوائیة
تعرف ھذه التقنیة أحیانا بتقنیة جنوب أفریقیا، تدخل ھنا جزیئات الغازین إلى
حیز عن طریق فوھة مقوسة9 حیث تعتمد سرعة انتشار كل منھما
بعد مغادرتھ على موضع ملامستھ للفوھة المقوسة ومن ثم یمكن فصل النظیرین
عن بعضھما البعض
الفصل باللیزر
من المعروف أن نواة نظیر الیورانیوم - 238 تحتوى على ثلاثة نیوترونات زائدة
عن نواة النظیر - 235 ومن ثم تسبب ھذه الزیادة تغیرا دقیقا في التركیب الالكتروني لذرتي كل من ھذین النظیرین . وقد
وجد انھ بالتأثیر بشعاع لیزر ذي طاقة دقیقة فانھ یمكن إثارة وتأیین ذرات احد النظیرین دون الآخر، ومن ثم یمكن فصل
ایونات ھذا النظیر عن الآخر . نبین في الشكل -أدناه تصمیما لھذه التقنیة
ھذه النسبة إلى حوالي % 5 أو أكثر وھذا ما یعرف بالتخصیب. ویتم ذلك في المفاعل النووي الانشطار النووي المتسلسل
الذاتي، :
وتتحرر ھذه الطاقة الھائلة وتستخدم فیما یعرف بالاستخدامات السلمیة للطاقة النوویة . حیثQ تساوى حوالي 200 MeV
كما وانھ یمكن استخدامھا لصناعة القنابل النوویة
الوقود النووي
ینقسم الوقود الذي یستخدمھ الإنسان إلى نوعین رئیسیین:
-1 وقود حفري (زیت البترول – الفحم – الخشب) وھى مواد ناضبة.
-2 وقود نووي: ویشتمل على:
ا– مواد انشطاریة مثل الیورانیوم - 235
إلى مواد انشطاریة مثل ) ب – مواد مخصبة: وھذه یمكن أن تحول باستخدام المفاعلات الإنتاجیة(breeder
. الثوریوم 232 ، الیورانیوم 238
ج – الھیدروجین الثقیل (الدیوتیریوم) وھو متوفر بلا حدود في میاه المحیطات والبحار !!
إنتاج الوقود النووي
لاستخدام الیورانیوم كوقود للمفاعل لا بد أن نزید تركیز النظیر - 235 فیھ فیما یعرف بعملیات التخصیب، كما اشرنا سابقا.
نبین فیما یلي المراحل التي یمر بھا خام الیورانیوم حتى یصل إلى المفاعل كوقود.
بمعدل یتراوح بین - 0.6 U3O 2 یورانیوم على شكل أكسید یورانیوم 8 - یحتوى خام الیورانیوم الجید على حوالي % 5
70 منھ یعرف ھذا المركب بالكعكة الصفراء - 1.0 كیلوجرام لكل طن من الخام.وعندما تصل ھذه النسبة إلى % 80
من الكعكة الصفراءحیث یعتبر ھذا الغاز المفتاح الأساسي لعملیات تخصیب الیورانیوم كما سنبینھ فیما بعد، ومن ثم تشغیل . (U3O8)
المفاعلات النوویة أو الحصول على نظیر الیورانیوم - 235 نقیا أو بنسب تصل إلى % 99 المستخدم في صناعة القنبلة
النوویة.وتجرى عدة عملیات على الكعكة الصفراء، حیث تعالج بالامونیا أو عن طریق التفاعل :
(1) U3O8 +2H2 → 3UO2 + 2H2O
. UO للحصول على أكسید الیورانیوم 2
UO من 2 UF ویتم تحضیر رابع فلورید الیورانیوم 4
حسب العلاقة:
UO2 + 4HF → 2H2O + UF4 (2)
ثم ینتج سادس فلورید الیورانیوم من التفاعل
UF4+ F2 → UF6
كما ویمكن الحصول على الیورانیوم المعدني من رابع فلورید الیورانیوم
UF4
حسب العلاقة :
UF4 + 2 Ca → U+ 2CaF2 (3)
أو العلاقة:
UF4 + 2Mg → U + 2MgF2 (4)
.
طرائق تخصیب الیورانیوم
ھناك العدید من الطرق المستخدمة لتخصیب الیورانیوم، بعضھا معروف وبعضھا الآخر ما زال رھن الأسرار العسكریة
في الدول المتقدمة، سوف نستعرضھنا باختصار أھم الطرق المعروفة :
gas diffusion -1 الانتشار الغازي
\تخصیب الیورانیوم باستخدام تقنیة الانتشار
إلى حجرة UF الغازي البسیطة . حیث یدخل غاز الیورانیوم 6
الانتشار ومن ثم ینتشر خلال غشاء خاص حیث نجد أن سرعة
الانتشار خلال الغشاء تعتمد على كتل جزیئات الغاز، حیث نجد
أن ھذه السرعة تتناسب مع كتل الجزیئات حسب العلاقة :
(v2/v1)rms = ( M1 / M2 )1/2 (5)
بالعلاقة : ( α ) ومن ثم یعطى معامل الفصل
α = ( M2/ M1 )(6)½
= (352/349)1/2 = 1.0043
ونتیجة لذلك یخرج الغاز المخصب بالنظیر - 235 من جانبي
الغشاء، بینما یستمر الغاز الغیر مخصب في التدفق إلى خارج الحجیرة،
الطرد المركزي
یستخدم ھنا الطرد المركزي لفصل نظیري الیورانیوم عن بعضھما البعض.
UF وتعتبر ھذه التقنیة ھنا تحسینا للتقنیة السابقة، حیث یدخل غاز الیورانیوم 6
إلى جھاز الطرد المركزي وعند تشغیل الجھاز فان كلا من
النظیرین یتخذ مسارا خاصا بھ، حسب كتلة كل منھما . حیث نجد أن النظیر
المخصب ( المركبة الخفیفة ) تتجمع بالقرب من محور الدوران، بینما تتجمع
الجزیئات الثقیلة بالقرب من جدار جھاز الطرد المركزي
3 الفصل الكھرومغناطیسي
تدخل ھنا ایونات مركبتي الیورانیوم إلى مجالات مغناطیسیة وحیث أن القوة
المغناطیسیة المؤثرة تعتمد على كتلة كل منھما فانھ یمكن فصل ھاذین النظیرین
عن بعضھما البعض ( كما في جھاز مطیاف الكتلةmass spectrometer )
4 – الدینامیكا الھوائیة
تعرف ھذه التقنیة أحیانا بتقنیة جنوب أفریقیا، تدخل ھنا جزیئات الغازین إلى
حیز عن طریق فوھة مقوسة9 حیث تعتمد سرعة انتشار كل منھما
بعد مغادرتھ على موضع ملامستھ للفوھة المقوسة ومن ثم یمكن فصل النظیرین
عن بعضھما البعض
الفصل باللیزر
من المعروف أن نواة نظیر الیورانیوم - 238 تحتوى على ثلاثة نیوترونات زائدة
عن نواة النظیر - 235 ومن ثم تسبب ھذه الزیادة تغیرا دقیقا في التركیب الالكتروني لذرتي كل من ھذین النظیرین . وقد
وجد انھ بالتأثیر بشعاع لیزر ذي طاقة دقیقة فانھ یمكن إثارة وتأیین ذرات احد النظیرین دون الآخر، ومن ثم یمكن فصل
ایونات ھذا النظیر عن الآخر . نبین في الشكل -أدناه تصمیما لھذه التقنیة