ما هو الیورانیوم؟

الیورانیوم فلز مشع أبیض فضی اللون، رمزه الکیمیائی U. وهو مصدر الطاقة المستخدمة فی تولید الطاقة الکهربائیة فی کل محطات القدرة النوویة التجاریة الکبیرة. فبإمکان قطعة من الیورانیوم فی حجم کرة المضرب إطلاق کمیة من الطاقة تساوی کمیة الطاقة التی تطلقها حمولة من الفحم الحجری یبلغ وزنها ثلاثة ملایین ضعف وزن قطعة الیورانیوم. وینتج الیورانیوم أیضًا الانفجاریات الهائلة لبعض الأسلحة النوویة.
ما هو النظیر؟
هناک رقمین ممیزین لکل ذرة الرقم الأول یکتب أسفل یمین رمز الذرة وهو العدد الذری (عدد البروتونات أو الإلکترونات) والثانی یکتب أعلى یمین رمز الذرة ویُسمى الوزن الذری وهو مجموع عدد البروتونات والنیوترونات فی الذرة، یحدد العدد الذری نوع عنصر الذرة مثلا: الذهب لدیه رمز ذری (عدد إلکترونات = 97) والیورانیوم = 92 ... وهذا الرقم إذا تغیر یعنی أن العنصر تغیر أی أن الیورانیوم إذا أزلنا منه إلکترونا واحدا فسیصبح عنصرا آخر (مادة أخرى). أما وزن الذری فإذا تغیر فإن العنصر لا یتغیر حیث یبقى هو نفسه الیورانیوم لکن بعض خصائصه تتغیر وعدة ذرات تحمل نفس العدد الذری ولدیها وزن ذری مختلف تسمى النظائر.
یتکون الیورانیوم من ثلاثة نظائر هی:
- الیورانیوم 238 بنسبة 99.28 %
- الیورانیوم 235 بنسبة 0.71 %
- الیورانیوم 234 بالنسبة الباقیة.
وعملیة التخصیب بشکل مبسط هی: زیادة نسبة النظیر 235 فی الیورانیوم لکی تصل إلى نسبة معینة حتى یتم استخدام الیورانیوم. وکمثال فإنه إذا زدنا نسبة النظیر 235 إلى ما بین 3 بالمئة و5 بالمئة فإنه یُمکننا تشغیل مفاعل نووی لإنتاج الطاقة، بینما إذا زدناها إلى ما بین 20 بالمئة و90 بالمئة فإنه یُمکننا الاستفادة منه فی الصناعات النوویة الاخری.
یتم قذف الیورانیوم بالنیوترونات داخل مفاعل نووی معتمد على استخدام الماء، الأمر الذی یولد طاقة هائلة. ولکن هناک مشکلة بسیطة تعترض حدوث هذا بالبساطة التی یبدو علیها وهو أن الیورانیوم یحتوی على النظیر 238 بنسبة 99.3 % وهذا النظیر غیر قابل للانشطار على عکس الیورانیوم 235 القابل للانشطار، وبالتالی یجب أن یتم زیادة النظیر 235 إلى حد معین فی الیورانیوم الطبیعی لکی یتم شطره، وتولید الطاقة الهائلة التی تختزنها ذرات الیورانیوم ، ونشیر مجددا إلى أن عملیة زیادة نسبة الیورانیوم 235 فی الیورانیوم الطبیعی هی ما یُطلق علیه مصطلح "تخصیب الیورانیوم".
عملیة التخصیب الیورانیوم :
الیورانیوم238 أثقل من الیورانیوم235 بنسبة بسیطة تبلغ 0.85%، وهذا الفرق البسیط فی الکتلة هو الذی یستخدم لفصل النظیرین عن بعضهما. وتتعدد طرق الفصل بینهما ولکن طریقة الفصل بالطرد المرکزی هی الأکثر انتشارا وذلک لکلفته القلیلة مقارنة بغیرها من الطرق، وأساسا لیس هناک سوى ثلاثة طرق لتخصیب الیورانیوم:

الطرد المرکزی :

تستخدم هذه الطریقة فی عدد من المحطات فی أوروبا والیابان، وفی هذه الطریقة یأخذ التخصیب بالطرد المرکزی عدة خطوات، أولها یحّول خلالها الیورانیوم الطبیعی إلى غاز فی شکل "الیورانیوم سداسی الفلور"؛ ولأن فرق الکتلة بین جزیئات غاز النظیرین بسیط، یتم تخصیب الیورانیوم فی خطوات متتالیة، فی کل خطوة یتم زیادة نسبة الیورانیوم235 حتى الوصول للنسبة المطلوبة.
یتکون جهاز الطرد المرکزی فی هذه الطریقة من أسطوانات عمودیة ذات حرکة دوامیة سریعة. ویضخ غاز سادس فلورید الیورانیوم فی کل أسطوانة عبر أنبوبة عمودیة ثابتة داخل کل أسطوانة. وتجبر الحرکة الدوّامیة للأسطوانة کل الغاز الخارجی تقریبًا فی اتجاه الجدران المنحنیة. وبالإضافة إلى ذلک، تساعد مغرفة متصلة بقاعدة الأنبوبة الثابتة فی انسیاب الغاز عمودیًا، کما تساهم الفروق فی درجات الحرارة داخل الأسطوانة فی إحداث هذا الانسیاب العمودی.

بسبب هذه التأثیرات ـ الحرکة الدوّامیة للأسطوانة وحرکة المغرفة وفروق درجات الحرارة ـ ینساب الغاز بنمط معقد، ویصبح الغاز القریب من قاعدة الأسطوانة مرکزًا بالیورانیوم 238 أکثر من الغاز العلوی. وتزیل المغرفة السفلیة النفایات الغازیة، التی تحتوی على ترکیزات أعلى نسبیًا من الیورانیوم 238، بینما تزیل المغرفة العلویة الغاز المخصب الذی یحتوی على الیورانیوم 235 بترکیز أعلى. وتتکرر العملیة حتى یتم الحصول على الترکیز المطلوب من الیورانیوم 235.

الانتشار الغازی

طریقة الانتشار الغازی. تستخدم هذه الطریقة فی الولایات المتحدة. وفی هذه الطریقة تضخ جزیئات سادس فلورید الیورانیوم خلال حواجز تحتوی على ملایین الثقوب الدقیقة.
تمر جزیئات الغاز الخفیفة عبر ثقوب الحواجز أسرع من الجزیئات الثقیلة. وتحتوی الجزیئات الخفیفة على ذرات الیورانیوم 235، ولذلک یحتوی الغاز الذی یمر عبر الحاجز على نسبة من الیورانیوم 235 أعلى من الغاز الأصلی. ونظرًا لأن هذه الزیادة طفیفة جدًا فإن الغاز یجب أن یمر عبر الحاجز عدة آلاف مرة لإنتاج الیورانیوم المخصب الذی یراد استخدامه فی محطات القدرة النوویة.

الفصل باللیزر

هذه الطریقة مازلت فی طور التجریب والاختبار، وفیها تُستخدم تولیفة من ضوء اللیزر وشحنة کهربائیة لفصل نظائر الیورانیوم. واللیزر ینتج حزمة رفیعة من الضوء ذات مدى ترددی ضیق جدًا (تردد الضوء هو معدل اهتزاز موجات الضوء).
طریقة فصل النظائر باللیزر تسمى طریقة البخار الذری تسخِّن حزمة من الإلکترونات قطعة من الیورانیوم عند قاعدة حاویة مغلقة، محولة الیورانیوم إلى بخار (غاز)، ثم یُخترق الغاز بنبضات من حزمة لیزریة. ویوالف تردد الحزمة بحیث تستطیع الإلکترونات فی ذرات الیورانیوم 235 امتصاص الضوء، ولا تستطیع إلکترونات ذرات الیورانیوم 238 ذلک.
عندما یمتص إلکترون الیورانیوم 235 هذا الضوء یحصل على طاقة تکفیه لترک الذرة. وتغیر هذه العملیة التوازن الکهربائی للذرة. فالإلکترون یحمل شحنة کهربائیة سالبة، بینما تحمل النواة شحنة کهربائیة موجبة واحدة أو أکثر. وفی الذرة العادیة یکون عدد الشحنات الموجبة مساویًا لعدد الشحنات السالبة. ولذلک تکتسب الذرة شحنة موجبة عندما یترکها إلکترون. ویقول العلماء عن هذه الحالة إن الذرة تحولت إلى أیون موجب. وهکذا یؤیِّن ضوء اللیزر ذرات الیورانیوم 235، ولا یؤیِّن ذرات الیورانیوم 238.
عند صعود البخار الساخن إلى أعلى تجذب ألواح تجمیع سالبة الشحنة فی قمة الحاویة أیونات الیورانیوم 235 الموجبة. ولأن ألواح التجمیع أبرد من الغاز فإن الیورانیوم 235 یتکثف علیه (یتحول من غاز إلى سائل). ویتقطر الیورانیوم 235 من ألواح التجمیع إلى حاویات خاصة، مکونًا کتلة صلبة. ثم تجمع الکتل الصلبة وتنقى وتؤکسد لاستخدامها وقودًا نوویًا. وفی نفس الأثناء ینتقل الیورانیوم 238، المتعادل کهربائیًا، عبر الألواح المشحونة، ثم یتکثف فوق لوحة نفایات قرب قمة الحاویة.
فی إحدى التقنیات اللیزریة تسخن وحدة کهربائیة قطعة من الیورانیوم منتجة بخارًا. وتعمل حزمتان لیزریتان معًا لتأیین ذرات الیورانیوم 235 فی البخار، ثم تجمع لوحة موجبة الشحنة أیونات الیورانیوم 235، تارکة بخار ذرات الیورانیوم 238 تخرج عبر فتحة فی قمة الحاویة.
تستهلک طریقة فصل النظائر باللیزر طاقة کهربائیة أقل بکثیر من الطاقة التی تستهلکها طریقة الانتشار الغازی، کما أن تکلفة معدات طریقة الفصل باللیزر أقل بکثیر من تکلفة معدات طریقة الطرد المرکزی. ولذلک تجری الشرکات المدعومة حکومیًا فی فرنسا والیابان والولایات المتحدة التجارب لاستخدام طریقة فصل النظائر باللیزر.

معلومات إضافیة:

- یستخدم یورانیوم235 المخصب فی صناعة وقود المفاعل النووی لإنتاج الطاقة. والمعتمد على مبدأ الانشطار النووی، فبانشطار نواة الذرة تنطلق طاقة حراریة هائلة. وبالنسبة لذرات الیورانیوم فبإطلاق النیوترونات علیها یحدث الانشطار النووی لذراتها، وبانشطار بعض الذرات تطلق بدورها النیوترونات، واصطدام هذه النیوترونات مع ذرات أخرى یسبب انشطارها فیتم تحریر المزید من النیوترونات، وهکذا یستمر رد الفعل المتسلسل مسببا لتولید کمیة هائلة من الطاقة الحراریة. ویتم التحکم بمعدل الانشطار النووی فی المفاعل باستخدام قضبان تحکم من مادة الکادمیوم التی تقوم بامتصاص بعض النیوترونات المتحررة؛ فهی تسمح بتنظیم الانشطار النووی والتحکم الآمن به. کما یتم استخدام نظام تبرید مائی للتخلص من الحرارة المفرطة التی تنتج فی أثناء العملیة، ویستخدم البخار الذی یتم تولیده لتدویر المحرکات الضخمة التی تولد الطاقة الکهربائیة.
یوجد حالیا 443 مفاعلا نوویا سلمیا على مستوى العالم و24 آخرون قید الإنشاء. حیث تزود الطاقة النوویة دول العالم بأکثر من 16% من الطاقة الکهربائیة، ملبیة على سبیل المثال ما یقرب من 35% من احتیاجات دول الاتحاد الأوربی. ففرنسا وحدها تحصل على 77% من طاقتها الکهربائیة من المفاعلات النوویة.

مفاعل نووی لانتاج الطاقة الکهربائیة / مدینة بوشهر الایرانیة

تم تخصیب الیورانیوم لأول مرة فی الولایات المتحدة بعد الحرب العالمیة الثانیة، حیث تم بناء 3 من المفاعلات النوویة فی ولایات «تینیسی» و «أوهایو» و«کنتاک»، وکانت الطریقة المستعملة عبارة عن ضخ کمیات کبیرة من الیورانیوم على شکل غاز یورانیوم هیکسافلورید uranium hexafluoride إلى حواجز ضخمة تحوی ملایین الثقوب الصغیرة جدا، وبهذه الطریقة یتم انتشار الیورانیوم-235 (وهو الجزء المطلوب) بسرعة أکبر ونسبة إلى الیورانیوم-238 (وهو الجزء غیر المرغوب فیه لکونه أثقل)، وتم استغلال الفرق فی سرعة الانتشار وجمع کمیات هائلة من الیورانیوم-235، وتمتلک الولایات المتحدة یورانیوما مخصبا من النوع العالی الخصوبة بنسبة 90%.
یتزود العالم باحتیاجه من الیورانیوم الخام من عدد محدود من الدول، وهی کندا والولایات المتحدة الأمریکیة وجنوب إفریقیا وأسترالیا ونیجیریا؛ فهو عنصر نادر فی الطبیعة، حیث یتواجد فی القشرة الأرضیة بنسبة 3 جرامات فقط فی الطن، وفی ماء البحر بنسبة 3 مللیجرامات فی الطن.

تاریخ استخدام الیورانیوم

استخدم الناس الیورانیوم ومرکباته منذ حوالی ألفی عام تقریبًا. فقد احتوی زجاج ملون أنتج فی حوالی عام 79م على أکسید الیورانیوم، وظل مصنعو الزجاج یستخدمون هذا المرکب مادة ملونة حتى القرن التاسع عشر. واستخدم الیورانیوم أیضًا مادة ملونة فی طلاء أو تزجیج الخزف الصینی. وبالإضافة إلى ذلک استخدم الیورانیوم فی معالجة الصور الفوتوغرافیة.
اکتشف الکیمیائی الألمانی مارتن کلابروث الیورانیوم فی عام 1789م، حیث وجده فی البتشبلند، وهو معدن داکن، أسود مزرق اللون. وقد سمى کلابروث الیورانیوم على اسم کوکب أورانوس، الذی کان قد اکتشف فی عام 1781م. وفی عام 1841م فصل الکیمیائی الفرنسی یوجین بلیجو الیورانیوم النقی من البتشبلند.
وفی عام 1896م، اکتشف الفیزیائی الفرنسی أنطوان هنری بکویریل أن الیورانیوم مادة مشعة، وکان هذا الاکتشاف أول اکتشاف لعنصر مشع فی التاریخ.
وفی عام 1935م، اکتشف الفیزیائی الکندی المولد آرثر دمبستر الیورانیوم 235. واستخدم الکیمیائیان الألمانیان أوتو هان وفرتز ستراسمان الیورانیوم لإنتاج أول انشطار نووی اصطناعی فی عام 1938م. وفی عام 1942م، أنتج الفیزیائی الإیطالی المولد إنریکو فیرمی ومساعدوه فی جامعة شیکاغو أول تفاعل سلسلی اصطناعی، مستخدمین الیورانیوم 235 مادة انشطاریة. وقد قاد عمل فیرمی إلى تطویر القنبلة الذریة ، والقیت قنبلتان منها علی الیابان عام1945 لتنهی بذلک الحرب العالمیة الثانیة .

ومنذ أوائل سبعینیات القرن العشرین أصبحت محطات القدرة النوویة التی تستخدم الیورانیوم وقودًا من أهم مصادر الطاقة. وتوجد هذه المحطات فی 30 دولة، یواصل عدد منها الآن بناء المزید من المحطات. أما بقیة الدول فقد أوقفت بناء المحطات الجدیدة لأسباب عدیدة منها القلق من تأثیر هذه المحطات الجدیدة على السلامة العامة، والنظم الحکومیة المرتبطة بالسلامة، وارتفاع تکلفة وتشغیل المحطات الجدیدة مقارنة بتکلفة محطات القدرة التی تستخدم الطاقة الناتجة عن حرق الفحم الحجری والغاز الطبیعی.

فی ماذا یستخدم الیورانیوم؟

الیورانیوم هو ثانی أثقل عنصر موجود فی الطبیعة بعد البلوتونیوم. ویستغل المهندسون ثقل الیورانیوم فی عدد من التطبیقات، حیث یستخدمون الیورانیوم فی البوصلات الدوارة فی الطائرات، لحفظ توازن الجنیحات وغیرها من سطوح التحکم فی الطائرات والمرکبات الفضائیة، وللوقایة من الإشعاع باستخدام الیورانیوم غطاء. والیورانیوم المستخدم فی هذه التطبیقات ذو خاصیة إشعاعیة ضعیفة جدًا. ویستخدم العلماء الیورانیوم أیضًا لتحدید أعمار الصخور والمیاه الجوفیة وترسبات الترافرتین (أحد أشکال الحجر الجیری) فی المواقع الأثریة، وهذا طبعا بالإضافة لاستخدامه فی تولید الحرارة لإنتاج الطاقة وکذلک صناعة الأسلحة النوویة.
المصدر : تحقیق راسخون