يستخدم اليورانيوم كمصدر للطاقة في المفاعلات النووية ، وقد استخدم في صنع أول قنبلة ذرية ، والتي أُسقطت على هيروشيما عام 1945. يُستخرج اليورانيوم على شكل خام يسمى باتشبلند ، ويتكون من عدة نظائر ذات وزن ذري وعدة مستويات مختلفة من النشاط الإشعاعي. للاستخدام في تفاعلات الانشطار ، عدد النظائر 235يجب زيادة U إلى مستوى جاهز للانشطار في المفاعل أو القنبلة. تسمى هذه العملية تخصيب اليورانيوم ، وهناك عدة طرق للقيام بذلك.
خطوة
طريقة 1 من 7: عملية الإثراء الأساسية
الخطوة الأولى: تحديد الغرض من استخدام اليورانيوم
معظم اليورانيوم المستخرج يحتوي على حوالي 0.7 بالمائة فقط 235U ، ومعظم الباقي هو النظير 238أكثر استقرارًا في U. يحدد نوع التفاعل الانشطاري الذي تريد القيام به مع اليورانيوم مقدار الزيادة 235يجب أن تفعل ذلك حتى يمكن استخدام اليورانيوم بشكل فعال.
- يحتاج اليورانيوم المستخدم في معظم محركات الطاقة النووية إلى التخصيب بنسبة 3-5٪ 235U. (تم تصميم بعض المفاعلات النووية ، مثل مفاعل CANDU في كندا ومفاعل Magnox في المملكة المتحدة ، لاستخدام اليورانيوم غير المخصب.)
- في المقابل ، يجب تخصيب اليورانيوم المستخدم في القنابل الذرية والرؤوس الحربية بنسبة 90٪. 235يو.
الخطوة 2. تحويل خام اليورانيوم إلى غاز
تتطلب معظم طرق تخصيب اليورانيوم المتاحة حاليًا تحويل خام اليورانيوم إلى غاز منخفض الحرارة. عادة ما يتم ضخ غاز الفلورين في آلة تحويل الخام ؛ يتفاعل غاز أكسيد اليورانيوم مع الفلور لإنتاج سادس فلوريد اليورانيوم (UF6). ثم تتم معالجة الغاز لفصل وتجميع النظائر 235يو.
الخطوة الثالثة. تخصيب اليورانيوم
تصف الأقسام اللاحقة من هذه المقالة مختلف العمليات المتاحة لتخصيب اليورانيوم. من بين جميع العمليات ، يعد انتشار الغاز والطرد المركزي للغاز هما الأكثر شيوعًا ، ولكن من المتوقع أن يحل فصل النظائر بالليزر محل الاثنين.
الخطوة 4. تغيير غاز UF6 لثاني أكسيد اليورانيوم (UO2).
بمجرد التخصيب ، يحتاج اليورانيوم إلى أن يتحول إلى شكل صلب ثابت لاستخدامه حسب الرغبة.
يتم تحويل ثاني أكسيد اليورانيوم المستخدم كوقود للمفاعلات النووية إلى حبيبات خزفية ملفوفة في أنابيب معدنية بحيث تصبح قضبانًا يصل ارتفاعها إلى 4 أمتار
الطريقة 2 من 7: عملية نشر الغاز
الخطوة 1. ضخ غاز UF6 من خلال الأنبوب.
الخطوة 2. ضخ الغاز من خلال مرشح أو غشاء مسامي
بسبب النظير 235U أخف من النظير 238يو ، وف6 سوف تنتشر النظائر الأخف عبر الغشاء بسرعة أكبر من النظائر الثقيلة.
الخطوة 3. كرر عملية الانتشار حتى يصبح هناك ما يكفي 235جمعت يو.
الانتشار المتكرر يسمى طبقية. يمكن أن يستغرق الأمر ما يصل إلى 1400 ترشيح عبر غشاء مسامي للحصول على الكمية الكافية 235ش لتخصيب اليورانيوم جيدا.
الخطوة 4. تكثيف غاز UF6 في شكل سائل.
بمجرد أن يتم تخصيب الغاز بشكل كافٍ ، يتم تكثيف الغاز في سائل ، ثم تخزينه في حاوية ، حيث يبرد ويتصلب ليتم نقله وتحويله إلى حبيبات وقود.
نظرًا للكمية الكبيرة من التصفية المطلوبة ، فإن هذه العملية تستهلك طاقة كبيرة لذا يتم إيقافها. في الولايات المتحدة ، لم يتبق سوى مصنع واحد لتخصيب انتشار الغاز ، يقع في بادوكا بولاية كنتاكي
طريقة 3 من 7: عملية الطرد المركزي الغازي
الخطوة 1. قم بتركيب عدد من الأسطوانات الدوارة عالية السرعة
هذه الاسطوانة هي جهاز طرد مركزي. يتم تركيب جهاز الطرد المركزي على التوالي أو على التوازي.
الخطوة 2. تدفق غاز UF6 في الدوار.
يستخدم جهاز الطرد المركزي تسارع الجاذبية لتوصيل الغاز المحتوي 238أثقل U على جدار الاسطوانة وتحتوي على الغاز 235أخف وزنا على مركز الاسطوانة.
الخطوة 3. استخرج الغازات المنفصلة
الخطوة 4. إعادة معالجة الغازين المنفصلين في جهازي طرد مركزي منفصلين
غاز غني 235تم إرسال U إلى جهاز طرد مركزي حيث 235لا يزال U أكثر استخلاصًا ، بينما يحتوي الغاز على 235يتم تغذية U المختزل في جهاز طرد مركزي آخر لاستخلاصه 235ما تبقى من U. هذا يسمح للطرد المركزي لاستخراج المزيد 235U مما يمكن استخراجه بواسطة عملية نشر الغاز.
تم تطوير عملية الطرد المركزي للغاز لأول مرة في الأربعينيات ، ولكن لم يتم استخدامها بشكل كبير حتى الستينيات ، عندما أصبحت قدرتها على تنفيذ عمليات تخصيب اليورانيوم منخفضة الطاقة مهمة. حاليًا ، توجد محطة معالجة أجهزة الطرد المركزي للغاز في الولايات المتحدة في يونيس ، نيو مكسيكو. في المقابل ، تمتلك روسيا حاليًا أربعة مصانع من هذا النوع ، ولدى اليابان والصين مصنعان لكل منهما ، بينما تمتلك كل من المملكة المتحدة وهولندا وألمانيا مصنعًا واحدًا
طريقة 4 من 7: عملية الفصل الديناميكي الهوائي
الخطوة 1. قم بإنشاء سلسلة من الأسطوانات الضيقة والثابتة
الخطوة 2. حقن غاز UF6 في الاسطوانة بسرعة عالية.
يتم إطلاق الغاز في الأسطوانة بطريقة تجعل الغاز يدور مثل الإعصار ، مما ينتج عنه نوع من الفصل 235يو و 238نفس U كما هو الحال في عملية الطرد المركزي الدوارة.
إحدى الطرق التي تم تطويرها في جنوب إفريقيا هي حقن الغاز في أسطوانات جنبًا إلى جنب. يتم اختبار هذه الطريقة حاليًا باستخدام نظائر أخف مثل تلك الموجودة في السيليكون
طريقة 5 من 7: عملية الانتشار الحراري السائل
الخطوة 1. غاز UF السائل6 تحت الضغط.
الخطوة 2. اصنع زوجًا من أنابيب التركيز
يجب أن يكون الأنبوب مرتفعًا بدرجة كافية ، لأن الأنبوب الأطول يسمح بفصل النظائر بشكل أكبر 235يو و 238يو.
الخطوة 3. قم بتغطية الأنبوب بطبقة من الماء
سيؤدي ذلك إلى تبريد الجزء الخارجي من الأنبوب.
الخطوة 4. ضخ UF6 سائل بين الأنابيب.
الخطوة 5. تسخين الأنبوب الداخلي بالبخار
سوف تسبب الحرارة تيارات الحمل الحراري في UF6 التي ستجذب النظير 235الأخف وزنا U نحو الأنبوب الداخلي الأكثر سخونة ويدفع النظير 238الأثقل في اتجاه الأنبوب الخارجي الأكثر برودة.
تم البحث عن هذه العملية في عام 1940 كجزء من مشروع مانهاتن ، ولكن تم التخلي عنها في مرحلة مبكرة من التطوير عندما تم تطوير عمليات انتشار الغاز الأكثر كفاءة
طريقة 6 من 7: عملية فصل النظائر الكهرومغناطيسية
الخطوة 1. تأين غاز UF6.
الخطوة 2. قم بتمرير الغاز من خلال مجال مغناطيسي قوي
الخطوة 3. افصل بين نظائر اليورانيوم المتأين بناءً على الآثار المتبقية أثناء مرورها عبر المجال المغناطيسي
أيون 235يترك U أثرًا بقوس مختلف عن الأيون 238U. يمكن عزل الأيونات لتخصيب اليورانيوم.
استُخدمت هذه الطريقة لمعالجة اليورانيوم للقنبلة الذرية التي أُلقيت على هيروشيما عام 1945 وهي أيضًا طريقة التخصيب التي استخدمها العراق في برنامج أسلحته النووية عام 1992. وتتطلب هذه الطريقة طاقة تزيد بمقدار 10 أضعاف عن الانتشار الغازي ، مما يجعلها غير عملية للبرنامج. - التخصيب على نطاق واسع
الطريقة 7 من 7: عملية فصل النظائر بالليزر
الخطوة 1. اضبط الليزر على لون معين
يجب أن يكون شعاع الليزر بطول موجة معين (أحادي اللون). سيستهدف هذا الطول الموجي الذرات فقط 235ش ، ودع الذرة 238لا تتأثر ش.
الخطوة الثانية: قم بتسليط شعاع ليزر على اليورانيوم
على عكس عمليات تخصيب اليورانيوم الأخرى ، لا يتعين عليك استخدام غاز سادس فلوريد اليورانيوم ، على الرغم من أن معظم عمليات الليزر تفعل ذلك. يمكنك أيضًا استخدام اليورانيوم وسبائك الحديد كمصدر لليورانيوم ، والذي يتم استخدامه في عملية فصل نظائر الليزر بالبخار الذري (AVLIS).
الخطوة الثالثة: استخلاص ذرات اليورانيوم بالإلكترونات المثارة
سيكون ذرة 235يو.
نصائح
تقوم بعض الدول بإعادة معالجة الوقود النووي المستهلك لاستعادة اليورانيوم والبلوتونيوم الذي تشكل أثناء عملية الانشطار. يجب إزالة اليورانيوم المعاد معالجته من النظير 232يو و 236يتكون U أثناء الانشطار ، وإذا تم تخصيبه ، فيجب تخصيبه بدرجة أعلى من اليورانيوم "الطازج" بسبب 236يمتص U النيوترونات وبالتالي يمنع عملية الانشطار. لذلك ، يجب تخزين اليورانيوم المعاد معالجته بشكل منفصل عن اليورانيوم المخصب حديثًا لأول مرة.
تحذير
- يصدر اليورانيوم نشاطًا إشعاعيًا ضعيفًا فقط ؛ ومع ذلك ، عند معالجتها في غاز UF6، تصبح مادة كيميائية سامة تتفاعل مع الماء لتكوين حمض الهيدروفلوريك أكال. (يُطلق على هذا الحمض عمومًا اسم "حمض النقش" لأنه يستخدم في حفر الزجاج.) لذلك ، تتطلب مصانع تخصيب اليورانيوم نفس الإجراءات الوقائية مثل المصانع الكيماوية التي تعمل بالفلور ، والتي تشمل إبقاء غاز UF بعيدًا.6 ابق تحت ضغط منخفض معظم الوقت واستخدم مستوى إضافيًا من الاحتواء في المناطق التي تتطلب ضغطًا مرتفعًا.
- يجب تخزين اليورانيوم المعاد معالجته في عبوات سميكة ، لأن 232يتحلل حرف U الموجود فيه إلى عناصر تنبعث منها أشعة جاما القوية.
- عادة لا يمكن إعادة معالجة اليورانيوم المخصب إلا مرة واحدة.
