اليورانيوم

موضوع: اليورانيوم الأربعاء فبراير 17, 2010 4:42 pm

اليورانيوم

ما هو اليورانيوم؟اليورانيوم فلز مشع أبيض فضي اللون، رمزه الكيميائي U. وهو مصدر الطاقة المستخدمة في توليد الطاقة الكهربائية في كل محطات القدرة النوويةالتجارية الكبيرة. فبإمكان قطعة من اليورانيوم في حجم كرة المضرب إطلاق كمية منالطاقة تساوي كمية الطاقة التي تطلقها حمولة من الفحم الحجري يبلغ وزنها ثلاثةملايين ضعف وزن قطعة اليورانيوم. وينتج اليورانيوم أيضًا الانفجاريات الهائلة لبعضالأسلحة النوويةما هو النظير؟هناك رقمين مميزين لكل ذرة الرقمالأول يكتب أسفل يمين رمز الذرة وهو العدد الذري (عدد البروتونات أو الإلكترونات) والثاني يكتب أعلى يمين رمز الذرة ويُسمى الوزن الذري وهو مجموع عدد البروتوناتوالنيوترونات في الذرة، يحدد العدد الذري نوع عنصر الذرة مثلا: الذهب لديه رمز ذري (عدد إلكترونات = 97) واليورانيوم = 92 ... وهذا الرقم إذا تغير يعني أن العنصرتغير أي أن اليورانيوم إذا أزلنا منه إلكترونا واحدا فسيصبح عنصرا آخر (مادة أخرى). أما وزن الذري فإذا تغير فإن العنصر لا يتغير حيث يبقى هو نفسه اليورانيوم لكن بعضخصائصه تتغير وعدة ذرات تحمل نفس العدد الذري ولديها وزن ذري مختلف تسمىالنظائر.

يتكون اليورانيوم من ثلاثة نظائر هي:
- اليورانيوم 238بنسبة 99.28
- اليورانيوم 235 بنسبة 0.71
- اليورانيوم 234 بالنسبةالباقية.

وعملية التخصيب بشكل مبسط هي: زيادة نسبة النظير 235 فياليورانيوم لكي تصل إلى نسبة معينة حتى يتم استخدام اليورانيوم. وكمثال فإنه إذازدنا نسبة النظير 235 إلى ما بين 3 بالمئة و5 بالمئة فإنه يُمكننا تشغيل مفاعل نوويلإنتاج الطاقة، بينما إذا زدناها إلى ما بين 20 بالمئة و90 بالمئة فإنه يُمكنناصناعة سلاح نووي.

يتم قذف اليورانيوم بالنيوترونات داخل مفاعل نوويمعتمد على استخدام الماء، الأمر الذي يولد طاقة هائلة. ولكن هناك مشكلة بسيطة تعترضحدوث هذا بالبساطة التي يبدو عليها وهو أن اليورانيوم يحتوي على النظير 238 بنسبة 99.3 وهذا النظير غير قابل للانشطار على عكس اليورانيوم 235 القابل للانشطار،وبالتالي يجب أن يتم زيادة النظير 235 إلى حد معين في اليورانيوم الطبيعي لكي يتمشطره، وتوليد الطاقة الهائلة التي تختزنها ذرات اليورانيوم، ونشير مجدد إلى أنعملية زيادة نسبة اليورانيوم 235 في اليورانيوم الطبيعي هي ما يُطلق عليه مصطلح "تخصيب اليورانيوم".

عملية التخصيب اليورانيوم؟اليورانيوم238 أثقلمن اليورانيوم235 بنسبة بسيطة تبلغ 0.85%، وهذا الفرق البسيط في الكتلة هو الذييستخدم لفصل النظيرين عن بعضهما. وتتعدد طرق الفصل بينهما ولكن طريقة الفصل بالطردالمركزي هي الأكثر انتشارا وذلك لكلفته القليلة مقارنة بغيرها من الطرق، وأساسا ليسهناك سوى ثلاثة طرق لتخصيب اليورانيوم:

○الطرد المركزيتستخدم هذهالطريقة في عدد من المحطات في أوروبا واليابان، وفي هذه الطريقة يأخذ التخصيببالطرد المركزي عدة خطوات، أولها يحّول خلالها اليورانيوم الطبيعي إلى غاز في شكل "اليورانيوم سداسي الفلور"؛ ولأن فرق الكتلة بين جزيئات غاز النظيرين بسيط، يتمتخصيب اليورانيوم في خطوات متتالية، في كل خطوة يتم زيادة نسبة اليورانيوم235 حتىالوصول للنسبة المطلوبة.

يتكون جهاز الطرد المركزي في هذه الطريقة منأسطوانات عمودية ذات حركة دوامية سريعة. ويضخ غاز سادس فلوريد اليورانيوم في كلأسطوانة عبر أنبوبة عمودية ثابتة داخل كل أسطوانة. وتجبر الحركة الدوّاميةللأسطوانة كل الغاز الخارجي تقريبًا في اتجاه الجدران المنحنية. وبالإضافة إلى ذلك،تساعد مغرفة متصلة بقاعدة الأنبوبة الثابتة في انسياب الغاز عموديًا، كما تساهمالفروق في درجات الحرارة داخل الأسطوانة في إحداث هذا الانسيابالعمودي.

بسبب هذه التأثيرات ـ الحركة الدوّامية للأسطوانة وحركةالمغرفة وفروق درجات الحرارة ـ ينساب الغاز بنمط معقد، ويصبح الغاز القريب من قاعدةالأسطوانة مركزًا باليورانيوم 238 أكثر من الغاز العلوي. وتزيل المغرفة السفليةالنفايات الغازية، التي تحتوي على تركيزات أعلى نسبيًا من اليورانيوم 238، بينماتزيل المغرفة العلوية الغاز المخصب الذي يحتوي على اليورانيوم 235 بتركيز أعلى. وتتكرر العملية حتى يتم الحصول على التركيز المطلوب من اليورانيوم 235.

○الانتشار الغازيطريقة الانتشار الغازي. تستخدم هذه الطريقة في الولاياتالمتحدة. وفي هذه الطريقة تضخ جزيئات سادس فلوريد اليورانيوم خلال حواجز تحتوي علىملايين الثقوب الدقيقة.

تمر جزيئات الغاز الخفيفة عبر ثقوب الحواجز أسرع منالجزيئات الثقيلة. وتحتوي الجزيئات الخفيفة على ذرات اليورانيوم 235، ولذلك يحتويالغاز الذي يمر عبر الحاجز على نسبة من اليورانيوم 235 أعلى من الغاز الأصلي. ونظرًا لأن هذه الزيادة طفيفة جدًا فإن الغاز يجب أن يمر عبر الحاجز عدة آلاف مرةلإنتاج اليورانيوم المخصب الذي يراد استخدامه في محطات القدرة النووية.

○الفصل بالليزرهذه الطريقة مازلت في الطور التجريب والاختبار، وفيهاتُستخدم توليفة من ضوء الليزر وشحنة كهربائية لفصل نظائر اليورانيوم. والليزر نبطيةتنتج حزمة رفيعة من الضوء ذات مدى ترددي ضيق جدًا (تردد الضوء هو معدل اهتزاز موجاتالضوء).

طريقة فصل النظائر بالليزر تسمى طريقة البخار الذري تسخِّن حزمة منالإلكترونات قطعة من اليورانيوم عند قاعدة حاوية مغلقة، محولة اليورانيوم إلى بخار (غاز)،ثم يُخترق الغاز بنبضات من حزمة ليزرية. ويوالف تردد الحزمة بحيث تستطيعالإلكترونات في ذرات اليورانيوم 235 امتصاص الضوء، ولا تستطيع إلكترونات ذراتاليورانيوم 238 ذلك.

عندما يمتص إلكترون اليورانيوم 235 هذا الضوء يحصل علىطاقة تكفيه لترك الذرة. وتغير هذه العملية التوازن الكهربائي للذرة. فالإلكترونيحمل شحنة كهربائية سالبة، بينما تحمل النواة شحنة كهربائية موجبة واحدة أو أكثر. وفي الذرة العادية يكون عدد الشحنات الموجبة مساويًا لعدد الشحنات السالبة. ولذلكتكتسب الذرة شحنة موجبة عندما يتركها إلكترون. ويقول العلماء عن هذه الحالة إنالذرة تحولت إلى أيون موجب. وهكذا يؤيِّن ضوء الليزر ذرات اليورانيوم 235، ولايؤيِّن ذرات اليورانيوم 238.

عند صعود البخار الساخن إلى أعلى تجذب ألواحتجميع سالبة الشحنة في قمة الحاوية أيونات اليورانيوم 235 الموجبة. ولأن ألواحالتجميع أبرد من الغاز فإن اليورانيوم 235 يتكثف عليه (يتحول من غاز إلى سائل). ويتقطر اليورانيوم 235 من ألواح التجميع إلى حاويات خاصة، مكونًا كتلة صلبة. ثمتجمع الكتل الصلبة وتنقى وتؤكسد لاستخدامها وقودًا نوويًا. وفي نفس الأثناء ينتقلاليورانيوم 238، المتعادل كهربائيًا، عبر الألواح المشحونة، ثم يتكثف فوق لوحةنفايات قرب قمة الحاوية.

في إحدى التقنيات الليزرية تسخن وحدة كهربائية قطعةمن اليورانيوم منتجة بخارًا. وتعمل حزمتان ليزريتان معًا لتأيين ذرات اليورانيوم 235 في البخار، ثم تجمع لوحة موجبة الشحنة أيونات اليورانيوم 235، تاركة بخار ذراتاليورانيوم 238 تخرج عبر فتحة في قمة الحاوية.

تستهلك طريقة فصل النظائربالليزر طاقة كهربائية أقل بكثير من الطاقة التي تستهلكها طريقة الانتشار الغازي،كما أن تكلفة معدات طريقة الفصل بالليزر أقل بكثير من تكلفة معدات طريقة الطردالمركزي. ولذلك تجري الشركات المدعومة حكوميًا في فرنسا واليابان والولايات المتحدةالتجارب لاستخدام طريقة فصل النظائر بالليزر.

معلوماتإضافية:

- يستخدم يورانيوم235 المخصب في صناعة وقود المفاعل النوويلإنتاج الطاقة. والمعتمد على مبدأ الانشطار النووي، فبانشطار نواة الذرة تنطلق طاقةحرارية هائلة. وبالنسبة لذرات اليورانيوم فبإطلاق النيوترونات عليها يحدث الانشطارالنووي لذراتها، وبانشطار بعض الذرات تطلق بدورها النيوترونات، واصطدام هذهالنيوترونات مع ذرات أخرى يسبب انشطارها فيتم تحرير المزيد من النيوترونات، وهكذايستمر رد الفعل المتسلسل مسببا لتوليد كمية هائلة من الطاقة الحرارية. ويتم التحكمبمعدل الانشطار النووي في المفاعل باستخدام قضبان تحكم من مادة الكادميوم التي تقومبامتصاص بعض النيوترونات المتحررة؛ فهي تسمح بتنظيم الانشطار النووي والتحكم الآمنبه. كما يتم استخدام نظام تبريد مائي للتخلص من الحرارة المفرطة التي تنتج في أثناءالعملية، ويستخدم البخار الذي يتم توليده لتدوير المحركات الضخمة التي تولد الطاقةالكهربائية. وبذلك فلإنتاج 133 ميجا وات يحتاج المفاعل إلى 25 طنا من اليورانيومالمخصب تنتج من 210 أطنان يورانيوم طبيعي.

- يوجد حاليا 443 مفاعلانوويا سلميا على مستوى العالم و24 آخرون قيد الإنشاء. حيث تزود الطاقة النووية دولالعالم بأكثر من 16% من الطاقة الكهربائية، ملبية على سبيل المثال ما يقرب من 35% من احتياجات دول الاتحاد الأوربي. ففرنسا وحدها تحصل على 77% من طاقتها الكهربائيةمن المفاعلات النووية.

- تم تخصيب اليورانيوم لأول مرة في الولاياتالمتحدة بعد الحرب العالمية الثانية، حيث تم بناء 3 من المفاعلات النووية في ولايات «تينيسي» و «أوهايو» و«كنتاك»، وكانت الطريقة المستعملة عبارة عن ضخ كميات كبيرة مناليورانيوم على شكل غاز يورانيوم هيكسافلوريد uranium hexafluoride إلى حواجز ضخمةتحوي ملايين الثقوب الصغيرة جدا، وبهذه الطريقة يتم انتشار اليورانيوم-235 (وهوالجزء المطلوب) بسرعة أكبر ونسبة إلى اليورانيوم-238 (وهو الجزء غير المرغوب فيهلكونه أثقل)، وتم استغلال الفرق في سرعة الانتشار وجمع كميات هائلة مناليورانيوم-235، وتمتلك الولايات المتحدة يورانيوما مخصبا من النوع العالي الخصوبةبنسبة 90%.

- يتزود العالم باحتياجه من اليورانيوم الخام من عددمحدود من الدول، وهي كندا والولايات المتحدة الأمريكية وجنوب إفريقيا وأسترالياونيجيريا؛ فهو عنصر نادر في الطبيعة، حيث يتواجد في القشرة الأرضية بنسبة 3 جراماتفقط في الطن، وفي ماء البحر بنسبة 3 ملليجرامات في الطن.

- تاريخاستخدام اليورانيوماستخدم الناس اليورانيوم ومركباته منذ حواليألفي عام تقريبًا. فقد احتوي زجاج ملون أنتج في حوالي عام 79م على أكسيداليورانيوم، وظل مصنعو الزجاج يستخدمون هذا المركب مادة ملونة حتى القرن التاسععشر. واستخدم اليورانيوم أيضًا مادة ملونة في طلاء أو تزجيج الخزف الصيني. وبالإضافة إلى ذلك استخدم اليورانيوم في معالجة الصورالفوتوغرافية.

اكتشف الكيميائي الألماني مارتن كلابروث اليورانيوم فيعام 1789م، حيث وجده في البتشبلند، وهو معدن داكن، أسود مزرق اللون. وقد سمىكلابروث اليورانيوم على اسم كوكب أورانوس، الذي كان قد اكتشف في عام 1781م. وفي عام 1841م فصل الكيميائي الفرنسي يوجين بليجو اليورانيوم النقي منالبتشبلند.

وفي عام 1896م، اكتشف الفيزيائي الفرنسي أنطوان هنري بكويريل أناليورانيوم مادة مشعة، وكان هذا الاكتشاف أول اكتشاف لعنصر مشع فيالتاريخ.

وفي عام 1935م، اكتشف الفيزيائي الكندي المولد آرثر دمبستراليورانيوم 235. واستخدم الكيميائيان الألمانيان أوتو هان وفرتز ستراسماناليورانيوم لإنتاج أول انشطار نووي اصطناعي في عام 1938م. وفي عام 1942م، أنتجالفيزيائي الإيطالي المولد إنريكو فيرمي ومساعدوه في جامعة شيكاغو أول تفاعل سلسلياصطناعي، مستخدمين اليورانيوم 235 مادة انشطارية. وقد قاد عمل فيرمي إلى تطويرالقنبلة الذرية، كما قادت الأبحاث العلمية إلى الاستخدامات السلميةلليورانيوم.

ومنذ أوائل سبعينيات القرن العشرين أصبحت محطات القدرةالنووية التي تستخدم اليورانيوم وقودًا من أهم مصادر الطاقة. وتوجد هذه المحطات في 30 دولة، يواصل عدد منها الآن بناء المزيد من المحطات. أما بقية الدول فقد أوقفتبناء المحطات الجديدة لأسباب عديدة منها القلق من تأثير هذه المحطات الجديدة علىالسلامة العامة، والنظم الحكومية المرتبطة بالسلامة، وارتفاع تكلفة وتشغيل المحطاتالجديدة مقارنة بتكلفة محطات القدرة التي تستخدم الطاقة الناتجة عن حرق الفحمالحجري والغاز الطبيعي.

- في ماذا يستخدماليورانيوم؟اليورانيوم هو ثاني أثقل عنصر موجود في الطبيعة بعدالبلوتونيوم. ويستغل المهندسون ثقل اليورانيوم في عدد من التطبيقات، حيث يستخدموناليورانيوم في البوصلات الدوارة في الطائرات، لحفظ توازن الجنيحات وغيرها من سطوحالتحكم في الطائرات والمركبات الفضائية، وللوقاية من الإشعاع باستخدام اليورانيومغطاء. واليورانيوم المستخدم في هذه التطبيقات ذو خاصية إشعاعية ضعيفة جدًا. ويستخدمالعلماء اليورانيوم أيضًا لتحديد أعمار الصخور والمياه الجوفية وترسبات الترافرتين (أحد أشكال الحجر الجيري) في المواقع الأثرية، وهذا طبعا بالإضافة لاستخدامه فيتوليد الحرارة لإنتاج الطاقة وكذلك صناعة الأسلحة النووية.

http://www.ankawa.com/forum/index.php/topic,379338.0.html