تخصيب اليورانيوم هي واحدة من الخطوات الرئيسية في صنع الأسلحة النووية. فقط نوع معين من اليورانيوم يعمل في المفاعلات النووية والقنابل.
يتطلب فصل هذا النوع من اليورانيوم عن مجموعة متنوعة على نطاق واسع مهارة هندسية كبيرة ، على الرغم من أن التكنولوجيا اللازمة لذلك كانت موجودة منذ عقود. المهمة ليست معرفة كيفية فصل اليورانيوم ، ولكن بناء وتشغيل المعدات اللازمة لإكمال هذه المهمة.
ذرات اليورانيوم ، مثل ذرات العناصر الموجودة في الطبيعة في مجموعة متنوعة ، تسمى النظائر. (يشتمل كل نظير على عدد مختلف من النيوترونات في نويته.) يورانيوم - 235 ، وهو نظير يمثل أقل من 1 في المائة من إجمالي اليورانيوم الطبيعي ، يوفر الوقود للمفاعلات النووية والقنابل النووية ، بينما يشتمل اليورانيوم 238 ، وهو نظير يمثل 99 في المائة اليورانيوم الطبيعي ، لا يوجد لديه استخدام نووي.
درجة تخصيب اليورانيوم
يشير تفاعل السلسلة النووية إلى أن نيوترون واحد على الأقل من انحلال ذرة اليورانيوم سوف يتم التقاطه بواسطة ذرة أخرى ، وبالتالي سوف يتسبب في تحللها. في التقريب الأول ، هذا يعني أن النيوترون يجب أن "يتعثر" على ذرة 235 U قبل مغادرة المفاعل. هذا يعني أن التصميم مع اليورانيوم يجب أن يكون مضغوطًا بدرجة كافية بحيث يكون احتمال العثور على ذرة اليورانيوم التالي للنيوترون مرتفعًا بدرجة كافية. ولكن مع تشغيل مفاعل 235 يو ، فإنه ينفجر تدريجياً ، مما يقلل من احتمال أن يجتمع نيوترون لذرة 235 يو ، مما يجبرهم على وضع هامش معين من هذا الاحتمال في المفاعلات. تبعا لذلك ، فإن النسبة المنخفضة من 235 U في الوقود النووي تستلزم:
- حجم مفاعل أكبر بحيث يكون النيوترون فيه أطول
- يجب أن يشغل الوقود نسبة أكبر من حجم المفاعل من أجل زيادة احتمال تصادم النيوترون وذرة اليورانيوم ،
- في كثير من الأحيان ، يلزم إعادة شحن الوقود إلى مكان جديد من أجل الحفاظ على الكثافة الظاهرية المحددة التي تبلغ 235 يو في المفاعل ،
- نسبة عالية من قيمة 235 يو في الوقود المستهلك.
في عملية تحسين التكنولوجيا النووية ، تم العثور على الحلول المثلى من الناحية الاقتصادية والتكنولوجية التي تتطلب زيادة في محتوى 235 U في الوقود ، أي تخصيب اليورانيوم.
في الأسلحة النووية ، تكون مهمة التخصيب هي نفسها تقريباً: من الضروري أن يجد العدد الأقصى من 235 ذرة في U في وقت قصير جداً للانفجار النووي طاقة نيوترونية وتحلل وإطلاق طاقة. لهذا الغرض ، مطلوب أقصى كثافة ممكنة من الذرات 235 U ، والتي يمكن تحقيقها مع الإثراء النهائي.
درجات تخصيب اليورانيوم [عدل |مفتاح الانفصال
مفتاح فصلهما هو أن ذرات اليورانيوم 235 تزن أقل بقليل من ذرات اليورانيوم 238.
من أجل فصل الكمية الدقيقة من اليورانيوم -235 الموجودة في كل عينة طبيعية من خام اليورانيوم ، يقوم المهندسون أولاً بتحويل اليورانيوم إلى غاز باستخدام تفاعل كيميائي.
ثم يتم إدخال الغاز في أنبوب الطرد المركزي في شكل أسطواني حجم الشخص أو أكثر. يدور كل أنبوب على محوره بسرعات عالية بشكل لا يصدق ، حيث يسحب جزيئات غاز اليورانيوم 238 الأثقل إلى مركز الأنبوب ، تاركًا جزيئات غاز اليورانيوم -235 الأخف وزناً بالقرب من حواف الأنبوب حيث يمكن إزالته.
في كل مرة يتم فيها تدوير الغاز في جهاز طرد مركزي ، تتم إزالة كمية صغيرة فقط من غاز اليورانيوم 238 من الخليط ، لذلك يتم استخدام الأنابيب في سلسلة. يسحب كل جهاز طرد مركزي كمية قليلة من اليورانيوم 238 ، ثم ينقل خليط الغاز المنقى قليلاً إلى الأنبوب التالي ، إلخ.
تحويل غاز اليورانيوم
بعد الفصل بين اليورانيوم الغازي 235 في عدة مراحل من أجهزة الطرد المركزي ، يستخدم المهندسون تفاعلًا كيميائيًا مختلفًا لتحويل غاز اليورانيوم إلى المعدن الصلب. يمكن بعد ذلك تشكيل هذا المعدن للاستخدام في المفاعلات أو القنابل.
نظرًا لأن كل خطوة تنظف فقط خليط غاز اليورانيوم بكمية صغيرة ، لا يمكن للدول تحمل سوى تشغيل أجهزة الطرد المركزي المصممة لأعلى مستوى من الكفاءة. خلاف ذلك ، فإن إنتاج كمية صغيرة من اليورانيوم النقي - 235 يصبح باهظ التكلفة.
ويتطلب تصميم وتصنيع أنابيب الطرد المركزي هذه مستوى معينًا من الاستثمار والدراية الفنية بعيدًا عن متناول العديد من البلدان. تتطلب الأنابيب أنواعًا خاصة من الفولاذ أو المخاليط التي تتحمل ضغطًا كبيرًا أثناء الدوران ، ويجب أن تكون أسطوانية تمامًا وتصنعها آلات متخصصة يصعب بناؤها.
إليك مثال على قنبلة أسقطتها الولايات المتحدة على هيروشيما. يستغرق صنع 62 قنبلة من اليورانيوم -235 ، وفقًا لـ "بناء قنبلة ذرية" (سايمون وشوستر ، 1995).
حدث فصل 62 كيلوغراما من قرابة 4 أطنان من خام اليورانيوم في أكبر مبنى في العالم واستخدم 10 في المائة من الكهرباء في البلاد. "استغرق بناء 20.000 شخص المنشأة ، و 12000 شخص قاموا بتشغيل المرفق ، وفي عام 1944 كلفته تجهيزًا بأكثر من 500 مليون دولار." هذا هو حوالي 7.2 مليار دولار في عام 2018.
لماذا اليورانيوم المخصب رهيب جدا؟
يعتبر اليورانيوم أو البلوتونيوم المستخدم في صنع الأسلحة خطيرًا في شكله النقي لسبب واحد بسيط: من بينها ، مع وجود قاعدة تقنية معينة ، يمكن تصنيع جهاز نووي متفجر.
يوضح الشكل تمثيلًا تخطيطيًا لرأس حربي نووي بسيط. توجد قضبان الوقود النووي 1 و 2 داخل القشرة. كل واحد منهم هو أحد أجزاء الكرة بالكامل ويزن أقل قليلاً من الكتلة الحرجة لمعدن الأسلحة المستخدم في القنبلة.
عندما يتم تفجير شحنة تفجير مادة تي إن تي ، يتم دمج سبائك اليورانيوم 1 و 2 في كتلة واحدة ، وبالتأكيد يتجاوز مجموع كتلتها الكتلة الحرجة لهذه المادة ، مما يؤدي إلى تفاعل تسلسلي نووي ، وبالتالي إلى انفجار ذري.
لا يبدو شيئًا معقدًا ، لكن هذا في الواقع ليس كذلك. خلاف ذلك ، سيكون هناك ترتيب أكبر من الدول التي لديها أسلحة نووية على هذا الكوكب. علاوة على ذلك ، فإن خطر وقوع مثل هذه التقنيات الخطرة في أيدي الجماعات الإرهابية القوية والمتطورة بما فيه الكفاية سيزداد بدرجة كبيرة.
الحيلة هي أن القوى الغنية جدا ذات البنية التحتية العلمية المتقدمة هي فقط القادرة على تخصيب اليورانيوم ، حتى مع التطور الحالي للتكنولوجيا. والأكثر صعوبة ، والتي بدونها لن يعمل الجهاز الذري ، فصل نظائر اليورانيوم 235 و 238.
مناجم اليورانيوم: الحقيقة والخيال
في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية ، على مستوى الفلسطينيين ، كانت هناك فرضية مفادها أن المجرمين المحكوم عليهم يعملون في مناجم اليورانيوم ، مما يفسد ذنبهم أمام الحزب والشعب السوفيتي. هذا ، بالطبع ، ليس صحيحا.
يعد تعدين اليورانيوم صناعة تعدين عالية التقنية ، ومن غير المرجح أن يكون أي شخص قد اعترف بالعمل مع معدات متطورة وباهظة الثمن والقتلة المتأخرين مع اللصوص. علاوة على ذلك ، فإن الشائعات التي تشير إلى أن عمال مناجم اليورانيوم يرتدون بالضرورة قناعًا للغاز وملابس داخلية من الرصاص ليست أكثر من مجرد أسطورة.
يتم استخراج اليورانيوم في مناجم يصل عمقها في بعض الأحيان إلى كيلومتر واحد. توجد أكبر احتياطيات هذا العنصر في كندا وروسيا وكازاخستان وأستراليا. في روسيا ، ينتج طن واحد من المعدن حوالي كيلوغرام ونصف من اليورانيوم في المتوسط. هذا هو بأي حال أكبر مؤشر. في بعض المناجم الأوروبية ، يصل هذا الرقم إلى 22 كجم لكل طن.
خلفية الإشعاع في المنجم هي نفسها كما هي على حدود طبقة الستراتوسفير ، حيث يتم ترقيع طائرات الركاب المدنية.
خام اليورانيوم
يبدأ تخصيب اليورانيوم مباشرة بعد التعدين ، بالقرب من المنجم مباشرة. بالإضافة إلى المعادن ، مثل أي خام آخر ، فإن اليورانيوم يحتوي على نفايات صخرية. تنطلق المرحلة الأولى من التخصيب لفرز الأحجار المرصوفة من المنجم: تلك الغنية باليورانيوم والفقيرة. حرفياً ، يتم وزن كل قطعة ، ويتم قياسها بواسطة الآلات ، ووفقًا للخصائص ، يتم إرسالها إلى دفق معين.
ثم تدخل الطاحونة في الطحن ، وتُطحن الخامات الغنية باليورانيوم إلى مسحوق ناعم. ومع ذلك ، هذا ليس اليورانيوم ، ولكن فقط أكسيدها. الحصول على المعدن النقي هو السلسلة الأكثر تعقيدًا من التفاعلات والتحولات الكيميائية.
ومع ذلك ، لا يكفي فقط عزل المعدن النقي عن المركبات الكيميائية البادئة. من إجمالي اليورانيوم الموجود في الطبيعة ، يشغل النظير 238٪ 99 ، والنظيره 235 أقل من واحد بالمائة. الفصل بينهما مهمة صعبة للغاية ، لا يمكن لكل بلد حلها.
طريقة نشر غاز التخصيب
هذه هي الطريقة الأولى التي يتم بها تخصيب اليورانيوم. لا يزال يستخدم في الولايات المتحدة وفرنسا. بناءً على الاختلاف في كثافة نظائر 235 و 238. يتم ضخ غاز اليورانيوم المنطلق من أكسيد تحت ضغط عالٍ في غرفة مفصولة بغشاء. ذرات 235 من النظير أخف ، وبالتالي ، من الجزء المستلم من الحرارة ، فإنها تتحرك بشكل أسرع من ذرات اليورانيوم "البطيء" 238 ، على التوالي ، في كثير من الأحيان وأكثر كثافة تغلب على الغشاء. وفقًا لقوانين نظرية الاحتمالات ، من المرجح أن تدخل في أحد micropores وتكون على الجانب الآخر من هذا الغشاء.
فعالية هذه الطريقة صغيرة ، لأن الفرق بين النظائر صغير جدًا. ولكن كيف نجعل اليورانيوم المخصب مناسبًا للاستخدام؟ الجواب هو تطبيق هذه الطريقة عدة مرات. من أجل الحصول على يورانيوم مناسب لصنع الوقود من مفاعل في محطة توليد الكهرباء ، يتم تكرار نظام معالجة انتشار الغازات عدة مئات من المرات.
آراء الخبراء حول هذه الطريقة مختلطة. من ناحية ، فإن طريقة فصل انتشار الغاز هي الأولى من نوعها التي تزود الولايات المتحدة باليورانيوم عالي الجودة ، مما يجعلها رائدة مؤقتًا في المجال العسكري. من ناحية أخرى ، يعتقد أن انتشار الغاز ينتج عنه نفايات أقل. الشيء الوحيد الذي فشل في هذه الحالة هو ارتفاع سعر المنتج النهائي.
طريقة الطرد المركزي
هذا هو تطور المهندسين السوفيت. في الوقت الحاضر ، بالإضافة إلى روسيا ، هناك عدد من الدول حيث يتم تخصيب اليورانيوم بالطريقة المكتشفة في الاتحاد السوفيتي. هذه هي البرازيل وبريطانيا العظمى وألمانيا واليابان وبعض الدول الأخرى. تشبه هذه الطريقة تقنية نشر الغاز حيث تستخدم فرق الكتلة بين 235 و 238 نظيرًا.
يدور غاز اليورانيوم في جهاز طرد مركزي إلى 1500 دورة في الدقيقة. بسبب كثافات مختلفة ، تتأثر النظائر بقوى الطرد المركزي من مختلف الأحجام. يتراكم اليورانيوم 238 ، أثقل ، بالقرب من جدران أجهزة الطرد المركزي ، في حين أن النظير 235 يجمع أقرب إلى المركز. يتم ضخ خليط الغاز إلى أعلى الأسطوانة. بعد مرور الطريق إلى أسفل أجهزة الطرد المركزي ، يكون للنظائر الوقت الكافي للفصل جزئيًا ويتم تحديدها بشكل منفصل.
على الرغم من أن الطريقة لا توفر أيضًا فصل النظائر بنسبة 100٪ ، ولتحقيق الدرجة اللازمة من التخصيب ، يجب استخدامها مرارًا وتكرارًا ، فهي أكثر كفاءة من الناحية الاقتصادية من انتشار الغاز. وبالتالي ، فإن اليورانيوم المخصب في روسيا باستخدام تقنية الطرد المركزي أرخص بنحو ثلاثة أضعاف من الحصول على الأغشية الأمريكية.
تطبيق اليورانيوم المخصب
لماذا كل هذا الشريط الأحمر معقدة ومكلفة مع تنقية ، وفصل المعادن عن الأكاسيد ، وفصل النظائر؟ غسالة واحدة من اليورانيوم المخصب 235 ، من تلك المستخدمة في الطاقة النووية (من هذه "حبوب منع الحمل" هي قضبان مجمعة - قضبان الوقود) ، وزنها 7 غرام يستبدل حوالي ثلاثة برميل 200 لتر من البنزين أو حوالي طن من الفحم.
يتم استخدام اليورانيوم المخصب والمستنفد بشكل مختلف حسب درجة نقاء ونسبة 235 و 238 نظيرًا.
النظير 235 هو وقود أكثر كثافة في استخدام الطاقة يعتبر اليورانيوم المخصب عندما يكون محتوى 235 نظيرًا أكثر من 20٪. هذا هو أساس الأسلحة النووية.
كما تستخدم المواد الخام المخصبة للطاقة المشبعة كوقود للمفاعلات النووية في الغواصات والمركبات الفضائية بسبب محدودية الكتلة والحجم.
اليورانيوم المستنفد ، الذي يحتوي على 238 نظيرًا ، هو وقود للمفاعلات النووية الثابتة المدنية. تعتبر مفاعلات اليورانيوم الطبيعية أقل انفجارًا.
بالمناسبة ، وفقًا لحسابات الاقتصاديين الروس ، مع الحفاظ على معدل الإنتاج الحالي البالغ 92 عنصرًا في الجدول الدوري ، فإن احتياطياتها في المناجم المستكشفة حول العالم ستستنفد بالفعل بحلول عام 2030. لهذا السبب يتطلع العلماء إلى الاندماج كمصدر للطاقة الرخيصة والميسورة التكلفة في المستقبل.
