يورانيوم مخصب

(تم التحويل من تخصيب اليورانيوم)

اليورانيوم المخصب Enriched uranium هو نوع من اليورانيوم تـُرفـَع نسبة اليورانيوم-235 فيه من خلال عملية فصل النظائر. اليورانيوم الطبيعي (أو NU) هو 99.284% النظير 238U, ومعه 235U يشكل فقط نحو 0.711% من الوزن. إلا أن, 235U النظير الوحيد المتواجد في الطبيعة (بكمية يمكن تقديرها) الذي هو قابل للانشطار بواسطة نيوترونات حرارية.

نسب اليورانيوم-238 (أزرق) واليورانيوم-235 (أحمر) المتواجد طبيعياً مقابل الدرجات المخصبة بفصل النظيرين ذرة بذرة باستخدام وسائل مختلفة تتطلب جميعها استثمار ضخم في الوقت والمال.

اليورانيوم المخصب هو مكون أساسي لكل من توليد الطاقة النووية السلمي والأسلحة النووية العسكرية. الوكالة الدولية للطاقة الذرية تعمل على مراقبة والتحكم في المعروض من اليورانيوم المخصب وعملياته ضمن جهودها لضمان أمان توليد الطاقة النووية وللحد من انتشار الأسلحة النووية.


قنابل المواد المخصبة عبارة عن نوع من الأسلحة النووية ويعتبر تحديدا من نوع الأسلحة النووية الإنشطارية ويتم تصنيعها على الأغلب من تخصيب مادتي اليورانيوم-235 أو الپلوتونيوم-239 ويعتبر الحصول على هذه المواد المخصبة من اصعب الخطوات في بناء ترسانة نووية فعلى سبيل المثال خصصت الولايات المتحدة 90% من الميزانية الأجمالية لبدايات مشروعها النووي للحصول على اليورانيوم المخصب. ويعتقد أن الهند تمتلك هذا النوع من القنابل.

عملية التخصيب عبارة عن عزل نظائر عناصر كيميائية محددة Isotope separation من عنصر ما لغرض زيادة تركيز نظائر اخرى للحصول على مادة تعتبر مشبعة بالنظير المطلوب على سبيل المثال عزل نظائر معينة من اليورانيوم الطبيعي للحصول على اليورانيوم المخصب و اليورانيوم المنضب. وتتم عملية التخصيب على مراحل حيث يتم في كل مرحلة عزل كميات اكبر من النظائر الغير مرغوبة حيث يزداد العنصر تخصيبا بعد كل مرحلة لحد الوصول إلى نسبة النقاء المطلوبة.

على سبيل المثال اليورانيوم المخصب عبارة عن يورانيوم تمت زيادة نسبة نظائر اليورانيوم-235 فيه وازالة النظائر الأخرى. وعملية التخصيب هذه صعبة و مكلفة وتكمن الصعوبة ان النظائر الذي يراد ازالتها من اليورانيوم شبيهة جدا من ناحية الوزن للنظائر الذي يرغب بالابقاء عليها و تخصيبها ويتم عملية التخصيب باستخدام الحرارة عبر سائل او غاز لتساهم في عملية عزل النظائر الغير المرغوبة وهناك طرق اخرى اكثر تعقيدا كاستعمال الليزر أو الأشعة الكهرومغناطيسية.

وتبلغ نسبة اليورانيوم-235 الذي يراد تخصيبه من اجمالي ذرة اليورانيوم الطبيعي نسبة 0.7% فقط ولكن هذا الجزء هو المرغوب فيه لكونه أخف من ناحية الكتلة من الأجزاء الأخرى من اليورانيوم الطبيعي . الجزء المتبقي من اليورانيوم الطبيعي بعد استخلاص جزء اليورانيوم-235 يسمى اليورانيوم-238 . تم تخصيب اليورانيوم لأول مرة في الولايات المتحدة بعد الحرب العالمية الثانية حيث تم بناء 3 من المفاعلات النووية في ولايات تنسي واوهايو وكنتكي وكانت الطريقة المستعملة عبارة عن ضخ كميات كبيرة من اليورانيوم على شكل غاز سادس فلوريد اليورانيوم uranium hexafluoride إلى حواجز ضخمة تحوي على ملايين الثقوب الصغيرة جدا وبهذه الطريقة يتم انتشار اليورانيوم-235 (وهو الجزء المطلوب) بسرعة اكبر نسبة إلى اليورانيوم-238 (وهو الجزء الغير مرغوب فيه لكونه اثقل) وتم استغلال الفرق في سرعة الأنتشار وجمع كميات هائلة من اليورانيوم-235 وتمتلك الولايات المتحدة يورانيوم مخصب من النوع العالي الخصوبة بنسبة 90%.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

المستويات

هناك ثلاث مستويات من اليورانيوم المخصب:

  • اليورانيوم ذو الخصوبة العالية Highly enriched uranium وتحتوي على 20% من اليورانيوم-235
  • اليورانيوم ذو الخصوبة الواطئة Low-enriched uranium وتحتوي على اقل من 20% من اليورانيوم-235
  • اليورانيوم ذو الخصوبة المحدودة Slightly enriched uranium وتحتوي على 0.9% إلى 2% من اليورانيوم-235 .


يورانيوم مخصب قليلاً (SEU)

 
برميل من الكعكة الصفراء (خليط من مرسبات اليورانيوم)

يحتوي اليورانيوم المخصب قليلاً (SEU) على تركيز 235U من 0.9٪ إلى 2٪. يمكن استخدام هذه الدرجة الجديدة لتحل محل وقود اليورانيوم الطبيعي (NU) في بعض مفاعلات الماء الثقيل مثل CANDU. يمكن أن يوفر الوقود المصمم باستخدام SEU مزايا إضافية مثل تحسينات السلامة أو المرونة التشغيلية، وعادة ما يتم أخذ الفوائد في الاعتبار في مجال الأمان مع الاحتفاظ بنفس الغلاف التشغيلي. تحسينات السلامة يمكن أن تقلل ردود الفعل الإيجابية مثل معامل الفراغ التفاعلي. ستشمل التحسينات التشغيلية في زيادة احتراق الوقود مما يسمح بتخفيض تكاليف الوقود لأن يورانيوم أقل وحزم أقل مطلوبة لتزويد المفاعل بالوقود. وهذا بدوره يقلل من كمية الوقود المستخدم وتكاليف إدارته اللاحقة.[بحاجة لمصدر]

إعادة معالجة اليورانيوم (RepU)

اليورانيوم المعاد معالجته (RepU) هو نتاج دورة الوقود النووي التي تتضمن إعادة المعالجة النووية للوقود المستهلك. عادةً ما يحتوي الوقود المستهلك المستعاد من مفاعل الماء الخفيف (LWR) على كمية من اليورانيوم 235 أكثر بقليل من اليورانيوم الطبيعي، وبالتالي يمكن استخدامه في وقود المفاعلات التي تستخدم عادةً اليورانيوم الطبيعي كوقود، مثل مفاعلات كاندو. يحتوي أيضاً على نظير اليورانيوم 236 غير المرغوب فيه الذي يخضع لـ التقاط النيوترون، ويهدر النيوترونات (ويتطلب تخصيباً أعلى لليورانيوم 235) ويخلق نپتونيوم 237 الذي سيكون أحد أكثر النظائر قدرة على الحركة والنويدات المشعة المزعجة في المستودع الجيولوجي العميق للتخلص من النفايات النووية.

يورانيوم منخفض التخصيب (LEU)

يحتوي اليورانيوم منخفض التخصيب (LEU) على تركيز أقل من 20٪ من 235U. للاستخدام التجاري في مفاعل الماء الخفيف (LWR)، مفاعلات الطاقة الأكثر انتشاراً في العالم، يُخصب اليورانيوم بنسبة 3 إلى 5٪ 235U. عادةً ما يتم إثراء اليورانيوم المنخفض التخصيب المستخدم في مفاعل نووي للأبحاث بنسبة 12٪ إلى 19.75٪ U-235، ويستخدم التركيز الأخير لاستبدال وقود HEU عند التحويل إلى اليورانيوم المنخفض التخصيب.[1]

يورانيوم عالي التخصيب (HEU)

 
قرص من معدن اليورانيوم عالي التخصيب

يحتوي اليورانيوم عالي التخصيب (HEU) على تركيز يزيد عن 20٪ من 235U أو 233U. عادةً ما يحتوي اليورانيوم الانشطاري في المواد الأولية للأسلحة النووية على 85٪ أو أكثر من 235U المعروف باسم درجة صنع الأسلحة، على الرغم من أنه نظرياً لـ لتصميم انفجار داخلي، يمكن أن يكون 20٪ كحد أدنى (يسمى صالح للاستخدام في الأسلحة) على الرغم من أنه سيتطلب مئات الكيلوغرامات من المواد و "لن يكون تصميماً عملياً";[2][3] يُعد التخصيب الأقل\الأخفض ممكناً افتراضياً، ولكن مع انخفاض نسبة التخصيب المقللة من الكتلة الحرجة من أجل النيوترونات السريعة غير المعدلة، فإنها تزداد بسرعة، على سبيل المثال، تتطلب كتلة لانهائية من 5.4٪ <235U.[2]بالنسبة للتجارب الحرجة، خُصّب اليورانيوم بنسبة تزيد عن 97٪.[4]

استخدمت أول قنبلة يورانيوم، لتل بوي التي أسقطتها الولايات المتحدة على هيروشيما في عام 1945، 64 كيلوغراماً من اليورانيوم المخصب بنسبة 80٪. يمكن أن يؤدي تغليف النواة الانشطارية للسلاح في عاكس نيوتروني (وهو معيار لجميع المتفجرات النووية) إلى تقليل الكتلة الحرجة بشكل كبير. نظراً لأن اللب كان محاطاً بعاكس نيوتروني جيد، فقد كان يتكون عند الانفجار من 2.5 كتلة حرجة تقريباً. تسمح عاكسات النيوترون، التي تضغط القلب الانشطاري عن طريق الانفجار الداخلي، وتعزيز الاندماج، والحشو، مما يبطئ من توسع نواة الانشطار بالقصور الذاتي، تصميم سلاح نووي باستخدام أقل مما يمكن أن يكون مجالًا مكشوفاً واحداً الكتلة عند الكثافة الطبيعية. إن وجود الكثير من نظير 238U يثبط التفاعل المتسلسل النووي المتسرب المسؤول عن قوة السلاح. تبلغ الكتلة الحرجة لليورانيوم عالي التخصيب بنسبة 85٪ حوالي 50 kiloغرامs (1,800 أونصة)، والتي ستكون عند الكثافة الطبيعية كرة قطرها حوالي 17 centiمترs (0.56 قدم).

عادةً ما تستخدم الأسلحة النووية الأمريكية اللاحقة پلوتونيوم-239 في المرحلة الأولية، ولكن المرحلة الثانوية التي يتم ضغطها بواسطة الانفجار النووي الأولي غالباً ما تستخدم اليورانيوم عالي التخصيب مع تخصيب يتراوح بين 40٪ و80٪[5] مع وقود اندماج ديوتريد الليثيوم. بالنسبة لسلاح نووي كبير ثانوي، يمكن أن تكون الكتلة الحرجة الأعلى لليورانيوم الأقل تخصيباً ميزة لأنها تسمح لللب في وقت الانفجار باحتواء كمية أكبر من الوقود. 238U ليس مادة انشطارية ولكنها لا تزال قابلة للانشطار بواسطة اندماج النيوترونات.

يستخدم اليورانيوم عالي التخصيب أيضاً في المفاعلات النيوترونية السريعة، التي تتطلب قلبها حوالي 20٪ أو أكثر من المواد الانشطارية، وكذلك في المفاعلات البحرية، حيث تحتوي غالباً على 50٪ على الأقل 235U، ولكن لا تتجاوز عادةً 90٪. يستخدم النموذج الأولي للمفاعل السريع التجاري Fermi-1 HEU بنسبة 26.5٪ 235U. تُستخدم كميات كبيرة من اليورانيوم عالي التخصيب في إنتاج النظائر الطبية، على سبيل المثال مولبدنم-99 من أجل مولدات تكنيشيوم 99 م.[6]

طرق التخصيب

من الصعب فصل النظائر لأن نظيرين من نفس العناصر لهما خواص كيميائية متطابقة تقريبًا، لا يمكن فصلهما تدريجيًا إلا باستخدام اختلافات صغيرة في الكتلة. (235U أخف بنسبة 1.26% فقط من 238U.) وتتركب هذه المشكلة بسبب حقيقة أن اليورانيوم نادرًا ما ينفصل في ذراته ولكن بدلا من ذلك كمركب (235UF6 أخف بنسبة 0.852٪ فقط من 238UF6.) تنتج سلسلة من مراحل متامثلة تركيزًا أعلى من 235U. وتمر كل مرحلة بمنتج أكثر تركيزًا قليلاً إلى المرحلة التالية وتنتج بقايا أقل تركيزًا من المرحلة السابقة.

في الوقت الحالي توجد طريقتان تجاريتان عامتان مستخدمتان دوليًا للتخصيب: الانتشار الغازي (الذي يشار إليه بأنه الجيل الأول) والطرد المركزي الغازي (الجيل الثاني) والذي يستهلك فقط 2٪ إلى 2.5٪[7] من قدر الطاقة مثل الانتشار الغازي، مع كون أجهزة الطرد المركزي على الأقل "20 عامل" أكثر كفاءة.[8] ستنشئ طرق التوليد اللاحقة لأنها ستكون أكثر كفاءة من حيث مدخلات الطاقة لنفس الدرجة من التخصيب وسيشار إلى الطريقة التالية للتخصيب، والتي ستسوق بالجيل "الثالث". ويجري القيام ببعض الأعمال التي قد تستخدم الرنين المغناطيسي النووي؛ ومع ذلك، لا يوجد دليل موثوق به على أن عمليات الرنين النووي قد رُفعت إلى مستوى الإنتاج.

تقنيات الانتشار

الانتشار الغازي

الانتشار الغازي هو تقنية مستخدمة لإنتاج اليورانيوم المخصب عن طريق إجبار سادس فلوريد اليورانيوم (hex) من خلال أغشية شبه منفذة. ينتج عن هذا فصل طفيف بين الجزيئات التي تحتوي على 235U و238U. طوال الحرب الباردة، لعب الانتشار الغازي دوراً رئيسياً كطريقة لتخصيب اليورانيوم، واعتباراً من عام 2008 يمثل حوالي 33 ٪ من إنتاج اليورانيوم المخصب،[9] ولكن في عام 2011 اعتُبرت تقنية قديمة يتم استبدالها بشكل مطرد بالأجيال اللاحقة من التكنولوجيا مع وصول محطات الانتشار إلى نهايتها.[10] في عام 2013، توقفت منشأة مصنع پادوكا لانتشار الغازات في الولايات المتحدة عن العمل، وكانت آخر منشأة تجارية 235U لانتشار الغازات في العالم.[11]

الانتشار الحراري

يستخدم الانتشار الحراري نقل الحرارة عبر سائل رقيق أو غاز لإنجاز فصل النظائر. تستغل العملية حقيقة أن جزيئات غاز 235U الأخف ستنتشر باتجاه سطح ساخن، وستنتشر جزيئات الغاز الأثقل 238U باتجاه سطح بارد. تم استخدام مصنع S-50 في أوك ردج، تنسي أثناء الحرب العالمية الثانية لإعداد مواد التغذية لمعالجة EMIS. تم التخلي عنها لصالح الانتشار الغازي.

تقنيات الطرد المركزي

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

الطرد المركزي الغازي

 
سلسلة من الطاردات المركزية الغازية في مصنع تخصيب بالولايات المتحدة

تستخدم عملية الطرد المركزي الغازي عدداً كبيراً من الأسطوانات الدوارة في تشكيلات متسلسلة ومتوازية. يؤدي دوران كل أسطوانة إلى تكوين قوة طرد مركزي قوية بحيث تتحرك جزيئات الغاز الأثقل التي تحتوي على 238U نحو الجزء الخارجي من الأسطوانة وجزيئات الغاز الأخف الغنية بـ 235U جمع أقرب إلى المركز. إنها تتطلب طاقة أقل بكثير لتحقيق نفس الفصل من عملية الانتشار الغازي الأقدم، والتي حلت محلها إلى حد كبير وكذلك هي الطريقة الحالية للاختيار ويطلق عليها اسم "الجيل الثاني". لها عامل فصل لكل مرحلة 1.3 نسبة إلى الانتشار الغازي 1.005،[9]وهو ما يقدم حوالي واحد على خمسين من متطلبات الطاقة. حيث تنتج تقنيات الطرد المركزي بالغاز حوالي 54٪ من اليورانيوم المخصب في العالم.

طرد تسيپه المركزي

 
مخطط لمبادئ طارد مركزي غازي من طراز تسيپه Zippe-type وفيه يظهر U-238 بالأزرق الغامق و U-235 بالأزرق الفاتح

يعد جهاز تسيپه للطرد المركزي تحسينًا على أجهزة الطرد المركزي الغازية القياسية، والفرق الأساسي بينهم هو استخدام الحرارة. حيث يسخن الجزء السفلي من الأسطوانة الدوارة، مما ينتج عنه تيارات حرارية التي تحرك 235 U أعلى الأسطوانة، حيث يمكن تجميعها بواسطة المجارف. كما يستخدم تصميم الطرد المركزي المُحسَّن هذا تجاريًا بواسطة بورنكو لإنتاج الوقود النووي، وقد استخدمته پاكستان في برنامج أسلحتها النووية.

تقنيات الليزر

تعِد عمليات الليزر بمدخلات طاقة أقل وتكاليف رأسمالية أقل وفحص مخلفات أقل، وبالتالي مزايا اقتصادية كبيرة. حُققت العديد من عمليات الليزر أو مازالت قيد التطوير. كما أُعتبرا فصل النظائر عن طريق التنبيه بالليزر (SILEX) متقدمًا ومرخصًا للعمل التجاري في عام 2012.

فصل النظائر بليزر البخار الذري (AVLIS)

فصل نظائر الليزر بالبخار الذري حيث تستخدم أشعة الليزر المضبوطة بشكل خاص[12] لفصل نظائر اليورانيوم باستخدام التأين الانتقائي التحولات فائقة الدقة. تستخدم التقنية الليزر الذي يُضبط على الترددات الأيونية 235U ذرات ولا سواها. موجبة الشحنة 235U ثم تنجذب الأيونات إلى صفيحة سالبة الشحنة وتجمع.

فصل النظائر بالليزر الجزيئي (MLIS)

فصل نظائر الليزر الجزيئي الذي يستخدم ليزر الأشعة تحت الحمراء الموجه إلى سادس فلوريد اليورانيوم ، جزيئات محفزة تحتوي على ذرة 235U. ليزر ثاني يحرر ذرة فلور، تاركًا خماسي فلوريد اليورانيوم الذي يترسب بعد ذلك من الغاز.

فصل النظائر بإثارة الليزر (SILEX)

فصل النظائر بإثارة الليزر أحد التطويرات الأسترالية يستخدم أيضاً UF6. بعد عملية تطوير مطولة اشتملت على حصول شركة التخصيب الأمريكية USEC على حقوق تسويق التكنولوجيا ثم التنازل عنها، وقعت جي إي هيتاتشي للطاقة النووية (GEH) اتفاقية تسويق مع Silex Systems في عام 2006.[13] قامت GEH منذ ذلك الحين ببناء حلقة اختبار توضيحية وأعلنت عن خطط لبناء منشأة تجارية أولية.[14]تفاصيل العملية مصنفة ومقيدة بالاتفاقيات الحكومية الدولية بين الولايات المتحدة وأستراليا والكيانات التجارية. تم توقع أن يكون SILEX ترتيباً من حيث الحجم أكثر كفاءة من تقنيات الإنتاج الحالية ولكن مرة أخرى، صُنّف الرقم الدقيق.[9]في أغسطس 2011، تقدمت شركة العالمية للتخصيب بالليزر، التابعة لشركة GEH، بطلب إلى هيئة التنظيم النووي الأمريكية (NRC) للحصول على تصريح لبناء مصنع تجاري.[15]في سبتمبر 2012، أصدرت NRC ترخيصاً لشركة GEH لبناء وتشغيل مصنع تخصيب SILEX تجاري، على الرغم من أن الشركة لم تقرر بعد ما إذا كان المشروع سيكون مربحاً بما يكفي لبدء البناء، وعلى الرغم من المخاوف من أن التكنولوجيا يمكن أن تساهم في انتشار الأسلحة النووية.[16]

تقنيات أخرى

العمليات الأيروديناميكية

 
رسم تخطيطي لفوهة ماصة. سيتم دمج عدة آلاف من هذه الرقائق الصغيرة في وحدة التخصيب.

تشمل عمليات التخصيب الأيروديناميكي تقنيات فوهة بيكر الماصة التي طورها إي دبليو بيكر وشركاؤه باستخدام عملية LIGA وأنبوبة الدوامة. تعتمد عمليات الفصل الأيروديناميكية هذه على الانتشار مدفوعاً بتدرجات الضغط، كما يفعل جهاز الطرد المركزي الغازي. لديهم بشكل عام مساوئ تتطلب أنظمة معقدة لتتالي عناصر الفصل الفردية لتقليل استهلاك الطاقة. في الواقع، يمكن اعتبار العمليات الأيروديناميكية كأجهزة طرد مركزي غير دوارة. يتم تحقيق تعزيز قوى الطرد المركزي من خلال تخفيف UF6 باستخدام الهيدروجين أو الهليوم باعتباره غازاً حاملًا يحقق سرعة تدفق أعلى بكثير لـ الغاز الذي يمكن الحصول عليه باستخدام سادس فلوريد اليورانيوم النقي. قامت مؤسسة إثراء اليورانيوم في جنوب إفريقيا (UCOR) بتطوير ونشر سلسلة الفصل الدوامة المستمرة Helikon لتحقيق معدل إنتاج عالٍ من التخصيب المنخفض وتسلسل Pelsakon شبه الدُفعي المنخفض الإنتاج العالي التخصيب باستخدام دوامة معينة تصميم فاصل الأنبوب، وكلاهما يتجسد في المصنع الصناعي.[17] بُني مصنع تجريبي في البرازيل بواسطة NUCLEI، وهو اتحاد تقوده الصناعات النووية في البرازيل الذي استخدم عملية فوهة الفصل. ومع ذلك، فإن جميع الطرق لها استهلاك مرتفع للطاقة ومتطلبات كبيرة لإزالة الحرارة المهدرة; لم يتبقّ منها قيد الاستخدام حالياً.

الفصل الكهرومغناطيسي للنظائر

 
يوضح الرسم التخطيطي لفصل نظائر اليورانيوم في كالوترون كيف يُستخدم حقل مغناطيسي قوي لإعادة توجيه تيار من أيونات اليورانيوم إلى الهدف، مما يؤدي إلى زيادة تركيز اليورانيوم 235 (ممثلة هنا باللون الأزرق الداكن) في الحواف الداخلية للدفق.

في عملية الفصل الكهرومغناطيسي للنظائر (EMIS)، يتبخر اليورانيوم المعدني أولاً، ثم يتأين إلى أيونات موجبة الشحنة. يتم بعد ذلك تسريع الكاتيونات ومن ثم تحويلها بواسطة الحقول المغناطيسية إلى أهداف المجموعة الخاصة بكل منها. طُور مقياس إنتاج مطيافية الكتلة المسمى كالوترون أثناء الحرب العالمية الثانية والذي قدم بعضاً من 235U المستخدم في القنبلة النووية لتل بوي، والتي أُسقطت فوق هيروشيما في عام 1945. ينطبق مصطلح "كالوترون" بشكل صحيح على جهاز متعدد المراحل المرتبة في شكل بيضاوي كبير حول مغناطيس كهربائي قوي. أُهملت طريقة فصل النظائر الكهرومغناطيسية إلى حد كبير لصالح طرق أكثر فعالية.


. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

الطرق الكيميائية

أُثبتت عملية كيميائية واحدة لمرحلة المصنع التجريبية ولكن لم تُستخدم. استغلت عملية CHEMEX الفرنسية اختلافاً طفيفاً في ميل النظيرين للتغيير التكافؤ في تفاعلات أكسدة-اختزال، باستخدام الأطوار المائية والعضوية غير القابلة للامتزاج. طُورت عملية التبادل الأيوني من قبل شركة شركة أساهي للكيماويات في اليابان والتي تطبق كيمياء مماثلة ولكن لها تأثيرات الفصل على عمود راتينج خاص بالتبادل الأيوني.

فصل الپلازما

تصف عملية فصل الپلازما (PSP) تقنية تستخدم المغناطيس فائق التوصيل وفيزياء الپلازما. في هذه العملية، يتم استخدام مبدأ الرنين الأيوني السيكلوتروني لتنشيط نظير 235U في الپلازما الذي يحتوي على مزيج من الأيونات. طور الفرنسيون نسختهم الخاصة من PSP، والتي أطلقوا عليها اسم RCI. خُفّض تمويل RCI بشكل كبير في عام 1986، وعُلّق البرنامج حوالي عام 1990، على الرغم من أن RCI لا يزال يستخدم لفصل النظائر المستقرة.

وحدة الشغل الفاصل

وحدة الشغل الفاصل Separative work unit (SWU) هي دالة تمثل كمية اليورانيوم المعالج، وتكوين مادة البداية، ودرجة تخصيبها; تتناسب مع إجمالي زمن تشغيل الآلة المطلوب لتحقيق ذلك، ولكنه يُحدّد بشكل مستقل عن تقنية التخصيب.

يُعبّر عن شغل الفصل في SWUs، kg SW، أو kg UTA (من أوترانترنآربايت الألمانية)

  • 1 SWU = 1 kg SW = 1 kg UTA
  • 1 kSWU = 1 tSW = 1 t UTA
  • 1 MSWU = 1 ktSW = 1 kt UTA

الوحدة عبارة عن وحدة شغل فصل الكيلوغرام بدقة، وتشير إلى الطاقة المستخدمة في التخصيب، عندما يُعبّر عن التزويد والمخلفات وكميات المنتج بالكيلوجرام. عمل   ضروري لفصل كتلة   لتغذية التجربة   إلى كتلة   لمقايسة المنتج  ، ومخلفات الكتلة   والمقايسة   يُعبّر عنها من حيث عدد وحدات الشغل المنفصلة المطلوبة، معطاة بالتعبير

 

حيث   تمثل دالة القيمة، المعرفة على أنها

 

تُعطى نسبة التغذية إلى المنتج من خلال التعبير

 

بينماتُعطى المخلفات إلى نسبة المنتج من خلال التعبير

 

فعلى سبيل المثال، بدءاً من 100 kiloغرامs (3,500 أونصة) من NU، يتطلب الأمر حوالي 61 SWU لإنتاج 10 kiloغرامs (350 أونصة) من LEU في 235U إلى 4.5٪، عند مخلفات فحص 0.3٪.

يرتبط عدد وحدات الشغل الفاصل التي توفرها منشأةالتخصيب ارتباطاً مباشراً بكمية الطاقة التي تستهلكها المنشأة. تتطلب محطات الانتشار الغازي الحديثة عادةً ما بين 2,400 إلى 2,500 كيلوواط ساعة (kW·h)، أو 8.6–9 گيگاجول، (GJ) من الكهرباء لكل SWU بينما تتطلب محطات الطرد المركزي الغازي 50 إلى 60 فقط kW·h (180-220 MJ) من الكهرباء لكل SWU.

مثال:

تتطلب محطة طاقة نووية كبيرة بسعة كهربائية صافية 1300 ميگاواط حوالي 25 طناً سنوياً (25 t/a) من اليورانيوم المنخفض التخصيب بتركيز 235U بنسبة 3.75٪. يُنتج هذه الكمية من حوالي 210 طن من NU باستخدام حوالي 120 kSWU. وبالتالي، فإن محطة التخصيب بسعة 1000 kSWU/a قادرة على تخصيب اليورانيوم اللازم لتزويد حوالي ثماني محطات طاقة نووية كبيرة بالوقود.

قضايا التكلفة

المزج لدرجة أقل Downblending

نقيض التخصيب هو Downblending. يمكن مزج الفائض من اليورانيوم عالي التخصيب إلى اليورانيوم منخفض التخصيب لجعله مناسباً للاستخدام في الوقود النووي التجاري.

يمكن أن تحتوي المادة الأولية لليورانيوم عالي التخصيب على نظائر اليورانيوم غير المرغوب فيها: 234U هو نظير ثانوي موجود في اليورانيوم الطبيعي; أثناء عملية التخصيب، يزداد تركيزه ولكنه يظل أقل بكثير من 1٪. التركيزات العالية من 236U هي منتج ثانوي من التشعيع في مفاعل ويمكن احتواؤها في اليورانيوم عالي التخصيب، اعتماداً على تاريخ تصنيعه. قد يحتوي اليورانيوم عالي التخصيب المعاد معالجته من مفاعلات إنتاج مواد الأسلحة النووية (بمقايسة 235U بحوالي 50٪) على تراكيز 236U تصل إلى 25٪، مما ينتج عنه تركيزات تقارب 1.5٪ في منتج اليورانيوم المنخفض التخصيب المخلوط. 236U هو سم نيوتروني; لذلك يجب رفع تركيز 235U الفعلي في منتج LEU وفقاً لذلك للتعويض عن وجود 236U .

يمكن أن يكون مخزون المزج NU أو DU، ولكن اعتماداً على جودة المواد الأولية، يمكن استخدام SEU عند 1.5٪ بالوزن 235U كمخزون للتخفيف من المنتجات الثانوية غير المرغوب فيها التي قد تكون موجودة في موجز HEU. قد تتجاوز تركيزات هذه النظائر في منتج اليورانيوم المنخفض التخصيب في بعض الحالات ASTM مواصفات الوقود النووي، في حالة استخدام NU أو DU. لذلك، لا يمكن أن يساهم المزج المنخفض لليورانيوم عالي التخصيب بشكل عام في مشكلة إدارة النفايات التي تطرحها المخزونات الكبيرة الحالية من اليورانيوم المستنفد.

مشروع تخفيض المزج الرئيسي يسمى برنامج ميگاطن إلى ميگاواط يحول اليورانيوم عالي التخصيب المستخدم في صناعة الأسلحة السوڤيتية إلى وقود لمفاعلات الطاقة التجارية الأمريكية. من عام 1995 حتى منتصف عام 2005، أُعيد تدوير 250 طناً من اليورانيوم عالي التخصيب (يكفي لعشرة آلاف رأس حربي) إلى يورانيوم منخفض التخصيب. الهدف هو إعادة تدوير 500 طن بحلول عام 2013. شكل برنامج وقف تشغيل الرؤوس الحربية النووية الروسية حوالي 13 ٪ من إجمالي الاحتياجات العالمية لليورانيوم المخصب حتى عام 2008.[9]

شاركت الشركة الأمريكية للتخصيب في التخلص من جزء من 174.3 طناً من اليورانيوم عالي التخصيب (HEU) الذي أعلنته الحكومة الأمريكية كمواد عسكرية فائضة في عام 1996. ومن خلال برنامج خفض اليورانيوم عالي التخصيب بالولايات المتحدة، فإن هذا اليورانيوم عالي التخصيب المواد المأخوذة بشكل أساسي من الرؤوس الحربية النووية الأمريكية المفككة وأُعيد تدويرها إلى وقود يورانيوم منخفض التخصيب (LEU)، تستخدمه محطات الطاقة النووية لتوليد الكهرباء.[18]

منشآت التخصيب حول العالم

The following countries are known to operate enrichment facilities: Argentina, Brazil, China, France, Germany, India, Iran, Japan, the Netherlands, North Korea, Pakistan, Russia, the United Kingdom, and the United States.[19][20] Belgium, Iran, Italy, and Spain hold an investment interest in the French Eurodif enrichment plant, with Iran's holding entitling it to 10% of the enriched uranium output. Countries that had enrichment programs in the past include Libya and South Africa, although Libya's facility was never operational.[21] Australia has developed a laser enrichment process known as SILEX, which it intends to pursue through financial investment in a U.S. commercial venture by General Electric.[22] It has also been claimed that Israel has a uranium enrichment program housed at the Negev Nuclear Research Center site near Dimona.[23]

أسماء رمزية

During the Manhattan Project, weapons-grade highly enriched uranium was given the codename oralloy, a shortened version of Oak Ridge alloy, after the location of the plants where the uranium was enriched.[24] The term oralloy is still occasionally used to refer to enriched uranium.

انظر أيضاً

المصادر

  1. ^ Alexander Glaser (6 November 2005). "About the Enrichment Limit for Research Reactor Conversion : Why 20%?". Princeton University. Retrieved on 18 April 2014.
  2. ^ أ ب Forsberg, C. W.; Hopper, C. M.; Richter, J. L.; Vantine, H. C. (March 1998). "Definition of Weapons-Usable Uranium-233" (PDF). ORNL/TM-13517. Oak Ridge National Laboratories. Retrieved 30 October 2013.
  3. ^ Sublette, Carey (4 October 1996). "Nuclear Weapons FAQ, Section 4.1.7.1: Nuclear Design Principles – Highly Enriched Uranium". Nuclear Weapons FAQ. Retrieved 2 October 2010.
  4. ^ Mosteller, R.D. (1994). "Detailed Reanalysis of a Benchmark Critical Experiment: Water-Reflected Enriched-Uranium Sphere" (PDF). Los Alamos technical paper (LA–UR–93–4097): 2. Retrieved 19 December 2007. The enrichment of the pin and of one of the hemispheres was 97.67 w/o, while the enrichment of the other hemisphere was 97.68 w/o.
  5. ^ "Nuclear Weapons FAQ". Nuclearweaponarchive.org. Retrieved 26 January 2013.
  6. ^ Frank N. Von Hippel, Laura H. Kahn (December 2006). "Feasibility of Eliminating the Use of Highly Enriched Uranium in the Production of Medical Radioisotopes". Science & Global Security. 14 (2 & 3): 151–162. doi:10.1080/08929880600993071. Retrieved 26 March 2010.
  7. ^ http://www.world-nuclear.org/info/Nuclear-Fuel-Cycle/Conversion-Enrichment-and-Fabrication/Uranium-Enrichment/#.UWrver-IRAs
  8. ^ [http://www.fas.org/sgp/othergov/doe/lanl/pubs/00416663.pdf معدل النقل بالنسبة لوحدة الطرد المركزي صغير جدًا مقارنة بوحدة الانتشار الصغيرة جدًا. في الواقع، بحيث لا يتم تعويضها عن طريق التخصيب الأعلى لكل وحدة. ولإنتاج ذات الكمية من وقود درجة المفاعل يتطلب عددًا أكبر بكثير (حوالي 50,000 إلى 500,000] وحدة طرد مركزي من وحدات الانتشار. ومع ذلك، فإن هذا الضرر يفوقه الانخفاض الكبير في استهلاك الطاقة (بمعامل 20) لكل SWUلجهاز الطرد المركزي للغاز]
  9. ^ أ ب ت ث "Lodge Partners Mid-Cap Conference 11 April 2008" (PDF). Silex Ltd. 11 April 2008.
  10. ^ Rod Adams (24 May 2011). "McConnell asks DOE to keep using 60 year old enrichment plant to save jobs". Atomic Insights. Retrieved 26 January 2013.
  11. ^ "Paducah enrichment plant to be closed. The 1950s facility is the last remaining gaseous diffusion uranium enrichment plant in the world.".
  12. ^ F. J. Duarte and L.W. Hillman (Eds.), Dye Laser Principles (Academic, New York, 1990) Chapter 9.
  13. ^ [1][dead link][dead link]
  14. ^ "GE Hitachi Nuclear Energy Selects Wilmington, N.C. as Site for Potential Commercial Uranium Enrichment Facility". Business Wire. 30 April 2008. Retrieved 30 September 2012.
  15. ^ Broad, William J. (20 August 2011). "Laser Advances in Nuclear Fuel Stir Terror Fear". The New York Times. Retrieved 21 August 2011.
  16. ^ New York Times, Uranium Plant Using Laser Technology Wins U.S. Approval, September 2012
  17. ^ Smith, Michael; Jackson A G M (2000). "Dr". S a Institution of Chemical Engineers – Conference 2000: 280–289.
  18. ^ [2][dead link]
  19. ^ Arjun Makhijani; Lois Chalmers; Brice Smith (15 October 2004). Uranium enrichment (PDF). Institute for Energy and Environmental Research. Retrieved 21 November 2009.
  20. ^ "Australia's uranium - Greenhouse friendly fuel for an energy hungry world". Standing Committee on Industry and Resources (The Parliament of the Commonwealth of Australia): 730. November 2006. Archived from the original. You must specify the date the archive was made using the |archivedate= parameter. http://www.aph.gov.au/binaries/house/committee/isr/uranium/report/fullreport.pdf. Retrieved on 3 April 2015. 
  21. ^ "Q&A: Uranium enrichment". BBC News. BBC. 1 September 2006. Retrieved 3 January 2010.
  22. ^ "Laser enrichment could cut cost of nuclear power". The Sydney Morning Herald. 26 May 2006.
  23. ^ "Israel's Nuclear Weapons Program". Nuclear Weapon Archive. 10 December 1997. Retrieved 7 October 2007.
  24. ^ William Burr (22 December 2015). "Strategic Air Command Declassifies Nuclear Target List from 1950s". nsarchive2.gwu.edu. Retrieved 27 November 2020. Oralloy [Oak Ridge alloy] was a term of art for highly-enriched uranium.

وصلات خارجية