عملية فوسفات البزموت

استُخدمت عملية فوسفات البزموت لاستخلاص البلوتونيوم من اليورانيوم المُشعّع المُستخرج من المفاعلات النووية . ^{[ 1 ] [ 2 ]} طُوّرت هذه العملية خلال الحرب العالمية الثانية على يد ستانلي ج. طومسون ، الكيميائي الذي كان يعمل في مشروع مانهاتن بجامعة كاليفورنيا، بيركلي . استُخدمت هذه العملية لإنتاج البلوتونيوم في موقع هانفورد . استُخدم البلوتونيوم في القنبلة الذرية التي أُلقيت على ناغازاكي في أغسطس 1945. في خمسينيات القرن العشرين، حلت محل هذه العملية عمليتا ريدوكس وبيوركس .

خلال الحرب العالمية الثانية ، استُخدم البلوتونيوم في صنع أول قنبلة ذرية تم تفجيرها على الإطلاق (بالقرب من ألاموغوردو، نيو مكسيكو)، والقنبلة الذرية التي أُلقيت على ناغازاكي في اليابان. لم يُعزل البلوتونيوم ويُحدد تركيبه الكيميائي إلا في عام 1941، لذا لم تكن المعلومات عنه كثيرة، ولكن كان يُعتقد أن البلوتونيوم-239 ، مثل اليورانيوم-235 ، سيكون مناسبًا للاستخدام في القنبلة الذرية. ^{[ 3 ]}

كان من الممكن إنتاج البلوتونيوم عن طريق تشعيع اليورانيوم-238 في مفاعل نووي ، ^{[ 4 ]} لكن تطوير وبناء مفاعل كان مهمةً لفيزيائيي مشروع مانهاتن . تمثلت مهمة الكيميائيين في تطوير عملية لفصل البلوتونيوم عن نواتج الانشطار الأخرى الناتجة في المفاعل، وذلك على نطاق صناعي في وقت لم يكن فيه إنتاج البلوتونيوم ممكنًا إلا بكميات ضئيلة جدًا، ^{[ 5 ]} مع التعامل في الوقت نفسه مع مواد كيميائية مشعة خطيرة مثل اليورانيوم - الذي لم تكن تُعرف عنه الكثير من المعلومات الكيميائية - والبلوتونيوم ، الذي لم تكن تُعرف عنه أي معلومات تقريبًا.

استكشف الكيميائيون مجموعة متنوعة من الطرق لفصل البلوتونيوم عن المنتجات الأخرى التي خرجت من المفاعل:

• استخدم غلين سيبورغ ، أحد الكيميائيين الذين عزلوا وحددوا البلوتونيوم كيميائياً لأول مرة، ^{[ 6 ]} فلوريد اللانثانوم لإجراء أول فصل ناجح لكمية قابلة للوزن من البلوتونيوم في أغسطس 1942. ^{[ 5 ]} أصبحت عملية فلوريد اللانثانوم هذه هي الطريقة المفضلة للاستخدام في أعمال فصل البلوتونيوم شبه الآلية لمشروع مانهاتن في أعمال كلينتون الهندسية ومرافق الإنتاج في موقع هانفورد ، ولكن تم اعتماد عملية فوسفات البزموت في النهاية بدلاً من ذلك لأن المزيد من العمل كشف عن مجموعة متنوعة من الصعوبات في عملية فلوريد اللانثانوم: ^{[ 7 ]}
  • كان استعادة الراسب من خلال الترشيح أو الطرد المركزي ^{[ 8 ]} أمرًا صعبًا.
  • تطلبت عملية فلوريد اللانثانوم كميات كبيرة من فلوريد الهيدروجين ، مما أدى إلى تآكل المعدات.
  • كانت هناك مشاكل في تثبيت البلوتونيوم في حالته السداسية في محلول الفلوريد (اكتشفها تشارلز إم. كوبر من شركة دوبونت ، الذي كان مسؤولاً عن تصميم وبناء المنشآت).
• بحث إيزادور بيرلمان وويليام جيه. نوكس الابن في فصل البيروكسيدات لأن معظم العناصر تُكوّن بيروكسيدات قابلة للذوبان في المحاليل المتعادلة أو الحمضية . وسرعان ما اكتشفا أن البلوتونيوم استثناء. بعد تجارب عديدة، وجدا أنه بإمكانهما ترسيب البلوتونيوم بإضافة بيروكسيد الهيدروجين إلى محلول مخفف من نترات اليورانيل . ثم تمكنا من إنجاح العملية، لكنها أنتجت كميات هائلة من الراسب، على عكس عملية فلوريد اللانثانوم التي أنتجت كيلوغرامات قليلة فقط. ^{[ 8 ]}
• حاول جون إي. ويلارد اتباع نهج بديل، استناداً إلى حقيقة أن بعض السيليكات تمتص البلوتونيوم بسهولة أكبر من العناصر الأخرى. وقد نجحت هذه الطريقة ولكن بكفاءة منخفضة.
• أجرى ثيودور تي. ماجيل ودانيال ك. كوشلاند جونيور بحثًا حول عمليات استخلاص المذيبات .
• أجرى هاريسون براون وأورفيل إف هيل تجارب على الفصل باستخدام تفاعلات التطاير، بناءً على كيفية تطاير اليورانيوم بسهولة بواسطة الفلور . ^{[ 8 ]}

بينما كان المهندسون الكيميائيون يعملون على هذه المشاكل، طلب سيبورغ من ستانلي جي. طومسون ، وهو زميل له في بيركلي، أن يلقي نظرة على إمكانية استخدام عملية الفوسفات لأنه كان من المعروف أن فوسفات العديد من المعادن الثقيلة غير قابلة للذوبان في المحاليل الحمضية.

جرّب تومسون فوسفات الثوريوم واليورانيوم والسيريوم والنيوبيوم والزركونيوم دون جدوى. لم يكن يتوقع الحصول على فوسفات البزموت ( BiPO4 ) ._٤ ) لكي يعمل بشكل أفضل، ولكن عندما جربه في ١٨ ديسمبر ١٩٤٢، فوجئ بأنه يحمل ٩٨٪ من البلوتونيوم في المحلول. ^{[ ٩ ]} يشبه التركيب البلوري لفوسفات البزموت تركيب فوسفات البلوتونيوم، وأصبح هذا يُعرف باسم عملية فوسفات البزموت. ^{[ ١٠ ] [ ١١ ]}

تمكن كوبر وبوريس ب. كانينغهام من تكرار نتائج طومسون، وتم اعتماد عملية فوسفات البزموت مبدئيًا كخيار احتياطي في حال تعذر نجاح عملية فلوريد اللانثانوم. كانت العمليتان متشابهتين، ويمكن تكييف المعدات المستخدمة في فلوريد اللانثانوم لاستخدامها مع عملية فوسفات البزموت الخاصة بطومسون. ^{[ 9 ]} في مايو 1943، قرر مهندسو دوبونت اعتماد عملية فوسفات البزموت لاستخدامها في مصنع كلينتون للمواد شبه المصنعة وموقع إنتاج هانفورد. ^{[ 7 ]}

أثناء استكشاف براون وهيل وغيرهما من الكيميائيين لكيمياء البلوتونيوم، ^{[ 12 ]} توصلوا إلى اكتشاف بالغ الأهمية مفاده أن للبلوتونيوم حالتي أكسدة، حالة رباعية التكافؤ (+4) وحالة سداسية التكافؤ (+6)، ولكل منهما خصائص كيميائية مختلفة يمكن استغلالها. ^{[ 13 ]} (أُجري هذا العمل في مختبر الإشعاع التابع لمشروع مانهاتن في جامعة كاليفورنيا، ومختبر المعادن في جامعة شيكاغو ، ومختبر أميس في كلية ولاية أيوا ).

تضمنت عملية فوسفات البزموت أخذ قوالب وقود اليورانيوم المشع وإزالة غلافها المصنوع من الألومنيوم. ونظرًا لاحتواء هذه القوالب على نواتج انشطارية شديدة الإشعاع، كان لا بد من إجراء هذه العملية عن بُعد خلف حاجز خرساني سميك. ^{[ 14 ]} وقد نُفذت هذه العملية في "الأخاديد" (المبنيين B وT) في هانفورد. وُضعت القوالب في جهاز إذابة، وغُطيت بمحلول نترات الصوديوم ، وسُخنت حتى الغليان، ثم أُضيف إليها هيدروكسيد الصوديوم ببطء . بعد إزالة النفايات وغسل القوالب، استُخدمت ثلاث دفعات من حمض النيتريك لإذابتها. ^{[ 15 ] [ 16 ]}

كانت الخطوة الثانية فصل البلوتونيوم عن اليورانيوم ونواتج الانشطار. أُضيف نترات البزموت وحمض الفوسفوريك ، مما أنتج فوسفات البزموت الذي ترسب حاملاً معه البلوتونيوم. يشبه هذا إلى حد كبير عملية فلوريد اللانثانوم، حيث استُخدم فلوريد اللانثانوم كناقل. ^{[ 17 ]} أُزيل الراسب من المحلول باستخدام جهاز طرد مركزي، وصُرف السائل كنفايات. أدى التخلص من نواتج الانشطار إلى خفض إشعاع غاما بنسبة 90%. كان الراسب عبارة عن كتلة تحتوي على البلوتونيوم، وُضعت في خزان آخر وأُذيبت في حمض النيتريك. أُضيف بزموتات الصوديوم أو برمنجنات البوتاسيوم لأكسدة البلوتونيوم. ^{[ 15 ]} سيحمل فوسفات البزموت البلوتونيوم في الحالة الرباعية التكافؤ، وليس في الحالة السداسية التكافؤ. ^{[ 17 ]} ثم يترسب فوسفات البزموت كمنتج ثانوي، تاركاً البلوتونيوم في المحلول. ^{[ 15 ]}

ثم تكررت هذه الخطوة في الخطوة الثالثة. تم اختزال البلوتونيوم مرة أخرى بإضافة كبريتات الأمونيوم الحديدية . أُضيف نترات البزموت وحمض الفوسفوريك، فترسب فوسفات البزموت. أُذيب في حمض النيتريك، فترسب فوسفات البزموت مرة أخرى. أدت هذه الخطوة إلى خفض إشعاع غاما بمقدار أربعة أضعاف، فأصبح محلول البلوتونيوم يحتوي على جزء من مئة ألف من إشعاع غاما الأصلي. نُقل محلول البلوتونيوم من المباني 221 إلى المباني 224 عبر أنابيب تحت الأرض. في الخطوة الرابعة، أُضيف حمض الفوسفوريك، فترسب فوسفات البزموت وأُزيل؛ ثم أُضيف برمنجنات البوتاسيوم لأكسدة البلوتونيوم. ^{[ 18 ]}

في خطوة "التحويل"، استُخدمت عملية فلوريد اللانثانوم. أُضيفت أملاح اللانثانوم وفلوريد الهيدروجين مرة أخرى، فترسب فلوريد اللانثانوم، بينما بقي البلوتونيوم سداسي التكافؤ في المحلول. أدى ذلك إلى إزالة اللانثانيدات مثل السيريوم والسترونتيوم واللانثانوم ، التي لم يتمكن فوسفات البزموت من إزالتها. اختُزل البلوتونيوم مرة أخرى باستخدام حمض الأكساليك ، وتكررت عملية فلوريد اللانثانوم. هذه المرة، أُضيف هيدروكسيد البوتاسيوم لإجراء تفاعل تبادل أيوني. أُزيل السائل باستخدام جهاز طرد مركزي، وأُذيبت المادة الصلبة في حمض النيتريك لتكوين نترات البلوتونيوم. عند هذه المرحلة، يتم تركيز دفعة حجمها 1200 لتر (330 جالونًا أمريكيًا ) إلى 30 لترًا (8 جالونات أمريكية ) . ^{[ 18 ]}  

أُجريت الخطوة الأخيرة في مبنى 231-Z، حيث أُضيف بيروكسيد الهيدروجين والكبريتات ونترات الأمونيوم إلى المحلول، فترسب البلوتونيوم سداسي التكافؤ على شكل بيروكسيد البلوتونيوم . أُذيب هذا البيروكسيد في حمض النيتريك ووُضع في علب شحن، ثم غُليت العلب في هواء ساخن لإنتاج معجون نترات البلوتونيوم. بلغ وزن كل علبة حوالي  كيلوغرام واحد ، وشُحنت إلى مختبر لوس ألاموس . ^{[ 18 ]} نُقلت الشحنات في شاحنة تحمل عشرين علبة، ووصلت أول شحنة إلى لوس ألاموس في 2 فبراير 1945. ^{[ 19 ]} استُخدم البلوتونيوم في تصميم قنبلة الرجل البدين التي جُرّبت في التجربة النووية ترينيتي في 16 يوليو 1945، وفي قصف ناغازاكي في 9 أغسطس 1945. ^{[ 20 ]}

في عام ١٩٤٧، بدأت التجارب في هانفورد على عملية اختزال جديدة باستخدام ميثيل أيزوبوتيل كيتون (المعروف بالرمز هيكسون) كمستخلص، وكانت هذه العملية أكثر كفاءة. بدأ بناء مصنع اختزال جديد في عام ١٩٤٩، وبدأ تشغيله في يناير ١٩٥٢، وأُغلق المصنع B في ذلك العام. أدت التحسينات التي أُدخلت على المصنع T إلى زيادة الإنتاجية بنسبة ٣٠٪، كما أُجريت تحسينات على المصنع B. كانت هناك خطط لإعادة تشغيل المصنع B، ولكن مصنع PUREX الجديد الذي افتُتح في يناير ١٩٥٦ كان عالي الكفاءة لدرجة أنه أُغلق المصنع T في مارس ١٩٥٦، وتُركت خطط إعادة تشغيل المصنع B. ^{[ ٢١ ]} بحلول عام ١٩٦٠، تجاوز إنتاج مصنع PUREX الإنتاج المُجتمع لمصنعي B وT ومصنع الاختزال. ^{[ ٢٢ ]}

• جيربر، ميشيل (يونيو 1996). قصة إنتاج البلوتونيوم في موقع هانفورد: تاريخ العمليات والمرافق (ملف PDF) . واشنطن العاصمة: وزارة الطاقة الأمريكية. doi : 10.2172/664389 . OCLC 68435718. OSTI 664389. HC-MR-0521 . تاريخ الاسترجاع: 17 أبريل 2017 .  
• دليل هانفورد الهندسي الفني (تقرير). ريتشلاند، واشنطن: هانفورد الهندسية. 1 مايو 1944. doi : 10.2172/6892962 . OSTI 6892962 . 
• هيوليت، ريتشارد ج .؛ أندرسون، أوسكار إي. (1962). العالم الجديد، 1939-1946 (ملف PDF) . جامعة ولاية بنسلفانيا، بارك، بنسلفانيا. ISBN 0-520-07186-7. OCLC 637004643. تم الاطلاع عليه بتاريخ 26 مارس 2013 . {{cite book}}عدم توافق رقم ISBN / التاريخ ( مساعدة )
• جونز، فينسنت (1985). مانهاتن: الجيش والقنبلة الذرية (ملف PDF) . واشنطن العاصمة: مركز التاريخ العسكري لجيش الولايات المتحدة. OCLC 10913875. مؤرشف من الأصل (ملف PDF) في 4 فبراير 2017. تم الاطلاع عليه في 25 أغسطس 2013 . 
• سيبورغ، غلين ت. (سبتمبر 1981). قصة البلوتونيوم . مختبر لورانس بيركلي، جامعة كاليفورنيا. OCLC 4436007756. LBL-13492، DE82 004551. تاريخ الاسترجاع: 17 أبريل 2017 .