عملية كولكس

عملية كولكس (أو فصل كولكس ) هي طريقة كيميائية لفصل نظائر الليثيوم -6 والليثيوم -7 ، وتعتمد على استخدام الزئبق . كولكس اختصار لتبادل الأعمدة.

منذ بداية العصر الذري ، تم تطوير مجموعة متنوعة من طرق تخصيب الليثيوم (مثل التبادل الكيميائي، والكهرومغناطيسي، والليزر، والطرد المركزي ^{[ 1 ]} ) وكانت عملية COLEX هي الطريقة الأكثر تطبيقًا على نطاق واسع حتى الآن.

في الولايات المتحدة، تم إجراء العديد من طرق التبادل الكيميائي لفصل نظائر الليثيوم في ثلاثينيات وأربعينيات القرن العشرين لتطوير عملية إنتاج الليثيوم-6، بحيث يمكن الحصول على التريتيوم لأبحاث الأسلحة النووية الحرارية.

وقع الاختيار في النهاية على نظام عملية كولكس، الذي يعتمد على تفاعل هيدروكسيد الليثيوم المائي (LiOH) مع ملغم الليثيوم والزئبق. استُخدمت هذه العملية مبدئيًا في الولايات المتحدة بين عامي 1955 و1963 في مصنع Y12 في أوك ريدج، تينيسي . شهدت مصانع كولكس في أوك ريدج بدايةً صعبةً للغاية عام 1955، حيث واجهت مشاكل كبيرة في هذه التقنية الجديدة كليًا والمعقدة والتي قد تنطوي على مخاطر. ^{[ 2 ]} وظلت مخزونات الليثيوم-6 والليثيوم-7 من تلك الفترة متاحة حتى وقت قريب لتلبية الطلب المحلي والعالمي المحدود نسبيًا. ^{[ 3 ]}

ومنذ ذلك الحين، وبسبب المخاوف البيئية، أوقفت الولايات المتحدة عمليات تخصيب الليثيوم في عام 1963. ^{[ 1 ]}

كما قامت جنوب أفريقيا ببناء محطة تجريبية باستخدام طريقة COLEX لإنتاج الليثيوم-6 لبرنامج أسلحتها النووية في السبعينيات.

يحتوي الليثيوم الطبيعي على حوالي 7.5٪ من الليثيوم-6 ( ⁶ ₃ Li )، والباقي هو الليثيوم-7 ( ⁷ ₃ Li ).

يتمتع الليثيوم-6 بألفة أكبر من الليثيوم-7 لعنصر الزئبق. عند إضافة مزيج من الليثيوم والزئبق إلى محلول هيدروكسيد الليثيوم المائي، يزداد تركيز الليثيوم-6 في المزيج، بينما يزداد تركيز الليثيوم-7 في محلول الهيدروكسيد.

تعتمد طريقة فصل COLEX على هذه الخاصية من خلال تمرير تيار معاكس من ملغم الليثيوم والزئبق المتدفق للأسفل ومحلول هيدروكسيد الليثيوم المائي المتدفق للأعلى عبر سلسلة من المراحل. يتم تصريف جزء الليثيوم-6 بشكل تفضيلي بواسطة الزئبق، بينما يتدفق الليثيوم-7 في الغالب مع الهيدروكسيد. في أسفل العمود، يتم فصل الليثيوم (المُخصب بالليثيوم-6) عن الملغم، ويُستعاد الزئبق لإعادة استخدامه في العملية. في الأعلى، يتم تحليل محلول هيدروكسيد الليثيوم كهربائيًا لتحرير جزء الليثيوم-7.

تختلف نسبة الإثراء التي يتم الحصول عليها بهذه الطريقة باختلاف طول العمود وسرعة التدفق ودرجة حرارة التشغيل . ^{[ 6 ]}

من الناحية التقنية والاقتصادية، يُعد فصل الليثيوم باستخدام تقنية COLEX حتى الآن الطريقة الوحيدة التي تُمكّن من إنتاج الليثيوم المُخصّب على نطاق صناعي وبأقل التكاليف. هذه التقنية ناضجة، ولم تتغير كثيرًا منذ تطويرها في خمسينيات وستينيات القرن الماضي. ^{[ 7 ]}

لا تخلو هذه الطريقة من عدد من العيوب، وأهمها ما يلي:

• السمية وكميات كبيرة من الزئبق، المشاركة في العملية
• يميل الملغم إلى التحلل في المحاليل المائية
• تكوين نفايات خطرة تحتوي على الزئبق
• استهلاك الطاقة المرتفع ^{[ 8 ]}

لهذه التقنية آثار بيئية كارثية محتملة. فهي تتطلب كمية كبيرة من الزئبق (استُخدم 24 مليون رطل في الولايات المتحدة بين عامي 1955 و1963)، وتوجد فرص عديدة لتسربه إلى البيئة. ولا تزال عملية التنظيف بالغة الصعوبة والتكلفة. ^{[ 7 ]}

على الرغم من المخاوف الصحية والبيئية المرتبطة بالعمليات القائمة على الزئبق، لا تزال بعض الأبحاث جارية حول فصل الكوليكس إلى جانب طرق تخصيب الليثيوم الأنظف. ^{[ 3 ]}

يبدو أن الصين هي الدولة الوحيدة في العالم التي تستخدم رسميًا عملية كولكس لتخصيب الليثيوم. ^{[ 7 ]} ونظرًا للمخاوف البيئية وانخفاض الطلب على الليثيوم المخصب، فقد حُظر استخدام عملية كولكس رسميًا في الولايات المتحدة الأمريكية منذ عام 1963، مما عزز احتكار الصين شبه الكامل لسوق الليثيوم المخصب، تليها روسيا. ^{[ 7 ]}

تركز قدرات التخصيب الروسية على إنتاج الليثيوم-7 عن طريق التحليل الكهربائي لمحلول كلوريد الليثيوم المائي باستخدام كاثود الزئبق، وهو ما يختلف بالتالي عن عملية كولكس. ^{[ 9 ]}

على الرغم من أن صناعة الطاقة النووية الأمريكية تعتمد بشكل كبير على الليثيوم المخصب الصيني والروسي، إلا أن المخاوف البيئية بشأن عملية COLEX قد تعيق استخدامها المحلي في المستقبل على نطاق صناعي.

ومع ذلك، ومع ازدياد الأبحاث في مجال تكنولوجيا مفاعلات الاندماج بشكل عام (ITER، DEMO)، فقد تجدد الاهتمام خلال العقد الماضي بعمليات أفضل لفصل ^6Li - ^7Li ، وخاصة في اليابان والولايات المتحدة. ^{[ 3 ]}

تشير التقديرات إلى أن كوريا الشمالية قد حصلت على الوسائل اللازمة لبناء محطة تخصيب الليثيوم-6 بالاعتماد على تقنية فصل COLEX. ^{[ 10 ]}

لا توجد اليوم أي منشآت على نطاق صناعي يمكنها تلبية المتطلبات المستقبلية لمحطات الطاقة الاندماجية التجارية. ^{[ 1 ]}