الانتشار الغازي

الانتشار الغازي تقنية استُخدمت لإنتاج اليورانيوم المخصب عن طريق دفع غاز سداسي فلوريد اليورانيوم (UF₆ ₎ عبر أغشية دقيقة المسام. ينتج عن ذلك فصل طفيف (معامل التخصيب 1.0043) بين جزيئات اليورانيوم-235 ( ^²³⁵U ) واليورانيوم-238 ( ^²³⁸U ). وباستخدام سلسلة متتالية من المراحل، يمكن تحقيق فصل عالٍ. كانت هذه أول عملية طُوّرت لإنتاج اليورانيوم المخصب بكميات ذات جدوى صناعية، ولكنها تُعتبر اليوم قديمة، إذ حلت محلها عملية الطرد المركزي الغازي الأكثر كفاءة (معامل التخصيب من 1.05 إلى 1.2). ^{[ 1 ] [ 2 ]}

ابتكر فرانسيس سيمون ونيكولاس كورتي تقنية الانتشار الغازي في مختبر كلارندون عام 1940، بتكليف من لجنة MAUD لإيجاد طريقة لفصل اليورانيوم-235 عن اليورانيوم-238 بهدف إنتاج قنبلة لمشروع Tube Alloys البريطاني . صُنعت النماذج الأولية لمعدات الانتشار الغازي بواسطة شركة Metropolitan-Vickers (MetroVick) في ترافورد بارك ، مانشستر، بتكلفة 150,000 جنيه إسترليني لأربع وحدات (ما يعادل تقريبًا 10-11 مليون جنيه إسترليني اليوم )، لصالح مصنع MS في فالي . نُقل هذا العمل لاحقًا إلى الولايات المتحدة عندما اندمج مشروع Tube Alloys في مشروع مانهاتن اللاحق . ^{[ 3 ]}

من بين 33 نظيرًا مشعًا معروفًا من النظائر الأولية ، اثنان ( ^235U و ²³⁸ U) هما نظائر لليورانيوم . يتشابه هذان النظيران في نواحٍ عديدة، باستثناء أن ^235U فقط هو القابل للانشطار (القادر على استمرار تفاعل نووي متسلسل بالانشطار النووي مع النيوترونات الحرارية ). في الواقع، ^235U هو النواة الانشطارية الوحيدة الموجودة في الطبيعة. ^{[ 4 ]} ولأن اليورانيوم الطبيعي لا يحتوي إلا على حوالي 0.72% من كتلة ^235U ، فإنه يجب تخصيبه إلى تركيز يتراوح بين 2 و5% ليكون قادرًا على دعم تفاعل نووي متسلسل مستمر ^{[ 5 ]} عند استخدام الماء العادي كمهدئ. يُطلق على ناتج عملية التخصيب هذه اسم اليورانيوم المخصب.

الأساس العلمي

يعتمد الانتشار الغازي على قانون غراهام ، الذي ينص على أن معدل تدفق الغاز يتناسب عكسيًا مع الجذر التربيعي لكتلته الجزيئية . على سبيل المثال، في صندوق ذي غشاء دقيق المسام يحتوي على خليط من غازين، ستخرج الجزيئات الأخف من الحاوية بسرعة أكبر من الجزيئات الأثقل، إذا كان قطر المسام أصغر من متوسط ​​المسار الحر ( التدفق الجزيئي ). يكون الغاز الخارج من الحاوية غنيًا بالجزيئات الأخف، بينما يكون الغاز المتبقي فقيرًا بها. تُسمى الحاوية التي تتم فيها عملية الإثراء من خلال الانتشار الغازي بالمُشتِّت .

سداسي فلوريد اليورانيوم

يُعدّ سادس فلوريد اليورانيوم (UF₆ ₎ المركب الوحيد من اليورانيوم الذي يتمتع بدرجة كافية من _{التطاير} لاستخدامه في عملية الانتشار الغازي. ولحسن الحظ، يتكون الفلور من نظير واحد فقط هو 19F، لذا فإن الفرق البالغ 1% في الأوزان الجزيئية بين 235UF₆ و238UF₆ ^يعود فقط ^إلى الفرق ^في _أوزان نظائر اليورانيوم. لهذه الأسباب، يُعدّ UF₆ _الخيار الأمثل كمادة أولية لعملية الانتشار الغازي. ^{[ 6 ]} _يتسامى UF₆ ، وهو مادة صلبة في درجة حرارة الغرفة، عند 56.4 درجة مئوية (133 درجة فهرنهايت) عند ضغط جوي واحد. ^{[ 7 ]} تقع النقطة الثلاثية عند 64.05 درجة مئوية وضغط 1.5 بار. ^{[ 8 ]} بتطبيق قانون غراهام، نحصل على:    

${\displaystyle {{\mbox{Rate}}_{1} \over {\mbox{Rate}}_{2}}={\sqrt {M_{2} \over M_{1}}}={\sqrt {352.041206 \over 349.034348}}=1.004298...}$

أين:

المعدل ₁ هو معدل تدفق ²³⁵ وحدة من _6F .

المعدل ₂ هو معدل تدفق ²³⁸ وحدة من ₆ .

M1 هي الكتلة المولية _لـ 235 ^UF6 = 235.043930 + 6 _× 18.998403 = 349.034348  غ/مول ^{− 1}

M2 هي الكتلة المولية لـ _{238 UF6} ⁼ 238.050788 + 6 × 18.998403 = 352.041206 غ/مول ^{− 1} 

وهذا يفسر الفرق البالغ 0.4% في متوسط ​​سرعات ²³⁵ جزيء من UF ₆ مقارنة بمتوسط ​​سرعات ²³⁸ جزيء من UF _6. ^{[ 9 ]}

يُعدّ سادس فلوريد اليورانيوم ( UF₆ ₎ مادة شديدة التآكل . فهو عامل مؤكسد ^{[ 10 ]} وحمض لويس قادر على الارتباط بالفلوريد ، فعلى سبيل المثال، يُذكر أن تفاعل فلوريد النحاس الثنائي مع سداسي فلوريد اليورانيوم في الأسيتونيتريل يُنتج مركب هيبتافلورويورانات النحاس الثنائي (VI)، Cu(UF₇ ₎ ₂ _. [ ^{11 ] يتفاعل} هذا المركب مع الماء مُكوّنًا مركبًا صلبًا، ويصعب التعامل معه على نطاق صناعي واسع. ^{[ 6 ]} ونتيجةً لذلك، يجب تصنيع المسارات الغازية الداخلية من الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي ومعادن أخرى مُثبّتة حراريًا . كما يجب استخدام بوليمرات فلورية غير متفاعلة ، مثل التفلون، كطلاء لجميع الصمامات والحلقات المانعة للتسرب في النظام.

مواد الحاجز

تستخدم محطات الانتشار الغازي عادةً حواجز مُجمّعة (أغشية مسامية) مصنوعة من النيكل أو الألومنيوم المُلبّد ، بمسام يتراوح حجمها بين 10 و25 نانومترًا (وهو أقل من عُشر متوسط ​​المسار الحر لجزيء _سادس فلوريد اليورانيوم ). ^{[ 4 ] [ 6 ]} وقد تستخدم أيضًا حواجز من نوع الأغشية الرقيقة، والتي تُصنع عن طريق حفر مسام في وسط غير مسامي في الأصل. إحدى طرق القيام بذلك هي إزالة أحد مكونات السبيكة، على سبيل المثال باستخدام كلوريد الهيدروجين لإزالة الزنك من سبيكة الفضة والزنك (Ag-Zn) أو هيدروكسيد الصوديوم لإزالة الألومنيوم من سبيكة النيكل والألومنيوم (Ni-Al).

متطلبات الطاقة

نظرًا لتقارب الأوزان الجزيئية لـ ²³⁵ UF ₆ و ²³⁸ UF _{6 ، فإن فصل اليورانيوم} ²³⁵ عن اليورانيوم ²³⁸ يكون ضئيلاً جدًا عند مرورهما عبر حاجز واحد، أي في جهاز نشر واحد. لذا، من الضروري ربط عدد كبير من أجهزة النشر معًا في سلسلة من المراحل، باستخدام مخرجات المرحلة السابقة كمدخلات للمرحلة التالية. تُسمى هذه السلسلة من المراحل " سلسلة الانتشار". عمليًا، تتطلب سلاسل الانتشار آلاف المراحل، وذلك حسب مستوى الإثراء المطلوب. ^{[ 6 ]}

يجب الحفاظ على جميع مكونات محطة الانتشار عند درجة حرارة وضغط مناسبين لضمان بقاء _سادس فلوريد اليورانيوم في الحالة الغازية. ويجب ضغط الغاز في كل مرحلة لتعويض أي نقص في الضغط عبر الموزع. يؤدي ذلك إلى تسخين الغاز بالضغط، والذي يجب تبريده بعد ذلك قبل دخوله إلى الموزع. تجعل متطلبات الضخ والتبريد محطات الانتشار من مستهلكي الطاقة الكهربائية بكميات هائلة . ولهذا السبب، كان الانتشار الغازي أغلى طريقة مستخدمة حتى وقت قريب لإنتاج اليورانيوم المخصب. ^{[ 12 ]}

قام العاملون في مشروع مانهاتن في أوك ريدج، تينيسي ، بتطوير عدة طرق مختلفة لفصل نظائر اليورانيوم. استُخدمت ثلاث من هذه الطرق بالتتابع في ثلاثة مصانع مختلفة في أوك ريدج لإنتاج اليورانيوم ^-235 لقنبلة " ليتل بوي " وغيرها من الأسلحة النووية المبكرة . في الخطوة الأولى، استخدم مرفق تخصيب اليورانيوم S-50 عملية الانتشار الحراري لتخصيب اليورانيوم من 0.7% إلى ما يقارب 2% من اليورانيوم ^-235. ثم أُدخل هذا الناتج إلى عملية الانتشار الغازي في مصنع K-25 ، حيث بلغ تركيز اليورانيوم ^-235 الناتج حوالي 23%. وأخيرًا، أُدخلت هذه المادة إلى أجهزة الكالوترون في مصنع Y-12 . استخدمت هذه الأجهزة (وهي نوع من مطياف الكتلة ) الفصل الكهرومغناطيسي للنظائر لرفع تركيز اليورانيوم ^-235 النهائي إلى حوالي 84%.

كان تحضير مادة اليورانيوم سداسي فلوريد اليورانيوم (UF6 ₎ الأولية لمحطة الانتشار الغازي K-25 أول تطبيق تجاري للفلور، وقد وُوجهت عقبات كبيرة في التعامل مع كل من الفلور وUF6 _. فعلى سبيل المثال، قبل بناء محطة الانتشار الغازي K-25، كان من الضروري أولاً تطوير مركبات كيميائية غير متفاعلة يمكن استخدامها كطلاءات ومواد تشحيم وحشيات للأسطح التي ستتلامس مع غاز UF6 ₍ وهي مادة شديدة التفاعل والتآكل). استعان علماء مشروع مانهاتن بويليام تي. ميلر ، أستاذ الكيمياء العضوية في جامعة كورنيل ، لتصنيع وتطوير هذه المواد، نظرًا لخبرته في كيمياء الفلور العضوية . وقد طور ميلر وفريقه العديد من بوليمرات الكلوروفلوروكربون غير المتفاعلة الجديدة التي استُخدمت في هذا التطبيق. ^{[ 13 ]}

كانت أجهزة الكالوترون غير فعالة ومكلفة في بنائها وتشغيلها. وبمجرد التغلب على العقبات الهندسية التي فرضتها عملية الانتشار الغازي، وبدء تشغيل سلسلة الانتشار الغازي في أوك ريدج عام 1945، تم إيقاف تشغيل جميع أجهزة الكالوترون. وأصبحت تقنية الانتشار الغازي بعد ذلك التقنية المفضلة لإنتاج اليورانيوم المخصب. ^{[ 4 ]}

عند إنشائها في أوائل أربعينيات القرن العشرين، كانت محطات التخصيب بالغاز من بين أضخم المباني التي شُيّدت على الإطلاق. وقد أنشأت الولايات المتحدة والاتحاد السوفيتي (بما في ذلك محطة تقع الآن في كازاخستان ) والمملكة المتحدة وفرنسا والصين محطات تخصيب ضخمة بالغاز . أُغلقت معظم هذه المحطات أو يُتوقع إغلاقها، لعجزها عن المنافسة الاقتصادية مع تقنيات التخصيب الأحدث. ولا تزال بعض التقنيات المستخدمة في المضخات والأغشية سرية للغاية. كما لا تزال بعض المواد المستخدمة خاضعة لضوابط التصدير، في إطار الجهود المستمرة للحد من انتشار الأسلحة النووية .

في عام 2008، كانت محطات الانتشار الغازي في الولايات المتحدة وفرنسا لا تزال تنتج 33% من اليورانيوم المخصب في العالم. ^{[ 12 ]} مع ذلك، أُغلق المصنع الفرنسي ( مصنع جورج بيس التابع لشركة يوروديف ) نهائيًا في يونيو 2012، ^{[ 14 ]} وتوقف مصنع بادوكا للتخصيب بالغاز في كنتاكي، الذي تديره شركة تخصيب الولايات المتحدة (USEC) (آخر منشأة تخصيب يورانيوم عاملة بكامل طاقتها في الولايات المتحدة تستخدم عملية التخصيب بالغاز ^{[ 5 ] [ 15 ]} )، عن التخصيب في عام 2013. ^{[ 16 ]} أما المنشأة الوحيدة الأخرى من نوعها في الولايات المتحدة، وهي مصنع بورتسموث للتخصيب بالغاز في أوهايو، فقد توقفت عن أنشطة التخصيب في عام 2001. ^{[ 5 ] [ 17 ] [ 18 ]} ومنذ عام 2010، يُستخدم موقع أوهايو بشكل رئيسي من قبل شركة أريفا ، وهي تكتل فرنسي ، لتحويل _سادس فلوريد اليورانيوم المستنفد إلى أكسيد اليورانيوم . ^{[ 19 ] [ 20 ]}

مع تقادم محطات الانتشار الغازي القائمة، تم استبدالها بتقنية الطرد المركزي الغازي من الجيل الثاني ، والتي تتطلب طاقة كهربائية أقل بكثير لإنتاج كميات مكافئة من اليورانيوم المفصول. استبدلت شركة أريفا محطة الانتشار الغازي جورج بيس بمحطة الطرد المركزي جورج بيس 2. ^{[ 21 ]}

• موقع كابينهيرست النووي
• قوانين فيك للانتشار
• K-25
• مصنع لانتشو لتخصيب اليورانيوم
• ماركول
• الانتشار الجزيئي
• دورة الوقود النووي
• توماس غراهام (كيميائي)
• تومسك

• مراجع مشروحة حول الانتشار الغازي من مكتبة ألسوس