الفصل النظائري

تعتمد طريقة الانتشار ، التي تُستخدم غالبًا مع الغازات، ولكن أيضًا مع السوائل، على حقيقة أنه في حالة التوازن الحراري، يكون لنظيرين لهما نفس الطاقة سرعات متوسطة مختلفة. تتحرك الذرات الأخف (أو الجزيئات التي تحتوي عليها) بسرعة أكبر عبر غشاء لا يتجاوز قطر مسامه متوسط ​​المسار الحر ( تدفق كنودسن ). نسبة السرعة تساوي الجذر التربيعي العكسي لنسبة الكتلة، لذا فإن مقدار الفصل ضئيل. على سبيل المثال، بالنسبة لـ ²³⁵ UF ₆ مقابل ²³⁸ UF ₆ ، تبلغ النسبة 1.0043. لذلك، يلزم العديد من المراحل المتتالية للحصول على نقاء عالٍ. هذه الطريقة مكلفة نظرًا للجهد المطلوب لدفع الغاز عبر الغشاء وكثرة المراحل اللازمة، والتي تتطلب كل منها إعادة ضغط الغاز.

حققت الولايات المتحدة أول فصل واسع النطاق لنظائر اليورانيوم في محطات فصل غازية ضخمة في شركة كلينتون للهندسة ، والتي أُنشئت كجزء من مشروع مانهاتن . استخدمت هذه المحطات غاز سداسي فلوريد اليورانيوم كسائل معالجة. وقد كان إدوارد أدلر وإدوارد نوريس من الرواد في استخدام مسحوق النيكل وحواجز الانتشار الشبكية المصنوعة من النيكل المُرسب كهربائيًا. ^{[ 3 ]} ونظرًا لاستهلاك الطاقة العالي، استُبدلت عملية تخصيب اليورانيوم بالانتشار تدريجيًا بطرق أكثر كفاءة.

أُغلق آخر مصنع للتخصيب الغازي في عام 2013. ^{[ 4 ]} كان مصنع بادوكا للتخصيب الغازي مشروعًا حكوميًا أمريكيًا لإنتاج يورانيوم عالي التخصيب لتشغيل المفاعلات العسكرية وصنع القنابل النووية، مما أدى إلى إنشاء المنشأة في عام 1952. في البداية، تم الحفاظ على مستويات التخصيب في بادوكا منخفضة، وعملت المنشأة كـ"مرفق تغذية" لمنشآت دفاعية أخرى قامت بمعالجة اليورانيوم المخصب في مختبر أوك ريدج الوطني في أوك ريدج، تينيسي ، ومصنع بورتسموث للتخصيب الغازي في بيكتون، أوهايو . تم تعديل هدف بادوكا ومنشأتها الشقيقة في بيكتون في ستينيات القرن الماضي عندما بدأتا بتخصيب اليورانيوم لاستخدامه في المفاعلات النووية التجارية لإنتاج الطاقة. ^{[ 5 ]}

تُدير أنظمة الطرد المركزي المادة بسرعة، مما يسمح للنظائر الأثقل بالاقتراب من جدار شعاعي خارجي. ويتم ذلك غالبًا في الحالة الغازية باستخدام جهاز طرد مركزي من نوع زيب . يمكن لبلازما الطرد المركزي فصل النظائر، بالإضافة إلى فصل نطاقات من العناصر لتقليل النفايات المشعة، وإعادة معالجة المواد النووية، وأغراض أخرى. تُسمى هذه العملية "فصل كتلة البلازما"، وتُسمى الأجهزة "مرشح كتلة البلازما" أو "جهاز طرد مركزي للبلازما" (لا ينبغي الخلط بينها وبين أجهزة الطرد المركزي الطبية ). ^{[ 6 ]}

اقترح أستون وليندمان ^{[ 7 ]} الفصل المركزي للنظائر لأول مرة عام 1919، وأُبلغ عن أولى التجارب الناجحة على نظائر الكلور بواسطة بيمز وهاينز ^{[ 8 ]} عام 1936. إلا أن محاولات استخدام هذه التقنية خلال مشروع مانهاتن باءت بالفشل. وفي العصر الحديث، تُعد هذه التقنية الطريقة الرئيسية المُستخدمة في جميع أنحاء العالم لتخصيب اليورانيوم، ولذلك تبقى عملية سرية إلى حد كبير، مما يعيق انتشارها على نطاق أوسع. وبشكل عام، يُوصل غاز سادس فلوريد اليورانيوم (UF6 ₎ بأسطوانة تدور بسرعة عالية. بالقرب من الحافة الخارجية للأسطوانة، تتجمع جزيئات الغاز الأثقل التي تحتوي على اليورانيوم-238، بينما تتركز الجزيئات التي تحتوي على اليورانيوم-235 في المركز، ثم تُغذى إلى مرحلة أخرى من مراحل الفصل. ^{[ 9 ]}

يُعدّ استخدام تقنية الطرد المركزي الغازي لتخصيب النظائر أمرًا مرغوبًا فيه، إذ يُقلّل استهلاك الطاقة بشكل كبير مقارنةً بالتقنيات التقليدية، مثل محطات الانتشار، نظرًا لقلة عدد خطوات التفاعل اللازمة للوصول إلى درجات فصل مماثلة. فضلًا عن انخفاض الطاقة المطلوبة لتحقيق الفصل نفسه، يُمكن إنشاء محطات أصغر حجمًا بكثير، مما يجعلها خيارًا اقتصاديًا مناسبًا لدولة صغيرة تسعى لإنتاج سلاح نووي. ويُعتقد أن باكستان قد استخدمت هذه الطريقة في تطوير أسلحتها النووية.

استخدمت جنوب أفريقيا أنابيب الدوامة في عملية فصل النظائر المشعة "هيليكون" . يُحقن الغاز بشكل مماس في حجرة ذات تصميم هندسي خاص، مما يزيد من سرعة دورانه إلى مستوى عالٍ جدًا، وبالتالي فصل النظائر. ^{[ 10 ]} تتميز هذه الطريقة ببساطتها لعدم وجود أجزاء متحركة في أنابيب الدوامة، إلا أنها تستهلك طاقةً كبيرة، تفوق بنحو 50 ضعفًا الطاقة التي تستهلكها أجهزة الطرد المركزي الغازية. وقد طُوّرت عملية مماثلة، تُعرف باسم " فوهة النفث" ، في ألمانيا، حيث بُني مصنع تجريبي لها في البرازيل، بل وصل الأمر إلى تطوير موقع لتزويد محطات الطاقة النووية في البلاد بالوقود. ^{[ 11 ]}

الفصل الكهرومغناطيسي هو نوع من قياس الطيف الكتلي على نطاق واسع، ولذلك يُشار إليه أحيانًا باسم قياس الطيف الكتلي. يعتمد هذا الأسلوب على انحراف الجسيمات المشحونة في المجال المغناطيسي ، وتعتمد درجة الانحراف على كتلة الجسيم. ورغم ارتفاع تكلفته مقارنةً بالكمية المنتجة، نظرًا لانخفاض إنتاجيته، إلا أنه يُتيح الحصول على نقاوة عالية جدًا. يُستخدم هذا الأسلوب غالبًا لمعالجة كميات صغيرة من النظائر النقية لأغراض البحث أو استخدامات محددة (مثل المتتبعات النظيرية )، ولكنه غير عملي للاستخدام الصناعي.

في مختبر أوك ريدج الوطني وجامعة كاليفورنيا في بيركلي ، طوّر إرنست أو. لورانس تقنية الفصل الكهرومغناطيسي لجزء كبير من اليورانيوم المستخدم في أولى القنابل الذرية . تُعرف الأجهزة التي تستخدم مبدأه باسم "الكالوترونات ". بعد الحرب، تم التخلي عن هذه الطريقة إلى حد كبير لعدم جدواها العملية. لم يتم اللجوء إليها (إلى جانب تقنيات الانتشار وغيرها) إلا لضمان توفر كمية كافية من المواد للاستخدام، مهما كانت التكلفة. وكانت مساهمتها الرئيسية في المجهود الحربي هي زيادة تركيز المواد من محطات الانتشار الغازي إلى مستويات نقاء أعلى.

في هذه الطريقة ، يُضبط الليزر على طول موجي يُثير نظيرًا واحدًا فقط من المادة، ويُؤين تلك الذرات بشكل تفضيلي. بالنسبة للذرات، يعتمد امتصاص الضوء الرنيني لنظير ما على ^{[ 12 ].}

• الكتلة النووية (تظهر بشكل رئيسي مع العناصر الخفيفة)
• الحجم النووي (مما يتسبب في انحراف عن جهد كولوم ، وهو أمر ملحوظ بالنسبة للعناصر الأثقل)
• انقسام فائق الدقة للانتقالات الإلكترونية، إذا كانت النواة تمتلك دورانًا مغزليًا.

تسمح هذه التقنية لأشعة الليزر الدقيقة بالتفاعل مع نظير واحد فقط. بعد تأين الذرة، يمكن فصلها عن العينة بتطبيق مجال كهربائي . تُعرف هذه الطريقة اختصارًا بـ AVLIS ( فصل النظائر بالليزر باستخدام بخار ذري ). لم تُطوَّر هذه الطريقة إلا مع تطور تكنولوجيا الليزر في سبعينيات وثمانينيات القرن الماضي. وقد توقفت محاولات تطويرها على نطاق صناعي لتخصيب اليورانيوم في تسعينيات القرن الماضي "بسبب الصعوبات التقنية المتواصلة" ولأن أجهزة الطرد المركزي قد وصلت إلى مرحلة النضج التقني في تلك الفترة. ^{[ 13 ] [ 14 ]} ومع ذلك، تُعدّ هذه التقنية مصدر قلق بالغ للعاملين في مجال الانتشار النووي ، لأنها قد تكون أرخص وأسهل إخفاءً من طرق فصل النظائر الأخرى. تشمل أشعة الليزر القابلة للضبط المستخدمة في AVLIS ليزر الصبغة ^{[ 15 ]} ، ومؤخرًا ليزر الديود . ^{[ 16 ]}

تُعرف طريقة ثانية للفصل بالليزر باسم فصل النظائر بالليزر الجزيئي (MLIS). في هذه الطريقة، يُوجَّه ليزر الأشعة تحت الحمراء إلى غاز سداسي فلوريد اليورانيوم (إذا رُغِبَ في تخصيب اليورانيوم)، مما يُثير الجزيئات التي تحتوي على ذرة يورانيوم-235 . ثم يُوجَّه ليزر ثانٍ، إما في نطاق الأشعة تحت الحمراء ( التفكك متعدد الفوتونات بالأشعة تحت الحمراء ) أو في نطاق الأشعة فوق البنفسجية، لتحرير ذرة فلور ، تاركًا خماسي فلوريد اليورانيوم الذي يترسب بعد ذلك من الغاز. يُعدّ ربط مراحل MLIS على التوالي أكثر صعوبة من الطرق الأخرى، لأنه يجب إعادة فلورة سداسي فلوريد اليورانيوم إلى سداسي فلوريد اليورانيوم _{قبل إدخاله} إلى المرحلة التالية من MLIS. ولكن مع العناصر الخفيفة، تكون انتقائية النظائر عادةً جيدة بما يكفي بحيث لا يكون الربط على التوالي ضروريًا.

طُوِّرت عدة مخططات بديلة لتقنية MLIS. على سبيل المثال، يستخدم أحدها ليزرًا أوليًا في منطقة الأشعة تحت الحمراء القريبة أو المرئية، حيث يمكن الحصول على انتقائية تزيد عن 20:1 في مرحلة واحدة. تُسمى هذه الطريقة OP-IRMPD (الإثارة المسبقة للنغمات التوافقية - تفكك الفوتونات المتعددة بالأشعة تحت الحمراء ). ولكن نظرًا لانخفاض احتمالية الامتصاص في النغمات التوافقية، يبقى عدد كبير جدًا من الفوتونات غير مُستخدَم، مما حال دون تطبيق هذه الطريقة على نطاق صناعي. كما تعاني بعض طرق MLIS الأخرى من هدر الفوتونات باهظة الثمن.

أخيرًا، حصلت شركة جنرال إلكتريك على ترخيص عملية " فصل النظائر بالإثارة الليزرية " (SILEX)، التي طورتها شركة Silex Systems الأسترالية، لتطوير محطة تجريبية لتخصيب اليورانيوم. تعتمد هذه العملية، بالنسبة لليورانيوم، على استخدام حزمة جزيئية باردة تحتوي على _{سادس فلوريد اليورانيوم ( UF₆} ) في غاز حامل، حيث يتم إثارة نظير ²³⁵ UF₆ بشكل انتقائي بواسطة ليزر يعمل بالأشعة تحت الحمراء بطول موجي يقارب 16 ميكرومتر. وعلى عكس الجزيئات المُثارة، تميل جزيئات النظائر الأثقل غير المُثارة إلى تكوين تجمعات مع الغاز الحامل، وتبقى هذه التجمعات أقرب إلى محور الحزمة الجزيئية، مما يسمح لها بالمرور عبر حاجز فصل، وبالتالي يتم فصلها عن النظير الأخف المُثار. 

ابتداءً من عام 1994، تم اقتراح مخطط آخر لفصل الديوتيريوم باستخدام حزم موجية طروادة تتشكل في مجال كهرومغناطيسي مستقطب دائريًا ^{[ 17 ]} أو خطيًا ^{[ 18 ]} . تعتمد عملية تكوين حزم موجات طروادة عن طريق المرور الأديباتي السريع بشكل بالغ الحساسية على كتلة الإلكترون والنواة المختزلة، بحيث يؤدي نفس تردد المجال إلى إثارة حزم موجات طروادة أو مضادة لها، وذلك تبعًا للنظير. ^{[ 19 ]} نظريًا، يمكن بعد ذلك استخدام حزم موجات طروادة وعزومها الكهربائية ثنائية القطب الدوارة العملاقة.${\displaystyle \pi }$-انزياح في الطور وانقسمت الحزمة الذرية في تدرج المجال الكهربائي بطريقة مماثلة لتجربة شتيرن-غيرلاخ .

على الرغم من أن نظائر العنصر الواحد توصف عادةً بأنها تمتلك نفس الخصائص الكيميائية، إلا أن هذا ليس صحيحاً تماماً. فعلى وجه الخصوص، تتأثر معدلات التفاعل بشكل طفيف جداً بالكتلة الذرية.

تُعدّ التقنيات التي تستخدم هذه الطريقة أكثر فعاليةً للذرات الخفيفة كالهيدروجين. تميل النظائر الأخف إلى التفاعل أو التبخر بسرعة أكبر من النظائر الثقيلة، مما يسمح بفصلها. هكذا يُنتج الماء الثقيل تجاريًا، راجع عملية جيردلر للكبريتيد لمزيد من التفاصيل. كما تتفكك النظائر الأخف بسرعة أكبر تحت تأثير المجال الكهربائي. وقد استُخدمت هذه العملية في سلسلة تفاعلات كبيرة في محطة إنتاج الماء الثقيل في ريوكان .

قد يُستخدم النظير 305، وهو أحد المرشحين لأكبر تأثير نظائري حركي تم قياسه على الإطلاق عند درجة حرارة الغرفة، في فصل التريتيوم (T). وقد تم قياس تأثيرات أكسدة أنيونات الفورمات المُشعّة بالتريتيوم إلى HTO على النحو التالي:

k(HCO 2 − ) = 9.54 M −1 s −1	k(H)/k(D) = 38
k(DCO 2 − ) = 9.54 M −1 s −1	k(D)/k(T) = 8.1
k(TCO 2 − ) = 9.54 M −1 s −1	k(H)/k(T) = 305

يمكن إثراء نظائر الهيدروجين والكربون والأكسجين والنيتروجين بتقطير مركبات خفيفة مناسبة عبر أعمدة طويلة . عامل الفصل هو نسبة ضغط بخار جزيئين نظيريين. في حالة التوازن، ينتج هذا الفصل عند كل صفيحة نظرية في العمود، ويُضرب بنفس العامل في الخطوة التالية (عند الصفيحة التالية). ولأن عامل الفصل الأولي صغير، يلزم عدد كبير من هذه الصفائح، مما يتطلب ارتفاعات إجمالية للعمود تتراوح بين 20 و300 متر.

يعود انخفاض ضغط بخار الجزيء الأثقل إلى ارتفاع طاقة تبخره ، والتي بدورها تنتج عن انخفاض طاقة اهتزازه عند الصفر المطلق في الجهد بين الجزيئي. وكما هو متوقع من معادلات ضغط البخار، تصبح النسبة أكثر ملاءمة عند درجات حرارة منخفضة (ضغوط منخفضة). تبلغ نسبة ضغط بخار الماء (H₂O ₎ إلى الماء الثقيل ( _D₂O ) 1.055 عند 50  درجة مئوية (123 ملي بار) و1.026 عند 100  درجة مئوية (1013 ملي بار). أما بالنسبة لـ ¹² CO إلى ^{13 CO} _، فتبلغ النسبة 1.007 بالقرب من نقطة الغليان العادية (81.6  كلفن)، و1.003 لـ ¹² CH₄ إلى ¹³ CH₄ بالقرب من 111.7 _كلفن (نقطة الغليان). ^{[ 20 ]} 

طُوِّرَت تقنية تخصيب الكربون ^-13 بالتقطير ( التبريدي ) في أواخر الستينيات من القرن الماضي على يد علماء في مختبر لوس ألاموس الوطني. ^{[ 21 ] [ 22 ]} ولا تزال هذه الطريقة هي المفضلة لتخصيب الكربون ^-13 . أما تخصيب الديوتيريوم بالتقطير المائي، فيُجرى فقط إذا كان قد خُصِّص مسبقًا بعملية (تبادل كيميائي) ذات استهلاك أقل للطاقة. ^{[ 23 ]} إذ إن البدء بوفرة طبيعية منخفضة (0.015% ديوتيريوم) يتطلب تبخير كميات كبيرة جدًا من الماء.

بما أن إنتاج الذرات المشعة بتقنية ISOL يعتمد على التركيب الكيميائي للذرة الحرة للعنصر المراد دراسته، فهناك حزم معينة لا يمكن إنتاجها بقصف أهداف الأكتينيدات السميكة بالبروتونات. فالمعادن المقاومة للحرارة ، مثل التنجستن والرينيوم، لا تخرج من الهدف حتى في درجات الحرارة العالية نظرًا لانخفاض ضغط بخارها. ولإنتاج هذا النوع من الحزم، يلزم استخدام هدف رقيق. طُوّرت تقنية فاصل النظائر الموجه بالأيونات (IGISOL) عام 1981 في مختبر السيكلوترون بجامعة يوفاسكولا في فنلندا . ^{[ 26 ]} في هذه التقنية، يُقصف هدف رقيق من اليورانيوم بالبروتونات، فترتد نواتج التفاعل النووي خارج الهدف مشحونة. تُوقف هذه الارتدادات في خلية غازية، ثم تخرج عبر ثقب صغير في جانب الخلية حيث تُسرّع كهربائيًا وتُحقن في فاصل الكتلة. تتم هذه الطريقة في الإنتاج والاستخلاص خلال فترة زمنية أقصر مقارنةً بتقنية ISOL القياسية، ويمكن دراسة النظائر ذات أعمار النصف القصيرة (أقل من جزء من الألف من الثانية) باستخدام جهاز IGISOL. وقد تم دمج جهاز IGISOL مع مصدر أيونات ليزري في جهاز فصل النظائر الخطي في لوفين (LISOL) في بلجيكا. ^{[ 27 ]} تُنتج مصادر الأهداف الرقيقة عمومًا كميات أقل بكثير من الأيونات المشعة مقارنةً بمصادر الأهداف السميكة، وهذا هو عيبها الرئيسي.

مع تطور الفيزياء النووية التجريبية، تزداد أهمية دراسة أنوية العناصر المشعة الأكثر غرابة. ولتحقيق ذلك، يلزم ابتكار تقنيات جديدة لإنتاج أنوية ذات نسب بروتونات/نيوترونات متطرفة. ومن البدائل لتقنيات ISOL الموصوفة هنا تقنية حزم التفتت، حيث تُنتَج الأيونات المشعة عن طريق تفاعلات التفتت على حزمة سريعة من الأيونات المستقرة تصطدم بهدف رقيق (عادةً من ذرات البريليوم). تُستخدم هذه التقنية، على سبيل المثال، في مرفق حزم النظائر النادرة (FRIB) بجامعة ولاية ميشيغان، وفي مصنع حزم النظائر المشعة (RIBF) في معهد ريكين للأبحاث النووية في اليابان.