ساعدنیوز: لماذا یُستخدم تخصیب الیورانیوم فی الطاقه النوویه، عملیه التخصیب، النظائر وتطبیقاتها العلمیه
وفقًا لموقع ساعدنیوز، تُعد الطاقه النوویه واحده من أهم مصادر إنتاج الکهرباء للبشریه، وتعتمد على مواد خام محدده مثل الیورانیوم المُخصّب. وإلى جانبه، یلعب مفهوم یُعرف باسم الماء الثقیل دورًا مهمًا فی العملیات النوویه. فی هذا المقال، سنستعرض هذه المفاهیم ووظائفها بطریقه مبسطه ودقیقه علمیًا.
الیورانیوم عنصر طبیعی یوجد فی القشره الأرضیه. له ثلاثه نظائر رئیسیه: الیورانیوم-234، والیورانیوم-235، والیورانیوم-238. ومن بین هذه النظائر، یُعد الیورانیوم-235 الوحید القابل للانشطار، أی أنه قادر على دعم التفاعلات النوویه المتسلسله.
فی الیورانیوم الطبیعی، تبلغ نسبه الیورانیوم-235 حوالی 0.71%. وقبل استخدامه فی المفاعلات أو التطبیقات الأخرى، یجب زیاده هذه النسبه، وتُسمى هذه العملیه بـ تخصیب الیورانیوم.
الماء الثقیل یشبه الماء العادی، لکن بدلًا من ذرات الهیدروجین الخفیفه یحتوی على نظیر یُسمى الدیوتیریوم.
هذا الاختلاف یسمح للماء الثقیل بإبطاء النیوترونات دون امتصاصها، مما یجعله مفیدًا فی بعض أنواع المفاعلات النوویه.
على عکس مفاعلات الماء الخفیف، یمکن لمفاعلات الماء الثقیل استخدام الیورانیوم الطبیعی (غیر المخصب)، لأن الماء الثقیل یُعد مُهدئًا أکثر کفاءه للنیوترونات.
وبالتالی، لا تحتاج هذه المفاعلات بالضروره إلى الیورانیوم المخصب، وقد تکون أکثر کفاءه من الناحیه الاقتصادیه فی بعض الظروف. ومع ذلک، فإن إنتاج الماء الثقیل مکلف.
کما أن الوقود المستهلک من هذه المفاعلات یحتوی غالبًا على کمیات مهمه من البلوتونیوم، والتی یمکن إعاده معالجتها.
تخصیب الیورانیوم هو عملیه صناعیه تهدف إلى فصل نظائر الیورانیوم وزیاده ترکیز الیورانیوم-235.
الهدف هو إنتاج وقود مناسب للمفاعلات النوویه أو تطبیقات أخرى. بینما تحتاج محطات الطاقه النوویه عادهً إلى یورانیوم مخصب بنسبه تتراوح بین 2–5%، فإن المستویات التی تتجاوز 90% ترتبط بتطبیقات خاصه.
فی البدایه یجب تحویل الیورانیوم إلى غاز یُسمى سداسی فلورید الیورانیوم (UF₆)، حیث یصبح فصل النظائر أسهل.
الأداه الرئیسیه المستخدمه هی جهاز الطرد المرکزی، الذی یدور بسرعات عالیه جدًا لفصل النظائر الأخف عن الأثقل.
تُعد أجهزه الطرد المرکزی من أدق الآلات الصناعیه فی العالم، إذ تعمل بسرعات تفوق سرعه الصوت بکثیر، کما أنها تستهلک طاقه أقل مقارنه بطرق قدیمه مثل الانتشار الغازی.
کل عملیه انشطار نووی تُطلق حوالی 2.43 نیوترون. ولکی یستمر التفاعل المتسلسل، یجب أن یُحدث نیوترون واحد فقط انشطارًا جدیدًا، بینما یتم التحکم فی البقیه أو امتصاصها.
النیوترونات الناتجه تکون عالیه الطاقه، لکن الیورانیوم-235 یتفاعل بشکل أفضل مع النیوترونات البطیئه (الحراریه).
لذلک تستخدم المفاعلات مواد مهدئه مثل الماء العادی أو الماء الثقیل لإبطاء النیوترونات.
یتم تخصیب الیورانیوم عبر عده مراحل متتابعه، حیث تزید کل مرحله نسبه الیورانیوم-235 بشکل بسیط، لذلک یتم ربط عشرات أو مئات المراحل فی سلسله واحده تُسمى “السلسله (Cascade)”.
فی النظام المثالی، یتدفق الماده بین المراحل فی اتجاهین متعاکسین لزیاده الکفاءه، لکن الفصل الکامل غیر ممکن عملیًا.
لا یقتصر استخدام الیورانیوم المخصب على محطات الطاقه، بل یُستخدم أیضًا فی المفاعلات البحثیه، وإنتاج النظائر الطبیه، والغواصات النوویه.
خلال الحرب العالمیه الثانیه، تم تطویر تقنیه التخصیب العالی لأول مره. الیورانیوم المخصب بنسبه تزید عن 90% یمکنه دعم تفاعلات متسارعه جدًا، ولهذا ارتبط بالأسلحه النوویه.
الیورانیوم المخصب بنسبه حوالی 60% یُستخدم فی بعض المفاعلات المتخصصه والأنظمه عالیه الأداء مثل الغواصات النوویه. ویُعتبر هذا المستوى حساسًا تقنیًا وسیاسیًا لقربه من مستوى الاستخدام العسکری.
بسبب المخاوف الأمنیه، تواجه الدول التی تمتلک برامج تخصیب قیودًا دولیه. وتشمل هذه العقوبات الحد من الوصول إلى تقنیات الطرد المرکزی والمواد والمعدات الحساسه.
والهدف من هذه الإجراءات هو ضمان أن تبقى الأنشطه النوویه سلمیه.
یحظى برنامج تخصیب الیورانیوم فی إیران باهتمام دولی منذ أوائل العقد الأول من القرن الحادی والعشرین. ووفقًا لتقاریر الوکاله الدولیه للطاقه الذریه (IAEA)، فقد قامت إیران بتخصیب الیورانیوم بمستویات مختلفه، منها حوالی 3.67% و20% وحتى 60%.
وتتغیر هذه المستویات بمرور الوقت حسب الإنتاج والاستهلاک.
ببساطه، یتطلب استمرار التفاعل النووی المتسلسل فی المفاعل إما استخدام الیورانیوم المخصب بنسبه أعلى من الیورانیوم-235 أو استخدام الماء الثقیل کمهدئ للنیوترونات. ویعتمد اختیار الطریقه على تصمیم المفاعل والتقنیات المتاحه والاعتبارات الاقتصادیه.
