تقنيات تخصيب اليورانيوم. انظر ما هو "تخصيب اليورانيوم" في القواميس الأخرى اليورانيوم ضعيف التخصيب

يحتوي اليورانيوم الطبيعي على ثلاثة نظائر لليورانيوم: 238 يو (نسبة الكتلة 99.2745%)، 235 يو (نسبة 0.72%)، و234 يو (نسبة كتلتها 0.0055%). النظير 238 يو هو نظير مستقر نسبيًا، وغير قادر على التفاعل المتسلسل النووي بمفرده، على عكس النظير النادر 235 يو. حاليًا، 235 يو هو المادة الانشطارية الأساسية في المفاعل النووي وسلسلة تكنولوجيا الأسلحة النووية. ومع ذلك، بالنسبة للعديد من التطبيقات تكون نسبة نظير 235 U في اليورانيوم الطبيعي صغيرة، وعادة ما يتضمن إعداد الوقود النووي خطوة تخصيب اليورانيوم.

أسباب الثراء

يشير التفاعل النووي المتسلسل إلى أن نيوترونًا واحدًا على الأقل من اضمحلال ذرة اليورانيوم سيتم أسره بواسطة ذرة أخرى، وبالتالي يتسبب في اضمحلالها. ولتقريب أولي، يعني هذا أن النيوترون يجب أن "يصطدم" بذرة 235 U قبل أن يغادر المفاعل. وهذا يعني أن التصميم الذي يحتوي على اليورانيوم يجب أن يكون مضغوطًا بدرجة كافية بحيث يكون احتمال العثور على ذرة اليورانيوم التالية للنيوترون مرتفعًا جدًا. ولكن مع تشغيل المفاعل، يحترق 235 يو تدريجيًا، مما يقلل من احتمالية الالتقاء بين النيوترون وذرة 235 يو، مما يفرض احتياطيًا معينًا من هذا الاحتمال لبناء المفاعلات. وعليه فإن انخفاض نسبة 235 يو في الوقود النووي يستلزم:

• حجم مفاعل أكبر بحيث يبقى النيوترون فيه لفترة أطول؛
• يجب أن يشغل الوقود نسبة أكبر من حجم المفاعل من أجل زيادة احتمال الاصطدام بين النيوترون وذرة اليورانيوم؛
• في كثير من الأحيان يكون من الضروري إعادة تحميل الوقود بالوقود الطازج من أجل الحفاظ على كثافة حجمية معينة تبلغ 235 وحدة في المفاعل؛
• نسبة عالية من 235 U القيمة في الوقود المستهلك.

وفي عملية تحسين التقنيات النووية، تم العثور على الحلول المثالية اقتصاديًا وتكنولوجيًا التي تتطلب زيادة محتوى 235 يو في الوقود، أي تخصيب اليورانيوم.

في الأسلحة النووية، تكون مهمة التخصيب هي نفسها تقريبًا: من المطلوب أنه في وقت قصير جدًا من الانفجار النووي، يجد الحد الأقصى لعدد ذرات 235 U النيوترون الخاص بها، ويتحلل ويطلق الطاقة. وهذا يتطلب أقصى كثافة حجمية ممكنة تبلغ 235 ذرة يو، ويمكن تحقيقها بأقصى قدر من التخصيب.

مستويات تخصيب اليورانيوم

اليورانيوم الطبيعيمع محتوى 235 U بنسبة 0.72٪، يتم استخدامه في بعض مفاعلات الطاقة (على سبيل المثال، في CANDU الكندية)، في مفاعلات إنتاج البلوتونيوم (على سبيل المثال، A-1).

يسمى اليورانيوم الذي يحتوي على 235 يو بنسبة تصل إلى 20٪ منخفض المخصب(المهندس. اليورانيوم المنخفض التخصيب، LEU). ويستخدم اليورانيوم المخصب بنسبة 2-5% الآن على نطاق واسع في مفاعلات الطاقة حول العالم. ويستخدم اليورانيوم المخصب بنسبة تصل إلى 20% في المفاعلات البحثية والتجريبية.

يسمى اليورانيوم الذي يحتوي على 235 U بنسبة تزيد عن 20٪ غنية للغاية(المهندس. اليورانيوم عالي التخصيب) أو أسلحة. في فجر العصر النووي، تم تصنيع عدة أنواع من الأسلحة النووية من النوع المدفعي على أساس اليورانيوم المخصب بنسبة حوالي 90٪. ويمكن استخدام اليورانيوم عالي التخصيب في الأسلحة النووية الحرارية تلاعب \ عبث(قذيفة ضاغطة) شحنة نووية حرارية. وبالإضافة إلى ذلك، يُستخدم اليورانيوم عالي التخصيب في مفاعلات الطاقة النووية ذات دورات الوقود الطويلة (أي التي لا تزود بالوقود بشكل متكرر أو لا تزود بالوقود على الإطلاق)، مثل مفاعلات المركبات الفضائية أو مفاعلات السفن.

بقايا في مقالب النفايات من مصانع المعالجة يورانيوم منضببمحتوى 235 U بنسبة 0.1-0.3%. ويستخدم على نطاق واسع كنوى لقذائف المدفعية الخارقة للدروع بسبب كثافة اليورانيوم العالية وانخفاض تكلفة اليورانيوم المنضب. ومن المتوقع في المستقبل استخدام اليورانيوم المنضب في مفاعلات النيوترونات السريعة، حيث يمكن تحويل اليورانيوم 238 غير المتسلسل إلى بلوتونيوم 239 الداعم للتفاعل المتسلسل. يمكن استخدام وقود MOX الناتج في مفاعلات الطاقة النيوترونية الحرارية التقليدية.

التقنيات

تمت تجربة العديد من الطرق لتخصيب اليورانيوم الصناعي، ولكن حاليًا تعمل جميع منشآت التخصيب تقريبًا على أساس الطرد المركزي الغازي. جنبا إلى جنب مع الطرد المركزي، تم استخدام طريقة الانتشار الغازي على نطاق واسع في الماضي. في فجر العصر النووي، تم استخدام الطرق الكهرومغناطيسية والانتشار الحراري والديناميكية الهوائية. واليوم، يُظهِر الطرد المركزي أفضل المعايير الاقتصادية لتخصيب اليورانيوم. ومع ذلك، فإن الأبحاث جارية حاليًا حول طرق فصل واعدة، مثل فصل النظائر بالليزر.

إنتاج اليورانيوم المخصب في العالم

يتم حساب أعمال فصل النظائر في وحدات عمل فصل خاصة (SWP، وحدة عمل الفصل باللغة الإنجليزية، SWU). قدرة محطات فصل نظائر اليورانيوم بآلاف وحدات فصل النفايات سنويًا وفقًا لتقرير سوق WNA مع توقعات التطوير.

بلد	شركة، مصنع	2012	2013	2015	2020
روسيا

محتوى المقال

صناعة اليورانيوم.ويعد اليورانيوم مصدر الطاقة الرئيسي للطاقة النووية، حيث يولد حوالي 20% من الكهرباء في العالم. وتغطي صناعة اليورانيوم جميع مراحل إنتاج اليورانيوم، بما في ذلك الاستكشاف والتطوير وإثراء الخام. يمكن اعتبار معالجة اليورانيوم إلى وقود المفاعلات فرعًا طبيعيًا من صناعة اليورانيوم.

موارد.

تقدر موارد اليورانيوم المستكشفة بشكل موثوق في جميع أنحاء العالم، والتي يمكن عزلها من الخام بتكلفة لا تزيد عن 100 دولار للكيلوغرام الواحد، بحوالي 3.3 مليار كيلوغرام من اليورانيوم U 3 O 8 . حوالي 20% منها (حوالي 0.7 مليار كجم من اليورانيوم 3 O 8، سم. الشكل) يقع على أستراليا، تليها الولايات المتحدة الأمريكية (حوالي 0.45 مليار كجم U3O8). تمتلك جنوب أفريقيا وكندا موارد كبيرة لإنتاج اليورانيوم.

إنتاج اليورانيوم.

المراحل الرئيسية لإنتاج اليورانيوم هي استخراج الخام عن طريق التعدين تحت الأرض أو الحفرة المفتوحة، وتخصيب (فرز) الخام واستخراج اليورانيوم من الخام عن طريق الترشيح. في المنجم يتم استخراج خام اليورانيوم من الكتلة الصخرية بطريقة الحفر المتفجر، ويتم فرز الخام المسحوق وسحقه ومن ثم تحويله إلى محلول حمضي قوي (كبريتي) أو محلول قلوي (كربونات الصوديوم وهو الأكثر تفضيلا). في حالة خامات الكربونات). يتم فصل المحلول الذي يحتوي على اليورانيوم عن الجسيمات غير المذابة، ويتم تركيزه وتنقيته عن طريق الامتصاص على راتنجات التبادل الأيوني أو الاستخلاص باستخدام المذيبات العضوية. يتم بعد ذلك ترسيب المركز، الذي يكون عادةً على شكل أكسيد U 3 O 8 المسمى بالكعكة الصفراء، من المحلول، ثم يتم تجفيفه ووضعه في حاويات فولاذية بسعة تقريبية. 1000 لتر.

ويتزايد استخدام الترشيح في الموقع لاستخراج اليورانيوم من الخامات الرسوبية المسامية. يتم دفع المحلول القلوي أو الحمضي بشكل مستمر عبر الآبار المحفورة في الجسم الخام. ويتم تركيز هذا المحلول مع نقل اليورانيوم إليه وتنقيته، ومن ثم يتم الحصول على الكعكة الصفراء منه عن طريق الترسيب.

معالجة اليورانيوم إلى وقود نووي.

يعد مركز اليورانيوم الطبيعي -الكعكة الصفراء- مادة خام في دورة الوقود النووي. لتحويل اليورانيوم الطبيعي إلى وقود يلبي متطلبات المفاعل النووي، هناك حاجة إلى ثلاث مراحل أخرى: التحويل إلى UF 6، وتخصيب اليورانيوم، وإنتاج عناصر الوقود (عناصر الوقود).

التحويل إلى UF6.

لتحويل أكسيد اليورانيوم U3O8 إلى سداسي فلوريد اليورانيوم UF6، يتم عادةً اختزال الكعكة الصفراء باستخدام الأمونيا اللامائية إلى UO2، ومن ثم يتم الحصول على UF4 باستخدام حمض الهيدروفلوريك. في المرحلة الأخيرة، وبالعمل على UF 4 مع الفلور النقي، يتم الحصول على UF 6 - وهو منتج صلب يتسامى في درجة حرارة الغرفة والضغط العادي، ويذوب عند ضغط مرتفع. ويمكن لأكبر خمسة منتجين لليورانيوم (كندا وروسيا والنيجر وكازاخستان وأوزبكستان) أن ينتجوا مجتمعين 65 ألف طن من سادس فلوريد اليورانيوم سنوياً.

تخصيب اليورانيوم.

وفي المرحلة التالية من دورة الوقود النووي، يزداد محتوى U-235 في UF 6. يتكون اليورانيوم الطبيعي من ثلاثة نظائر: U-238 (99.28%)، U-235 (0.71%)، U-234 (0.01%). يتطلب التفاعل الانشطاري في المفاعل النووي محتوى أعلى من نظير اليورانيوم 235. يتم تخصيب اليورانيوم بطريقتين رئيسيتين لفصل النظائر: طريقة نشر الغاز وطريقة الطرد المركزي الغازي. (يتم قياس الطاقة المستهلكة في تخصيب اليورانيوم بوحدات عمل الفصل، SWU.)

وبطريقة انتشار الغاز، يتم تحويل سداسي فلوريد اليورانيوم الصلب UF 6 إلى حالة غازية عن طريق خفض الضغط، ثم يتم ضخه عبر أنابيب مسامية مصنوعة من سبيكة خاصة، يمكن للغاز من خلال جدرانها أن ينتشر. ونظرًا لأن ذرات اليورانيوم-235 لها كتلة أقل من ذرات اليورانيوم-238، فإنها تنتشر بسهولة وسرعة أكبر. أثناء عملية الانتشار، يتم إثراء الغاز بنظير اليورانيوم 235، وينضب الغاز الذي يمر عبر الأنابيب. يتم تمرير الغاز المخصب مرة أخرى عبر الأنابيب، وتستمر العملية حتى يصل محتوى نظير U-235 في العينة إلى المستوى (3-5%) المطلوب لتشغيل مفاعل نووي. (يتطلب اليورانيوم المستخدم في صنع الأسلحة التخصيب إلى مستويات أكبر من 90% من اليورانيوم-235). ويبقى فقط 0.2-0.3% من نظائر اليورانيوم-235 في نفايات التخصيب. تتميز طريقة نشر الغاز بكثافة الطاقة العالية. المصانع المعتمدة على هذه الطريقة متاحة فقط في الولايات المتحدة الأمريكية وفرنسا والصين.

وفي روسيا وبريطانيا العظمى وألمانيا وهولندا واليابان، يتم استخدام طريقة الطرد المركزي، حيث يتم تدوير غاز UF 6 بسرعة كبيرة. نظرًا للاختلاف في كتلة الذرات، وبالتالي في قوى الطرد المركزي المؤثرة على الذرات، يتم إثراء الغاز القريب من محور دوران التدفق بالنظير الخفيف U-235. يتم جمع الغاز المخصب واستخراجه.

تصنيع قضبان الوقود.

ويصل اليورانيوم 6 المخصب إلى المصنع في حاويات فولاذية سعة 2.5 طن. ومنه يتم الحصول على UO 2 F 2 عن طريق التحلل المائي، والذي يتم معالجته بعد ذلك بهيدروكسيد الأمونيوم. يتم ترشيح ثنائي يورانات الأمونيوم المترسب وحرقه لإنتاج ثاني أكسيد اليورانيوم UO 2، والذي يتم ضغطه وتلبده في كريات خزفية صغيرة. توضع الأقراص في أنابيب مصنوعة من سبائك الزركونيوم (Zircaloy) ويتم الحصول على قضبان الوقود، ما يسمى. عناصر الوقود (عناصر الوقود)، والتي تجمع ما يقرب من 200 قطعة في مجموعات وقود كاملة، جاهزة للاستخدام في محطات الطاقة النووية.

الوقود النووي المستهلك شديد الإشعاع ويتطلب احتياطات خاصة أثناء التخزين والتخلص منه. ومن حيث المبدأ، يمكن إعادة معالجته عن طريق فصل المنتجات الانشطارية عن اليورانيوم والبلوتونيوم المتبقيين، والذي يمكن إعادة استخدامه كوقود نووي. لكن مثل هذه المعالجة مكلفة ولا تتوفر المرافق التجارية إلا في عدد قليل من البلدان، مثل فرنسا والمملكة المتحدة.

حجم الإنتاج.

وبحلول منتصف الثمانينيات، ومع فشل الآمال في تحقيق نمو سريع في الطاقة النووية، انخفض إنتاج اليورانيوم بشكل حاد. تم تعليق بناء العديد من المفاعلات الجديدة، وبدأت احتياطيات وقود اليورانيوم تتراكم في المؤسسات القائمة. ومع انهيار الاتحاد السوفييتي، زادت إمدادات اليورانيوم في الغرب بشكل أكبر.

محتوى المقال

صناعة اليورانيوم.ويعد اليورانيوم مصدر الطاقة الرئيسي للطاقة النووية، حيث يولد حوالي 20% من الكهرباء في العالم. وتغطي صناعة اليورانيوم جميع مراحل إنتاج اليورانيوم، بما في ذلك الاستكشاف والتطوير وإثراء الخام. يمكن اعتبار معالجة اليورانيوم إلى وقود المفاعلات فرعًا طبيعيًا من صناعة اليورانيوم.

موارد.

تقدر موارد اليورانيوم المستكشفة بشكل موثوق في جميع أنحاء العالم، والتي يمكن عزلها من الخام بتكلفة لا تزيد عن 100 دولار للكيلوغرام الواحد، بحوالي 3.3 مليار كيلوغرام من اليورانيوم U 3 O 8 . حوالي 20% منها (حوالي 0.7 مليار كجم من اليورانيوم 3 O 8، سم. الشكل) يقع على أستراليا، تليها الولايات المتحدة الأمريكية (حوالي 0.45 مليار كجم U3O8). تمتلك جنوب أفريقيا وكندا موارد كبيرة لإنتاج اليورانيوم.

إنتاج اليورانيوم.

المراحل الرئيسية لإنتاج اليورانيوم هي استخراج الخام عن طريق التعدين تحت الأرض أو الحفرة المفتوحة، وتخصيب (فرز) الخام واستخراج اليورانيوم من الخام عن طريق الترشيح. في المنجم يتم استخراج خام اليورانيوم من الكتلة الصخرية بطريقة الحفر المتفجر، ويتم فرز الخام المسحوق وسحقه ومن ثم تحويله إلى محلول حمضي قوي (كبريتي) أو محلول قلوي (كربونات الصوديوم وهو الأكثر تفضيلا). في حالة خامات الكربونات). يتم فصل المحلول الذي يحتوي على اليورانيوم عن الجسيمات غير المذابة، ويتم تركيزه وتنقيته عن طريق الامتصاص على راتنجات التبادل الأيوني أو الاستخلاص باستخدام المذيبات العضوية. يتم بعد ذلك ترسيب المركز، الذي يكون عادةً على شكل أكسيد U 3 O 8 المسمى بالكعكة الصفراء، من المحلول، ثم يتم تجفيفه ووضعه في حاويات فولاذية بسعة تقريبية. 1000 لتر.

ويتزايد استخدام الترشيح في الموقع لاستخراج اليورانيوم من الخامات الرسوبية المسامية. يتم دفع المحلول القلوي أو الحمضي بشكل مستمر عبر الآبار المحفورة في الجسم الخام. ويتم تركيز هذا المحلول مع نقل اليورانيوم إليه وتنقيته، ومن ثم يتم الحصول على الكعكة الصفراء منه عن طريق الترسيب.

معالجة اليورانيوم إلى وقود نووي.

يعد مركز اليورانيوم الطبيعي -الكعكة الصفراء- مادة خام في دورة الوقود النووي. لتحويل اليورانيوم الطبيعي إلى وقود يلبي متطلبات المفاعل النووي، هناك حاجة إلى ثلاث مراحل أخرى: التحويل إلى UF 6، وتخصيب اليورانيوم، وإنتاج عناصر الوقود (عناصر الوقود).

التحويل إلى UF6.

لتحويل أكسيد اليورانيوم U3O8 إلى سداسي فلوريد اليورانيوم UF6، يتم عادةً اختزال الكعكة الصفراء باستخدام الأمونيا اللامائية إلى UO2، ومن ثم يتم الحصول على UF4 باستخدام حمض الهيدروفلوريك. في المرحلة الأخيرة، وبالعمل على UF 4 مع الفلور النقي، يتم الحصول على UF 6 - وهو منتج صلب يتسامى في درجة حرارة الغرفة والضغط العادي، ويذوب عند ضغط مرتفع. ويمكن لأكبر خمسة منتجين لليورانيوم (كندا وروسيا والنيجر وكازاخستان وأوزبكستان) أن ينتجوا مجتمعين 65 ألف طن من سادس فلوريد اليورانيوم سنوياً.

تخصيب اليورانيوم.

وفي المرحلة التالية من دورة الوقود النووي، يزداد محتوى U-235 في UF 6. يتكون اليورانيوم الطبيعي من ثلاثة نظائر: U-238 (99.28%)، U-235 (0.71%)، U-234 (0.01%). يتطلب التفاعل الانشطاري في المفاعل النووي محتوى أعلى من نظير اليورانيوم 235. يتم تخصيب اليورانيوم بطريقتين رئيسيتين لفصل النظائر: طريقة نشر الغاز وطريقة الطرد المركزي الغازي. (يتم قياس الطاقة المستهلكة في تخصيب اليورانيوم بوحدات عمل الفصل، SWU.)

وبطريقة انتشار الغاز، يتم تحويل سداسي فلوريد اليورانيوم الصلب UF 6 إلى حالة غازية عن طريق خفض الضغط، ثم يتم ضخه عبر أنابيب مسامية مصنوعة من سبيكة خاصة، يمكن للغاز من خلال جدرانها أن ينتشر. ونظرًا لأن ذرات اليورانيوم-235 لها كتلة أقل من ذرات اليورانيوم-238، فإنها تنتشر بسهولة وسرعة أكبر. أثناء عملية الانتشار، يتم إثراء الغاز بنظير اليورانيوم 235، وينضب الغاز الذي يمر عبر الأنابيب. يتم تمرير الغاز المخصب مرة أخرى عبر الأنابيب، وتستمر العملية حتى يصل محتوى نظير U-235 في العينة إلى المستوى (3-5%) المطلوب لتشغيل مفاعل نووي. (يتطلب اليورانيوم المستخدم في صنع الأسلحة التخصيب إلى مستويات أكبر من 90% من اليورانيوم-235). ويبقى فقط 0.2-0.3% من نظائر اليورانيوم-235 في نفايات التخصيب. تتميز طريقة نشر الغاز بكثافة الطاقة العالية. المصانع المعتمدة على هذه الطريقة متاحة فقط في الولايات المتحدة الأمريكية وفرنسا والصين.

وفي روسيا وبريطانيا العظمى وألمانيا وهولندا واليابان، يتم استخدام طريقة الطرد المركزي، حيث يتم تدوير غاز UF 6 بسرعة كبيرة. نظرًا للاختلاف في كتلة الذرات، وبالتالي في قوى الطرد المركزي المؤثرة على الذرات، يتم إثراء الغاز القريب من محور دوران التدفق بالنظير الخفيف U-235. يتم جمع الغاز المخصب واستخراجه.

تصنيع قضبان الوقود.

ويصل اليورانيوم 6 المخصب إلى المصنع في حاويات فولاذية سعة 2.5 طن. ومنه يتم الحصول على UO 2 F 2 عن طريق التحلل المائي، والذي يتم معالجته بعد ذلك بهيدروكسيد الأمونيوم. يتم ترشيح ثنائي يورانات الأمونيوم المترسب وحرقه لإنتاج ثاني أكسيد اليورانيوم UO 2، والذي يتم ضغطه وتلبده في كريات خزفية صغيرة. توضع الأقراص في أنابيب مصنوعة من سبائك الزركونيوم (Zircaloy) ويتم الحصول على قضبان الوقود، ما يسمى. عناصر الوقود (عناصر الوقود)، والتي تجمع ما يقرب من 200 قطعة في مجموعات وقود كاملة، جاهزة للاستخدام في محطات الطاقة النووية.

الوقود النووي المستهلك شديد الإشعاع ويتطلب احتياطات خاصة أثناء التخزين والتخلص منه. ومن حيث المبدأ، يمكن إعادة معالجته عن طريق فصل المنتجات الانشطارية عن اليورانيوم والبلوتونيوم المتبقيين، والذي يمكن إعادة استخدامه كوقود نووي. لكن مثل هذه المعالجة مكلفة ولا تتوفر المرافق التجارية إلا في عدد قليل من البلدان، مثل فرنسا والمملكة المتحدة.

حجم الإنتاج.

وبحلول منتصف الثمانينيات، ومع فشل الآمال في تحقيق نمو سريع في الطاقة النووية، انخفض إنتاج اليورانيوم بشكل حاد. تم تعليق بناء العديد من المفاعلات الجديدة، وبدأت احتياطيات وقود اليورانيوم تتراكم في المؤسسات القائمة. ومع انهيار الاتحاد السوفييتي، زادت إمدادات اليورانيوم في الغرب بشكل أكبر.

تخصيب الوقود النووي، فصل نظير اليورانيوم عالي الانشطار، اليورانيوم 235، عن النظير السائد، اليورانيوم 238. يخضع غاز فلوريد اليورانيوم (VI) لفصل الانتشار، والذي يستخدم سلسلة من الأقسام مع... ... القاموس الموسوعي العلمي والتقني

التخصيب- (1) التفجير، إدخال الأكسجين في الهواء الجوي لتكثيف العملية التكنولوجية أثناء صهر المعادن (انظر)، (2) معالجة المعادن، مجموعة من الطرق المختلفة لمعالجة خامات المعادن الحديدية وغير الحديدية والثمينة والفحم، إلخ.... ... موسوعة البوليتكنيك الكبيرة

معالجة خام اليورانيوم هي مجموعة من العمليات للمعالجة الأولية للمواد الخام المعدنية التي تحتوي على اليورانيوم، بهدف فصل اليورانيوم عن المعادن الأخرى التي يتكون منها الخام. في هذه الحالة لا يحدث تغيير في تركيبة المعادن بل فقط تغير في... ... مصطلحات الطاقة النووية

تخصيب خام اليورانيوم- مجموعة من العمليات للمعالجة الأولية للمواد الخام المعدنية التي تحتوي على اليورانيوم، بهدف فصل اليورانيوم عن المعادن الأخرى التي يتكون منها الخام. وفي هذه الحالة لا يحدث تغيير في تركيبة المعادن وإنما فقط فصلها الميكانيكي عن... ... دليل المترجم الفني

تخصيب الخام بالقياس الإشعاعي هو عملية معالجة خام تعتمد على تفاعل أنواع مختلفة من الإشعاع مع المادة. في تقنية الإثراء الإشعاعي للخامات يتم التمييز بين نوعين من العمليات: الفرز الإشعاعي ... ... ويكيبيديا

- (الفصل المغناطيسي الإنجليزي، التركيز المغناطيسي للمعادن؛ الألمانيةmagnetische Aufbereitung f der Bodenschätze) إثراء المعادن، بناءً على عمل مجال مغناطيسي غير منتظم على الجزيئات المعدنية مع ... ... ويكيبيديا

- (أ. التكرير الكيميائي؛ n. كيمياء Aufbereitung؛ و. التركيز حسب voie chimique، تخصيب chimique؛ i. tratamiento quimico، preparacion quimica، elaboracion quimica) تكنولوجيا المعالجة الأولية للخامات، الجماعية و... ... الموسوعة الجيولوجية

ويعد اليورانيوم مصدر الطاقة الرئيسي للطاقة النووية، حيث يولد حوالي 20% من الكهرباء في العالم. وتغطي صناعة اليورانيوم جميع مراحل إنتاج اليورانيوم، بما في ذلك الاستكشاف والتطوير وإثراء الخام. إعادة التدوير... ... موسوعة كولير

جاهز تقريبًا للانطلاق... ويكيبيديا

عنصر وقود المفاعل النووي الوقود النووي هو مادة تستخدم في المفاعلات النووية لإجراء تفاعل متسلسل للانشطار النووي. المحتويات 1 معلومات عامة 2 التصنيف ... ويكيبيديا

كتب

• "وردة" أصفهان، ميشيل جافين، 2000s. إيران. زلزال يحدث في منطقة مدينة أصفهان ويتسبب في دمار كبير وضحايا. بعد أن أدركت السلطات الإيرانية أنها لا تستطيع التعامل مع الأمر بمفردها، اضطرت إلى اللجوء إلى...

من المحرر:تظهر التقارير الإخبارية حول الأنشطة النووية الإيرانية مرة أخرى أهمية موضوع تخصيب اليورانيوم. يهدف هذا العدد من مجلة SDA إلى دعم النقاش المنطقي بالمعلومات والتحليلات حول حالة وعملية تخصيب اليورانيوم.

تصف المقالة عملية وتقنيات تخصيب اليورانيوم، وتوفر أيضًا خلفية تاريخية قصيرة. في يتم عرض معلومات موجزة عن حالة تشغيل محطات تخصيب اليورانيوم في مختلف دول العالم. يمكنكم اختبار معلوماتكم في مجال تخصيب اليورانيوم من خلال الإجابة .

المادة والجدول والاختبار مبنية على التقرير ، نشرت في أكتوبر 2004 من قبل IEER لمعهد أبحاث السياسة النووية. الروابط موجودة في التقرير

أصبحت المعرفة والقدرات في مجال تخصيب اليورانيوم منتشرة على نطاق واسع في كل من الطاقة النووية وإنشاء الأسلحة النووية. وفي كثير من النواحي، أصبحت هذه العملية خارج نطاق السيطرة بالفعل. ويشكل هذا مصدر قلق خاص في ضوء المقترحات الناشئة التي قد تحفز المزيد من استخدام الطاقة النووية في جميع أنحاء العالم في العقود المقبلة.

على سبيل المثال، لتزويد ألف محطة طاقة نووية بقدرة 1000 ميجاوات بالوقود (مثال شائع في العديد من برامج التطوير النووي) سيتطلب قدرة عالمية على تخصيب اليورانيوم تبلغ حوالي 9 إلى 10 مرات أكبر من الإنتاج العامل حاليًا في الولايات المتحدة. إذا تم استخدام واحد بالمائة من هذه القدرة لإنتاج اليورانيوم عالي التخصيب، فسيتم إنتاج هذه الكميات من اليورانيوم عالي التخصيب سنويًا مما يجعل من الممكن إنشاء ما بين 175 إلى 310 أسلحة نووية. ونظراً لتوسع التجارة في المواد المتخصصة اللازمة لبناء وتشغيل أجهزة الطرد المركزي لتوليد الغاز وغير ذلك من محطات التخصيب، والتي قد تؤدي إلى زيادة إنتاج الطاقة النووية، فإن تحديد شرعية التجارة وتوزيع التكنولوجيات "السلمية" المفترضة سوف يصبح أكثر صعوبة.

ومن المهم أن ننتبه إلى الدول، مثل إيران، التي تحرز حالياً تقدماً في جهودها الرامية إلى حشد الدعم لبرنامج الأسلحة النووية. ومع ذلك، فمن المهم بنفس القدر أن نتذكر مدى انتشار تكنولوجيا تخصيب اليورانيوم ومدى التهديد الذي يمكن أن يتزايد إذا سمح بتطبيق هذه التكنولوجيات في أي مكان في العالم في محاولة لتوسيع استخدام الطاقة النووية. بعبارة أخرى، يتعين علينا ألا نتجاهل البلدان التي تمتلك أسلحة نووية وبرامج طاقة ذرية متقدمة، بل يتعين علينا أن نأخذ في الاعتبار إمكاناتها المبهرة في مجال الانتشار النووي وسجلها الأقل إثارة للإعجاب في هذا المجال 1 . تمتلك القوى النووية الخمس الأطراف في معاهدة منع انتشار الأسلحة النووية ـ الولايات المتحدة، وروسيا، والمملكة المتحدة، وفرنسا، والصين ـ محطات لتخصيب اليورانيوم كانت تستخدم ذات يوم لإنتاج اليورانيوم عالي التخصيب المستخدم في صنع الأسلحة. وتمتلك جميع الدول الخمس أيضًا مرافق تخصيب واسعة النطاق شاركت في إنتاج اليورانيوم منخفض التخصيب (LEU) المستخدم كوقود للمفاعلات النووية الصناعية.

وإلى جانب الدول الخمس المعروفة بأسلحتها النووية، هناك ثلاث دول أخرى فقط لديها منشآت لتخصيب اليورانيوم، والتي تم استخدامها لإنتاج كميات كبيرة من الوقود للمفاعلات النووية الصناعية. ومع ذلك، هناك عدد من الدول الأخرى التي شاركت في تقنيات التخصيب، وبعضها معروف أو يشتبه في أنه يستخدم إمكانات التخصيب لأغراض عسكرية. يتم عرض المعلومات المتوفرة اليوم عن حالة تشغيل محطات تخصيب اليورانيوم في مختلف دول العالم بإيجاز.

وفي باكستان، وهي إحدى الدول التي صنعت أسلحة نووية دون أن تكون طرفاً في معاهدة حظر الانتشار النووي، هناك مصانع قامت فيها بتخصيب اليورانيوم عالي التخصيب لأغراض عسكرية. وكما هو معروف، أنتجت جنوب أفريقيا أيضًا أسلحة نووية باستخدام اليورانيوم المخصب الذي تم الحصول عليه من إنتاجها الخاص. ومن ناحية أخرى، قامت الهند وإسرائيل بتصنيع قنابل ذرية من البلوتونيوم 239 (الذي يتم إنتاجه في المفاعلات النووية عندما يمتص اليورانيوم 238 غير القابل للانشطار نيوترونًا منخفض الطاقة). إن كوريا الشمالية، التي انسحبت من معاهدة منع الانتشار النووي في يناير/كانون الثاني 2003 دون تقديم الإخطار المطلوب قبل ثلاثة أشهر، تثير شكوكاً جدية بأنها أنتجت كميات صغيرة من الأسلحة النووية باستخدام البلوتونيوم. كما تظل مسألة الاستمرار المحتمل لبرنامج تخصيب اليورانيوم في كوريا الشمالية مفتوحة.

أورانوس

عنصر واحد فقط موجود في الطبيعة هو المادة الخام لصنع القنابل الذرية. هذا يورانيوم، العلامة الكيميائية "U" 2. الخاصية المميزة لليورانيوم، الضروري لإنتاج الأسلحة النووية والطاقة الذرية، هي قدرته على الانشطار أو الانقسام إلى جزأين أخف عن طريق التشعيع بالنيوترونات وإطلاق الطاقة في هذه العملية.

يتواجد اليورانيوم الطبيعي (أي ذلك الذي يتم استخراجه من أعماق الأرض) كمزيج من ثلاثة نظائر مختلفة، أي ذرات لها ثلاث كتل ذرية مختلفة، لها في الأساس نفس المادة الكيميائية، ولكن لها خصائص نووية مختلفة. وهذه النظائر هي اليورانيوم-234، واليورانيوم-235، واليورانيوم-238. اليورانيوم 234 هو عنصر تتبع عالي النشاط الإشعاعي موجود في اليورانيوم الطبيعي. اليورانيوم 235 هو المادة الانشطارية الوحيدة الموجودة في الطبيعة بكميات كبيرة. اليورانيوم 238 - يسود هذا النظير في اليورانيوم الطبيعي (99.284% من كتلة عينة اليورانيوم الطبيعي هي اليورانيوم 238)، لكنه لا يمكن انشطاره. ومع ذلك، يمكن فصل اليورانيوم 238 بواسطة نيوترونات عالية الطاقة، مما يؤدي إلى إطلاق كميات كبيرة من الطاقة، ولذلك غالبًا ما يستخدم لزيادة القوة الانفجارية للقنابل النووية الحرارية أو الهيدروجينية.

يتم تلخيص بعض خصائص هذه النظائر الثلاثة الموجودة في اليورانيوم الطبيعي في الجدول 1. وبما أن اليورانيوم 234 يشكل جزءًا صغيرًا جدًا من الكتلة الإجمالية لليورانيوم الطبيعي ولا يستخدم في أي برامج جادة، فسوف نتناول هذا المقال بالتفصيل فقط على النظيرين الآخرين - اليورانيوم 235 واليورانيوم 238.

الجدول 1: ملخص نظائر اليورانيوم

بفضل الكميات الصغيرة من اليورانيوم 235، يمكن لليورانيوم الطبيعي أن يدعم التفاعل المتسلسل في ظل ظروف معينة، وبالتالي فهو وقود لأنواع معينة من المفاعلات (المفاعلات النووية الجرافيتية والمفاعلات النووية للماء الثقيل 3 - والأخيرة تباع تجاريًا من قبل كندا في سوق صناعي). حجم). في أكثر أنواع المفاعلات شيوعًا اليوم (الماء الخفيف النووي)، حيث يعمل الماء العادي كعامل تبريد ومعتدل، للحفاظ على التفاعل، يجب أن تتجاوز حصة اليورانيوم 235 في الوقود 0.7% - مستوى محتواه في الوقود. اليورانيوم الطبيعي.

مجموعة عمليات الإنتاج التي يتم إجراؤها لزيادة نسبة اليورانيوم 235 في كمية محددة من اليورانيوم تسمى "تخصيب اليورانيوم". وهنا يعني مصطلح "التخصيب" زيادة نسبة النظير الانشطاري اليورانيوم 235. تستخدم المفاعلات النووية التي تعمل بالماء الخفيف عادة يورانيوم مخصب بنسبة 3 إلى 5 بالمائة، مما يعني أن الوقود يحتوي على 3 إلى 5 بالمائة من اليورانيوم -235 والباقي هو في الواقع يورانيوم -238. تسمى المادة التي تحتوي على هذا المستوى من اليورانيوم 235 "اليورانيوم منخفض التخصيب" أو LEU.

لا يمكن صنع القنابل الذرية من اليورانيوم الطبيعي أو منخفض التخصيب. إن نسبة اليورانيوم 235 صغيرة جدًا بحيث لا يمكنها إنتاج تفاعل متسلسل "فوق حرج" متزايد في وقت قصير بما يكفي لإحداث انفجار. ولصنع قنبلة ذرية، يجب أن يكون محتوى اليورانيوم U-235 حوالي 20% على الأقل. ومع ذلك، فإن القنبلة المصنوعة من اليورانيوم المخصب إلى هذه الدرجة الدنيا ستكون ضخمة جدًا بحيث لا يمكن توصيلها، لأنها ستتطلب كمية هائلة من اليورانيوم وحتى المزيد من المتفجرات التقليدية لضغطها إلى كتلة فوق حرجة.

ومن الناحية العملية، فإن اليورانيوم، الذي يحتوي على ما لا يقل عن 90% من اليورانيوم 235، قد تم استخدامه بالفعل لصنع أسلحة نووية. وتسمى المادة التي تحتوي على هذا المستوى من التخصيب باليورانيوم عالي التخصيب أو HEU. تم إنشاء القنبلة الذرية التي دمرت هيروشيما في 6 أغسطس 1945 من حوالي 60 كيلوجرامًا من اليورانيوم عالي التخصيب. ويستخدم اليورانيوم عالي التخصيب أيضًا في الأبحاث والمفاعلات النووية البحرية - على حاملات الطائرات والغواصات. قد يكون اليورانيوم عالي التخصيب المخصص لمفاعلات البحوث النووية ذا أهمية خاصة لأولئك الذين يرغبون في ارتكاب أعمال تخريب نووية لأنه أقل أمانًا بشكل عام وغالبًا ما يوجد في المدن أو في حرم الجامعة. وعلى عكس وقود المفاعلات النووية المشعع، فإن اليورانيوم عالي التخصيب غير المشعع لا يشكل خطراً إشعاعياً.

يمكن استخدام نفس العملية والإنتاج لتخصيب اليورانيوم من أجل الوقود في مفاعلات الماء الخفيف الصناعية، أي لإنتاج اليورانيوم المنخفض التخصيب، وكذلك للحصول على اليورانيوم عالي التخصيب لصنع القنابل الذرية. ومن ثم فإن جميع تكنولوجيات تخصيب اليورانيوم تشكل مصادر محتملة لانتشار الأسلحة النووية. وبالإضافة إلى ذلك، فإن اكتشاف بعض الطرق الأخرى لتخصيب اليورانيوم أصعب بكثير، مما يزيد من المخاوف بشأن احتمال وجود برامج غير قانونية.

تخصيب اليورانيوم

وبما أن جميع نظائر اليورانيوم لها نفس الخصائص الكيميائية تقريبًا، فإن الزيادة في نسبة اليورانيوم 235 في العينة تعتمد على الفرق في الكتل الذرية للنظائر (التي تحمل الأرقام التالية: 234، 235، 238). U-238 أثقل بقليل من 1% من U-235. إذا تم تحويل اليورانيوم إلى غاز، فإن الجزيئات التي تحتوي على اليورانيوم 235 الأخف ستتحرك، في المتوسط، بسرعة أعلى (عند درجة حرارة معينة) مقارنة بالجزيئات الأثقل التي تحتوي على اليورانيوم 238.

أثناء عملية التخصيب النموذجية، يتم تقسيم تيار من غاز اليورانيوم الطبيعي الذي يحتوي على اليورانيوم 235 واليورانيوم 238 إلى تيارين بسبب الاختلاف الطفيف في كتلة النظيرين. يصبح أحد التيارين أكثر ثراءً باليورانيوم 235 (تيار اليورانيوم "المخصب")، بينما يصبح الآخر أكثر فقراً بهذا النظير (تيار اليورانيوم "المنضب"، حيث يعني مصطلح "منضب" نسبة أقل من اليورانيوم 235 مقارنة بالنظير الطبيعي. اليورانيوم). يتم عرض المزيد من المعلومات التفصيلية حول عمليات التخصيب أدناه، في الفصل "تقنيات التخصيب" 4.

يتم التعبير عن قدرة مصنع تخصيب اليورانيوم على زيادة نسبة اليورانيوم 235 بوحدات تسمى كيلوغرامات من وحدات العمل المنفصلة (SWU، تنطق "swuz" باللغة الإنجليزية). في المؤسسات على مستوى الإنتاج، تتراوح قدرات المصنع عادة من عدة مئات إلى عدة آلاف من الأطنان المترية من SWU (MTEPP) سنويًا. (1 MTERP = 1000 SWU.) وحدة أعمال الفصل هي وحدة معقدة تعتمد على نسبة اليورانيوم-235 المطلوبة في التيار المخصب وعلى مقدار اليورانيوم-235 المتبقي من مادة البداية في التيار المنضب النظائر. يمكن اعتبار SWU بمثابة مقدار الجهد المطلوب لتحقيق معدل تخصيب محدد. كلما قلت كمية اليورانيوم-235 من المادة الخام التي يجب الاحتفاظ بها في اليورانيوم المنضب، زادت الحاجة إلى استخدام SWU لتحقيق الدرجة المطلوبة من التخصيب 5 .

تعتمد كمية SWU التي توفرها محطة التخصيب بشكل مباشر على كمية الطاقة التي يستهلكها هذا المصنع. إن تقنيتي التخصيب الأكثر شيوعًا اليوم، والموصوفتين بالتفصيل أدناه، تختلفان بشكل كبير في استهلاكهما للطاقة. تتطلب محطات نشر الغازات الحديثة عادةً ما بين 2400 إلى 2500 كيلووات/ساعة من الكهرباء لكل وحدة SWU، في حين تتطلب محطات الطرد المركزي للتغويز 50 إلى 60 كيلووات/ساعة فقط من الكهرباء لكل وحدة SWU.

ولتشغيل مفاعل نووي نموذجي يعمل بالماء الخفيف بقدرة 1000 ميجاوات باستخدام اليورانيوم المخصب كوقود، ستكون هناك حاجة إلى ما يقرب من 100000 إلى 120000 وحدة فصل من خدمات تخصيب اليورانيوم سنويًا. وإذا تم توفير مثل هذا التخصيب عن طريق محطة نشر غازي (مثل تلك العاملة حاليًا في بادوكا، كنتاكي، الولايات المتحدة الأمريكية)، فإن عملية التخصيب سوف تستهلك ما يقرب من 3-4% من حجم الكهرباء المولدة بواسطة هذا المفاعل 6 . ومن ناحية أخرى، إذا تم تخصيب وقود اليورانيوم في أجهزة الطرد المركزي لمولدات الغاز (التي تعمل في أجزاء كثيرة من العالم اليوم)، فإن عملية التخصيب سوف تستهلك أقل من 0.1% من الكهرباء التي تولدها محطة نووية سنوياً.

بالإضافة إلى كيلوغرام من SWU، هناك معلمة مهمة أخرى تستحق النظر فيها. هذه هي كتلة اليورانيوم الطبيعي اللازمة للحصول على الكتلة المطلوبة من اليورانيوم المخصب. وكما هو الحال مع كمية الـ SWU، فإن كمية مادة التغذية المطلوبة ستعتمد أيضًا على درجة التخصيب المطلوبة، بالإضافة إلى كمية اليورانيوم-235 التي تبقى في اليورانيوم المنضب. وستنخفض كمية اليورانيوم الطبيعي المطلوبة مع انخفاض نسبة اليورانيوم 235 التي يجب الاحتفاظ بها في اليورانيوم المنضب.

على سبيل المثال، عند تخصيب اليورانيوم المنخفض التخصيب لمفاعل نووي يعمل بالماء الخفيف، يحتوي التيار المخصب عادةً على 3.6 بالمائة من اليورانيوم -235 (مقارنة بنسبة 0.7 بالمائة في اليورانيوم الطبيعي)، بينما يحتوي التيار الخالي من الدهون على 0.2 إلى 0.3 بالمائة من اليورانيوم -235. لإنتاج كيلوغرام واحد من اليورانيوم المنخفض التخصيب، سيتطلب الأمر حوالي 8 كيلوغرامات من اليورانيوم الطبيعي و4.5 وحدة فصل، إذا كانت الحصة المسموح بها من اليورانيوم-235 في تيار اليورانيوم المنضب تبلغ 0.3%. من ناحية أخرى، إذا بقي 0.2% فقط من اليورانيوم 235 في مجرى الاستنفاد، فستكون هناك حاجة إلى 6.7 كجم فقط من اليورانيوم الطبيعي، ولكن حوالي 5.7 وحدة فصل للتخصيب.

للحصول على كيلوغرام واحد من اليورانيوم عالي التخصيب (أي اليورانيوم الذي يحتوي على 90% من اليورانيوم-235)، ستكون هناك حاجة إلى أكثر من 193 وحدة SWU وما يقرب من 219 كيلوغراماً من اليورانيوم الطبيعي، بشرط بقاء 0.3% من اليورانيوم-235 في اليورانيوم المنضب. وإذا كانت النسبة المقبولة من اليورانيوم 235 في اليورانيوم المنضب هي 0.2%، فسوف تكون هناك حاجة إلى ما يقرب من 228 وحدة SWU وأكثر من 176 كجم من اليورانيوم الطبيعي.

يقدم الجدول 2 ملخصًا للتكاليف (بالنسبة لليورانيوم الطبيعي وخدمات التخصيب) اللازمة لإنتاج كيلوغرام واحد من اليورانيوم المنخفض التخصيب وكيلوغرام واحد من اليورانيوم عالي التخصيب بنسبة 0.2% و0.3% من اليورانيوم-235 في تيار اليورانيوم المنضب.

الجدول 2: تكاليف الحصول على كيلوغرام واحد من اليورانيوم منخفض التخصيب
وكيلوغرام واحد من اليورانيوم عالي التخصيب

LEU = يورانيوم يحتوي على 3.6% من اليورانيوم 235، يستخدم عادةً في مفاعل الماء الخفيف.
HEU = اليورانيوم الذي يحتوي على 90% من اليورانيوم 235، الذي يستخدم عادة لصنع الأسلحة النووية.
SWU = وحدة عمل الفصل
كجم = كيلو جرام

ونظراً لأن الحجم المطلوب من اليورانيوم الطبيعي وSWU في عملية التخصيب يتغير في الاتجاه المعاكس لدرجة محددة من التخصيب، فإن اليورانيوم الطبيعي رخيص، وخدمات التخصيب باهظة الثمن، فإن أصحاب محطات التخصيب سيوافقون على "إطلاق" حصة أكبر من اليورانيوم 235 في التيار المنضب (أي أنه سيكون أكثر ربحية بالنسبة لهم لاستخدام المزيد من اليورانيوم الطبيعي وكميات أقل من SWU). ومن ناحية أخرى، إذا كان اليورانيوم الطبيعي أكثر تكلفة من خدمات التخصيب، فإن أصحاب المصانع سيختارون الخيار المعاكس.

لتخصيب اليورانيوم لصنع قنبلة ذرية تعادل تلك التي أسقطتها الولايات المتحدة على هيروشيما (أي حوالي 60 كجم من اليورانيوم عالي التخصيب)، سيتطلب الأمر ما بين 10.6 إلى 13.1 طن متري من اليورانيوم الطبيعي، بالإضافة إلى 11600 إلى 13700 وحدة فصل للتخصيب. ومع ذلك، فإن إنتاج أنواع أكثر تعقيدًا من الأسلحة النووية سيتطلب أقل بكثير من نصف هذه الكمية. تتطلب الأنواع الحديثة من قنابل اليورانيوم عادةً ما بين 20 إلى 25 كيلوجرامًا فقط من اليورانيوم عالي التخصيب.

إذا تم استخدام اليورانيوم منخفض التخصيب (الذي يحتوي على 3.6% من اليورانيوم-235) كمواد خام لإنتاج اليورانيوم عالي التخصيب بدلاً من اليورانيوم الطبيعي، فعندئذ ستكون هناك حاجة فقط إلى 70-78 وحدة فصل و26-27 كجم من المواد الخام لإنتاج كيلوغرام واحد من اليورانيوم العالي التخصيب. اليورانيوم المخصب. وهذا يعني أن إنتاج اليورانيوم عالي التخصيب المعادل لقنبلة هيروشيما يتطلب تخصيب 1,6 طن فقط من اليورانيوم المنخفض التخصيب، أي أقل من عُشر إجمالي كمية اليورانيوم المنخفض التخصيب اللازمة لتزويد مفاعل نووي بقدرة ألف ميجاوات بالوقود كل عام. وبالتالي، فإن ما يقرب من ثلثي إجمالي خدمات تخصيب اليورانيوم اللازمة لإنتاج اليورانيوم عالي التخصيب المخصص للأسلحة يشارك في تخصيب اليورانيوم من اليورانيوم الطبيعي (0.7% من اليورانيوم -235) إلى اليورانيوم المنخفض التخصيب (3.6% من اليورانيوم -235). ومع ذلك، لا يشارك سوى حوالي ثلث إجمالي حجم الخدمات في إثراء اليورانيوم المنخفض التخصيب مع معالجته النهائية إلى اليورانيوم عالي التخصيب (90% من اليورانيوم - 235)، كما هو موضح في الرسم البياني.

وبالتالي، فإن مخزونات اليورانيوم المنخفض التخصيب، إذا تم الاحتفاظ بها في حالة مناسبة للتخصيب (أي، مثل سداسي فلوريد اليورانيوم)، يمكن أن تصبح المادة الأولية لإنتاج اليورانيوم العالي التخصيب بشكل أسهل وأسرع لاستخدامه في صنع الأسلحة النووية. وهذا هو أحد أخطر جوانب الانتشار الواسع النطاق لتقنيات التخصيب كجزء من انتشار الطاقة النووية.

خدمات التخصيب اللازمة لإنتاج اليورانيوم عالي التخصيب من اليورانيوم الطبيعي

تقنيات الإثراء

تم استخدام أربع تقنيات لتخصيب اليورانيوم على نطاق واسع. ثلاثة منها - انتشار الغاز، والطرد المركزي للغاز، والفوهة/الفصل الديناميكي الهوائي - تعتمد على تحويل اليورانيوم إلى غاز سداسي فلوريد اليورانيوم (UF 6). أما الطريقة الرابعة، وهي الفصل الكهرومغناطيسي، فتعتمد على استخدام غاز اليورانيوم المتأين الذي يتم الحصول عليه من رابع كلوريد اليورانيوم الصلب (UCL 4).

انتشار الغاز

تم استخدام عملية الانتشار الغازي لتخصيب جميع اليورانيوم المنخفض والعالي التخصيب الذي تم إنتاجه في الولايات المتحدة تقريبًا. تم تطوير هذه الطريقة لأول مرة في الأربعينيات كجزء من مشروع مانهاتن واستخدمت جزئيًا لتخصيب اليورانيوم لقنبلة هيروشيما. لقد قامت القوى النووية الخمس المعروفة الأطراف في معاهدة عدم انتشار الأسلحة النووية، في وقت أو آخر، بتشغيل مرافق لنشر الغازات، ولكن حتى الآن لا تزال مثل هذه المرافق تعمل في الولايات المتحدة وفرنسا فقط. وتتطلب عملية الانتشار ضخ اليورانيوم وهو في الحالة الغازية عبر عدد كبير من الحواجز المسامية. هذه عملية كثيفة الاستهلاك للطاقة.

ومن أجل تحويل اليورانيوم إلى الحالة الغازية التي يمكن أن يشارك فيها في عملية الانتشار الغازي، يتم تحويل اليورانيوم الطبيعي إلى سداسي فلوريد اليورانيوم (UF 6). جزيئات سداسي فلوريد اليورانيوم التي تحتوي على ذرات اليورانيوم 235، كونها أخف قليلاً، سوف تتحرك عبر كل حاجز بدرجة انفصال أعلى قليلاً من تلك التي تحتوي على ذرات اليورانيوم 238. لتصور هذه العملية، يمكننا أن نعطي مثالا على نفخ الرمال من خلال العديد من المناخل. سوف تمر حبيبات الرمل الصغيرة بشكل تفضيلي عبر كل منخل، وبالتالي، بعد كل مرحلة غربلة، ستشكل نسبة مئوية أعلى قليلاً من إجمالي حجم حبيبات الرمل مقارنة بالنسبة المئوية التي كانت عليها في مرحلة الغربلة السابقة. يظهر في الشكل 1 رسم تخطيطي لإحدى مراحل الفحص هذه في منشأة نشر الغاز.

الفرق في الكتل، وبالتالي في السرعات، لجزيئات UF 6 التي تحتوي على U-235 وU-238 صغير. وبالتالي، فإن تخصيب كميات كبيرة من اليورانيوم صناعياً أو عسكرياً يتطلب آلاف مراحل التخصيب. وفي محطة الانتشار الغازي، يتم بناء المراحل على شكل “شلالات”، مما يسمح لكل مرحلة بزيادة التخصيب الذي تم الحصول عليه في المراحل السابقة، وكذلك استخدام تدفق اليورانيوم المنضب بكفاءة أكبر. لفهم حجم هذا الإنتاج، عليك أن تعرف أنه في وقت بناء محطة نشر الغاز، التي بنيت في أوائل الأربعينيات في أوك ريدج، تينيسي، الولايات المتحدة الأمريكية، كانت أكبر منشأة صناعية في العالم.

إن المهمة الأكثر صعوبة عند إنشاء محطة نشر غازية هي إنتاج حواجز نفاذية ضرورية لتشغيل الناشرات. يجب أن تكون المواد المستخدمة في صناعة هذه الحواجز متينة للغاية وقادرة على الحفاظ على نفس قطر المسام على مدى عدة سنوات من تشغيل المصنع. وهذه مهمة صعبة للغاية عند استخدام غاز سداسي فلوريد اليورانيوم، وهو غاز شديد التآكل. يبلغ سمك الحواجز النموذجية 5 ملم فقط (أقل من 0.2 بوصة)، ويبلغ قطر فتحاتها 30 إلى 300 مرة فقط قطر ذرة يورانيوم واحدة.

بالإضافة إلى أنها تتطلب كميات كبيرة من الطاقة الكهربائية لتشغيل المحطة، فإن الضواغط في محطات الانتشار الغازي تولد أيضًا الكثير من الحرارة التي يجب تبديدها. في المنشآت الأمريكية، يحدث نقل الحرارة باستخدام مركبات الكلوروفلوروكربون المستنفدة للأوزون (CFCs)، مثل غاز التبريد CFC-114 (غالبًا ما يسمى الفريون أو الفريون 114). تم تقييد إنتاج واستيراد واستخدام مركبات الكربون الكلورية فلورية بشدة في عام 1987 بموجب بروتوكول مونتريال بشأن المواد المستنفدة لطبقة الأوزون، والذي نفذته الولايات المتحدة من خلال تعديلات عام 1990 على قانون مكافحة تلوث الهواء (قانون الهواء النظيف).

ونتيجة لهذه التدابير، توقف إنتاج الفريون في الولايات المتحدة في عام 1995. ومن عام 1991 إلى عام 2002، انخفضت انبعاثات هذه المادة في الغلاف الجوي من كبار المستهلكين في الولايات المتحدة بنسبة 60٪ تقريبًا. ومع ذلك، ظلت الانبعاثات الصادرة من محطة نشر الغاز في بادوكا بولاية كنتاكي بالولايات المتحدة الأمريكية على حالها تقريبًا خلال هذه الفترة، حيث انخفضت بنسبة 7٪ فقط من عام 1989 إلى عام 2002. وفي عام 2002، أطلق مصنع التخصيب في بادوكا أكثر من 197.3 طناً مترياً من غاز الفريون إلى الغلاف الجوي من خلال الأنابيب المتسربة وغيرها من المعدات. ساهمت هذه المنشأة وحدها بأكثر من 55% من إجمالي انبعاثات مركبات الكربون الكلورية فلورية المستنفدة للأوزون من جميع منشآت التصنيع الكبرى في الولايات المتحدة في عام 2002.

نظرًا لعدم إنتاج الفريون في الولايات المتحدة منذ عام 1995، تبحث الشركة الأمريكية لتخصيب اليورانيوم (USEC) 7 حاليًا عن مبرد لا يحتوي على مركبات الكربون الكلورية فلورية. ولكن أي مواد تبريد أخرى سوف تظل قادرة على احتجاز الحرارة، وبالتالي، حتى لو لم تشكل تهديداً لطبقة الأوزون، فإنها ستظل تشكل خطراً محتملاً من حيث الانحباس الحراري العالمي وتغير المناخ.

السمة المميزة لمنشآت الانتشار الغازي - الإطلاق الكبير للحرارة - تجعل من الممكن تحديد تلك التي يتجاوز تشغيلها بشكل ملحوظ 100 MTERP سنويًا. ومع ذلك، من المرجح أن تكون هذه المعلومات ذات صلة فقط بتحديد الأنشطة في المنشآت المعروفة، وليس في المواقع غير القانونية، نظرًا لوجود العديد من العمليات الصناعية الأخرى التي تنتج كميات كبيرة من الحرارة. لذلك، على الرغم من أنه يكاد يكون من المستحيل إخفاء مرافق تخصيب اليورانيوم مثل محطات الانتشار الغازي بسبب حجمها ومتطلباتها من الطاقة وتوليد الحرارة، إلا أنه لا يزال من الصعب للغاية تحديد أي جسم من مسافة بعيدة دون الوصول إلى العينات البيئية في المناطق المحيطة (مثل عينات التربة) التي قد تشير بقوة إلى وجود اليورانيوم المخصب.

الطرد المركزي للغاز

وفي الوقت الحالي، يعد الطرد المركزي بالغاز الطريقة الرئيسية لتخصيب اليورانيوم في العالم. تمت مناقشة هذه التكنولوجيا في الولايات المتحدة كجزء من مشروع مانهاتن، ولكن تم تطوير طرق مثل الانتشار الغازي والفصل الكهرومغناطيسي من أجل الإنتاج على نطاق واسع. وفي وقت لاحق، تم تطوير طريقة الطرد المركزي في روسيا من قبل مجموعة من المتخصصين بقيادة علماء نمساويين وألمان تم أسرهم خلال الحرب العالمية الثانية. بمرور الوقت، تم إطلاق سراح رئيس المجموعة العلمية في روسيا. وقد جلب هذه التكنولوجيا لأول مرة إلى الولايات المتحدة ومن ثم إلى أوروبا، حيث بدأ بإدخال هذه الطريقة لتخصيب الوقود النووي الصناعي.

يعد الطرد المركزي طريقة شائعة تستخدم لمجموعة متنوعة من الأغراض، مثل فصل البلازما عن خلايا الدم الحمراء الأثقل. تعمل دورة الدوران في الغسالة على مبدأ طرد مركزي مماثل. أثناء عملية التخصيب، يتم تغذية غاز سداسي فلوريد اليورانيوم في أسطوانات سريعة الدوران. ولتحقيق أقصى درجة من التخصيب في كل مرحلة، فإن أجهزة الطرد المركزي الحديثة قادرة على الدوران بسرعات قريبة من سرعة الصوت. ولهذا السبب، من الصعب للغاية التحكم في عملية الطرد المركزي، لأنه مع درجة عالية من الدوران، من الضروري أن يكون جهاز الطرد المركزي متينًا ومتوازنًا تمامًا تقريبًا وجاهزًا للعمل بهذا الشكل لسنوات عديدة دون التوقف للصيانة .

داخل جهاز طرد مركزي دوار، تتحرك الجزيئات الأثقل التي تحتوي على ذرات اليورانيوم 238 بشكل تفضيلي نحو الجزء الخارجي من الأسطوانة، بينما تظل الجزيئات الأخف التي تحتوي على اليورانيوم 235 أقرب إلى المحور المركزي. ثم يبدأ الغاز الموجود في هذه الأسطوانة بالدوران من الأسفل إلى الأعلى، دافعًا اليورانيوم المنضب، الأقرب إلى الجدار الخارجي، نحو الأعلى، والغاز المخصب باليورانيوم 235 من المركز نحو الأسفل. يمكن بعد ذلك إزالة التيارين، أحدهما غني والآخر هزيل، من جهاز الطرد المركزي وإدخالهما في مراحل متجاورة لتكوين السلسلة المتعاقبة الموصوفة أعلاه مع أجهزة نشر في محطات الانتشار الغازي. يظهر الرسم التخطيطي لجهاز الطرد المركزي هذا في الشكل 2.

على غرار عملية الانتشار الغازي، يتطلب تخصيب اليورانيوم عن طريق الطرد المركزي الغازي آلاف إلى عشرات الآلاف من الخطوات لتخصيب كميات كبيرة من اليورانيوم للأغراض الصناعية أو العسكرية. بالإضافة إلى ذلك، مثل محطات الانتشار الغازي، يجب أن تستخدم محطات الطرد المركزي مواد خاصة لمنع التآكل الناجم عن سداسي فلوريد اليورانيوم، والذي، عند تفاعله مع الرطوبة، يمكن أن يشكل غاز حمض الهيدروفلوريك شديد التآكل. ومن أهم مميزات الطرد المركزي الغازي عن عملية نشر الغاز أنه عندما يتم تحقيق نفس درجة التخصيب فإن هذه العملية تتطلب كهرباء أقل بنسبة 40-50 مرة. كما يساعد استخدام أجهزة الطرد المركزي على تقليل كمية الحرارة المستخدمة التي تتولد عند ضغط غاز UF 6، وبالتالي تقليل كمية مواد التبريد مثل الفريون المطلوبة.

على الرغم من أن قوة الفصل في كل مرحلة أكبر من قوة عملية الانتشار الغازي، إلا أنها تتطلب عادةً يورانيوم أقل بكثير، والذي يمكن طرده بالطرد المركزي خلال كل مرحلة في وقت معين. أجهزة الطرد المركزي الحديثة التقليدية قادرة على تحقيق ما يقرب من 2 إلى 4 وحدات SWU سنويًا. وعلى هذا فإن الأمر سوف يتطلب ما بين 3000 إلى 7000 جهاز طرد مركزي لتخصيب ما يكفي من اليورانيوم عالي التخصيب المخصص لصنع الأسلحة سنوياً لاستخدامه في إنتاج سلاح نووي يعادل ذلك الذي ألقي على هيروشيما. يمكن أن يستهلك هذا الإنتاج ما بين 580.000 إلى 816.000 كيلووات في الساعة من الكهرباء، والتي يمكن توفيرها من خلال منشأة بقدرة أقل من 100 كيلووات. ومع إنشاء أنواع حديثة من الأسلحة، يمكن تخفيض هذه الأرقام إلى 1000-3000 جهاز طرد مركزي و193.000-340.000 كيلوواط ساعة.

ومن المتوقع أن تكون درجة التخصيب في كل مرحلة في نماذج أجهزة الطرد المركزي الحديثة أكبر بعشر مرات من تلك التي تحققها أجهزة الطرد المركزي العاملة حاليا. وهذا يمكن أن يؤدي إلى مزيد من التخفيض في تكاليف إنتاج اليورانيوم عالي التخصيب. وقالت المصادر إن بيع نموذج أقدم من أجهزة الطرد المركزي الأوروبية لدول مثل ليبيا وإيران وكوريا الشمالية من خلال شبكة يقودها تنظيم القاعدة. ويشعر خان، الذي قاد سابقاً برنامج الأسلحة النووية الباكستاني، بالقلق بشكل خاص من منظور الانتشار النووي لأن أجهزة الطرد المركزي أصغر حجماً وتتطلب طاقة أقل أثناء عملية التخصيب.

الطريقة الكهرومغناطيسية لفصل النظائر المشعة لليورانيوم (EMIS)

الطريقة الكهرومغناطيسية لفصل النظائر المشعة هي نوع ثالث من تخصيب اليورانيوم الذي تم استخدامه على نطاق واسع في الماضي. تم تطوير منشأة الفصل الكهرومغناطيسي كجزء من مشروع مانهاتن في أوك ريدج بولاية تينيسي. تم استخدام هذه الطريقة لتخصيب اليورانيوم الطبيعي ثم تخصيب اليورانيوم المعالج أصلاً في محطة الانتشار الغازي، والتي كانت موجودة أيضًا في محطة أوك ريدج. تم تعليق استخدام هذا التثبيت مباشرة بعد الحرب بسبب تكلفته العالية وانخفاض إنتاجيته.

ابتكر العراق هذه التكنولوجيا في الثمانينات كجزء من برنامج اليورانيوم عالي التخصيب بسبب بساطته النسبية. ومع ذلك، فقد أنتجت كميات صغيرة فقط من اليورانيوم متوسط ​​التخصيب (أكثر من 20٪ فقط).

تعتمد عملية الفصل الكهرومغناطيسي على حقيقة أن الجسيم المشحون، الذي يتحرك في مجال مغناطيسي، يتبع مسارًا منحنيًا، يعتمد نصف قطره على كتلة الجسيم. ستدور الجسيمات الأثقل أكثر من الجسيمات الأخف، بشرط أن تكون الجسيمات مشحونة بالتساوي وتتحرك بنفس السرعة.

في عملية التخصيب، يتم تأين رابع كلوريد اليورانيوم إلى بلازما اليورانيوم، أي يتم تسخين المركب الصلب UCL 4 لتكوين غاز، والذي يتم بعد ذلك تشعيعه بالإلكترونات لإنتاج ذرات اليورانيوم الحرة التي فقدت إلكترونات وتصبح مشحونة بشكل إيجابي. يتم بعد ذلك تسريع أيونات اليورانيوم وتمريرها عبر مجال مغناطيسي قوي. وبعد إتمام نصف الدورة، تنقسم حزمة ذرات اليورانيوم المتأين إلى جزء منضب يقع بالقرب من الجدار الخارجي، وإلى جزء مخصب باليورانيوم 235 يقع بالقرب من الجدار الداخلي.

نظرًا لاستهلاك الطاقة المرتفع عند إنشاء مجال مغناطيسي قوي، فضلاً عن انخفاض معدل اختيار مادة اليورانيوم الأولية، بالإضافة إلى التشغيل الأبطأ والأقل ملاءمة لمثل هذا التثبيت، فإن طريقة الفصل الكهرومغناطيسي غير واعدة بالنسبة للصناعات محطات التخصيب على نطاق واسع، خاصة في ظل وجود نماذج متطورة للغاية من أجهزة الطرد المركزي المولدة للغاز.

الفوهة/الفصل الديناميكي الهوائي

وتسمى أحدث عملية لتخصيب اليورانيوم والتي أصبحت مستخدمة على نطاق واسع بالفصل الديناميكي الهوائي. تم تطوير هذه العملية لأول مرة في ألمانيا واستخدمتها حكومة جنوب أفريقيا في عهد الفصل العنصري في مصنع من المفترض أنه تم بناؤه لتوفير اليورانيوم المنخفض التخصيب لمحطات الطاقة النووية الصناعية في جنوب أفريقيا، وكذلك لإنتاج كميات صغيرة من اليورانيوم عالي التخصيب كوقود. مفاعل الأبحاث النووية. وفي الواقع، قام مصنع التخصيب هذا أيضًا بتزويد حوالي 400 كيلوغرام من اليورانيوم المخصب بنسبة تزيد عن 80% للأغراض العسكرية. وفي أوائل التسعينيات، أعلن رئيس جنوب أفريقيا فريدريك دي كليرك وقف جميع الأنشطة النووية العسكرية وتدمير جميع القنابل الموجودة. وقد اكتملت هذه المهام بعد مرور عام ونصف، مباشرة بعد أن أصبحت جنوب أفريقيا طرفاً في معاهدة حظر الانتشار النووي وقبل أن تدخل عمليات التحقق والضمانات التي تقوم بها الوكالة الدولية للطاقة الذرية حيز التنفيذ.

يحقق فصل النظائر الديناميكية الهوائية (الذي يتضمن فوهة وموجة حلزونية) التخصيب بطريقة مشابهة للطرد المركزي للغاز، حيث يتم دفع الغاز على طول مسار منحني يحرك الجزيئات الأثقل التي تحتوي على اليورانيوم 238 باتجاه الجدار الخارجي، والجزيئات الأخف وزنًا التي تحتوي على اليورانيوم 235 تبقى أقرب إلى الداخل. وفي منشآت الفوهات، يتم إزاحة غاز سداسي فلوريد اليورانيوم تحت ضغط غاز الهيليوم أو الهيدروجين لزيادة معدل تدفق الغاز. يتم بعد ذلك تمرير هذا المركب عبر عدد من الأنابيب الدائرية الصغيرة التي تفصل التيار الغني الداخلي عن التيار العجاف الخارجي.

يعد الفصل الفوهي/الديناميكي الهوائي واحدًا من أقل تقنيات التخصيب المستخدمة اقتصادًا، لا سيما في ضوء الصعوبات التقنية في إنتاج فوهات الفصل وارتفاع استهلاك الطاقة عند ضغط سادس فلوريد اليورانيوم وخليط الغاز الحامل. كما هو الحال في محطات نشر الغاز، أثناء تشغيل محطة الفصل الديناميكي الهوائي، يتم أيضًا توليد كميات كبيرة من الحرارة، والتي بدورها تتطلب عددًا كبيرًا من المبردات مثل الفريون.

تقنيات أخرى

هناك عدد من الطرق الأخرى لتخصيب اليورانيوم. هذه هي AVLIS - تقنية فصل النظائر بالليزر في الشكل الذري، MLIS - الطريقة الجزيئية لفصل النظائر بالليزر، CRISLA - التفاعل الكيميائي من خلال التنشيط الانتقائي بالليزر النظائري، بالإضافة إلى الإثراء الكيميائي والأيوني، والتي تم تطويرها أيضًا، ولكنها لا تزال بشكل أساسي في مرحلة الاختبار أو العرض ولم تستخدم لتخصيب اليورانيوم لأغراض صناعية أو عسكرية.

تستخدم عمليات مثل AVLIS وCRISLA وMLIS الاختلاف الطفيف في الخواص الذرية لليورانيوم-235 واليورانيوم-238 لإثارة أو تأين أحد النظائر بشكل تفضيلي على الآخر باستخدام أشعة ليزر عالية الطاقة. تستخدم طريقة AVLIS معدن اليورانيوم كمادة أولية وتستخدم المجالات الكهروستاتيكية لفصل أيونات U-235 المشحونة بشكل إيجابي عن ذرات U-238 غير المشحونة. تستخدم تقنيات MLIS وCRISLA سداسي فلوريد اليورانيوم كمادة أولية، مقترنًا بغازات معالجة أخرى، وتستخدم ليزرين مختلفين لإثارة جزيئات سداسي فلوريد اليورانيوم المحتوية على اليورانيوم -235 ثم تغييرها كيميائيًا، والتي يمكن بعد ذلك فصلها عن الجزيئات الأخرى التي تحتوي على اليورانيوم -238 والتي لم تتعرض لليزر. تم تطوير تقنية AVLIS من قبل الشركة الأمريكية لتخصيب اليورانيوم للاستخدام الصناعي، ولكن تم التخلي عنها في أواخر التسعينيات بسبب عدم ربحيتها. وفي الوقت نفسه، توقفت الدول الأخرى أيضًا عن استخدام جميع برامج الإنتاج المعروفة بتقنيات AVLIS وMLIS. ومع ذلك، لا يزال هناك القليل من العمل الجاري في مواقع الأبحاث المقترحة حيث تُستخدم هذه التقنيات لفصل نظائر اليورانيوم، بالإضافة إلى النويدات المشعة الأخرى، بما في ذلك البلوتونيوم.

هناك أيضًا طريقة للتخصيب تستخدم اختلافات بسيطة في الخواص الكيميائية للنظائر لفصل اليورانيوم-235 عن اليورانيوم-238. هذه هي ما يسمى بعمليات التخصيب الكيميائي والأيوني، والتي تم تطويرها في إطار البرامج الحكومية في فرنسا واليابان. وباستخدام محاليل خاصة، يمكن فصل اليورانيوم إلى جزء مخصب موجود في تيار مذيب واحد، وجزء منضب موجود في تيار مذيب آخر لا يختلط مع الأول، تماما مثل الزيت والماء. وقد تم استخدام تكنولوجيا التخصيب هذه في العراق. حتى الآن، تم إغلاق جميع البرامج المعروفة التي تتضمن هذه الطريقة، على الأقل منذ أوائل التسعينيات.

لم يتم عرض كل تقنيات التخصيب هذه على نطاق واسع، على الرغم من أن بعضها، مثل AVLIS، قطعت شوطًا أطول في تطويرها، مما قد يدفعها إلى مستوى التطبيق في مرافق الإنتاج. ولا يزال الاستخدام المحتمل لمثل هذه التكنولوجيات البديلة في تخصيب اليورانيوم في برامج غير قانونية يثير المخاوف، لا سيما إذا كانت فعالية المحطة من حيث التكلفة لا تشكل مشكلة وكان المقصود منها فقط إنتاج كمية صغيرة إلى حد ما من اليورانيوم عالي التخصيب اللازمة لصنع قنبلة واحدة أو قنبلتين. كل سنة. ومع ذلك، اليوم التكنولوجيا الرئيسية لتخصيب اليورانيوم الصناعي في المستقبل للطاقة النووية واحتمال انتشار الأسلحة النووية يبقى الطرد المركزي الغازي.