اليورانيوم

إنتاج اليورانيوم وقودًا نوويًا ينطوي على عدة خطوات
تحمل الشاحنات خام اليورانيوم من المنجم إلى وحدات المعالجة
وهناك تنتج ركازة يورانيوم تسمى الكعك الأصفر
وبعد عدد من المعالجات الكثيرة يضغط اليورانيوم إلى كريات يورانيوم

اليورانيوم فلز مشع أبيض فضي اللون
رمزه الكيميائي U
وهو مصدر الطاقة المستخدمة في توليد الطاقة الكهربائية في كل محطات القدرة النووية التجارية الكبيرة
فبإمكان قطعة من اليورانيوم في حجم كرة المضرب إطلاق كمية من الطاقة
تساوي كمية الطاقة التي تطلقها حمولة من الفحم الحجري يبلغ وزنها ثلاثة ملايين ضعف وزن قطعة اليورانيوم
وينتج اليورانيوم أيضًا الانفجارات الهائلة لبعض الأسلحة النووية.

واليورانيوم هو أثقل عنصر موجود في الطبيعة و هو ثاني أثقل عنصر مستقر بعد البلوتونيوم

إستخداماته
========
ويستغل المهندسون ثقل اليورانيوم في عدد من التطبيقات
حيث يستخدمون اليورانيوم في البوصلات الدوارة في الطائرات
لحفظ توازن الجنيحات وغيرها من سطوح التحكم في الطائرات والمركبات الفضائية
وللوقاية من الإشعاع باستخدام اليورانيوم غطاء
واليورانيوم المستخدم في هذه التطبيقات ذو خاصية إشعاعية ضعيفة جدًا
ويستخدم اليورانيوم أيضًا لتحديد أعمار الصخور والمياه الجوفية وترسبات الترافرتين (أحد أشكال الحجر الجيري) في المواقع الأثرية

نسبة تواجده في الطبيعه
===============
يوجد اليورانيوم أساسًا في الصخور
ولكن بتركيزات منخفضة جدًا
ففي المتوسط يوجد 26 رطلاً فقط من اليورانيوم في كل مليون رطل من القشرة الأرضية
ويوجد اليورانيوم بتركيزات أقل من ذلك في الأنهار والبحيرات والمحيطات وغيرها من الأجسام المائية
حيث يوجد ما بين 0,1 رطل و10 أرطال من اليورانيوم في كل بليون رطل من الماء
بما تحتويه من مواد محتوية على اليورانيوم.

مصادر اليورانيوم
============
اليورانيوم يوجد في معظم القارات
توضح الخريطة المواقع المعروفة لرواسب اليورانيوم الرئيسية
تمتلك الولايات المتحدة أكبر الرواسب
تليها كندا ثم أستراليا
ولا تتوفر معلومات عن رواسب اليورانيوم في بعض الأقطار

المصادر الأساسيه لليورانيوم
=================
المصدر الأساسي لليورانيوم هو اليورانينيت
ومن أهم أنواعه البتشبلند
الذي اكتشف فيه اليورانيوم لأول مرة
ومن الخامات الرئيسية الأخرى اليورانوفان والكوفينيت والكارنوتيت
وقد يحتوي الحجر الجيري والطفل والفوسفات على ترسبات قيمة من خامات اليورانيوم
بينما يحتوي الجرانيت عادة على كميات قليلة من اليورانيوم

وفي نهاية تسعينيات القرن العشرين بلغ إجمالي وزن اليورانيوم القابل للتعدين بتكاليف معقولة حوالي 2,700,000 طن متري
ويبلغ إنتاج العالم السنوي من اليورانيوم حوالي 35,000 طن متري
وتأتي كندا في مقدمة الدول المنتجة لليورانيوم في العالم
حيث تنتج منطقة ساسكاتشوان أكثر من نصف ما تنتجه كندا من اليورانيوم

نظائر اليورانيوم
==========
يوجد اليورانيوم في الطبيعة في ثلاثة نظائر (أشكال)
عددها الذري (عدد البروتونات في النواة) 92
ولكل من هذه النظائر عدد مختلف من النيوترونات
ولذلك تختلف هذه النظائر في العدد الكتلي الذري (مجموع عدد البروتونات والنيوترونات في النواة)
ويحتوي أخف هذه النظائر على 92 بروتونًا و142 نيوترونًا
بعدد إجمالي قدره 234 من الجسيمات النووية ويسمى هذا النظير اليورانيوم 234
والنظيران الطبيعيان الآخران
لليورانيوم هما اليورانيوم 235 واليورانيوم 238
ويحتويان على 143 نيوترونًا و146 نيوترونًا على التوالي
ويشكل اليورانيوم 238 حوالي 99,28% من إجمالي اليورانيوم الطبيعي
بينما يمثل اليورانيوم 235 حوالي 0,71%
واليورانيوم 234 حوالي 0,006%

ويعرف اليورانيوم 238 باليورانيوم المستنفد
أو الخامد
أو المنضّب

واليورانيوم 235 هو النظير الطبيعي الوحيد الذي يمكن إخضاع نواته لعملية الانشطار
أي الانشقاق إلى نصفينوتنطلق عن عملية الانشطار الطاقة النووية المستخدمة في محطات القدرة وفي الأسلحة

خواص اليورانيوم
============
الوزن الذري لليورانيوم 238,0289
وكثافته عند 25°م = 19,05جم لكل سنتيمتر مكعب
و ينصهر اليورانيوم عند 1,132°م
ويغلي عند 3,818°م
وهو ينتمي إلى مجموعة العناصر المسماة سلسلة الأكتينيدات

يتحد اليورانيوم بسهولة مع العناصر الأخرى
ويوجد في الطبيعة عادة مكونًا مركبات مع الأكسجين
وفي معظم المياه السطحية والجوفية يوجد اليورانيوم في شكل أكسيد أو كربونات أو فوسفات أو فلوريد أو كبريتات
وبالإضافة إلى ذلك
يتفاعل اليورانيوم مع الأحماض مكونًا مركبات تسمى أملاح اليورانيل
وكل مركبات اليورانيوم عالية السمية

النشاط الإشعاعي
===========
كل نظائر اليورانيوم مشعة
حيث تنحل (تتفتت) نوى ذراتها مطلقةجسيمات وطاقة
وخاصة جسيمات ألفا وجسيمات بيتا وأشعة جاما
وعندما ينحل النظير يتحول إلى نظير آخر
وبحدوث سلسلة من الانحلالات يتحول اليورانيوم في النهاية إلى نظير للرصاص غير مشع

ويقيس العلماء معدل إشعاع أي نظير على أساس عمره النصفي
أي الفترة الزمنية التي يتبقى بعدها نصف عدد الذرات المكونة لعينة من النظير في شكل ذرات لذلك النظير

ولنظائر اليورانيوم أعمار نصفية طويلة
فالعمر النصفي لليورانيوم 238 يبلغ حوالي 4,5 بليون عام
ولليورانيوم 235 حوالي 700 مليون عام
ولليورانيوم 234 حوالي 250,000 عام

ويعتقد أن جزءًا كبيرًا من حرارة باطن الأرض ينتج عن الإشعاع الصادر عن اليورانيوم

قابلية الانشطار
=========
ينشطر اليورانيوم 235 إلى شظيتين عند قذفه بنيوترون
وتنطلق عن ذلك طاقة
كما ينطلق نيوترونان أو أكثر
وتسبب هذه النيوترونات بدورها انشطار نوى أخرى
مطلقة أيضًا طاقة ونيوترونات
وتحت ظروف معينة يمكن لهذه العملية أن تستمر في سلسلة من الانشطارات ذاتية الاستمرار تسمى التفاعل السلسلي

ولا تنشطر نواة اليورانيوم 238 عند قذفها بنيوترون إلا نادرًاوذلك لأنها عادة تمتص النيوترونات التي تصطدم بها
يعدَّين اليورانيوم ومعالجته
================
تعدين اليورانيوم تستخدم شركات التنقيب ثلاث طرق رئيسية لاستخراج اليورانيوم من
الأرض
1- التعدين المحلولي المكاني
2- التعدين المكشوف
3- التعدين الأرضي

التعدين المحلولي المكاني
=================
يبدأ التعدين المحلولي المكاني بضخ محلول خاص عبر ثقوب تحفر في باطن الأرض لتذويب أكاسيد اليورانيوم
ويضخ المحلول المحتوي على الأكاسيد بعد ذلك إلى حاويات موضوعة على السطح

وفي كل الحالات تقريبًا
تكون الثقوب المستخدمة في التعدين المحلولي المكاني محفورة مسبقًا ضمن جهود التنقيب عن ترسبات اليورانيوم
حيث يستخدمها المنقبون
أثناء عمليات الاستكشاف الأولية لإنزال كاشفات الإشعاع

التعدين المكشوف
===========
في هذا النوع من التعدين تستخدم المتفجرات لتفتيت الصخور والترب التي تغطي ترسبات اليورانيوم قرب سطح الأرض
يحفر المنقبون ثقوبًا تملأ بالمتفجرات
وبعد الانفجارات تستخدم جرافات ضخمة لإبعاد الكتل الصخرية
ثم تستخدم جرافات أصغر لاستخراج خام اليورانيوم

التعدين الأرضي
==========
يستخدم التعدين الأرضي في حالة وجود خام اليورانيوم بعيدًا عن السطح
تحفر شركات التنقيب أنفاقًا داخل الترسبات
وبعد ذلك يحفر المنقبون ثقوبًا داخل جدران الأنفاق لملئها بالمتفجرات التي تخلخل الخامثم يضعون الخام في دلاء ترفع إلى السطح

تكرير ومعالجة خام اليورانيوم
===================
ينقل الخام من المنجم إلى مطحنة لتركيز اليورانيوم
وفي المطحنة يستخدم العاملون حمض الكبريتيك أو محاليل الكربونات لإنتاج ملح من أملاح اليورانيوم يسمى الكعكة الصفراء
وتنقى الكعكة الصفراء إلى أكسيد يسمى أيضًا الكعكة الصفراء
وصيغته الكيميائية U3O8
ويُخضع الأكسيد في معمل التحويل إلى تفاعل كيميائي مع الفلور
لإنتاج سادس فلوريد اليورانيوم (UF6)
ينقل سادس فلوريد اليورانيوم إلى محطة التخصيب لفصل اليورانيوم 235 عن اليورانيوم 238
وينتج عن هذا الفصل يورانيوم مخصب
يحتوي على نسبة من اليورانيوم 235 أعلى من النسبة التي يحتويها اليورانيوم الموجود في الطبيعة
وتستخدم معظم المفاعلات النووية في محطات القدرة النووية وقودًا يحتوي على اليورانيوم 235 بنسبة تتراوح بين 2% و4% تقريبًا
أما الأسلحة النووية ومفاعلات السفن التي تعمل بالقدرة النووية فتتطلب نوعًا من اليورانيوم يحتوي على اليورانيوم 235 بنسب أعلى من ذلك

وينقل اليورانيوم المخصب، الذي يراد استخدامه في المفاعلات إلى محطة صنع الوقود
لتحويل سادس فلوريد اليورانيوم إلى ثاني أكسيد اليورانيوم
الذي يضغط إلى كريات أسطوانية الشكل
تستخدم وقودًا

فصل نظائر اليورانيوم
===============
طور العلماء طرقًا عديدة لفصل نظائر اليورانيوم
وتستخدمشركات التخصيب طريقتين من هذه الطرق
هما طريقة الانتشار الغازي
وطريقة الطرد المركزي
وهناك طريقة ثالثة تحت التجريب تسمى طريقة فصل النظائر بالليزر

طريقة الانتشار الغازي
=============
تستخدم هذه الطريقة في الولايات المتحدة و بلجيكا
وفي هذه الطريقة تضخ جزيئات سادس فلوريد اليورانيوم خلال حواجز تحتوي على ملايين الثقوب الدقيقة
وتمر جزيئات الغاز الخفيفة عبر ثقوب الحواجز أسرع من الجزيئات الثقيلة
وتحتوي الجزيئات الخفيفة على ذرات اليورانيوم 235
ولذلك يحتوي الغاز الذي يمر عبر الحاجز على نسبة من اليورانيوم 235 أعلى من الغاز الأصلي
ونظرًا لأن هذه الزيادة طفيفة جدًا فإن الغاز يجب أن يمر عبر الحاجز عدة آلاف مرة
لإنتاج اليورانيوم المخصب الذي يراد استخدامه في محطات القدرة النووية.

طريقة الطرد المركزي لفصل النظائر
========================
تستخدم فيها أسطوانة ذات حركة دوامية
يجبر دوران الأسطوانة غاز سادس فلوريد اليورانيوم إلى الخروج
ويتجمع الغاز المحتوي على اليورانيوم 238 على الجدران لثقله
بينما يتركز الغاز الأخف المحتوي على اليورانيوم 235 قرب المركز

طريقة الطرد المركزي تستخدم في عدد من المحطات في أوروبا واليابان
ويتكون جهاز الطرد المركزي في هذه الطريقة من أسطوانات عمودية ذات حركة دوامية سريعة
ويضخ غاز سادس فلوريد اليورانيوم في كل أسطوانة عبر أنبوبة عمودية ثابتة داخل كل أسطوانة
وتجبر الحركة الدوامية للأسطوانة كل الغاز الخارجي تقريبًا في اتجاه الجدران المنحنية
وبالإضافة إلى ذلك تساعد مغرفة متصلة بقاعدة الأنبوبة الثابتة في انسياب الغاز عموديًا
كما تساهم الفروق في درجات الحرارة داخل الأسطوانة في إحداث هذا الانسياب العمودي
وبسبب هذه التأثيرات
الحركة الدوامية للأسطوانة
وحركة المغرفة
وفروق درجات الحرارة
ينساب الغاز بنمط معقد
ويصبح الغاز القريب من قاعدة الأسطوانة مركزًا باليورانيوم 238 أكثر من الغاز العلوي
وتزيل المغرفة السفلية النفايات الغازية
التي تحتوي على تركيزات أعلى نسبيًا من اليورانيوم 238
بينما تزيل المغرفة العلوية الغاز المخصب الذي يحتوي على اليورانيوم 235 بتركيز أعلى
وتتكرر العملية حتى يتم الحصول على التركيز المطلوب من اليورانيوم 235

فصل النظائر بالليزر
=============
تستخدم فيه حزمة ليزرية واحدة أو أكثر
يسبب هذا الضوء تكتسب ذرات اليورانيوم 235 فقط في غاز اليورانيوم شحنات كهربائية
وتجذب ألواح ذات شحنة مغايرة هذه الذرات
ولكنها لا تؤثر على ذرات اليورانيوم 238
وهكذا ينفصل الغاز إلى اتجاهين
و في هذه الطريقة تستخدم توليفة من ضوء الليزر وا لشحنات الكهروستاتيكيه لفصل نظائر اليورانيوم
والليزر نبيطة تنتج حزمة رفيعة من الضوء ذات مدى ترددي ضيق جدًا (تردد الضوء هو معدل اهتزاز موجات الضوء)

وفي طريقة لفصل النظائر بالليزر تسمى طريقة البخار الذري
تسخِّن حزمة من الإلكترونات قطعة من اليورانيوم عند قاعدة حاوية مغلقة
محولة اليورانيوم إلى بخار (غاز)
ثم يُخترق الغاز بنبضات من حزمة ليزرية
ويوالف تردد الحزمة بحيث تستطيع الإلكترونات في ذرات اليورانيوم 235 امتصاص الضوء
ولا تستطيع إلكترونات ذرات اليورانيوم 238 ذل.
وعندما يمتص إلكترون اليورانيوم 235 هذا الضوء يحصل على طاقة تكفيه لترك الذرة
وتغير هذه العملية التوازن الكهربائي للذرة
فالإلكترون يحمل شحنة كهربائية سالبة
بينما تحمل النواة شحنة كهربائية موجبة واحدة أو أكثر
وفي الذرة العادية يكون عدد الشحنات الموجبة مساويًا لعدد الشحنات السالبة
ولذلك تكتسب الذرة شحنة موجبة عندما يتركها إلكترون
و بهذا تتحول حالة الذرة المتزنة إلى أيون موجب
وهكذا يؤيِّن ضوء الليزر ذرات اليورانيوم 235
ولا يؤين ذرات اليورانيوم 238
وعند صعود البخار الساخن إلى أعلى
تجذب ألواح تجميع سالبة الشحنة في قمة الحاوية أيونات اليورانيوم 235 الموجبة
ولأن ألواح التجميع أبرد من الغاز
فإن اليورانيوم 235 يتكثف عليه (يتحول من غاز إلى سائل)
ويتقطر اليورانيوم 235 من ألواح التجميع إلى حاويات خاصة
مكونًا كتلة صلبة
ثم تجمع الكتل الصلبة وتنقى وتؤكسد لاستخدامها وقودًا نوويًا

وفي نفس الأثناء ينتقل اليورانيوم 238
المتعادل كهربائيًا
عبر الألواح المشحونة
ثم يتكثف فوق لوحة نفايات قرب قمة الحاوية

وفي إحدى التقنيات الليزرية
تسخن وحدة كهربائية قطعة من اليورانيوم منتجة بخارًا
وتعمل حزمتان ليزريتان معًا لتأيين ذرات اليورانيوم 235 في البخار
ثم تجمع لوحة موجبة الشحنة أيونات اليورانيوم 235
تاركة بخار ذرات اليورانيوم 238 تخرج عبر فتحة في قمة الحاوية.

وتستهلك طريقة فصل النظائر بالليزر طاقة كهربائية أقل بكثير من الطاقة التي تستهلكها طريقة الانتشار الغازي
كما أن تكلفة معدات طريقة الفصل بالليزر أقل بكثير من تكلفة معدات طريقة الطرد المركزيولذلك تجري الشركات المدعومة حكوميًا في فرنسا واليابان والولايات المتحدة التجارب لاستخدام طريقة فصل النظائر بالليزر

إكتشافه
=======
اكتشف الكيميائي الألماني مارتن كلابروث اليورانيوم في عام 1789م
حيث وجده في البتشبلند، وهو معدن داكن، أسود مزرق اللون
وقد سمى كلابروث اليورانيوم على اسم كوكب أورانوس
الذي كان قد اكتشف في عام 1781م
وفي عام 1841م فصل الكيميائي الفرنسي يوجين بليجو اليورانيوم النقي من البتشبلند

تصنيف :