الكيمياء النووية

الكيمياء النووية
لتخصيب اليورانيوم
اليورانيوم الطبيعي يحتوي على 0،7205٪ U-235، والنظائر القابلة للانشطار من اليورانيوم. الكتلة المتبقية تضم 99.274٪ U-238 وكمية صغيرة من U-234 (0.0055٪). اليورانيوم
238 لا يسهم في إبطاء النيوترونات الانشطار، إلا أنها يمكن أن تتفاعل مع
النيوترونات لتشكيل النظائر الانشطارية من البلوتونيوم، البلوتونيوم 239. وهكذا يعرف U-238 كمادة خصبة، أي واحد التي يمكن أن تنتج مواد انشطارية. على الرغم من U-235 و U-238 هي مطابقة كيميائيا، إلا أنها تختلف قليلا في خصائصها الفيزيائية، ومعظم كتلة الأهم. هذا الاختلاف كتلة صغيرة تسمح فصل النظائر، ويجعل من الممكن زيادة (إثراء) النسبة المئوية من U-235 في اليورانيوم. مفاعلات
الطاقة معظم المدنيين استخدام وقود اليورانيوم المخصب التي تحتوي على 0،8
حتي 8،0٪ U-235، والمعروفة باسم اليورانيوم المخصب منخفض التخصيب. يجب أن تحتوي على أسلحة اليورانيوم الصف اليورانيوم عالي التخصيب (اليورانيوم عالي التخصيب) مع تركيز النظائر أكبر من 90٪ U-235.

في
إنتاج U-235 عن القنبلة الذرية الأولى، يعتبر مشروع مانهاتن العلماء أربع
عمليات فيزيائية لتخصيب اليورانيوم: الانتشار الغازي (راقة)، ​​والفصل
الكهرومغناطيسي، ونشر الحرارية السائلة، والطرد المركزي. خلال المشروع تم توظيف الثلاثة الأولى في اوك ريدج لانتاج اليورانيوم المخصب لقنبلة استخدمت في هيروشيما. وتم
التخلي عن الطرد المركزي لأن التكنولوجيا والمواد المطلوبة لزيادة ونقصان
للتآكل سادس فلوريد اليورانيوم مع محور دوار بسرعات عالية لم تكن عملية
لفصل الصناعية على نطاق واسع،. ومع ذلك، فإن التقدم في التكنولوجيا والمواد جعل الطرد المركزي الطريقة المفضلة لتخصيب اليورانيوم اليوم.

غازي إنتشار

وتستند
عملية الانتشار الغازي في انصباب الجزيئية، وهي العملية التي تحدث عندما
يتم فصل الغاز من فراغ بحاجز المسامية التي تحتوي على ثقوب مجهرية (الشكل
1). يتدفق
الغاز من الجانب الضغط العالي الى جانب الضغط المنخفض: أنه يمر من خلال
الثقوب لأن هناك المزيد من "تصادم" مع ثقوب في الجانب عالي الضغط من على
الجانب الضغط المنخفض. ولاحظ توماس غراهام، الكيميائي الاسكتلندي، أن معدل الانصباب من الغاز من خلال حاجز مسامي ويتناسب عكسيا مع الجذر التربيعي لكتلتها. وبالتالي أخف وزنا جزيئات تمر عبر الحاجز أسرع مما اثقل.


الشكل 1 - فصل النظائر عن طريق الانتشار الغازي
يتم استخدام سادس فلوريد اليورانيوم (UF6)، وهو مركب من اليورانيوم الغازي، في هذه العملية. لأنه ليس هناك واحد فقط النظائر شيوعا من الفلور، F-19، ونسبة معدلات يكون لسادس فلوريد اليورانيوم من النظيرين يصبح





هذا
الفرق الصغيرة في معدلات يعني أن العديد من الحواجز انصباب (المراحل) هي
ضرورية لتخصيب اليورانيوم من قبل مرور تيار المخصب من خلال مراحل متتالية. وK-25 محطة الانتشار الغازي في أوك ريدج، تينيسي 4000 الواردة مراحل. وكان هذا المصنع، الذي بني خلال الحرب العالمية الثانية، ميل نصف طويل، وستة طوابق، وغطت 43 فدانا (الشكل 2).

الرقم 2 - K25 النبات الانتشار الغازي في أوك ريدج، تينيسيThe
production of a suitable barrier material was the key to successful
separation. The holes in the barrier must be microscopic (approximately
one-millionth of an inch in diameter) and uniform in size. Its
porosity must sustain high flow rates, and it cannot react with the
highly corrosive hexafluoride gas. Nickel and aluminum oxide were found
to be best suited for barrier materials. Diffusion equipment is large
and consumes significant amounts of energy. The entire system must be
leak free; no air can be allowed in and no uranium hexafluoride allowed
out.Electromagnetic SeparationThe
electromagnetic isotope separation (EMIS) process is based on the
principle of a simple mass spectrometer, which states that a charged
particle will follow a circular path when passing through a uniform
magnetic field. Thus, uranium tetrachloride chloride ions containing
U-235 and those containing U-238 with the same charge and kinetic energy
will have slightly different paths when moving through a magnetic
field. The radius of the path traversed by the heavier U-238 ions will
be larger than the radius of the path of the lighter U-235 ions. This
allows for the separation and collection of the isotopes in receivers
(Figure 3).Figure 3 – Electromagnetic Isotope Separation





مجاملة من جامعة كاليفورنيا في بيركلي

تم تشغيل وحدات تعليم نظم المعلومات الإدارية، والمعروفة باسم "calutrons"، في منطقة Y-12 من أوك ريدج. لأن
EMIS هو عملية دفعة، مع كل وحدة تتطلب وقتا طويلا لانتاج كميات صغيرة من
اليورانيوم U-235، وقد استخدمت العديد من الوحدات لإنتاج اليورانيوم اولا
القابلة للانشطار. تتولد
أيونات اليورانيوم للEMIS عن طريق تسخين رابع كلوريد اليورانيوم الصلبة،
UCl4، لإنتاج البخار الذي قصفت بعد ذلك مع الإلكترونات لإنتاج أيونات موجبة
الشحنة. كانت هناك مشكلة كبيرة مع هذه العملية: تم جمع أقل من نصف 235-U الأصلية في أجهزة الاستقبال. تناثرت بقية أنحاء calutron وكان من الصعب التعافي. في أوك ريدج، واستخدمت مجموعتين من calutrons لإنتاج أسلحة يورانيوم. المجموعة الأولى، أو calutrons ألفا، اليورانيوم المخصب بنسبة (7.0٪ U-235) من محطة الانتشار الغازي إلى ما بين 12 و 20٪ U-235. أخذت المجموعة الثانية، أو calutrons بيتا، والمنتج ألفا وتخصيبه إلى ما يقرب من 90٪ U-235 (صنع الأسلحة اليورانيوم). كما تم التغلب على الصعوبات في عملية الانتشار الغازي، وتم التخلص من عملية EMIS خارج.

إنتشار الحراري

نشر حراري يستخدم انتقال الحرارة عبر طبقة رقيقة من السائل أو الغاز إلى نظائر منفصلة. تبريد
فيلم عمودي على جانب واحد والتوتر والاضطراب فيه من جهة أخرى تنتج تيارات
الحمل الحراري، وتدفق التصاعدي على السطح الساخن وتدفق نزولا على طول
الجانب برودة.في ظل هذه الظروف، فإن جزيئات أخف 235UF6 نشر نحو أكثر دفئا سطح وأثقل 238UF6 نحو برودة الجانب. مزيج
من هذا الانتشار، وتيارات الحمل يسبب أخف وزنا من U-235 جزيئات للتركيز
على الجزء العلوي من الفيلم في حين أن أثقل U-238 يذهب إلى أسفل (الشكل 4). وكانت هذه عملية بسيطة ومنخفضة التكاليف نسبيا، ولكنها تستهلك طاقة أكثر بكثير من الانتشار الغازي. تم
تشغيل محطة تحتوي على 2100 والأعمدة، كل نحو 15 مترا في الطول، في اوك
ريدج لتوفير التخصيب الأولية من اليورانيوم الطبيعي من 0.7٪ إلى 0.86٪
U-235 من أجل الانتشار الغازي وحدات تعليم نظم المعلومات الإدارية. تم إغلاقه بعد عام تقريبا من العملية.

الشكل 4 - فصل النظائر عن طريق الانتشار الحراري


انتاج اليورانيوم المخصب لصنع قنبلة الذرية الأولى

بحلول ربيع عام 1945، وكان أوك ريدج شحن ما يقرب من 132 £.من اليورانيوم المخصب (90٪ U-235) إلى لوس الاموس، نيو مكسيكو، كانت قد أنتجت باستخدام نشر الحراري، والانتشار الغازي،والفصل الكهرومغناطيسي (الشكل 5). أسقطت قنبلة تم استخدام هذااليورانيوم المخصب في "ليتل بوي"، على هيروشيما في 6 أغسطس،1945. مع التوقف عن نشر الحرارية والفصل الكهرومغناطيسي بعدالحرب، أصبح الانتشار الغازي الوسيلة الرئيسية لتخصيب اليورانيومفي الولايات المتحدة. اليوم، أكثر الأسلحة النووية استخدام البلوتونيومباعتبارها العنصر القابلة للانشطار.

الشكل 5 - الأساليب المستخدمة لانتاج اليورانيوم المخصب لصنع قنبلةالذرية الأولى

بارك الله فيك وفي ابداعك

شكرااااااااا على المؤؤؤضؤؤؤؤع الجميل

وجعله في ميزان حسناتك