אורניום מועשר
מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית
אורניום מועשר הוא אורניום שתכולת האיזוטופ אורניום 235 שבו גדולה מהריכוז הטבעי שלו (כ-0.7% מהמסה של האורניום בטבע). מכיוון שהאיזוטופ הזה הוא האיזוטופ היחידי של אורניום שיכול לקיים תגובת שרשרת של ביקוע גרעיני על ידי פגיעה של נייטרון, אורניום מועשר חיוני הן לשם ייצור נשק גרעיני, והן לשם ייצור אנרגיה בכורים גרעיניים.
בגלל הפוטנציאל של האורניום המועשר לשימוש בנשק גרעיני, הייצור וההפצה שלו מנוטרים על ידי הסוכנות לאנרגיה אטומית בשביל למנוע את השגת אורניום מועשר ברמה שלה יש שימושים צבאיים על ידי מדינות שלא אמורות להחזיק בו על פי האמנה למניעת הפצת נשק גרעיני. גם גופי מודיעין עוקבים אחרי ניסיונות של מדינות שונות, ואולי אף ארגוני טרור להשיג אורניום מועשר.
תוכן עניינים |
[עריכה] האיזוטופים של האורניום
האורניום הנמצא במחצבים על פני כדור הארץ מורכב משלושה איזוטופים:
| מספר מסה | שכיחות יחסית | זמן מחצית חיים |
|---|---|---|
| 234 | 0.0055% | 245,000 שנה |
| 235 | 0.72% | 700 מיליון שנה |
| 238 | 99.28% | 4.5 מיליארד שנה |
בין שלושת האיזוטופים האלה, רק האיזוטופ אורניום 235 יוצר באופן יעיל תגובת שרשרת בו כתוצאה של פגיעה של נייטרון הוא מתבקע כשאחד מתוצרי הביקוע היא פליטה של שני נייטרונים שיכולים לגרום לביקוע של גרעיני אורניום 235 נוספים.
ריכוז נמוך כזה (0.72%) של האיזוטופ 235 במחצבי האורניום בכדור הארץ אינו מספיק בשביל לקיים בו תגובת שרשרת שלא תדעך, ובודאי לא תגובה שתגיע לפיצוץ גרעיני. בשביל להגיע לכך יש צורך להפיק מהאורניום הטבעי תערובת בה שכיחות האיזוטופ 235 גבוהה יותר. תהליך כזה נקרא העשרת אורניום, והתוצר שלו הוא אורניום מועשר. תוצר לוואי של התהליך הוא אורניום מדולל, שלא רק שאינו ניתן לשימוש לצרכי אנרגיה, אלא הוא בעל רדיואקטיביות נמוכה יותר משל אורניום טבעי, ויש לו שימושים רבים בשל הצפיפות הגבוהה שלו.
[עריכה] רמת ההעשרה
לאורניום המועשר יש שימושים שונים בהתאם לרמת ההעשרה שלו.
האורניום הנמצא בנשק גרעיני, מכיל בדרך כלל לפחות 85% אורניום 235. גם רמה יותר נמוכה של העשרה מספיקה בשביל לגרום לפיצוץ, אולם אז המסה הקריטית שמסת גוש האורניום צריכה לעבור אותה על מנת שייגרם פיצוץ, גבוהה יותר. ההערכות עבור מסה קריטית (כאשר משתמשים במחזיר נייטרונים טוב) היא כ-15 ק"ג עבור אורניום 235 טהור, 25 ק"ג עבור אורניום בדרגת העשרה של 50%, 50 ק"ג עבור אורניום בדרגת העשרה של 20%, ו-100 ק"ג עבור דרגת העשרה של 10%. מתחת לדרגה זו המסה הקריטית עולה בחדות, ושואפת לאינסוף, כך שלא ניתן גם תיאורטית להשתמש בחומר לגרימת פיצוץ [1]. הסוכנות לאנרגיה אטומית קבעה את הקו של 20% העשרה, כקו שמעליו החומר נחשב כשמיש לצורכי נשק, ושעליו יש משטר פיקוח קפדני בדומה לפלוטוניום. אורניום בדרגת העשרה העולה על 20% נקרא אורניום מועשר בדרגה גבוהה (HEU - Highly enriched uranium). אורניום בו ריכוז האיזוטופ 235 נמצא בין רמתו הטבעית לבין 20% נקרא אורניום מועשר בדרגה נמוכה (LEU - Low-enriched uranium).
אורניום מועשר ברמה גבוהה משמש לא רק בנשק גרעיני, אלא גם בכורי הכוח של צוללות גרעיניות, שם יש חשיבות למשקל נמוך של המנוע.
בכורים גרעיניים משתמשים ברמות שונות של העשרה בהתאם לסוג הכור. בכור נייטרונים מהירים משתמשים באורניום בדרגת העשרה גבוהה. בכורי מים קלים מספיקה דרגת העשרה של כ-3%-5%, ובכורי מים כבדים מספיק להשתשמש באורניום שמועשר עד רמה של כ-2%, ולעיתים אף באורניום טבעי.
[עריכה] העשרת אורניום
ההבדל בין איזוטופים שונים של אותו יסוד הוא כמעט רק במסה שלהם. ההבדלים בתכונות הכימיות הם קטנים ביותר, ולכן רוב השיטות להפרדת איזוטופים מתבססות על ההבדל במסה שלהם. אולם ההבדל בין המאסות של האיזוטופים השונים של האורניום קטן ביותר (קצת יותר מאחוז), דבר המקשה על ההפרדה. כתוצאה מכך, התוצרים של כל שיטות ההפרדה הם תערובות בריכוזים קצת שונים של האיזוטופים.
על מנת לקבל חומר מועשר במידה משמעותית, יש צורך במערך שלם (קסקדה) של אלמנטי הפרדה. האלמנטים בדרך כלל מסודרים ברמות. כל אלמנט מקבל זרם נכנס של אורניום בדרגת העשרה מסוימת, מעביר אורניום קצת מועשר לאלמנטים שנמצאים ברמה הבאה, והזרם שקצת מדולל יחסית לזרם הנכנס, מוחזר אחורה לזרם הנכנס של אלמנטים ברמות העשרה נמוכות יותר.
[עריכה] אורניום שש פלואורי
בחלק גדול משיטות ההפרדה יש צורך להעביר את האורניום למצב גזי. האורניום עצמו הופך לגז רק בטמפרטורה של 3,818°C, לכן אין זה מעשי להשתמש בו בצורה זו, אלא בתרכובת שלו שהופכת לגז בטמפרטורה נמוכה יותר.
התרכובת החשובה ביותר שמשמשת לצורך זה היא אורניום שש פלואורי UF6 (Uranium Hexafluoride). לאורניום השש פלוארי יש שתי תכונות חיוניות לצורך השימוש בהעשרה:
- בלחץ אטמוספרי החומר הופך לגז (ממוצק, בתהליך המראה) בטמפרטורה של 56.5°C.
- לפלואור יש רק איזוטופ אחד יציב (בעל 19 נוקלאונים), לכן השוני במסות בין המולקולות נובע רק מהאורניום עצמו, והאיזוטופים השונים שלו.
מנגד, האורניום השש פלואורי הוא חומר פעיל מאוד, שתוקף את רוב החומרים, למעט מספר מצומצם כמו אלומיניום וניקל, מה שמגביל את החומרים שמהם ניתן לבנות את מתקני ההעשרה.
[עריכה] עבודה הפרדתית
פעולה של הפרדת איזוטופים, אפילו אם היא הפרדה חלקית, היא פעולה שמורידה את האנטרופיה, ולכן יש להשקיע עבודה בפעולה הזו. מדד מקובל לעבודה זו נקרא "עבודה הפרדתית". גודל זה נתון כמכפלה של כמות התוצר של פעולת ההעשרה, בפונקציה חסרת ממד של דרגות ההעשרה של חומר הגלם, התוצר והשאריות המדוללות. העבודה ההפרדתית כמובן פרופורציונית לכמות התוצר. כמו כן יש צורך ביותר עבודה הפרדתית הן בשביל לקבל תוצר בדרגת העשרה גבוהה יותר, והן בשביל לקבל את השאריות המדוללות בדרגת העשרה נמוכה יותר.
משום שהעבודה ההפרדתית היא מכפלה של כמות התוצר בפונקציה חסרת ממד, יש לה את הממד של היחידות שבהן נמדדת כמות התוצר. אולם נהוג להגדיר יחידה מיוחדת לגודל זה - יחידת עבודה הפרדתית (Separative Work Unit). בדרך כלל נהוג להביע את כמות התוצר בקילוגרמים, ואת יחידת העבודה ההפרדתית המתקבלת מסמנים ב-kg SWU, אם כי במקומות רבים זה מסמנים יחידה זו רק כ-SWU.
תפוקה של מפעל מתוארת בכמות ה-SWU לשנה שהוא מסוגל להפיק. יעילות של תהליך מתוארת לפי האנרגיה ליחידת עבודה הפרדתית, או העלות ליחידת עבודה הפרדתית
[עריכה] שיטות העשרה
המאמצים למצוא שיטות להעשרת אורניום החלו בתקופת מלחמת העולם השניה, אחרי שב-1939 פורסם גילוי הביקוע הגרעיני באורניום. חלק גדול מפרויקט מנהטן הוקדש למציאת שיטות להעשרת אורניום, כאשר העלות והיעילות של התהליכים לא היוו כמעט שיקול, אלא רק ההיתכנות והמהירות בה השיטות יוכלו לשמש להעשרה בפועל. לבסוף הוקמו באוק רידג' מתקנים שהשתמשו בשלוש שיטות - הפרדת איזוטופים אלקטרומגנטית (Calutron) שהייתה השיטה העיקרית בה הועשר האורניום, ושתי שיטות שבהן בוצעה העשרה ראשונית, כאשר התוצר עבר העשרה נוספת ב-Calutron: דיפוזיה גזית, ודיפוזיה תרמית בנוזל.
| מדינה | שיטה | כושר ייצור באלפי SWU לשנה |
|---|---|---|
| רוסיה | צנטריפוגה | 20,000 |
| צרפת | דיפוזיה | 10,800 |
| ארצות הברית | דיפוזיה | 8,000 |
| גרמניה - הולנד - בריטניה | צנטריפוגה | 5,850 |
| סין | בעיקר צנטריפוגה | 1,000-1,300 |
| יפן | צנטריפוגה | 900 |
| פקיסטן | צנטריפוגה | 5 |
אחרי תום המלחמה התברר, שמבין שלוש השיטות האלה, הדיפוזיה הגזית הייתה היעילה ביותר, וארצות הברית, ובעקבותיה מדינות נוספות, השתמשו בה על מנת להעשיר אורניום. שיטה זו נמצאת בשימוש עד היום בארצות הברית ובצרפת. לעומת זאת בברית המועצות החלו לפתח את שיטת הצנטריפוגה הגזית, שהיא יעילה בהרבה. בעוד שיטת הדיפוזיה הגזית צורכת כ-2500 קילוואט שעה ל-SWU, שיטת הצנטריפוגה דורשת רק כ-50 קילוואט שעה ל-SWU. כיום משתמשים בשיטת הצנטריפוגה להעשרת אורניום ברוסיה, במפעל המשותף של גרמניה הולנד ובריטניה, בסין, ביפן ובפקיסטן. גם מדינות נוספות שעושות מאמצים להצטייד בנשק גרעיני, כמו צפון קוריאה, אירן ולוב הפעילו צנטריפוגות להעשרת אורניום.
מאז פיתוח שיטת הצנטריפוגה פותחו שיטות מתקדמות יותר להעשרת אורניום, אולם לא ידוע על שימוש תעשייתי בהן כיום.
[עריכה] דיפוזיה גזית
- ערך מורחב – אפוזיה
העיקרון שעומד מאחורי שיטת ה"דיפוזיה הגזית" הוא בכך שהמהירות הממוצעת של מולקולה בגז תלויה במסה שלה, וחלקיקים קלים יותר נעים בממוצע במהירות גבוהה יותר, לכן הם מתנגשים יותר פעמים בדופן של כלי בו הם נמצאים, ואם יש בדופן הזה חור (קטן יחסית), יש להם יותר סיכוי לצאת מהכלי דרך החור הזה.
לכן אם הקיר עשוי ממחיצה חדירה למחצה, שרצופה בחורים כאלה, בזרם החלקיקים שיעבור אותו יהיה יצוג יתר למולקולות קלות יותר. תופעה פיזיקלית זו נקראת אפוזיה. עבור האורניום השש פלואורי היחס בין המהירויות הממוצעות בגז, שנותן את סדר הגודל של שינוי היחס בין האיזוטופים בכל שלב הוא 1.0043.
מכיוון שהזרם של החלקיקים שעובר את המחיצה דליל בצורה ניכרת לעומת הזרם הנכנס, תהליך זה הוא איטי ביותר. בנוסף בגלל דלילות הגז המעושר, יש לדחוס אותו ביציאה, ולפני זה לקרר אותו, שכן דחיסה של גז גורמת להעלאת הטמפרטורה שלו. תהליך זה דורש אנרגיה רבה מאוד.
שיטה זו הייתה השיטה השנייה בחשיבותה מבין משלוש השיטות בהן השתמשו במסגרת פרויקט מנהטן להעשרת אורניום. בתחילת המלחמה הקרה היא הפכה לשיטת ההעשרה העיקרית בארצות הברית, ובעקבותיה בעולם. למרות חוסר יעילות השיטה, הן מבחינת הזמן הארוך של התהליך, והן מבחינת האנרגיה הנצרכת, קיומה של שיטה עובדת מנע במשך זמן רב פיתוח שיטות מתחרות. בארצות הברית וצרפת זוהי שיטת ההעשרה העיקרית עד היום.
[עריכה] צנטריפוגה גזית
- ערך מורחב – צנטריפוגה גזית
העשרת אורניום על ידי צנטריפוגות היא אחת השיטות החשובות כיום ומחליפה בהדרגה את שיטת הדיפוזיה הגזית.
העיקרון הפיזיקלי שעומד מאחורי השיטה הוא שכהצנטריפוגה מסתובבת רוב החומר מתרכז בשכבה מצומצמת סמוך לדפנות, וריכוזם הולך ודועך ככל שמתרחקים מהן. אולם עובי השכבה הזו תלוי במסת החלקיקים. ככל שהחלקיקים יותר קלים עובי השכבה הזו גדול יותר. לכן יש שכבה שצמודה לדופן שבה יש ייצוג יתר למולקולות הכבדות יותר שמכילות אורניום 238, ולעומת זאת היא מדוללת מהאורניום 235 הקל יותר. אולם מעבר אליה, כלפי המרכז הגז מועשר באורניום 235, אם כי רובו המוחלט נמצא במרחק קטן מהדופן - במרכז הצנטריפוגה כמעט ואין מולקולות גז כלל. על ידי תכנון אווירודינמי קפדני, אפשר לשאוב במקום אחד זרם שמקורו מהשכבה הפנימית יותר, שיחסית מועשרת באורניום 235, ובמקום אחר זרם שמקורו בשכבה הצמודה לדופן, שמדוללת מהם.
אף על פי שהשימוש בצנטריפוגות נבחן עוד בשנות ה-40, השיטה לא הגיע לבשלות בזמן פרויקט מנהטן, ולא השתמשו בה במסגרתו. קיום שיטת הדיפוזיה שישימותה הייתה מוכחת מנע את המשך פיתוחה של שיטת ההפרדה בעזרת צנטריפוגות בארצות הברית. לעומת זאת בברית המועצות הצליח צוות בראשות המדען האוסטרי השבוי גרנוט ציפה (Gernot Zippe) לשכלל את תיכנון הצנטריפוגות. ב-1956 שוחרר ציפה וחזר למערב, והצליח לשחזר את החידושים בתחום אותו פיתח הצוות שלו בברית המועצות. בשנות ה-60 החל שימוש מאסיווי בהעשרת אורניום בשיטות אותן פיתח ציפה, הן בברית המועצות [1] והן במערב אירופה [2].
העשרה על ידי צנטריפוגות גז נחשבת לשיטה קלה ומהירה יחסית לשיטות אחרות, ולשיטה שיחסית קל להחביא אותה. לכן מדינות שניסו לפתח בחשאי נשק גרעיני פנו ברובן לניסיונות לשים את ידן על טכנולוגית הצנטריפוגות. הראשונה שהצליחה בכך הייתה פקיסטן, כאשר אבי תוכנית הגרעין שלה, עבדול קאדר ח'אן השיג את הידע בתחילת שנות ה-70, בעת שעבד במעבדת מחקר הולנדית שהייתה מעורבת בתוכנית האירופית להעשרת אורניום. בשנות ה-90 העביר ח'אן חלק מהידע הזה לאיראן, צפון קוריאה ולוב. גם עיראק הצליחה להשיג ידע אירופי כשאר ניסתה להשיג נשק גרעיני, לפני מלחמת המפרץ ב-1991.
[עריכה] שיטות אווירודינמיות
ישנן מספר שיטות להפרדה אווירודינמית, בה מוזרמת תערובת של גז אורניום שש פלואורי וגז כמו מימן או הליום (לשיפור מהירות ואיכות הזרימה) בצורה בה נוצרים כוחות צנטריפוגליים חזקים שגורמים להפרדה. בכך שיטות אלה הן למעשה "צנטריפוגות ללא חלקים נעים". שיטות כאלה פותחו בגרמניה ודרום אפריקה.
כך למשל בנחיר הפרדה, תערובת שמכילה אורניום שש פלואורי זורמת במהירות גבוהה בנחיר בעל צורה מעוקלת. הצורה המעוקלת של התנועה גורמת לכוח צנטריפוגלי חזק, אשר גורם לכך שלכיוון הצד הפנימי של העיקול האורניום מועשר יותר באיזוטופ הקל.
[עריכה] הפרדת איזוטופים אלקטרומגנטית
שיטה הפרדת האיזוטופים האלקטרומגנטית מתבססת על כך שמסלולים של חלקיקים טעונים בשדה מגנטי תלוייםבמסה שלהם - אם לכל החלקיקים אותו מטען והם נעים באותה מהירות, הכוח המגנטי עליהם הוא אותו כוח, אבל ככל שלחלקיק יש פחות מסה התאוצה שלו גדולה יותר, ותאוצה זו מתבטאת בעקמומיות גדולה יותר של המסלול.
בשביל להשתמש בעיקרון זה יוצרים אדים מהחומר אותו רוצים להפריד, והופכים את האטומים ליונים. מאיצים את היונים על ידי הפעלת שדה חשמלי, ויוצרים אלומת חלקיקים שנכנסת לתוך שדה מגנטי, שם בעקרון אלומת החלקיקים מתפצלת לאלומות שונות של האיזוטופים השונים, ואפשר לאסוף בקצה המסלולים את רק את האיזוטופים בהם מעוניינים. מתקן כזה מכונה ספקטרומטר מסה. באורניום, בשל ההבדל הקטן בין המסות של האיזוטופים, המרחק בין מרכזי האלומות לא מספיק גדול לעמת רוחבן, כך שלא ניתן לאסוף רק איזוטופים מסוג אחד, אלא רק תערובת שבה אחוז האיזוטופים מהסוג הרצוי גדול במקצת מהאחוז שלו בחומר הגלם. בשל כך, על מנת לקבל אורניום מועשר באופן משמעותי, יש לחזור על התהליך שוב ושוב כאשר התוצר של כל שלב משמש כחומר הגלןם של השלב הבא.
שיטה זו הייתה הראשונה בה השתמשו להעשרת אורניום בקנה מידה גדול, כאשר ארנסט לורנס בנה באוק רידג' את ה-Calutron (על שם אוניברסיטת קליפורניה בה עבד לורנס), בו בוצעה רוב העשרת האורניום עבור בניית "ילד קטן" - הפצצה הגרעינית שהוטלה על הירושימה. גם האורניום שהועשר בשתי השיטות האחרות בהן השתמשו שם - הדיפוזיה הגזית, והדיפוזיה התרמית הנוזלית, עבר את שלב ההעשרה הסופית ב- Calutron.
אחרי המלחמה שיטה זו נזנחה לטובת שיטת הדיפוזיה. אולם לפי דיווחי פקחי הנשק בעיראק, העיראקים עשו שימוש בשיטה זו להעשרת אורניום בתקופה שקדמה למלחמת עיראק ב-1991.
[עריכה] העשרה באמצעות לייזרים
שיטות מתקדמות יותר, שלא ידוע על שימוש תעשייתי בהן, מסתמכות על כך שההבדלים הקטנים במסה של האיזוטופים של האורניום גורמים לשינויים קטנים בספקטרום רמות אנרגיה הן של אטומי אורניום, והן של מולקולות המכילות אורניום. מדובר בשינויים בסדר גודל שקטן פי מאה אלף מזה של ההפרשים האנרגתיים בספקטרום עצמו.
לשם כך יש צורך בלייזר שהתדירות שלו מתאימה בדיוק להפרש אנרגטי מסוים ברמות האנרגיה האלקטרוניות באטומים של אורניום 235. אם רמת הדיוק שלו תהיה גדולה מאחד למאה אלף, התדירות המקבילה באטומים של אורנים 238 לא תיפול בתחום התדרים שהלייזר פולט.
כאשר מנדפים אטומים של אורניום ומפעילים על הגז לייזר כזה, הוא יעורר רק את אטומים של אורניום 235, ולא ישפיע על אטומים אורניום 238. כך אפשר לגרום ליינון של האטומים הרצויים, ואחר כך להשתמש בכך שהם טעונים כדי להוציא אותם מהתערובת.
תהליכים שמשתמשים בשיטה זה על אטומים בודדים של אורניום נקראים AVLIS - Atomic Vapor Laser Isotope Separation. אפשר להפעיל את אותו עקרון גם על מולקולות המכילות אטומים של אורניום, ובפרט על ספקטרום רמות האנרגיה הוויברציוניות שלהן. תהליכים כאלה מכונים MLIS - Molecular Laser Isotope Separation.
[עריכה] עירבוב אורניום
דרך נוספת להפקת אורניום ברמת העשרה נמוכה (LEU) לשם שימוש כדלק בכורים גרעיניים היא עירבוב של אורניום ברמת העשרה של נשק גרעיני, באורניום מדולל, או טבעי [3]. תהליך כזה מכונה "downblending". כיום כ-10% מצרוכת הדלק הגרעיני מתקבלת ממקור זה.
לשם הערבוב יש צורך להפוך את האורניום לגז (אורניום שש פלואורי) או לנוזל. ברוסיה משתמשים בשיטה הראשונה, בעוד בארצות הברית בשנייה.
אם מקור האורניום המדולל המשמש בתהליך הערבוב הוא פסולת של דלק ששימש בכורים גרעיניים, הוא מכיל את האיזוטופ אורניום 236, שנוכחותו מפריעה לתגובת השרשרת הגרעיני, בשל האינטראקציה שלו עם הנייטרונים.
מלבד המטרה המוצהרת של ייצור דלק לכורים גרעיניים, התהליך משמש על מנת לחסל עודפים של אורניום מועשר ברמת נשק גרעיני, ולמנוע ממנו להגיע לידיים בלתי רצויות. כך ארצות הברית קונה מרוסיה אורניום מעורבב מיוצר מערבוב של אורניום שמקורו בנשק גרעיני סובייטי שפורק.
[עריכה] הערות שוליים
- ^ Uranium Enrichment and Nuclear Weapon Proliferation, by Allan S. Krass, Peter Boskma, Boelie Elzen and Wim A. Smit פרק 1 (עמ' 5)
- ^ Uranium Enrichment באתר האוסטרלי Uranium Information Centre
