الوقود

لتشغيل المفاعلات يلزمنا تزويدها بالوقود، وهناك مشاكل تتعلق بالوقود وتحضيره وتخزينه وإعادة تصنيعه ثم التخلص بعد ذلك من النفايات النووية الناتجة عن تشغيل المفاعل والتي تتمثل في المواد المشعة الناتجة عن الانشطار النووي. وينتج عن هذه جميعاً مشاكل جمة تتعلق بالتلوث وحماية البيئة منه .يعرف مسار الوقود خلال المراحل المختلفة التي يمر بها بدورة الوقود (Fuel Cycle) وتستعمل معظم المفاعلات اليورانيوم كوقود. والمصدر الرئيسي لليورانيوم هو خامات اليورانيوم الطبيعية التي تحتوي على %0.7 من U²³⁵ الانشطاري والباقي U²³⁸. يبين الشكل (1) دورة وقود مقفلة لمفاعل إنتاجي. حيث تبدأ الدورة بمناجم اليورانيوم المتواجدة في الطبيعة. إن كتلة اليورانيوم الكلية المتواجدة على سطح الكرة الأرضية وحتى عمق يبلغ حوالي 20 كم تقدر بحوالي 10¹⁴ طناً، إلا أن هذا الرقم الكبير يخادع الحقيقية وذلك لأن هذه الخامات رديئة إذ تبلغ نسبة اليورانيوم بها حوالي 0.001% . ومن أشهر مناطق العالم التي يتواجد بها اليورانيوم إقليم كاتانجا بزائير وكندا والصحراء الكبرى بالجزائر. إكتشف اليورانيوم أولاً في تشيكوسلوفاكيا في أملاح البتشبلند الذي يحتوي على أكاسيد اليورانيوم (U₃O₈, UO₂) مختلطة مع خامات النحاس والتانتليوم ومواد أخرى.

وعند استخدام اليورانيوم كوقود للمفاعل فإنه ينبغي أن يكون على شكل معدن أو سبيكة أو ثاني أكسيد أو كربيد. ثم يوضع اليورانيوم في حافظة أو علبة من الصلب أو من سبائك الألمنيوم أو المغنيسيوم أو الزركانيوم وذلك لعزل الوقود من المبرد ومنع شظايا الانشطار ونواتجه الأخرى من الهرب وفي نفس الوقت لتعطي للتصاميم الهندسية مرونة كافية أنظر الشكل (2) ولاستخدام اليورانيوم كوقود للمفاعل لا بد من زيادة تركيز U²³⁵. في اليورانيوم الطبيعي ومن ثم يلزمنا إضافة وحدة لتخصيب enrichment اليورانيوم الطبيعي (وزيادة تركيز U²³⁵ فيه. يبين الشكل (1) المراحل التي يمر بها خام اليورانيوم حتى يصل إلى المفاعل كوقود. يحتوي خام اليورانيوم الجيد على حوالي 2 - 5% يورانيوم على هيئة أكسيد اليورانيوم (U₃ O₈) بمعدل يتراوح بين 0.6 - 1 كيلوجرام من U₃ O₈ لكل طن من الخام. ولهذا علينا أولاً أن نزيد من تركيز اليورانيوم في الخام وتنقيته ويتم ذلك بطرق طبيعية وكيميائية. وتشمل هذه طحن الخام أولاً وتحويله إلى حبيبات ذات حجم معين عن طريق الغربلة ثم يتم غسيل الخام بالماء وفصل اليورانيوم عن باقي الشوائب عن طريق التعويم

الشكل (1)

الشكل (2)

والاستفادة من الجاذبية والخواص المغناطيسية والكهروستاتيكية للشوائب ولليورانيوم. وتتم هذا العمليات في الواقع بالقرب من مناجم الخام، ثم تقوم بعد ذلك بنقل الخام إلى مراكز عمليات زيادة التركيز والفصل الأخرى حتى يتم تحضير اليورانيوم على شكل معدن أو أكيد أو فلوريد. وهناك عدة طرق لتحقيق ذلك وتعتمد هذه على طبيعة الخام. وبصورة عامة، يتم إضافة حامض أو كربونات صوديوم إلى الخام ثم نقوم بترشيحه وتصفيته حيث يترسب اليورانيوم من محلول الرشيح بعدة طرق، وهناك طريقتين مهمتين هما : الفصل بالاستخلاص. والفصل بالتبادل الأيوني. وباستمرار عمليات الترسيب والتجفيف نستطيع أن نحصل على مركب U₃ O₈ بنسبة تتراوح بين 70 - 80% من الخام. وهذا ما يعرف بالكعكة الصفراء (Yellow Cake) ولكن خام اليورانيوم قد يحتوي على شوائب عبارة عن مركبات البورون والكادميوم وبعض معادن الأرض النادرة والتي تعتبر مراكز اصطياد للنيوترونات، ومن ثم يجب التخلص من هذه الشوائب أو تنقية اليورانيوم منها إلى درجة مقبولة، ويتم ذلك بمعالجة الخامة بحامض النيتريك حتى يتحول اليورانيوم إلى نترات يورانيوم التي تستخلص في محلول Tributyl Phosphate في الكيروسين. ثم تقوم بالتبخير حتى نحصل على نترات اليورانيوم المائية UO₂ (NO₃)₂. 6H₂O التي يرمز لها بالرمز (UNH).

ويمكن تحضير أكسيد اليورانيوم UO₂ من الكعكة الصفراء بالتصعيد Volatility ويتم ذلك بمعالجتها بالأمونيا عند درجة حرارة معينة. أو عن طريق التفال:

(1)    ............

ويتم تحضير رابع فلوريد اليورانيوم UF₄ من UO₂ حسب العلاقة:

(2) ..............

ثم يعامل رابع فلوريد اليورانيوم بغاز الفلور وتنتج سادس فلوريد اليورانيوم Uf₆ حيث:

(3).............

ومن خصائص سادس فلوريد اليورانيوم أنه يتمتع بطور الصلابة عند درجة حرارة تصل إلى 56.4 والضغط الجوي المعتاد.

من المناسب هنا أن نذكر أنه بتحويل خام اليورانيوم إلى سادس الفلوريد فإننا نستطيع الآن التحكم في تركيز اليورانيوم - 235 وذلك بزيادة هذا التركيز (ما يعرف بعملية التخصيب) وذلك عن طريق الانتشار أو الطرد المركز (أنظر الشكل 1).

كما ويمكن الحصول على اليورانيوم المعدني وذلك حسب التفاعل:

(4) .................

حيث يظهر فلوريد المغنيسيوم في التفاعل الثاني على شكل خبث فوق سطح اليورانيوم ومن ثم يمكن فصله عن اليورانيوم بهولة.

لاحظ أنه يجب نقل كل من اليورانيوم المعدني أو سادس فلوريد اليورانيوم الصلب من المعمل فور تكون أي منهما حتى لا نحصل على الكتلة الحرجة التي يمكن أن تؤدي إلى انفجار نووي كما يجب أن تنقل الكميات المحضرة أولاً بأول إلى مصانع المعالجة نلاحظ من الشكل (1) أن الوقود المستعمل في المفاعل يحضر على شكل UO₂ وبالتالي فللحصول على هذا الأكسيد من ₆UF المخصب فإننا أولاً نقوم بهدرجة سادس الفلوريد باستخدام محلول مخفف من الأمونيا وذلك لتحضير راسب منAmmonium Diuranate الذي يرشح بعد ذلك ويخفف ثم يسخن في خليط من البخار يطحن ويبخر في درجةC 1700 لزيادة كثافة. بعد أن يعمل المفاعل لمدة زمنية معنية فإن الوقود المستهلك يجب أن يسحب منه ليحل محله وقود جديد، هذا الوقود المستهلك (أنظر الشكل (1)) يحتوي على مزيج من U, ²³⁸U²³⁵ ينشطر بعد كما يحتوي على مواد انشطارية جديدة قد حضرت وهي Pu, ²³³U²³⁹ بالإضافة إلى نواتج الانشطار الجمة.

أما اليورانيوم 235 والبلوتونبوم واليورانيوم 233 فهي مواد انشطارية يمكن استخدامها مرة أخرى، اما نواتج الانشطار فهي مواد مشعة ذات فاعليات عالية عموماً ولهذا يجب فصل هذه جميعاً والاستفادة من الوقود المستهلك ويتم ذلك عبر معامل إعادة المعالجة Reprocessing Plants حيث يمكن استخلاص اليورانيوم - 235 ثم أعادته ثانية إلى معامل التخصيب أو تصنيع الوقود (كما بالشكل 1). أما اليورانيوم 233 والبلوتونيوم 239 فيجب ايضاً فصلهما للاستفادة منها في صناعة الأسلحة النووية أو تحضير وقود نووية لمفاعلات جديدة. (أنظر الشكل (1)). كما ويمكن تخزين، بضائع نووية للبيع أو للاستفادة الأخرى وذلك بعد إعادة معالجة الوقود (أنظر الشكل 1)). أما ما يتبقى عن ذلك فهي نفايات نووية يجب التخلص منها بعد تركها مدة كافية لتبرد (لتنخفض فاعلياتها الإشعاعية إلى مستوى مقبول) ويتم التخلص منها غالباً بحفر خنادق عميقة لها تحت الأرض وردمها - تحت إشراف مستمر - بعد وضعها في حاويات خاصة.