المحاضرة الثامنة في الكيمياء الاشعاعية للمرحلة الثالثة في قسم الكيمياء

تخصيب اليورانيوم ( uranium enrichment ) :
هي عملية فصل جزئي لنظائر عنصر معين عن بعضها البعض في خليطهما ألنظائري .
وتتم بتحويل مركبات اليورانيوم الخام إلى مركبات ثابتة في الحالة الغازية ممكن تحويلها إلى مركبات أخرى ثابتة في الحالة الصلبة , لذلك يحول خام اليورانيوم بعد مروره بعدة عمليات كيمياويه إلى الاوكسيد U3O8 المعروف بالكعكة الصفراء ثم يحول إلى سادس فلوريد اليورانيوم UF6 على شكل غاز ثم إجراء عمليات الفصل والتخصيب يحول الغاز إلى الحالة الصلبة على شكل ثاني اوكسيد اليورانيوم UO2 .
الطرق الشائعة لتخصيب اليورانيوم :
1 – الانتشار الغازي
2 – الطرد المركزي
3 – الليزر
طريقة الانتشار الغازي :
تستخدم هذه الطريقة في الولايات المتحدة الاميركيه حيث يضخ UF6 بسرعة عاليه بداخل أنبوب طويل تتخلله حواجز تحتوي على ملايين الثقوب الدقيقة ونتيجة لاختلاف سرع جزيئات الغاز الخفيفة ( U-235 ) عن سرع جزيئات الغاز الأثقل U-238 ) ) وبتكرار العملية آلاف المرات فسيحدث فصل جزئي للخليط بين منطقتي الحواجز حيث تحتوي المنطقة عبر الحاجز على نسبه أعلى من U-235 من نسبتها في الخام الأولي , ومبدأ هذه الطريقة قانون كراهام للانتشار .
طريقة الطرد المركزي (الفاصلات) :
تستخدم هذه الطريقة في العديد من المحطات الأوربية والآسيوية , حيث يتكون جهاز الطرد المركزي من اسطوانات عموديه بقطر من 2 متر إلى 3 متر ذات حركة دوامية سريعة حيث يضخ غاز سادس فلوريد اليورانيوم ( 235 + 238 ) من الأعلى عبر أنبوب عمودي داخل الاسطوانة وبتقنيات هندسيه معقده ينساب الخليط الغازي إلى الأسفل ثم يعاد ضخه من جديد في فاصله ثانيه وتعاد العملية بمائة فاصله وخلال هذه العملية يحدث في كل فاصله تركز اليورانيوم 238 على الجدران والى الأسفل في حين يتركز اليورانيوم 235 في مركز الفاصلة حيث يسحب من الأعلى إلى الفاصلة الثانية ثم الثالثة وهكذا بينما يسحب الخليط في أسفل الفاصلة إلى الفاصلة الأولى لتعاد العملية من جديد , والنتيجة يكون الخليط في الفصله الاخيره يحتوي على نسبه من اليورانيوم 235 أعلى مما كانت عليه في الخام .
طريقة الليزر :
الليزر : عبارة عن حزمه رفيعة وكثيفة من الضوء ذات تردد واطئ جدا وتنتج نتيجة خزن الطاقة ثم إطلاقها دفعه واحده ويتم خزن الطاقة في غاز أو سائل موجود في قلب الجهاز .
تتم طريقة الفصل بثلاث مراحل :
1 – مرحلة الحصول على البخار الذري
2 - = الحصول على الايونات الموجبة لليورانيوم 235
3 - = فصل الذرات المتعادله لليورانيوم 238 عن الايونات الموجبه لليورانيوم 235
المرحلة الأولى : يستخدم اليورانيوم الطبيعي على هيئة عنصر صلب ويوضع في فرن ويحول إلى بخار ذري بواسطة حزمه من الالكترونات .
المرحلة الثانية : تسلط على هذا البخار حزمه من الليزر يواف ترددها بحيث تستطيع الكترونات اليورانيوم 235 امتصاص طاقتها ولا تستطيع الكترونات اليورانيوم 238 ذلك ونتيجة ذلك تقذف الكترونات مداريه من ذرات 235 متحولة إلى أيونات موجبه في حين تبقى ذرات 238 بشكل ذرات متعادلة .
المرحلة الثالثة : عند صعود الخليط الغازي ( الايونات والذرات ) إلى الأعلى يواجه ألواح تجميع سالبه الشحنة وباردة فتنجذب الايونات الموجبه نحو هذه الألواح متكثفه عليها ومتقطره إلى حاويات مكونه كتله صلبه من اليورانيوم الغني بالنظير 235 , في حين تنتقل الذرات ( 238 ) عبر الألواح السالبة إلى ألواح ثانيه تسمى ألواح النفايات حيث يتكاثف عندها اليورانيوم 238 ويجمع , ومن مزايا هذه الطريقة إنها تستهلك طاقه اقل وتكلفتها اقل ( لماذا يستخدم اليورانيوم على شكل مركب سداسي فلوريد اليورانيوم في عمليات التخصيب ؟ ) .
النظائر ألمشعه
النظائر : هي ذرات تحتوي على نفس العدد من البروتونات ولكنها تختلف في عدد النيوترونات , ولها نفس الخواص الكيمياويه , وتوجد العناصر في الطبيعة على هيئة مخاليط من نظائرها المتنوعة .
أنواع النظائر : تقسم النظائر إلى نوعين
1 – النظائر المستقرة ( غير المشعة )
2 – النظائر غير المستقرة ( المشعة )
A : نظائر مشعه طبيعيه
B : نظائر مشعه محضره
يوجد 21 عنصر ليس لديه نظائر
عدد النظائر المستقرة 300 نظير
تم حضر مايزيد على 1500 نظير مشع
عملية تحضير النظائر
هناك طريقتين لتحضير النظائر
1 – الطريقة الأولى هي استخدام المفاعلات النووية : ويتم فيها قصف النويدات بنيوترونات تتولد من المفاعل النووي حيث تتم بإحدى الميكانيكات الاتيه :
A : الأسر النيوتروني : حيث تأسر النواة المستقرة احد النيوترونات الساقطة عليها ويستقر فيها فيتكون النظير الجديد لنفس النواة

B: التفاعل النووي المستحث بالنيوترونات : يحدث عند قصف نيوترون نواة واصطدامه ببروتون داخلها قاذفا إياه خارجها متحولة إلى نواة أخرى مشعه

والنواة إلى نظيرين لنواتين جديدتين

وتعد مفاعلات الأبحاث متوسطة القدرة ومفاعلات البركة السابحة والتي يتراوح الفيض النيوتروني فيها مابين 1015 إلى 1011 نيوترون / سم2 ثا من أكثر المفاعلات ملائمة لإنتاج النظائر حيث تتميز بسهولة عمليات إدخال وإخراج العينات وبالتالي سهولة التحكم بزمن التشعيع الذي يعد من العناصر الهامة في هذه العملية .
2 – الطريقة الثانية هي استخدام المعجلات النووية : وتتم بقصف النظير المستقر بحزمه من احد الجسيمات المشحونة المعجلة في معجل نووي والتي سوف تمتلك طاقه مقدارها مابين 40 إلى 10 ميكا إلكترون فولت عند اصطدامها بالهدف

مزايا إنتاج النظائر بالمفاعلات
يمكن إنتاج مئات العينات من نفس النظير أو من النظائر المختلفة في آن واحد داخل المفاعل وذلك بوضعها في نفس الوقت وتعريضها للتشعيع سوية , في حين ينتج المعجل نظير واحد فقط
مزايا إنتاج النظائر بالمعجلات
بعض النظائر المنتجة في المفاعل لا يمكن دراستها والتعرف على نوع الإشعاع الذي تبعثه وذلك لعدم ملائمة الخصائص النووية له في المفاعل لذلك يحضر مثل هذا النظير في المعجل .
إن بعض النظائر تحتاج لإنتاجها نويدات غير النيوترونات لذلك لا يستخدم المفاعل لإنتاجها لذلك يستخدم السايكلوترون لإنتاجها.
إن اغلب النظائر التي تستخدم للعلاج الإشعاعي تتميز بعمر نصف قصير لذلك يجب إن يكون مكان إنتاجها قريب من مكان استخدامها وهذا الشرط لايمكن تأمينه عند استخدام المفاعل لبعده عن مكان استخدام النظائر للعلاج (المستشفيات) لذلك تبنى وحده لإنتاج النظائر داخل المستشفى وعلى جانب منها لتحقيق الشرط أعلاه .
مراحل إنتاج النظائر:
1 – إعداد النظير المستقر: النظير المستقر هو المادة الاوليه التي ينتج منها النظير المشع , لذلك يجب إن يكون على درجه عاليه من النقاوة سواء كان عنصر ام مركب وبعد عملية التنقية يحفظ في وعاء التشعيع.
2 – عملية التشعيع: وهي عملية قصف النظير المستقر بإشعاع معين , وتستمر لفترات تتفاوت تبعا لنوع النظير والنشاط الإشعاعي المطلوب للنظير وقد تستمر دقائق أو أيام أو أسابيع.
3 – المعالجات المختلفة للنظير المشع: وتتضمن فصل النظير الجديد المشع عن النظير المستقر الذي تبقى بعد عملية التشعيع وعن النظائر الأخرى الذي تكونت معه, واعتياديا يكون النظير المنتج بصيغه كيمياويه مناسبة للاستخدام للغرض المعين.
4 – تعقيم النظير المشع: حيث يتم في هذه المرحلة الحصول على نظير ذات نقاوة عاليه جدا بحيث يمكن استخدامه للإغراض الطبية.
5 – تثبيت صفات وخصائص النظير : حيث يتم تعيين فترة صلاحيته وتحديد الشدة الاشعاعيه النوعية له وكافة الأمور التي تتعلق بجودة المنتوج والوزن المطلوب للاستخدام وكمية الجرع التي يوفرها .
6 – تهيئة النظير للاستخدام : حيث يعبا بعلب خاصة مجهزه بدروع واقيه من الإشعاع ويحفظ في حاويات معده لهذا الغرض ومعلمه بعلامات الخطر من الإشعاع
متطلبات برنامج إنتاج النظائر:
1 – توفير قاعدة علمية وتقنية تقوم على أساس توفير مفاعل أبحاث متوسط القدرة ومعجل متغير الطاقة للجسيمات المشحونة تصل طاقتها إلى 40 ميكا إلكترون فولت
2 – توفير الوحدات التي تعني بإعداد المادة المطلوب تشعيعها ووحدات الفصل الكيمياوي والمعالجات الكيمياويه
3 – توفير مختبرات إجراء اختبارات الجودة والصلاحية
4 – توفير مختبرات إجراء القياسات الاشعاعيه , النشاط الإشعاعي للنظير ومقدار الجرع الاشعاعيه للنظير
5 – وحدات تنفيذ الدروع الاشعاعيه والمخازن الاشعاعيه الملائمة ووحدات النقل الملائمة لهذا الغرض
6 – توفير المستشفيات التخصصية للمعالجة بالإشعاع بالاضافه إلى مختبرات التشخيص العالية الدقة وتوفير الكادر المتخصص والمتدرب جيدا لان الإشعاع سلاح ذو حدين إن لم يستخدم بصوره صحيحة فانه قاتل