انتقل إلى:- خصائص اليورانيوم
- تاريخ اليورانيوم
- القوة والحرب
- حقائق حول اليورانيوم
- البحث الحالي
- موارد إضافية
- قائمة المراجع
اليورانيوم معدن إشعاعي أساسي لواحد من أكثر أعمال الحرب تدميراً في التاريخ. في 6 أغسطس 1945 ، سقطت قنبلة طولها 10 أقدام (3 أمتار) من السماء فوق مدينة هيروشيما اليابانية. بعد أقل من دقيقة ، تم تدمير كل شيء في نطاق ميل واحد من انفجار القنبلة. عاصفة نارية ضخمة دمرت بسرعة أميال أخرى ، مما أسفر عن مقتل عشرات الآلاف من الناس.
كان هذا أول استخدام لقنبلة ذرية في الحرب ، ولم يكن ليكون ممكنًا بدون اليورانيوم. هذا المعدن المشع فريد من نوعه في أن أحد نظائره ، اليورانيوم 235 ، هو النظير الطبيعي الوحيد القادر على الحفاظ على تفاعل الانشطار النووي. (النظير هو نسخة من العنصر مع عدد مختلف من النيوترونات في نواته.)
لفهم اليورانيوم ، من المهم فهم النشاط الإشعاعي. اليورانيوم نشاط إشعاعي طبيعي:نواته غير مستقرة ، لذا فإن العنصر في حالة اضمحلال مستمر ، باحثًا عن ترتيب أكثر استقرارًا. في الواقع ، كان اليورانيوم هو العنصر الذي جعل اكتشاف النشاط الإشعاعي ممكنًا. في عام 1897 ، ترك الفيزيائي الفرنسي هنري بيكريل بعض أملاح اليورانيوم على لوحة فوتوغرافية كجزء من بعض الأبحاث حول كيفية تأثير الضوء على هذه الأملاح. ولدهشته ، غطت اللوحة الضباب ، مما يشير إلى نوع من الانبعاثات من أملاح اليورانيوم. تقاسم بيكريل جائزة نوبل مع ماري وبيير كوري في عام 1903 عن هذا الاكتشاف.
ما هي خواص اليورانيوم؟
وفقًا لمختبر Jefferson National Linear Accelerator Laboratory (يفتح في علامة تبويب جديدة) ، فإن خصائص اليورانيوم هي:
- العدد الذري (عدد البروتونات في النواة):92
- الرمز الذري (في الجدول الدوري للعناصر):U
- الوزن الذري (متوسط كتلة الذرة):238.02891
- الكثافة:18.95 جرام لكل سنتيمتر مكعب
- الحالة في درجة حرارة الغرفة:صلبة
- درجة الانصهار:2075 درجة فهرنهايت (1135 درجة مئوية)
- نقطة الغليان:7،468 فهرنهايت (4،131 درجة مئوية)
- عدد النظائر (ذرات نفس العنصر مع عدد مختلف من النيوترونات):16 ، 3 توجد بشكل طبيعي
- أكثر النظائر شيوعًا:U-234 (0.0054٪ وفرة في الطبيعة) ، U-235 (0.7204٪ وفرة طبيعية) ، U-238 (توافر طبيعي بنسبة 99.2742٪)
تاريخ اليورانيوم
اكتشف مارتن هاينريش كلابروث ، الكيميائي الألماني ، اليورانيوم في عام 1789 ، على الرغم من أنه كان معروفًا منذ 79 م على الأقل ، عندما كان أكسيد اليورانيوم يستخدم كعامل تلوين لطلاء السيراميك والزجاج ، وفقًا لـ Chemicool (يفتح في علامة تبويب جديدة ). اكتشف Klaproth العنصر في معدن البتشبلند ، والذي كان يُعتقد في ذلك الوقت أنه خام الزنك والحديد. تمت إذابة المعدن في حمض النيتريك ، ثم تمت إضافة البوتاس (أملاح البوتاسيوم) إلى الراسب الأصفر المتبقي. استنتج كلابروث أنه اكتشف عنصرًا جديدًا عندما لم يتبع التفاعل بين البوتاس والترسب أي تفاعلات لعناصر معروفة. تبين أن اكتشافه هو أكسيد اليورانيوم وليس اليورانيوم النقي كما كان يعتقد في الأصل.
وفقًا لمختبر لوس ألاموس الوطني (يفتح في علامة تبويب جديدة) ، أطلق كلابروث على العنصر الجديد اسم كوكب أورانوس المكتشف مؤخرًا ، والذي سمي على اسم إله السماء اليوناني. قام الكيميائي الفرنسي يوجين ملكيور بيليغو بعزل اليورانيوم النقي في عام 1841 عن طريق تسخين رابع كلوريد اليورانيوم بالبوتاسيوم.
اكتشف الفيزيائي الفرنسي أنطوان بيكريل أن اليورانيوم مشع في عام 1896. كان بيكريل قد ترك عينة من اليورانيوم فوق لوحة فوتوغرافية غير مكشوفة ، والتي أصبحت غائمة. وخلص إلى أنها كانت تطلق أشعة غير مرئية ، وفقًا للجمعية الملكية للكيمياء (يفتح في علامة تبويب جديدة). كانت هذه هي المرة الأولى التي تمت فيها دراسة النشاط الإشعاعي وفتح مجال جديد من العلوم. صاغت ماري كوري ، عالمة بولندية ، مصطلح النشاط الإشعاعي بعد وقت قصير من اكتشاف بيكريل ، وواصل العالم الفرنسي بيير كوري البحث لاكتشاف العناصر المشعة الأخرى ، مثل البولونيوم والراديوم ، وخصائصهما.
القوة والحرب
تشكل اليورانيوم في الكون قبل 6.6 مليار سنة في المستعرات الأعظمية ، وفقًا لـ الرابطة النووية العالمية (يفتح في علامة تبويب جديدة). إنه موجود في جميع أنحاء الكوكب ، ويشكل حوالي 2 إلى 4 أجزاء في المليون من معظم الصخور. إنه رقم 48 من بين العناصر الأكثر وفرة الموجودة في صخور القشرة الطبيعية ، وفقًا لـ الولايات المتحدة. وزارة الطاقة (يفتح في علامة تبويب جديدة) ، وهو أكثر وفرة بـ 40 مرة من الفضة.
على الرغم من ارتباط اليورانيوم بشدة بالنشاط الإشعاعي ، إلا أن معدل تحلله منخفض جدًا لدرجة أن هذا العنصر ليس في الواقع أحد العناصر الأكثر نشاطًا إشعاعيًا. يبلغ عمر النصف لليورانيوم 238 4.5 مليار سنة. يبلغ عمر النصف لليورانيوم 235 ما يزيد قليلاً عن 700 مليون سنة. يبلغ عمر النصف لليورانيوم -234 245500 سنة ، ولكنه يحدث بشكل غير مباشر فقط من اضمحلال اليورانيوم 238. أغرب نظير لليورانيوم هو اليورانيوم 214 ، تم إنشاؤه عام 2021 في منشأة أبحاث الأيونات الثقيلة في لانتشو ، الصين . لا يمكن تصنيع اليورانيوم 214 إلا في ظروف اصطناعية - حيث قام الباحثون بضرب عينات من التنجستن باستخدام ليزر الأرجون - وله عمر نصف لا يتجاوز نصف ميلي ثانية.
بالمقارنة ، فإن العنصر الأكثر إشعاعًا هو البولونيوم. يبلغ عمر النصف 138 يومًا فقط.
ومع ذلك ، فإن لليورانيوم إمكانات تفجيرية ، وذلك بفضل قدرته على الحفاظ على تفاعل نووي متسلسل. اليورانيوم 235 هو مادة "انشطارية" ، مما يعني أن نواته يمكن أن تنقسم بواسطة النيوترونات الحرارية - نيوترونات لها نفس الطاقة مثل محيطها المحيط. إليك كيفية عملها ، وفقًا للجمعية النووية العالمية:تحتوي نواة ذرة U-235 على 143 نيوترونًا. عندما يصطدم النيوترون الحر بالذرة ، فإنه يقسم النواة ، ويطرح نيوترونات إضافية ، والتي يمكنها بعد ذلك الانطلاق في نوى ذرات اليورانيوم 235 القريبة ، مما يخلق سلسلة ذاتية الاستدامة من الانشطار النووي. يولد كل من أحداث الانشطار حرارة. في المفاعل النووي ، تُستخدم هذه الحرارة لغلي الماء ، مما ينتج بخارًا يحول التوربينات لتوليد الطاقة ، ويتم التحكم في التفاعل بواسطة مواد مثل الكادميوم أو البورون ، والتي يمكن أن تمتص نيوترونات إضافية لإخراجها من سلسلة التفاعل.
في قنبلة انشطارية مثل تلك التي دمرت هيروشيما ، يصبح رد الفعل فوق الحرج. ما يعنيه هذا هو أن الانشطار يحدث بمعدل متزايد باستمرار. تطلق هذه التفاعلات فوق الحرجة كميات هائلة من الطاقة:كان للانفجار الذي دمر هيروشيما قوة تقدر بـ 15 كيلو طن من مادة تي إن تي ، وكلها تم إنشاؤها بأقل من كيلوغرام (2.2 رطل) من اليورانيوم الذي يخضع للانشطار.
لجعل انشطار اليورانيوم أكثر كفاءة ، يقوم المهندسون النوويون بتخصيبه. يبلغ حجم اليورانيوم الطبيعي 0.7٪ فقط من نظير اليورانيوم -235 ، وهو النظير الانشطاري. الباقي هو U-238. لزيادة نسبة اليورانيوم 235 ، يقوم المهندسون إما بتغويز اليورانيوم لفصل النظائر أو استخدام أجهزة الطرد المركزي. وفقًا للرابطة النووية العالمية ، فإن معظم اليورانيوم المخصب لمحطات الطاقة النووية يتكون من 3٪ إلى 5٪ من اليورانيوم 235.
على الطرف الآخر من المقياس يوجد اليورانيوم المستنفد ، والذي يستخدم في صناعة الدروع والدروع. اليورانيوم المستنفد هو ما يتبقى بعد إنفاق اليورانيوم المخصب في محطة توليد الكهرباء. إنه أقل إشعاعًا بنسبة 40٪ من اليورانيوم الطبيعي ، وفقًا لوزارة شؤون المحاربين القدامى الأمريكية (يفتح في علامة تبويب جديدة). هذا اليورانيوم المستنفد يكون خطيرا فقط إذا تم استنشاقه أو ابتلاعه أو دخول الجسم في إطلاق نار أو انفجار.
حقائق حول اليورانيوم
- فقط 1.38٪ من اليورانيوم الموجود في قنبلة "ليتل بوي" التي دمرت هيروشيما خضع للانشطار ، وفقًا لمؤسسة التراث الذري (يفتح في علامة تبويب جديدة). احتوت القنبلة على حوالي 140 رطلاً (64 كجم) من إجمالي اليورانيوم.
- انفجرت القنبلة "ليتل بوي" على ارتفاع 1670 قدمًا (509 أمتار) فوق هيروشيما ولم تترك سوى إطارات من بعض المباني الخرسانية المسلحة التي كانت واقفة في نصف قطر ميل حول جراوند زيرو ، وفقًا لتقرير وكالة الدفاع النووية لعام 1980 (افتتح في جديد التبويب). دمرت العواصف النارية كل شيء في دائرة نصف قطرها 4.4 ميل (7 كيلومترات) من الانفجار.
- يبلغ عمر النصف لليورانيوم 238 4.5 مليار سنة (يفتح في علامة تبويب جديدة). يتحلل إلى الراديوم 226 ، والذي بدوره يتحلل إلى الرادون 222. يتحول الرادون -222 إلى بولونيوم 210 ، والذي يتحلل أخيرًا إلى نوكليد مستقر ، الرصاص.
- من المحتمل أن ماري كوري ، التي عملت مع اليورانيوم لاكتشاف المزيد من العناصر المشعة (البولونيوم والراديوم) ، قد استسلمت للتعرض للإشعاع الذي ينطوي عليه عملها. توفيت في عام 1934 بسبب فقر الدم اللاتنسجي ، وهو نقص في خلايا الدم الحمراء ربما يكون بسبب الضرر الإشعاعي لنخاع العظام.
- اليورانيوم النقي معدن فضي يتأكسد بسرعة في الهواء.
- يُستخدم اليورانيوم أحيانًا لتلوين الزجاج الذي يضيء باللون الأصفر المخضر تحت الضوء الأسود - ولكن ليس بسبب النشاط الإشعاعي (الزجاج هو أصغر بت فقط إشعاعيًا). وفقًا لـ Collectors Weekly (يفتح في علامة تبويب جديدة) ، فإن الفلورة ناتجة عن ضوء الأشعة فوق البنفسجية الذي يثير مركب اليورانيل في الزجاج ، مما يتسبب في إطلاق الفوتونات عند استقراره مرة أخرى.
- الكعكة الصفراء عبارة عن أكسيد يورانيوم صلب. هذا هو الشكل الذي يباع فيه اليورانيوم عادة قبل تخصيبه.
- يتم استخراج اليورانيوم في 20 دولة ، ويأتي أكثر من نصفه من كندا وكازاخستان وأستراليا والنيجر وروسيا وناميبيا ، وفقًا للرابطة النووية العالمية (يفتح في علامة تبويب جديدة).
- وفقًا لـ Lenntech (يفتح في علامة تبويب جديدة) ، يتعرض جميع البشر والحيوانات بشكل طبيعي لكميات ضئيلة من اليورانيوم من الطعام والماء والتربة والهواء. بالنسبة للجزء الأكبر ، يمكن لعامة السكان تجاهل الكميات التي يتم تناولها بأمان ، إلا إذا كانوا يعيشون بالقرب من مواقع النفايات الخطرة ، أو المناجم ، أو إذا كانت المحاصيل تزرع في تربة ملوثة أو تُروى بمياه ملوثة.
البحث الحالي عن اليورانيوم
نظرًا لأهميته في الوقود النووي ، يهتم الباحثون بشدة بكيفية عمل اليورانيوم - لا سيما أثناء الانهيار. تحدث الانهيارات عندما تفشل أنظمة التبريد حول المفاعل وتؤدي الحرارة الناتجة عن تفاعلات الانشطار في قلب المفاعل إلى ذوبان الوقود. حدث هذا أثناء الكارثة النووية في محطة تشيرنوبيل للطاقة النووية ، مما أدى إلى ظهور فقاعة مشعة أطلق عليها اسم "قدم الفيل".
قال جون باريز ، الكيميائي وعالم المعادن في جامعة ستوني بروك ومختبر بروكهافن الوطني ، إن فهم كيفية عمل الوقود النووي عند ذوبانه أمر بالغ الأهمية بالنسبة للمهندسين النوويين لبناء أوعية احتواء.
في تشرين الثاني (نوفمبر) 2014 ، نشر باريز وزملاؤه من مختبر أرغون الوطني ومؤسسات أخرى ورقة بحثية في مجلة Science (يفتح في علامة تبويب جديدة) التي أوضحت الأعمال الداخلية لثاني أكسيد اليورانيوم المذاب ، وهو مكون رئيسي للوقود النووي ، لأول مرة. لا يذوب ثاني أكسيد اليورانيوم حتى تصل درجات الحرارة إلى 5432 فهرنهايت (3000 درجة مئوية) ، لذلك من الصعب قياس ما يحدث عندما تصبح المادة سائلة ، كما أخبر باريز Live Science - لا توجد حاوية قوية بما فيه الكفاية.
وقال باريز "الحل لذلك هو أن نقوم بتسخين كرة من ثاني أكسيد اليورانيوم من الأعلى باستخدام ليزر ثاني أكسيد الكربون ، وهذه الكرة ترفرف في تيار غازي". "لديك كرة من المواد هذه ترفرف على مجرى الغاز ، لذلك لا تحتاج إلى وعاء."
يقوم الباحثون بعد ذلك بشعاع الأشعة السينية عبر فقاعة ثاني أكسيد اليورانيوم وقياس تشتت تلك الأشعة السينية باستخدام كاشف. تكشف زاوية التشتت بنية الذرات داخل ثاني أكسيد اليورانيوم.
وجد الباحثون أنه في ثاني أكسيد اليورانيوم الصلب ، يتم ترتيب الذرات مثل سلسلة من المكعبات بالتناوب مع مساحة فارغة في نمط يشبه الشبكة ، مع ثماني ذرات من الأكسجين تحيط بكل ذرة يورانيوم. قالت الباحثة في مختبر أرغون الوطني ، لوري سكينر ، في مقطع فيديو حول النتائج (يفتح في علامة تبويب جديدة) ، مع اقتراب المادة من نقطة الانصهار ، فإن الأكسجين يصبح "مجنونًا". تبدأ ذرات الأكسجين في التحرك ، وتملأ الفراغ وتتنقل من ذرة يورانيوم إلى أخرى.
أخيرًا ، عندما تذوب المادة ، يشبه الهيكل لوحة سلفادور دالي حيث تتحول المكعبات إلى أشكال متعددة السطوح غير مرتبة. قال باريز إنه في هذه المرحلة ، ينخفض عدد ذرات الأكسجين حول كل ذرة يورانيوم - المعروف برقم التنسيق - من ثمانية إلى حوالي سبع (بعض ذرات اليورانيوم تحتوي على ستة ذرات أكسجين تحيط بها ، وبعضها يحتوي على سبعة ، مما يجعل متوسطه 6.7. الأكسجين لكل يورانيوم).
قال باريز إن معرفة هذا الرقم يجعل من الممكن صياغة كيفية عمل ثاني أكسيد اليورانيوم في درجات الحرارة المرتفعة هذه. الخطوة التالية هي إضافة المزيد من التعقيد. قال إن النوى النووية ليست مجرد ثاني أكسيد يورانيوم. وهي تشمل أيضًا مواد مثل الزركونيوم وأي شيء يستخدم لحماية المفاعل من الداخل. يخطط فريق البحث الآن لإضافة هذه المواد لمعرفة كيفية تغير تفاعل المادة.
"أنت بحاجة إلى معرفة كيف يتصرف سائل ثاني أكسيد اليورانيوم النقي بحيث عندما تبدأ في النظر إلى تأثيرات القليل من الإضافات ، يمكنك أن ترى ما هي الاختلافات؟" قال باريس.
يتم استخدام الغالبية العظمى من اليورانيوم للطاقة ، وعادة في التفاعلات النووية الخاضعة للرقابة. يمكن إعادة تدوير مخلفات اليورانيوم المستنفد لتسخير أنواع أخرى من الطاقة ، مثل طاقة الشمس. براءة اختراع 2017 (تُفتح في علامة تبويب جديدة) من قبل إيغور أوسوف وميلان سيكورا ، العلماء في مختبر لوس ألاموس الوطني ، يناقشون استخدام اليورانيوم المستنفد من التفاعلات النووية لإنشاء الخلايا الشمسية. كتب المؤلفون أن أكسيد اليورانيوم المنضب كان وفيرًا ورخيصًا كبقايا من عملية تخصيب الوقود النووي ويمكن تحسينه للاستخدام كخلايا شمسية من خلال التحكم في السماكة ونسبة اليورانيوم / الأكسجين والتبلور والمنشطات.
يعتبر ثاني أكسيد اليورانيوم من أشباه الموصلات الممتازة ، وفقًا لورقة عام 2000 (تُفتح في علامة تبويب جديدة) بواسطة توماس ميك في مختبر أوك ريدج الوطني ، ويمكن أن يكون تحسينًا لاستخدامات معينة على الاستخدامات التقليدية للسيليكون أو الجرمانيوم أو زرنيخيد الغاليوم. في درجة حرارة الغرفة ، يعطي أكسيد اليورانيوم أعلى كفاءة ممكنة للخلايا الشمسية عند مقارنته بالعناصر والمركبات التقليدية لنفس الاستخدام.
تقرير إضافي بقلم راشيل روس ، Live Science Contributor.
موارد إضافية
لمزيد من المعلومات حول أساسيات اليورانيوم وكيفية تعامل وزارة الطاقة مع هذا العنصر ، راجع صفحة مختبر أرغون الوطني الخاصة بـ حقائق سريعة عن اليورانيوم (يفتح في علامة تبويب جديدة). تحتفظ الرابطة النووية العالمية بصحيفة حقائق عن اليورانيوم (يفتح في علامة تبويب جديدة) بالإضافة إلى إحصاءات عن حيث يتم استخراج اليورانيوم وإنتاجه وتخزينه (يفتح في علامة تبويب جديدة). صور اليورانيوم (يفتح في علامة تبويب جديدة) يمكن العثور عليه في images-of-elements.com. للحصول على استكشاف متعمق حول كيفية تغيير إحدى الصخور المشعة لمسار التاريخ ، اقرأ كتاب توم زويلنر " اليورانيوم:الحرب والطاقة والصخرة التي شكلت العالم (يفتح في علامة تبويب جديدة) "(Penguin Books ، 2010).
ببليوغرافيا
سكينر ، إل بي ، وآخرون. "هيكل وديناميات ثاني أكسيد اليورانيوم المنصهر" Science، Vol. 21 ، رقم 346 ، 21 نوفمبر 2014. DOI:10.1126 / science.1259709 (يفتح في علامة تبويب جديدة)
" معلومات أساسية عن حادث محطة تشيرنوبيل للطاقة النووية (يفتح في علامة تبويب جديدة). "هيئة التنظيم النووي الأمريكية. تم التحديث في 1 آذار (مارس) 2022.
" نظرة عامة على تعدين اليورانيوم (يفتح في علامة تبويب جديدة). "الرابطة النووية العالمية. تم التحديث في سبتمبر 2021.
