اليورانيوم: ما هو وما أهميته وحقائق مذهلة عن اليورانيوم

في السادس من أغسطس عام 1945، سقطت قنبلة بطول ثلاثة أمتار من السماء على مدينة هيروشيما اليابانية، وفي غضون دقيقة، طمس كل ما كان ضمن نطاق ميل واحد من مكان الانفجار، وثم تكفلت عاصفة نارية ضخمة بتدمير مزيد من الأميال، ما أدى إلى مقتل عشرات الآلاف. شكلت تلك القنبلة الاستخدام الأول للقنبلة الذرية في الحرب، واستخدم لتحقيق ذلك إحدى العناصر الكيميائية الشهيرة: اليورانيوم.

ويتميز اليورانيوم بقدرته الإشعاعية الفريدة والموجودة خصيصًا في نظيره اليورانيوم-235، وهو النظير الطبيعي الوحيد الذي يصلح في تفاعلات الانشطار النووي، ويعرف النظير على أنه نسخة من العنصر يمتلك عددًا مختلفًا من النيوترونات في نواته.

ولنتمكن من فهم كل ما يتعلق بعنصر اليورانيوم، من المهم أن نفهم النشاط الإشعاعي أولًا، فاليورانيوم بطبعه يمثل عنصرًا ذا نشاط إشعاعي، فنواته غير مستقرة.

ولذلك فإن هذا العنصر يستمر بالاضمحلال بثبات باحثًا عن حالة أكثر استقرارًا، ومن المهم أن ندرك أن اليورانيوم كان العنصر الذي جعل اكتشاف النشاط الإشعاعي ممكنًا، وكان ذلك في عام 1897 عندما ترك فيزيائي فرنسي يدعى هنري بيكريل بعضًا من أملاح اليورانيوم على لوحة فوتوغرافية أثناء إجراءه بعض الأبحاث حول كيفية تأثر الضوء بهذه الأملاح.





غير أنه تفاجئ عندما لاحظ طبقة من الضباب تحيط باللوحة ما أشار إلى أن نوعًا من الإشعاعات كانت تنبعث من أملاح اليورانيوم، وعلى إثر هذا الاكتشاف، تشارك هنري مع ماري كوري في جائزة نوبل عام 1903.









بعض الحقائق عن اليورانيوم


إليك بعضًا من خصائص اليورانيوم كما أقرها مختبر مسرع جفرسون الوطني:

• العدد الذري (عدد البروتونات في النواة): 92
• الرمز الذري (على الجدول الدوري للعناصر): U
• الوزن الذري (متوسط كتلة العنصر): 238.02891
• الكثافة: 18.95 جرام لكل سنتمتر مكعب
• الحالة الفيزيائية عند درجة حرارة الغرفة: صلبة
• نقطة الانصهار: 2,075 درجة فهرنهايتية (1,135 درجة مئوية)
• نقطة الغليان: 7,468 درجة فهرنهايتية (4,131 درجة مئوية)
• عدد النظائر: 16، و3 في الحالة الطبيعية
• أكثر النظائر شيوعًا: اليورانيوم-234 (نسبة توافره في الطبيعة 0.0054%)، اليورانيوم-235 (نسبة توافره في الطبيعة 0.7204%)، اليورانيوم-238(نسبة توافره في الطبيعة 99.2742%)

تاريخ اليورانيوم


اكتشف مارتن هينريش كلابروث – كيميائي ألماني – عنصر اليورانيوم عام 1789، وعلى الرغم من أن هذا العنصر كان معروفًا منذ سنة 79 بعد الميلاد عندما استخدمت أكاسيده كنوع من الألوان المستخدمة في السيراميك والزجاج، فإنه وفقًا لموقع «Chemicool» فإن مارتن اكتشف العنصر في معدن البيتشبليند، والذي اعتقد حينها أنه كان عنصر الزنك أو إحدى خامات الحديد، ثم تم تحليل المعدن في حمض النيتريك، وأضيفت أملاح البوتاسيوم إلى الرواسب الصفراء المتبقية، فاستنتج مارتن أنه اكتشف عنصرًا جديدًا، وذلك عندما لاحظ أن التفاعل بين البوتاسيوم والرواسب لم ينتج منه تفاعلًا ناتجًا عن إحدى العناصر المألوفة، وتبين لاحقًا أنه اكتشف أكسيد اليورانيوم وليس اليورانيوم النقي كما اعتقد في بادئ الأمر.

ووفقًا لمختبر لوس ألاموس الوطني، قام بتسمية العنصر الجديد تيمنًا بالكوكب المكتشف حديثًا آنذاك، وهو كوكب أورانوس، وجدير بالذكر أن تسمية هذا الكوكب تعود لإله الإغريق في الميثولوجيا الإغريقية.















ولم يدرك أحد الخاصية الإشعاعية لليورانيوم إلا في عام 1896 على يد الفيزيائي الفرنسي هنري بيركيل كما ذكرنًا سابقًا، فاستنتج الفيزيائي وفقًا للجمعية الكيميائية الملكية أن هذا العنصر تسبب في إشعاعات خفية، وكانت تلك الحالة الأولى التي درس فيها النشاط الإشعاعي وعد مجالًا جديدًا في العلوم، وصاغت العالمة البولندية ماري كوري مصطلح النشاط الإشعاعي بعد فترة وجيزة من اكتشاف بيركيل، واستمرت إلى جانب زوجها بيري كوري في البحث عن عناصر إشعاعية أخرى، كالبولونيوم، والراديوم، فضلًا عن دراسة خصائصها.
استخدامات اليورانيوم في الطاقة والحرب


ووفقًا للرابطة النووية الدولية «World Nuclear Association» شكل الكون عنصر اليورانيوم قبل 6.6 مليار عام في إحدى المستعرات، وينتشر اليورانيوم في كافة أجزاء الكوكب، ويشكل تقريبًا من 2 إلى 4 أجزاء لكل مليون من معظم الصخور، ويقع في المرتبة الثامنة والأربعين ضمن أكثر العناصر وفرة على صخور القشرة الأرضية استنادًا إلى وزارة الطاقة، إذ يتوافر اليورانيوم أكثر من الفضة بأربعين ضعفًا.

وعلى الرغم من أن اليورانيوم كثيرًا ما يربط مع النشاط الإشعاعي، فإن معدل اضمحلاله قليل جدًا إلى درجة أنه لا يعد واحدًا من العناصر الأكثر إشعاعًا، فيمتلك اليورانيوم-238 عمر نصف يعادل 4.5 مليار عام، ويمتلك اليورانيوم-235 عمر نصف بتخطى 700 مليون عام، أما اليورانيوم-234 فيمتلك عمر النصف الأقل بين باقي النظراء فيعادل 245,500 عام، ولكنه لا ينتج إلا بصورة غير مباشرة من اضمحلال اليورانيوم-238.





وإذا ما قارنا جميع العناصر المشعة، فإن أكثر العناصر نشاطًا إشعاعيًا هو البولونيوم، إذ يعادل عمر نصفه 138 يومًا.

ومع ذلك، فإن اليورانيوم يتفوق على باقي العناصر بامتلاكه لقدرة تفجيرية، وهذا بفضل قدرته على الحفاظ على تفاعل نووي متسلسل، إذ يتصف اليورانيوم بأنه «انشطاري» أي أن نواته قابلة للانقسام اعتمادًا على النيوترونات الحرارية، وهي النيوترونات التي تمتلك نفس مقدار الطاقة المحيطة بها.
كيف تعمل القنبلة النووية المصنوعة من اليورانيوم


وفقًا للرابطة النووية العالمية، تمتلك نواة اليورانيوم-235 (143) نيوترونًا، وعندما يصطدم نيوترون إضافي في الذرة، تنقسم النواة قاذفة بنيوترونات إضافية، ما قد يؤثر على نواة ذرات اليورانيوم-235 المجاورة، ما يؤدي إلى صنع عملية متتالية من الانشطارات النووية ذاتيًا، ويولد كل انشطار حرارة، فتستخدم الحرارة في المفاعل النووي في غلي الماء ما يصنع بخارًا يحرك بدوره التوربينات، فتولد الطاقة، ويجري التحكم في هذا التفاعل من خلال مواد عديدة كالكادميوم والبورون والتي تستطيع امتصاص النيوترونات الإضافية للتخلص منها أثناء التفاعل المتسلسل.

وفي قنبلة انشطارية كتلك التي دمرت هيروشيما، فإن التفاعل يصبح حرجًا للغاية، ما يعني أن الانشطار يحدث في معدل متزايد، فتطلق التفاعلات الحرجة كميات هائلة من الطاقة:





امتلك الانفجار الذي دمر هيروشيما طاقة تعادل 15 كيلوطن من المواد المتفجرة، وجميعها نتجت من أقل من واحد كيلوجرام من اليورانيوم.

يعمل المهندسون النوويون على تخصيب اليورانيوم لزيادة كفاءته، فلا يشكل اليورانيوم-235 سوى 0.7% من اليورانيوم الطبيعي، أما باقي النسبة فيستحوذ عليها اليورانيوم-238، وليتمكن العلماء من زيادة نسبة اليورانيوم-235، فإن المهندسين يحولون اليورانيوم إلى الحالة الغازية كي يتمكنوا من فصل النظائر، أو يستخدمون أجهزة الطرد المركزي، ووفقًا للرابطة النووية العالمية، فإن معظم اليورانيوم المخصب الذي تستخدمه محطات الطاقة النووية صنع من ما نسبته 3 إلى 5 بالمئة من اليورانيوم-235.

ومن ناحية أخرى، يستخدم اليورانيوم المنضب في دروع الدبابات وفي الطلقات النارية، ويمثل اليورانيوم المنضب بقايا استهلاك اليورانيوم المخصب في محطات الطاقة، ويقل نشاطه الإشعاعي عن اليورانيوم الطبيعي بنسبة 40%، ونقلًا عن وزارة شؤون المحاربين القدامى الأمريكية، فإن اليوارنيوم المنضب لا يشكل خطرًا إلا إذا تم استنشاقه، أو امتصاصه، أو إذا دخل إلى الجسم نتيجة انفجار أو إطلاق ناري.
من يدري؟

• لم تتعرض سوى نسبة 1.38% من اليورانيوم إلى الانشطار في قنبلة «ليتل بوي» التي دمرت هيروشيما، إذ احتوت القنبلة على 64 كيلوجرام من البروتيوم، وهذا وفقًا لمؤسسة «Atomic Heritage Foundation».
• تفجرت قنبلة «ليتل بوي» على ارتفاع 509 متر، ولم يبق على إثرها سوى بعض الهياكل الخرسانية المسلحة واقفة ضمن نطاق الانفجار البالغ ميلًا واحدًا، واستنادًا إلى إحدى التقارير: فإن الانفجار دمر كل شيء تقريبًا يقع ضمن نطاق سبعة كيلومترات.
• عمر نصف اليورانيوم-238 يساوي 4.5 مليار عام ويضمحل إلى يورانيوم-226، والذي يضمحل بدوره إلى رادون-222، ثم يتحول الرادون-222 إلى البولونيوم-210، والذي يضمحل في نهاية الأمر إلى رصاص غير مشع.
• دأبت ماري كوري على دراسة اليورانيوم لتكتشف عناصر أخرى ذات نشاط إشعاعي، مثل البولونيوم والراديوم، غير أنها ماتت نتيجة التعرض للإشعاع أثناء العمل، فتوفيت عام 1934 من فقر الدم اللاتنسجي، وهو فشل في نخاع العظم يأتي نتيجة للأضرار الإشعاعية.
• اليورانيوم النقي هو فلز فضي يتأكسد مباشرة في الهواء.
• يستخدم اليورانيوم أحيانًا في تلوين الزجاج، ويمكن ملاحظة ذلك في الزجاج الذي يلمع بمزيج من اللونين الأخضر والأصفر عند تسليط الضوء الأسود عليه، ولكنه لا يلمع نتيجة للإشعاعية، ووفقًا لموقع «Collectors weekly» فإن تلك الإضاءة تأتي نتيجة لاستثارة الضوء فوق البنفسجي لمركب اليورانيل الموجود في الزجاج ما يجبره على إطلاق الفوتونات.
• اليورانيا أو «Yellocake» هو عبارة عن حالة صلبة لأكسيد اليورانيوم، وهي الحالة الشائعة التي يباع فيها اليورانيوم قبل تخصيبه.
• يجري التنقيب عن اليورانيوم في 20 دولة، ووفقًا للرابطة النووية العالمية فإن نصف الناتج يأتي من كندا، وكازاخستان، وأستراليا، والنيجر، وروسيا، ونامبيا مجتمعة.
• وفقًا لشركة «Lenntech»: يتعرض جميع الحيوانات والبشر بصورة طبيعية لكميات ضئيلة من اليورانيوم في الطعام والتربة وفي الماء والهواء. ولكن غالبًا ما يقع هذا التعرض ضمن الحد الآمن، باستثناء أولئك القاطنين بالقرب من أماكن المخلفات النووية الخطيرة، أو المناجم، أو عند التغذي من محاصيل نمت في تربة ملوثة أو سقيت بمياه ملوثة.

الأبحاث الحالية عن اليورانيوم


نظرًا لأهمية الوقود النووي، فإن الباحثون يبدون اهتمامًا كبيرًا في كيفية عمل اليورانيوم، وخاصة أثناء حوادث الانصهار النووي، فيطرأ الانصهار النووي عندما تفشل أنظمة التبريد حول المفاعل في عملها ما يعني أن الحرارة الناتجة من تفاعلات الاندماج النووي في قبل المفاعل تؤدي إلى ذوبان المفاعل، وهذا ما حدث في محطة شرنوبل النووية أثناء الكارثة النووية.

وفقًا لجون باريس؛ كيميائي وعالم معادن في جامعة ستوني بروك ومختبر بروكهيفن الوطني، فإن فهم كيفية عمل الوقود النووي أثناء ذوبانه يمتلك أهمية قصوى لدى المهندسين النووين عندما يبنون حجرات الاحتواء.





في شهر نوفمبر عام 2014، نشر جون باريس وزملاؤه من مختبر آجون الوطني ومؤسسات أخرى، ورقة نشرت في مجلة «the jouornal science» وتناولت الورقة شرحًا لما يجري في أكاسيد اليورانيوم الذائبة والتي تعد مكونًا رئيسيًا للوقود النووي، ووفقًا للدراسة، فإن أكسيد اليورانيوم لا ينصهر إلا عند درجات حرارة تتجاوز 3000 درجة مئوية، لذلك فمن الصعب قياس ما يحدث تفصيلًا عندما تتحول المادة إلى الحالة السائلة، وصرح جون باريس لموقع «Live science» بأنه لا يوجد حتى الآن حاوية قاسية بشكل كافٍ.

قال جون باريس «يكمن الحل في أن نسخن كرة من أكسيد اليورانيوم من الجهة العلوية بليزر أكسيد الكربون، فتصعد الكرة نتيجة للتيارات الغازية، وعند امتلاك كرة من هذه المادة صاعدة على إثر الغاز، فإنك لن تحتاج عندها إلى حاوية».

ثم أطلق الباحثون حزمة من أشعة إكس عبر فقاعة أكسيد اليورانيوم، وقاموا بقياس الكمية التي تفرقت من أشعة إكس اعتمادًا على جهاز كشف، فكشفت لهم زاوية التشتت عن بنية الذرات داخل أكسيد اليورانيوم.

وقال لوري سكينر؛ باحث في مختبر آرجون الوطني، وذلك في فيديو يكشف فيه عن النتائج

«وجد الباحثون أنه في الحالة الصلبة لأكسيد اليورانيوم، تترتب الذرات في سلسلة من المكعبات تتناوب في الفراغ في نمط شبكي بوجود ثماني ذرات من الأكسجين محاطة بكل ذرة يورانيوم، وعندما تصل المادة إلى درجة الانصهار، فإن الأكسجين يتهيج، فتبدأ ذرات الأكسجين بالحركة دائريًا في الفراغ المحيط، فتنتقل من ذرة يورانيوم إلى أخرى».





أخيرًا، عندما انصهرت المواد، تشابهت البنية مع إحدى لوحات سلفادور دالي وذلك مع تحول المكعبات إلى أشكال فوضوية متعددة الأسطح، وفي تلك النقطة – قال باريس – تناقص عدد ذرات الأكسجين المحيطة بكل ذرة يورانيوم من ثماني ذرات إلى سبعة، وامتلكت بعض ذرات اليورانيوم ستة ذرات أكسجين، والبعض الآخر سبعة، فكان معدل عدد ذرات الأكسجين يعادل 6.7 ذرة.

ووفقًا لباريس، فإن معرفة هذا الرقم يجعل من الممكن نمذجة كيفية أداء أكسيد اليورانيوم عند درجات الحرارة العالية، غير أن قلب المفاعل النووي لا يحوي أكاسيد اليورانيوم فحسب، فيحوي أيضًا مواد أخرى مثل الزركونيوم وأي مواد أخرى مستخدمة في تدريع المفاعل من الداخل، فيخطط الفريق حاليًا لإضافة المزيد من المواد لدراسة كيفية تغير تفاعل تلك المواد.

وأضاف باريس «عليك معرفة كيف يتصرف سائل أكسيد اليورانيوم النقي بحيث أنه عندما تبدأ بالنظر إلى تأثيرات الإضافات الصغيرة، ستدرك الفروقات».





تستخدم غالبية اليورانيوم لإنتاج الطاقة غالبًا في التفاعلات النووية المتحكم بها، أما بالنسبة إلى مخلفاته إلى جانب اليورانيوم المنضب، فيمكن إعادة تدويرها لتسخيرها في أنواعٍ أخرى من الطاقة، مثل الطاقة الشمسية، إذ نشر إيجور يوسوف وميلان سايكورا من مختبر لوس ألاموس الوطني عام 2017 ورقة تناقش استخدام اليورانيوم المنضب الناتج من التفاعلات النووية لصنع خلايا شمسية، إذ كتب المؤلفون أن اليورانيوم المنضب يتواجد بوفرة ويعد إحدى المخلفات الرخيصة الناتجة من عملية تخصيب اليورانيوم، فيمكن استغلاله على نحو أمثل في الخلايا الشمسية، وذلك من خلال التحكم بالسماكة، ونسبة اليورانيوم إلى الأكسجين، والتبلور، والتنشيط.

يعد أكسيد اليورانيوم من أشباه الموصلات الممتازة، وذلك ما ورد في دراسة ألفها ثوماس ميك من مختبر أوك ريدج الوطني، ومن الممكن أن يستخدم عوضًا عن الاستخدامات التقليدية للسيليكون، والجرمانيوم، وزرنيخيد الغاليوم، فعند درجة حرارة الغرفة، يعطي أكسيد اليورانيوم أعلى كفاءة ممكنة للألواح الشمسية بالمقارنة مع العناصر التقليدية الأخرى.