אורניום מועשר: איך מעשירים אורניום ומה שימושיו (חשמל עד פצצות)

אורניום, על שם אל השמיים היווני (וכוכב הלכת) אורנוס, הוא יסוד כימי הנמצא בקרום כדור הארץ ובמי האוקיינוסים (סמל כימי U). זהו היסוד הטבעי הכבד ביותר בכדור הארץ, עם 92 פרוטונים בגרעין האטום ו-92 אלקטרונים בקליפות החיצוניות.

מכיוון שמדובר ביסוד רדיואקטיבי, אורניום דועך ופולט קרינה באופן טבעי עד הפיכתו לעופרת בסיום תהליך הדעיכה. גרסאות נוספות של אורניום, שנקראות איזוטופים, משמשות ליצירת תגובת שרשרת גרעינית המפיקה אנרגיה.

הפקת האנרגיה נעשית באמצעות ביקוע גרעיני - יורים נייטרונים אל גוש האורניום, והתוספת "הבלתי רצויה" הזו גורמת לאטומי האורניום להתבקע ולפלוט עוד נייטרונים, שממשיכים את תגובת השרשרת. כאשר זה נעשה בצורה איטית ומפוקחת בכור גרעיני ניתן להפיק חשמל, וכאשר זה נעשה בצורה לא מפוקחת כל האנרגיה משתחררת בבת אחת ונוצר פיצוץ גרעיני.

איזוטופים של אורניום - הבסיס לביקוע גרעיני

כדי שניתן יהיה לבקע אורניום, צריך סוג מסוים מאוד של אורניום. לאחר כריית אורניום מתקבלת בערך החלוקה הבאה:

• כ-99.3 אחוז הם אורניום 238 (כלומר 92 פרוטונים ו-146 נייטרונים בגרעין).

• כ-0.7 אחוז הם אורניום 235 (עם 143 נייטרונים).

• פחות מ-0.01 אחוז הם אורניום 234 (עם 142 נייטרונים).

ראוי לציין שיש בערך 70 איזוטופים של אורניום, אך רובם מלאכותיים מעשה ידי אדם ומתפרקים תוך כמה אלפיות השנייה. השלושה הללו הם האיזוטופים הטבעיים היציבים ביותר, עם משקל אטומי מעט שונה בשל ההבדלים במספר הנייטרונים.

הבדלים אלו מאפשרים להפוך את האיזוטופים הללו למקור אנרגיה - הן להפקת חשמל והן ליצירת פצצות גרעין ופצצות מימן. כדי לעשות זאת יש "לחלץ" תחילה את האיזוטופים מתוך עפרת האורניום, ואת זאת ניתן לעשות הודות להבדלים במשקל האטומי. הפרדה זו נקראת "העשרת אורניום".

תהליך העשרת האורניום

הדלק הגרעיני המשמש בכור גרעיני צריך להיות בעל ריכוז גבוה יותר של איזוטופ U235, לעומת זה הקיים בעפרת אורניום טבעית. כאשר הוא מרוכז או "מועשר", אורניום 235 ניתן לביקוע בכורים המבוססים על מים קלים (הכור הנפוץ ביותר בארה"ב; זאת בניגוד למים כבדים שיש בהם גם ניטרון אחד בנוסף לפרוטון הקיים ביסוד המימן).

במהלך הביקוע, גרעין האטום מתפצל ומייצר חום ונייטרונים נוספים. בתנאים מבוקרים, נייטרונים נוספים אלה יכולים לגרום לביקוע של אטומי אורניום נוספים, וכך למעשה ניתן לשמר תגובה גרעינית.

אנרגיית החום המשתחררת בתגובה הגרעינית מאפשרת לייצר חשמל. כדי להשיג זאת באופן מסחרי, איזוטופ U235 מועשר לרמה של 3 עד 5 אחוז (לעומת המצב הטבעי של 0.7 אחוז), ולאחר מכן מעובד עוד יותר ליצירת דלק גרעיני.

במפעל ההמרה, תחמוצת האורניום מומרת לצורה כימית ששל גז בשם אורניום הקספלואוריד (UF6), זאת כדי שיהיה ניתן להשתמש בו במתקן העשרה. UF6 משמש לכך בשל כמה סיבות:

• ליסוד פלואור יש רק איזוטופ אחד המופיע באופן טבעי, וזהו יתרון בתהליך ההעשרה (למשל, בהפרדת U235 מ-U238 הפלואור אינו תורם להבדל המשקל).

• אורניום הקספלואוריד מתקיים כגז בטמפרטורה סבירה. אם היינו צריכים להפוך את איזוטופ 235 לגז, היינו נדרשים לטמפרטורה של 4,000 מעלות.

שני הסיכונים העיקריים במתקני העשרה כוללים סיכונים כימיים שעלולים להיווצר משחרור UF6, וכן סיכונים הקשורים לאורניום המועשר.

איך מעשירים אורניום?

קיימים מספר תהליכי העשרה המשמשים ברחבי העולם:

• דיפוזיית גז

• צנטריפוגת גז

• הפרדה בלייזר

העשרת אורניום באמצעות דיפוזיית גז

תהליך הדיפוזיה הגזית משתמש בדיפוזיה מולקולרית כדי להפריד גז מתוך תערובת של שני גזים. ההפרדה האיזוטופית מושגת על ידי דיפוזיה של אורניום (ששולב עם פלואור ליצירת גז אורניום הקספלואוריד), דרך קרום נקבובי (מחסום), ושימוש במהירויות מולקולריות שונות של שני האיזוטופים כדי להשיג הפרדה.

מכיוון שלכל איזוטופ משקל מעט שונה, הוא ינוע בהתאם למשקלו ובכך נשיג הפרדה בין האיזוטופים השונים.

דיפוזיה גזית הייתה התהליך המסחרי הראשון ששימש בארצות הברית להעשרת אורניום. מתקנים אלה השתמשו בכמויות אדירות של חשמל, וככל שטכנולוגיית הצנטריפוגות התבגרה, מתקני דיפוזיה גזית הפכו למיושנים. ברחבי העולם, כולם הוחלפו בטכנולוגיית דור שני, הדורשת הרבה פחות חשמל כדי לייצר כמויות שוות ערך של אורניום מופרד.

תהליך ההפרדה: במפעל העשרה מסוג דיפוזיה גזית, גז אורניום הקספלואוריד (UF6) מוזן לצינורות, שם הוא נשאב דרך מסננים מיוחדים הנקראים מחסומים או ממברנות נקבוביות. החורים במחסומים כה קטנים עד שבקושי יש מספיק מקום למולקולות גז UF6 לעבור דרכן.

העשרת האיזוטופים התרחשה מכיוון שמולקולות גז UF6 הקלות יותר (עם אטומי U234 ו-U235) פעפעו מהר יותר דרך המחסומים מאשר מולקולות גז UF6 הכבדות יותר המכילות U238.

מחסום אחד לא הספיק. נדרשו מאות רבות של מחסומים, אחד אחרי השני, לפני שגז ה-UF6 יכיל מספיק U235 כדי לשמש כדלק גרעיני. בסוף התהליך, גז ה-UF6 המועשר נשאב מהצינורות ומתעבה בחזרה לנוזל שנמזג לאחר מכן למכלים. ה-UF6 מתקרר ומתמצק לפני שמועבר למתקני ייצור דלק.

העשרת אורניום באמצעות צנטריפוגות גז

תהליך צנטריפוגה בגז משתמש במספר רב של צילינדרים מסתובבים בתצורות טוריות ומקבילות. גז מוכנס ומסתובב במהירות גבוהה (100 אלף סיבובים לדקה), תוך כדי ריכוז הרכיב בעל המשקל המולקולרי הגבוה יותר לכיוון הדופן החיצונית של הצילינדר, והרכיב בעל המשקל המולקולרי הנמוך יותר לכיוון המרכז.

העשרת גז אורניום בצנטריפוגה היא התהליך הנוכחי שבו מתבצעת העשרה מסחרית בארצות הברית. גז UF6 מוכנס לגליל צנטריפוגה ומסתובב במהירות גבוהה. סיבוב זה יוצר כוח צנטריפוגלי חזק, כך שמולקולות הגז הכבדות יותר (UF6 המכילות אטומי U238) נעות לכיוון החלק החיצוני של הגליל.

מולקולות הגז הקלות יותר (המכילות U235) מתאספות קרוב יותר למרכז. הזרם המועשר מעט ב-U235 נשאב ומוזן לצנטריפוגה הבאה בתור. הזרם המדולל מעט (עם ריכוז נמוך יותר של U235) מוחזר חזרה לשלב התחתון.

מתקן צנטריפוגת גז מכיל שורות ארוכות של גלילים מסתובבים רבים. גלילים אלה מחוברים הן בטור והן במקביל. מכונות צנטריפוגה מחוברות זו לזו ליצירת רכבות ושרשראות. בנקודת השאיבה הסופית, ה-UF6 מועשר לכמות הרצויה.

העשרת אורניום באמצעות הפרדת לייזר

טכנולוגיית הפרדה בלייזר נמצאת בפיתוח כהליך אפשרי להעשרת אורניום. ניתן להעשיר אורניום על ידי הפרדת האיזוטופים שלו באמצעות לייזרים, המעוררים את מולקולות החומר (פוטואקסיציה). לייזרים יכולים להגביר את אנרגיית האלקטרונים של איזוטופ מסוים, לשנות את תכונותיו ולאפשר את הפרדתו.

באופן כללי, תהליך ההעשרה כרוך בשימוש בשלוש מערכות עיקריות: מערכות לייזר, מערכות אופטיות ומערכת מודולי הפרדה. ניתן לפתח לייזרים מתכווננים כדי לספק אור מונוכרומטי (בצבע אחד), שיכול ליינן איזוטופ ספציפי בלי להשפיע על איזוטופים אחרים.

האיזוטופ המושפע עובר לאחר מכן שינוי כימי, מה שמאפשר את הפרדת החומר. טכנולוגיית הפרדת הלייזר שפותחה על ידי משרד האנרגיה בארה"ב, משתמשת בסגסוגת מתכת אורניום כחומר הזנה - בעוד ששיטת ההפרדה של איזוטופים על ידי עירור לייזר (SILEX) משתמשת ב-UF6 כחומר הזנה.

כיום לא פועלים בארצות הברית מפעלי העשרת אורניום באמצעות הפרדת לייזר.

העשרת אורניום לפצצות גרעין ומימן

בעוד שלצורך ייצור חשמל מספיקה העשרה של אחוזים בודדים (3-5 אחוז), כאשר מדובר בפצצה גרעינית נדרשת העשרה לרמות גבוהות בהרבה (לפחות 20 אחוז, אבל מטעמים מעשיים לרוב נדרשים לפחות 60 עד 90 אחוזים).

פצצת ביקוע גרעיני מבוססת על גושי אורניום מועשר או פלוטוניום 239 (יסוד מלאכותי ברובו, תוצר של תהליכים גרעיניים אחרים). כדי להפוך את גוש החומר לבקיע, הוא צריך להיות בעל מאסה מינימלית מסוימת הנקראת "מאסה קריטית". את זאת ניתן להשיג בשתי דרכים עיקריות:

• הדרך הראשונה היא לירות גוש אורניום תת-קריטי אל גוש אורניום תת-קריטי נוסף. החיבור ביניהם יוצר מסה קריטית.

• הדרך השנייה היא להשתמש בגוש אורניום או פלוטוניום שאינו בעל מאסה קריטית, ולדחוס אותו באמצעות פיצוץ מרוכז פנימה (אימפלוזיה) עד לקבלת הצפיפות המספקת ליצירת מסה קריטית.

ברגע שמושגת מאסה קריטית מתרחש תהליך השרשרת תוך כמה מיליוניות שנייה עד ליצירת פיצוץ. בכור גרעיני לצורכי חשמל התהליך מושהה כדי להימנע מפיצוץ.

ומה הקשר לפצצת מימן? בעוד שפצצה גרעינית רגילה מבוססת על ביקוע של גושי אורניום או פלוטוניום, פצצת מימן מבוססת על היתוך (חיבור) בין גרעיני אטומים של מימן, כפי שקורה בשמש ובכוכבים אחרים בחלל.

כדי שזה יקרה דרושה טמפרטורה של מיליוני מעלות, כך שבעצם כל פצצת מימן חייבת להכיל בתוכה פצצת ביקוע גרעיני המשמשת כטריגר ליצירת החום הדרוש. בלי פצצת ביקוע - אין פצצת מימן.

גרסה נוספת של פצצה גרעינית נקראת פצצת נייטרונים, בעלת כוח הדף קטן משמעותית בהשוואה לפצצות ביקוע או היתוך. מטרתה היא ליצור כמויות עצומות של קרינת נייטרונים קטלנית ליצורים חיים.