الثوريوم خصائص العنصر واستخداماته

الوصف

الثوريوم هو معدن مشع موجود بشكل طبيعي يتخذ مظهراً أبيض فضي اللون، وأفضل وصف له هو أنه موجود بوفرة في القشرة الأرضية. ويوجد الثوريوم، الذي يبلغ عدده الذري 90، بكمية أكبر بكثير من اليورانيوم، وهو ما جعله لفترة طويلة بديلاً جذاباً للوقود النووي. إن السمية المنخفضة نسبياً والخصائص النووية المواتية والاستقرار الكيميائي للثوريوم تجعله مرشحاً هائلاً لتطوير أنظمة طاقة نووية أكثر أماناً وكفاءة.

مقدمة عن العنصر

الثوريوم هو أحد العناصر المهمة في سلسلة الأكتينيدات ويتوزَّع على نطاق واسع على الأرض في معادن مثل المونازيت والثوريت والثورييت والثوريانيت. وقد اكتشفه الكيميائي السويدي يونز جاكوب بيرزيليوس في عام 1828، الذي أطلق عليه اسم ثور، إله الرعد الإسكندنافي، وسرعان ما جذب الاهتمام العلمي بسبب خواصه الإشعاعية والكيميائية غير العادية.

ويرجع السبب في ذلك إلى أنه على الرغم من أن الثوريوم لا يخضع مباشرة للانشطار النووي في معظم تصاميم المفاعلات، فإن قدرته على العمل كمادة مخصبة - أي مادة يمكن أن تتحوّل، عند امتصاصها للنيوترون، إلى نظير انشطار (أي اليورانيوم-233) - تضعه في دور فريد كبديل في البحوث النووية الحديثة. وقد جعلت الوفرة النسبية للثوريوم مقارنة باليورانيوم وإمكانية الحد من نفاياته المشعة على المدى الطويل من المفاعلات القائمة على الثوريوم موضوعاً متكرراً للاستكشاف التكنولوجي، خاصة في مفاهيم مفاعلات مفاعل مفاعل مفاعل الطاقة النووية المتعددة النظائر وغيرها من النظم النووية المتقدمة.

وإلى جانب التطبيقات النووية، فإن للثوريوم استخدامات في علم المواد والمعادن والسيراميك المتخصص، مستفيداً من ثباته في درجات حرارة عالية جداً.

وصف الخواص الكيميائية

يُظهِر الثوريوم تفضيلاً ملحوظاً جداً للحالة +4 في مركباته، مثل ThO₂ وThCl₄ وThF₄. والثوريوم المعدني المحضر حديثًا لامع ولكنه سرعان ما يتلطخ في الهواء. بعد التعرض لعدة أيام، تتشكل طبقة أكسيد كثيفة ومستقرة تحمي المعدن الأساسي من التدهور السريع.

- التفاعل مع الأكسجين: يتحوَّل الثوريوم بسهولة إلى أكسيد الثوريوم ThO₂ عند التعرُّض للهواء في درجات حرارة مرتفعة، وهو أكسيد حراري معروف بنقطة انصهاره العالية بشكل استثنائي وخموله أمام الهجوم الكيميائي.

- التفاعل المائي: مركبات الثوريوم قابلة للذوبان في الظروف الحمضية، وبالتالي يمكن استخلاصها وتنقيتها كيميائياً عن طريق الاستخلاص بالمذيبات أو إجراءات التبادل الأيوني أو الترسيب المتحكم فيه.

- التعقيد: تُشكِّل أيونات الثوريوم معقدات مستقرة مع عدد من الروابط، والتي تُستخدم في العديد من عمليات تركيب المواد ومعالجة الوقود النووي.

وبفضل هذه الخصائص، يُظهر الثوريوم سلوكاً يمكن التنبؤ به في معظم البيئات الكيميائية، مما يفسح المجال للتعامل الآمن معه عند مراعاة الضوابط الإشعاعية المناسبة.

الخواص الفيزيائية

يمكن العثور على مزيد من المعلومات على موقع Stanford Advanced Materials.

يتمتع الثوريوم بدرجات انصهار وغليان عالية، مما يمنحه الاستقرار في الظروف القاسية. كما أن كثافته المعتدلة، وهي أقل من كثافة اليورانيوم أو البلوتونيوم، تجعله مفيداً في بعض السبائك والتركيبات الخزفية للتطبيقات عالية الأداء.

الاستخدامات الشائعة

1. تطبيقات الطاقة النووية

أكبر استخدام حالي للثوريوم هو في مجال بحوث الطاقة النووية المتقدمة. وفي بعض مفاهيم المفاعلات، مثل مفاعلات MSRs أو المفاعلات الحرارية للثوريوم، يُمتصّ نيوترون بواسطة الثوريوم-232، الذي يحوّله إلى نظير يورانيوم، اليورانيوم-233، القادر على الحفاظ على تفاعل نووي متسلسل. ويُعتقد أن لدورة الوقود هذه المزايا التالية:

- زيادة كفاءة الوقود

- تقليل النفايات النووية طويلة العمر

- انخفاض مخاطر التفاعلات الهاربة مقارنة بوقود اليورانيوم التقليدي

- زيادة توافر موارد الثوريوم على الصعيد العالمي

ونظراً لهذه الفوائد، تنشط العديد من البلدان - من بينها الهند والصين - في البحث عن تصاميم مفاعلات تعمل بوقود الثوريوم.

2. التطبيقات في درجات الحرارة العالية والتطبيقات الصناعية

قبل التطوير العام والقبول العام للبدائل الاصطناعية، كان الثوريوم شائع الاستخدام في عباءات الغاز، حيث كان ثاني أكسيد الثوريوم ينتج توهّجاً ساطعاً ومستقراً. وعلى الرغم من أنه تم استبدالها إلى حد كبير اليوم، فقد لعبت عباءات الثوريوم دوراً رئيسياً في الإضاءة المحمولة في وقت مبكر.

وتشمل تطبيقات مركبات الثوريوم أيضاً ما يلي:

- السيراميك عالي الحرارة

- السبائك الفائقة التي تتطلب مقاومة حرارية فائقة

- مكونات الفضاء الجوي

المواد البصرية عالية الانكسار ذات الفهرسة العالية

تعتمد هذه التطبيقات على ثبات الثوريوم الكبير في الحرارة والخمول الكيميائي.

الأسئلة المتداولة

ما هو الثوريوم، وأين يمكن العثور عليه؟

الثوريوم هو معدن مشع موجود في الطبيعة؛ ويوجد عادةً في المونازيت والثوريت والرواسب المعدنية الأخرى في جميع أنحاء القشرة الأرضية.

كيف يساهم الثوريوم في الطاقة النووية؟

الثوريوم مادة خصبة يمكن تحويلها إلى يورانيوم-233 انشطاري، مما يتيح إنتاج طاقة نووية أنظف وربما أكثر أماناً.

ما الخواص الكيميائية الأساسية للثوريوم؟

يُظهِر الثوريوم عمومًا حالة أكسدة +4؛ وأكسيده مستقر تمامًا ويخضع لتفاعلات محكومة مع الأكسجين والأحماض والهالوجينات.

ما أهم خواص الثوريوم الفيزيائية؟

إنه معدن كثيف ذو درجات انصهار وغليان عالية، وله بنية بلورية سداسية متقاربة متراصة.

كيف تتم معالجة الثوريوم للاستخدام الصناعي؟

يتعامل الاستخلاص بطرق كيميائية أكثر تخصصاً، مثل الاستخلاص بالمذيبات والمعالجة الحرارية للحصول على الثوريوم عالي النقاء اللازم في المواد المتقدمة وتكنولوجيا الطاقة.