اليورانيوم: خصائص العنصر واستخداماته

الوصف

اليورانيوم معدن كثيف رمادي فضي اللون، وربما اشتهر بنشاطه الإشعاعي ودوره المركزي في الطاقة النووية. وكونه من بين أثقل العناصر الموجودة طبيعياً، يقدم اليورانيوم هذا المزيج الفريد من التفاعلية الكيميائية وحالات الأكسدة المتعددة والخصائص النووية، مما يجعله لا غنى عنه في التكنولوجيا الحديثة وإنتاج الطاقة والبحث العلمي.

مقدمة عن العنصر

لطالما ارتبط الاهتمام الكبير باليورانيوم من قِبل العلماء والكيميائيين والمهندسين بموقعه الفريد في الجدول الدوري. إذ يبلغ عدده الذري 92، مما يجعله أحد آخر العناصر المتوفرة طبيعياً وجسراً بين المعادن الثقيلة الطبيعية وعناصر ما وراء اليورانيوم الاصطناعية. وقد اكتشفه الكيميائي الألماني مارتن هاينريش كلابروث في عام 1789، ولكن تم الاعتراف به ببساطة كمعدن ثقيل ذي خصائص غريبة حتى أواخر القرن التاسع عشر، عندما أظهر اكتشاف النشاط الإشعاعي على يد هنري بيكريل الأهمية العلمية الحقيقية لليورانيوم.

تشمل المعادن الرئيسية التي تحتوي على اليورانيوم اليورانينيت والكارنوتايت والبرانيريت؛ ويتم تعدينه في أجزاء كثيرة من العالم. إن خاصية الكثافة العالية لليورانيوم وكونه أثقل من الرصاص بمقدار الضعف تقريباً وقدرته على الانشطار النووي تجعله مادة مهمة في الصناعات المدنية والدفاعية على حد سواء.

وصف الخواص الكيميائية

من الناحية الكيميائية، اليورانيوم متعدد الاستعمالات إلى حد كبير، حيث يتخذ أشكالاً تتراوح بين +3 و+6 حالات الأكسدة، مع وجود شكل إضافي شائع ومستقر يتمثل في +4 و+6. وتسمح هذه المرونة للعنصر بتكوين مجموعة واسعة من المركبات، التي يؤدي الكثير منها أدواراً أساسية في دورات الوقود النووي والتطبيقات الصناعية.

- وثاني أكسيد اليورانيوم هو الشكل الرئيسي المستخدم في كريات الوقود النووي لأنه مستقر، ومقاوم للحرارة بدرجة عالية، ومتوافق في ظروف المفاعل.

- وتشمل الأشكال الوسيطة الشائعة أثناء المعالجة ثالث أكسيد اليورانيوم (UO₃) وثامن أكسيد اليورانيوم الثلاثي (U₃O₈).

- وسادس فلوريد اليورانيوم (UF₆) هو أحد أهم مركبات اليورانيوم من الناحية الكيميائية. وتقلّبه يجعله مثالياً لعمليات التخصيب التي تفصل النظائر اللازمة للمواد المستخدمة في المفاعلات أو المواد المستخدمة في صنع الأسلحة.

وتتأثر قابلية ذوبان اليورانيوم في النظم البيئية بشدة بالأس الهيدروجيني وبوجود أيونات الكربونات أو الفوسفات. وتتحكم هذه الكيمياء في كيفية تحرك اليورانيوم في المياه الجوفية، وكيفية استخراجه عن طريق التعدين، وكيفية إدارته في مشاريع المعالجة البيئية.

الخصائص الفيزيائية

الخاصية.القيمة.الوحدة.الوصف

العدد الذري 92 - عدد البروتونات في النواة

الوزن الذري 238.03 جم/مول متوسط كتلة ذرات اليورانيوم

الكثافة 19.1 جم/سم مكعب كثافة عالية للغاية؛ ضعف كثافة الرصاص تقريباً

درجة الانصهار 1132 درجة مئوية درجة الحرارة التي يتحول عندها اليورانيوم الصلب إلى سائل

درجة الغليان 4131 درجة مئوية درجة الحرارة التي يتبخر عندها اليورانيوم

الثقل النوعي 19.1 - الكثافة النسبية مقارنة بالماء

لمزيد من المعلومات، يرجى زيارة Stanford Advanced Materials (SAM).

معدن اليورانيوم النقي قابل للطرق والسحب، ولكنه يتشوه عند تعرضه للهواء ويتفاعل بسهولة لتشكيل مجموعة من أكاسيد اليورانيوم. وعلى الرغم من أنه مشع، فإن نواتج الاضمحلال هي في الغالب جسيمات ألفا، والتي لا يمكنها اختراق الجلد، على الرغم من أن التعرض الداخلي خطير، ويجب أن تكون ضوابط التعامل معه صارمة.

اليورانيوم 235 واليورانيوم 238 النظائر المهمة

هناك نظيران يحددان الأهمية التكنولوجية لليورانيوم: اليورانيوم-238 واليورانيوم-235.

U-238

يتكون حوالي 99.3% من اليورانيوم الطبيعي من اليورانيوم U-238. وعلى الرغم من أن هذا النظير ليس قابلاً للانشطار بسهولة، إلا أنه خصب - أي أنه يمكن أن يمتص نيوتروناً ويصبح في نهاية المطاف بلوتونيوم-239، وهو نظير انشطارية يستخدم في كل من المفاعلات والأسلحة النووية. وتضمن هذه الخاصية أن اليورانيوم-238 يؤدي دوراً مهماً في كل من وقود الأكسيد المختلط (MOX) وفي تقنيات مفاعلات التوليد.

U-235

يشكّل اليورانيوم-235 نسبة 0.72 في المائة فقط من اليورانيوم الطبيعي، ولكنه النظير الوحيد الموجود طبيعياً القادر على الحفاظ على تفاعل متسلسل. وينقسم هذا النظير إلى ذرات أصغر عندما يصطدم بنيوترون بطيء، مما يطلق كمية كبيرة من الطاقة والمزيد من النيوترونات. وهذا التفاعل المتسلسل هو أساس

- توليد الطاقة النووية

- دفع الغواصات النووية

- الأسلحة الذرية

- عمليات المفاعل البحثي

ونظراً لندرته، يجب تخصيب اليورانيوم-235 في كثير من الحالات لزيادة تركيزه لاستخدامه في المفاعلات. ويؤدي التخصيب، الذي يتم عادةً عن طريق الانتشار الغازي أو الطرد المركزي لليورانيوم المخصب₆، إلى توليد يورانيوم مخصب مناسب لتوليد الكهرباء.

أين يوجد اليورانيوم

اليورانيوم عنصر شائع نسبياً في القشرة الأرضية، ويوجد بنفس وفرة التنغستن أو الموليبدينوم تقريباً. ويتخذ في الغالب أشكالاً معدنية ويتم تعدينه بالتقنيات التقليدية والرشح في الموقع. وتشمل البلدان الرئيسية المنتجة لليورانيوم ما يلي:

- كازاخستان هي أكبر منتج لليورانيوم في العالم حالياً، وتعتمد في الغالب على التعدين بالرشح الموضعي

- كندا لديها بعض من أغنى الرواسب عالية الجودة في العالم.

- أستراليا - لديها احتياطيات هائلة تقع في العديد من المناجم الكبيرة المفتوحة وتحت الأرض

ناميبيا والنيجر وأوزبكستان والولايات المتحدة: منتجون كبار لهم تاريخ طويل في استخراج اليورانيوم

ويوجد اليورانيوم أيضًا بكميات ضئيلة في رواسب الفوسفات ومياه البحر وحتى في بعض الصخور الغرانيتية. وتتحسن تكنولوجيات استخراج اليورانيوم من مياه البحر، مما قد يوفر إمدادات غير محدودة تقريباً من اليورانيوم في المستقبل.

الاستخدامات الشائعة

تؤدي الخصائص النووية والفيزيائية الفريدة لليورانيوم إلى العديد من التطبيقات المهمة:

1. إنتاج الطاقة النووية

أهم استخدام لليورانيوم هو استخدامه كوقود في المفاعلات النووية. عندما يخضع اليورانيوم 235 للانشطار، فإنه ينتج كميات كبيرة من الحرارة. وتولّد هذه الحرارة البخار الذي بدوره يحرّك التوربينات لإنتاج الكهرباء. وتوفر الطاقة النووية من اليورانيوم جزءاً كبيراً من الطاقة الكهربائية منخفضة الكربون في العالم.

2. التطبيقات الدفاعية والعسكرية

يُستخدم اليورانيوم المخصب لتشكيل نواة الأسلحة النووية. ويُستخدم اليورانيوم المستنفد - وبشكل أساسي اليورانيوم-238 - في الذخائر الخارقة للدروع وتصفيح المركبات المدرعة، لأن كثافته الشديدة تسمح له بالاختراق والشحذ الذاتي عند الاصطدام.

3. التطبيقات العلمية والطبية

تشمل استخدامات مركّبات اليورانيوم تأريخ الصخور في الجيولوجيا، ودراسات التتبع البيئي، والمفاعلات البحثية التي تنتج النظائر الطبية لعلاج السرطان.

طرق التحضير

التعدين والطحن هما الخطوتان الأوليان في التحضير التجاري لليورانيوم. وبعد الاستخراج، تتم معالجة الخام عن طريق التكسير والطحن والنض الكيميائي - باستخدام حمض الكبريتيك أو المحاليل القلوية عموماً - لفصل اليورانيوم عن المعادن الأخرى.

ويتم تنقية المحلول النهائي عن طريق:

- الاستخلاص بالمذيبات

التبادل الأيوني

- الترسيب إلى "الكعكة الصفراء"، وعادةً ما تكون الكعكة الصفراء هي اليورانيوم₃O₈

يتم تحويل الكعكة الصفراء إما إلى UF₆₆ للتخصيب، أو إلى UO₂₂، لتصنيعها في كريات الوقود.

الأسئلة المتداولة

ما الذي يميز اليورانيوم؟

ينفرد اليورانيوم من بين العناصر الموجودة طبيعياً بحقيقة أنه يجمع بين النشاط الإشعاعي والكثافة العالية وحالات الأكسدة المتعددة والقدرة على الانشطار.

كيف يتم استخراج اليورانيوم؟

طرق التعدين التقليدية، والرشح في الموقع، والتنقية الكيميائية التي تفصل اليورانيوم عن الخام.

ما أهمية اليورانيوم 235 واليورانيوم 238؟

اليورانيوم-235 مادة انشطارية وقادرة على الخضوع لتفاعل متسلسل، في حين أن اليورانيوم-238 مادة خصبة ويمكن تحويلها إلى وقود نووي قابل للاستخدام.

ما أهمية اليورانيوم للصناعة؟

تشكل خصائصه النووية أساس إنتاج الطاقة العالمية وتقنيات الدفاع.

كيف تضمن طرق تحضيره السلامة؟

تضمن البروتوكولات الصارمة ومعايير الحماية من الإشعاع والعمليات الكيميائية الخاضعة للرقابة التعامل مع اليورانيوم واستخدامه بأمان.