אורניום מועשר (העלאת ריכוז האיזוטופ 235U) הוא אורניום שבו הוגדל אחוז ה-235 באמצעות הפרדה איזוטופית. 235U הוא האיזוטופ הטבעי היחיד שמסוגל לגרום לביקוע גרעיני (פירוק גרעין שמשחרר אנרגיה ונייטרונים). ברוב עפרות האורניום 235 מהווה רק כ-0.72% מהמסה.
אורניום מועשר משמש להפקת אנרגיה בכורים גרעיניים ולשימושים צבאיים. רמת ההעשרה הדרושה לכוח ולנשק שונה מאוד. לכן הפקה והפצה של חומר זה מפוקחות על ידי גופים בינלאומיים, וכך מונעים שימוש צבאי בלתי מורשה.
האורניום הטבעי מכיל בעיקר שלושה איזוטופים: 238U השכיח, 235U החיוני לביקוע, ו-234U נדיר. רק 235U הוא חומר בקיע (מסוגל להתפצל בביקוע אחרי בליעת נייטרון). בגלל שהשכיחות של 235 נמוכה, יש צורך בתהליכי העשרה כדי להגדיל את אחוזו.
העשרת האורניום יוצרת גם תוצר לוואי שנקרא אורניום מדולדל. זהו חומר שעבר הסרת חלק מה-235, והוא בעל שימושים תעשייתיים שונים.
רמת ההעשרה קובעת את השימושים האפשריים. הסוכנות הבינלאומית קובעת שסף של 20% הופך את החומר לרגיש לניצול צבאי. אורניום "עבור נשק" בדרך כלל מכיל מעל כ-85% 235U.
ככל שההעשרה גבוהה יותר, נדרשת פחות מסה כדי להגיע ל"מסה קריטית" שמאפשרת תגובת שרשרת. לדוגמה, מסה קריטית עבור 235 טהור היא בסדר גודל של עשרות קילוגרמים, בעוד שעבור רמות נמוכות יותר נדרשת מסה גדולה יותר.
אורניום ברמות נמוכות של העשרה (LEU - Low-enriched uranium) משמש בדלק לכורים. רמות נפוצות בכורים מסחריים הן כ-3, 5% 235U. בכורי צוללות משתמשים לעיתים באורניום מועשר מאוד (HEU - Highly enriched uranium) כדי להקטין את המשקל ולהאריך את זמן הפעולה ללא טעינה.
העשרת אורניום היא הפרדת איזוטופים המבוססת על הבדלים זעירים במסה בין 235U ל-238U. מכיוון שההבדל קטן מאוד, התהליך מתבצע בשורות רבות של אלמנטים שמגבירים מעט את אחוז ה-235 בכל שלב. מערך כזה נקרא קסקדה (cascade).
כדי להעריך כמה עבודה נדרשת משתמשים במדד שנקרא SWU (יחידת עבודה הפרדתית). כמות ה-SWU הנדרשת גדלה עם יעד ההעשרה וכמות התוצר.
כדי לבצע הפרדת איזוטופים גזית, הופכים את האורניום לתרכובת גזית שנקראת אורניום שש-פלואורי (UF6). UF6 מתאדה בטמפרטורות נמוכות יחסית ושימושי בתהליכי הפרדה. עם זאת, החומר תוקף חומרים רבים, ולכן צריך לבנות מתקנים מחומרים מיוחדים.
העשרת האורניום נעשתה במגוון שיטות. בפרויקט מנהטן השתמשו בעיקר בשיטת ההפרדה האלקטרומגנטית (קלוטרון), ובשיטות דיפוזיה גזית ותרמית לניצול ראשוני.
אחרי המלחמה התבררה הדיפוזיה הגזית כשיטה יעילה יחסית. בשנים הבאות שיטת הצנטריפוגה הגזית התפתחה והפכה ליעילה יותר מבחינת אנרגיה. דיפוזיה גזית צורכת אנרגיה רבה מאוד; צנטריפוגות צורכות הרבה פחות אנרגיה לכל SWU.
שיטות נוספות כוללות הפרדה אלקטרומגנטית, שיטות אווירודינמיות, ושיטות מבוססות לייזר. שיטות לייזר (כמו AVLIS ו-MLIS) משתמשות בקרינה מדויקת כדי להשפיע רק על אטומי 235U.
פיתוח הצנטריפוגות המשמעותי נעשה במזרח ובמערב. המדע והידע בתחום זה סייעו גם להפצת יכולות ההעשרה למדינות שונות. דוגמא בולטת לכך היא הפצת טכנולוגיה על ידי עבדול קאדר ח'אן, שהשפיעה על תוכניות במדינות שונות.
בדיפוזיה גזית עוברים מולקולות UF6 דרך מחיצה חדירה למחצה. המולקולות הקלות יותר (כאלו עם 235U) עוברות יותר. השיפור בכל שלב הוא קטן, ולכן דרושים שלבים רבים.
בצנטריפוגות מסובבים גז במהירות גבוהה. הכוח הצנטריפוגלי דוחף מולקולות כבדות החוצה יותר. כך ניתן להוציא זרם עשיר ב-235U ממרכז הצנטריפוגה.
מהירות הסיבוב גבוהה מאוד, ולכן בניית צנטריפוגות היא אתגר הנדסי גדול. עם זאת, שיטה זו יעילה ומהירה יחסית, והיא נפוצה כיום.
שיטות אווירודינמיות מפרידות בעזרת זרימות ומהירויות גבוהות בלי חלקים מסתובבים. הפרדה אלקטרומגנטית מייננת את האטומים ומפזרת אותם בשדה מגנטי, כך שניתן לאסוף איזוטופים בהפרדה חלקית.
שיטות לייזר מנצלות הבדלים זעירים בספקטרום האנרגיה של 235U ו-238U. קרן לייזר מדויקת יכולה להפעיל רק את אטומי 235U. כך ניתן לזהות או ליינן את האטומים הרצויים ולבודדם בשיטות נוספות.
תהליך זה פותח במקומות שונים, ובישראל דווח על מחקר בנושא בתחילת שנות השבעים.
מהילת אורניום (downblending) היא ערבוב אורניום מועשר מאוד עם אורניום מדולדל או טבעי, כדי לקבל דלק ברמת העשרה נמוכה לשימוש בכורים. חלק מהדלק הגרעיני בעולם מופק בדרך זו. פעולה זו גם מסייעת להפחית מלאי של אורניום נשק ולמנוע שימוש בלתי רצוי.
אורניום מועשר הוא אורניום שיש בו יותר מהאיזוטופ 235U. איזוטופ הוא גרסה של אותו יסוד עם משקל שונה. 235U יכול להתפרק ולשחרר אנרגיה.
האורניום שבטבע מורכב בעיקר מ-238U השכיח, מ-235U החשוב לביקוע, ומעט 234U. ברוב העפרה יש רק כ-0.72% של 235U.
אם מגדילים את אחוז ה-235 מקבלים אורניום מועשר. יש רמות נמוכות לשימוש בכורים גרעיניים. יש רמות גבוהות יותר שנחשבות רגישות ומיועדות גם לשימושים צבאיים.
מפרידים בין האיזוטופים בגלל שמסתם שונה מעט. עושים זאת בשלוש דרכים עיקריות:
- דיפוזיה גזית: מולקולות קלות עוברות דרך מחיצות קטנות יותר.
- צנטריפוגה: מסובבים גז במהירות, והחלקים כבדים נדחפים החוצה.
- לייזרים: אור מדויק משפיע רק על אטומי 235U.
כדי לעבוד עם אורניום בגז משתמשים בתרכובת שנקראת אורניום שש-פלואורי (UF6). היא הופכת לגז בטמפרטורות לא גבוהות.
מהילת אורניום היא ערבוב של חומר מאוד מועשר עם חומר עדין. כך מקבלים דלק לכורים. זה גם עוזר להפחית כמויות של אורניום שנועדו לנשק.
המידע הזה עוזר להבין איך הופכים אורניום למתאים לדלק ולמטרות שונות.
תגובות גולשים