لماذا نظير واحد فقط يصلح للانشطار؟
لليورانيوم الطبيعي ثلاثة نظائر: اليورانيوم 238 بنسبة 99.27 %؛ واليورانيوم 235 بنسبة 0.72 %؛ وأثر من اليورانيوم 234.
والقابل للانشطار بالنيوترونات البطيئة هو 235 وحده، والسبب في زوجية النيوترونات.
فلليورانيوم 235 مئة وثلاثة وأربعون نيوترونًا، وهو عدد فردي. وعند التقاطه نيوترونًا آخر يكوّن يورانيوم 236 بمئة وأربعة وأربعين، وهو عدد زوجي، والأنوية ذات النيوترونات المزدوجة أشد ترابطًا. وتلك طاقة الازدواج تتحرر عند تكوّن النواة المركّبة وتكفي وحدها لتجاوز حاجز الانشطار: فتنشطر النواة ولو وصل النيوترون الوارد بلا طاقة تقريبًا.
ولليورانيوم 238 مئة وستة وأربعون نيوترونًا، وهو عدد زوجي. وعند التقاطه واحدًا يكوّن عددًا فرديًّا ولا يكسب تلك الطاقة الزائدة. فيحتاج إلى نيوترون يحمل أكثر من مليون إلكترون فولت لينشطر، وفي المفاعل تُبطّأ النيوترونات عمدًا دون ذلك.
ومن هنا كانت الـ0.72 % هي الرقم الذي يحكم الصناعة النووية كلها.
⚠️ واليورانيوم 238 ليس عديم الفائدة: فعند التقاطه نيوترونًا يتحول إلى بلوتونيوم 239، وهو قابل للانشطار. وتجري تلك العملية باستمرار داخل المفاعل، وفي أواخر الدورة يأتي جزء معتبر من الطاقة المنتَجة من بلوتونيوم تكوّن في الموقع.
لماذا تخصيبه بهذه الصعوبة؟
لأن النظيرين متطابقان كيميائيًّا. فلكل منهما 92 إلكترونًا، ويكوّنان المركّبات نفسها، ويتفاعلان بالطريقة نفسها. ولا ينجح أي فصل كيميائي.
والفارق الوحيد القابل للاستغلال هو الكتلة: 235 مقابل 238، أي 1.3 %.
والأسلوب الحالي هو الطرد المركزي. يُحوَّل اليورانيوم إلى سداسي فلوريد، UF₆، وهو المركّب اليوراني الوحيد الغازي عند حرارة معتدلة. ويُدخل الغاز في أسطوانات تدور عشرات آلاف الدورات في الدقيقة؛ فتنزاح الجزيئات الأثقل قليلًا نحو الجدار.
والأثر لكل طاردة ضئيل جدًّا. فللانتقال من 0.72 % إلى 4 % تلزم آلاف الآلات موصولة في سلاسل، وللوصول إلى 90 % يلزم أكثر بكثير.
وتلك الصعوبة هي العائق التقني الرئيسي أمام الانتشار النووي، وسبب خضوع برامج التخصيب لمراقبة دولية. وقد اختير الفلوريد أيضًا لأن للفلور نظيرًا مستقرًّا واحدًا: فأي عنصر آخر كان سيضيف تباينه الكتلي الخاص ويفسد الفصل.
أما الأسلوب السابق، الانتشار الغازي، فكان يستهلك كميات هائلة من الكهرباء وقد هُجر.
ماذا حدث في أوكلو؟
عام 1972 أظهر تحليل روتيني ليورانيوم من منجم في الغابون نسبة 0.717 % يورانيوم 235 بدل 0.720 % المعتادة عالميًّا. وكان الفارق صغيرًا لكنه مستحيل: فالتركيب النظائري لليورانيوم الطبيعي ثابت في الأرض كلها وفي النيازك.
وتبيّن أن التفسير أن ذلك اليورانيوم قد استُعمل من قبل.
فقبل نحو 1700 مليون سنة كان اليورانيوم 235 — وعمر نصفه 704 ملايين سنة، أي أقصر بكثير من 238 — يمثّل قرابة 3 % من اليورانيوم الطبيعي، وهي النسبة نفسها التي تُطلب اليوم اصطناعيًّا في مفاعل.
وفي أوكلو تسرّب ماء جوفي إلى مكمن غني على نحو استثنائي. فعمل الماء مهدّئًا، مبطئًا النيوترونات بما يكفي لإعالة تفاعل متسلسل.
ونظّم النظام نفسه بنفسه. فحين كان التفاعل يسخّن الماء حتى الغليان يفقد المهدّئ ويتوقف التفاعل؛ ومع البرودة وعودة الماء يستأنف. وتشير التحاليل إلى دورات نحو ثلاث ساعات، استمرت متقطعةً مئات آلاف السنين.
⚠️ وأوكلو أيضًا تجربة طبيعية في تخزين النفايات: فنواتج الانشطار المتولدة هناك لم تكد تهاجر في ملياري سنة، وهو ما يقدّم معلومات عن الحبس الجيولوجي على المدى الطويل جدًّا.
ما علاقته بحرارة الأرض؟
باطن الكوكب حارّ لسببين: الحرارة المتبقية من تكوّنه، والاضمحلال الإشعاعي.
والإسهام الإشعاعي آتٍ كله تقريبًا من اليورانيوم 238 والثوريوم 232 والبوتاسيوم 40، وهي النظائر الثلاثة التي أعمار أنصافها مقاربة لعمر الأرض. أما القصيرة العمر فنفدت منذ زمن بعيد.
ويبلغ التدفق الحراري الأرضي الكلي نحو 47 تيراواط، وتنسب التقديرات نحو نصفه إلى الاضمحلال الإشعاعي.
ولولا ذلك المصدر المتصل لبرد الباطن حتى تصلّب. وبلا وشاح حملي لا تكتونية صفائح، وبلا لبّ خارجي سائل لا دينامو ولا مجال مغناطيسي.
وقد أتاح كشف النيوترينوات الأرضية — وهي نقائض نيوترينوات تنبعث في اضمحلالات بيتا في باطن الأرض — بكواشف مثل كامْلاند وبوركسينو قياس ذلك الإسهام مباشرةً، وتأكيد رتبة مقداره.
كيف يُستخرج وما حال صناعته؟
اليورانيوم مبعثر في القشرة بنحو 2.7 جزء في المليون، أي أوفر من الفضة أو الزئبق. وللمكامن القابلة للاستغلال عيارات تتراوح من 0.1 % حتى، استثنائيًّا، أكثر من 15 % في حوض أثاباسكا بكندا.
وكازاخستان اليوم أكبر منتج، تليها كندا وناميبيا وأستراليا. ويستعمل جانب كبير من الإنتاج الكازاخي الترشيح في الموقع: إذ يُضخّ محلول إلى المكمن، فيذوب اليورانيوم، ويُستعاد في السطح دون حفر.
ويُعالَج اليورانيوم حتى الحصول على مركّز — يسمى الكعكة الصفراء —، ثم يُحوَّل إلى سداسي فلوريد، ويُخصَّب، ويُعاد تحويله إلى أكسيد، ويُصنع أقراصًا خزفية تُرصّ داخل أغلفة فلزية.
⚠️ ويحوي قرص واحد يزن نحو سبعة غرامات ما يقارب طاقة طن من الفحم. وتلك الكثافة الطاقية هي سبب بقاء الانشطار ذا شأن رغم مشكلات النفايات وكلفة رأس المال والتصور العام الذي يجرّه منذ تشيرنوبل وفوكوشيما.