وقود الثوريوم

الثوريوم , وقود

يُوصف الثوريوم بأنه وقود محتمل رائع. ويعتقد مؤيدو تلك الفكرة أن ذلك العنصر يمكن أن يُستخدَم في جيل جديد من مصانع الطاقة النووية؛ لإنتاج طاقة آمنة نسبيًّا، منخفضة الكربون، وأكثر مقاومةً لخطر الأسلحة النووية المعتمِدة على اليورانيوم. يقدم الثوريوم أيضًا بعض المنافع الأخرى، إلا أننا يمكننا القول إن تلك النقاشات العامة ـ أحادية الجانب بشكل كبير ـ مفادها أن: معالجة الثوريوم المشع بشكل كيميائي على نطاق صغير قد ينتج عنها نظير اليورانيوم الذي يمكن استخدامه كسلاح نووي؛ مما يثير المخاوف من انتشاره.إن المخزون العالمي من الثوريوم غير محدد، لكن يُعتقد توفُّره في الطبيعة أكثر من اليورانيوم بثلاثة إلى أربعة أضعاف (انظر: «مخزون الثوريوم العالمي»). وغالبًا ما يوجد هذا المعدن الفضي الأبيض كبقايا أكسدة من تعدين العناصر الأرضية النادرة، كما توجد مخزوناته الضخمة في أستراليا، والبرازيل، وتركيا، والنرويج، والصين، والهند، والولايات المتحدة. وتستكشف الدول الثلاث الأخيرة من تلك الدول ـ بالإضافة إلى المملكة المتحدة ـ الاستخدامات المحتملة للثوريوم في برامج الطاقة النووية المدنية. وتقترح مؤسسة «واينبرج» ـ وهي منظمة غير هادفة إلى الربح، ومقرها لندن، وتروِّج لتقنيات وقود الثوريوم كوسيلة لمقاومة التغيرات المناخية – كواحدةٍ من أصوات عديدة نشرَ مفاعلات ثوريوم جديدة قائمة على الأملاح المنصهرة. وقد تطورت مفاعلات الأملاح المنصهرة في الستينات من القرن الماضي، مستخدمةً وقودًا نوويًّا سائلًا، يمكن أن يتضمن الثوريوم، عوضًا عن قضبان الوقود الصلب، بزعم أنها أكثر فعالية، وأقل عرضة للحوادث المتعلقة بالانصهار من التقنيات الموجودة. ويتم السعي الآن ـ وخصوصًا من قِبَل الصين ـ وراء وحدات المفاعلات الصغيرة، كمفاعلات الغازات مرتفعة الحرارة HTGR، التي تقوم على الثوريوم الصلب كوقود لها.
يتكون الثوريوم الطبيعي تقريبًا بالكامل من الثوريوم 232 (Th_232)، وهو نظير غير قادر على الانشطار نوويًّا. ويتحول الثوريوم عند قذفه بالنيوترونات ـ عبر سلسلة من التحللات ـ إلى يورانيوم 233 (U_233)، وهو عنصر معمِّر وقابل للانشطار، وتبلغ فترة منتصف عمره 160 ألف عام، بالإضافة إلى ناتج جانبي، هو يورانيوم 232 (U_232)، الذي يتحلل إلى نظائر أخرى تُطلِق أشعة جاما الكثيفة التي من الصعب إقامة حاجز يحتويها. ومن الصعب التعامل مع الثوريوم المستهلك بطريقة نموذجية، ولذلك.. فهو عسير الانتشار.

وما يعنينا في الأمر رغم ذلك هو أن العمليات الأخرى التي قد تجري في المَرافق الأصغر، التي يمكن استخدامها لتحويل الثوريوم 232 إلى يورانيوم 233، مع التقليل من التلوث الناتج عن اليورانيوم 232 ـ مما يشكل خطرًا بالانتشار النووي، إذ يشكل الفصل الكيميائي لنظير وسيط كالبروتاكتينيوم 233 الذي يتحلل إلى اليورانيوم 233 مدعاةً للقلق على نحو واضح.
والثوريوم ليس طريقًا لمستقبل نووي خالٍ من مخاطر الانتشار، فما زال ينبغي تعزيز سياسات استخدام الثوريوم في الأنشطة النووية المصرح بها، كما أننا نحتاج إلى يقظة شديدة للحماية من الأنشطة غير الظاهرة التي يَدخلها هذا العنصر.
مسار البروتاكتينيوم
إن مسار تحلل الثوريوم مفهوم جيدًا. ويتشكل الثوريوم 233(Th_233) – الذي لديه فترة منتصف عمر تبلغ 22 دقيقة – من خلال قذف النظير النقي للثوريوم 232 بالنيوترونات، ومن ثَمّ فمن خلال تحلل بيتا، يتحول إلى برتاكتينيوم 233 (Pa_233)، وهو نظير يمتلك فترة منتصف عمر تبلغ 27 يومًا، ومن ثَمّ يتحول من خلال تحلل بيتا إلى يورانيوم 233 (U_233)، وهو العنصر الذي يمكن أن يخضع للانشطار. وتعتبر الوكالة الدولية للطاقة الذرية (IAEA) أن ثمانية كيلوجرامات من اليورانيوم 233 كمية كافية لبناء سلاح نووي1، ولذلك.. يطرح اليورانيوم 233 مخاطر جمة تنجم عن انتشاره.
وعلى الرغم من أن اليورانيوم 233 لا يُستخدَم اليوم في المفاعلات التجارية، إلا أن الولايات المتحدة كدَّست منه طِنَّيْن أثناء الحرب الباردة. ويُعَد التخلص من معظمه عن طريق الدفن أمرًا خلافيًّا، يطرح مخاطر أمنية ووقائية كثيرة جدًّا، وفقًا لتقرير2 2012.
وتستلزم الحاجة إلى المعالجة الكيميائية لفصل اليورانيوم 233 من الوقود النووي المستهلك بنيةً تحتيّةً أساسية، كمصانع معالجة كبيرة يصعب إخفاؤها. وفي وجود وقود الثوريوم؛ يعني وجود اليورانيوم 232 السام إشعاعيًّا أن الوقود المستهلك يجب التعامل معه باستخدام تقنيات التحكم عن بُعد، ومن خلال غرف احتواء مبطنة، وكلّ غرفة منها ذات سُمْك كبير. ويمكن للفصل الكيميائي للبروتاكتينيوم 233 ـ بعد تعرُّض الثوريوم لإشعاع النيوترونات لحوالي شهر ـ أن يسفر عن حد أدنى من التلوث باليورانيوم 232؛ مما يجعل الناتج الغني باليورانيوم 233 أكثر سهولة عند التعامل معه. وإذا كان بالإمكان استخلاص البروتاكتينيوم 233 النقي، فإننا نحتاج ببساطة إلى تركه للتحلل؛ لإنتاج اليورانيوم 233 النقي. وتكمن المشكلة في أن تعريض الثوريوم 232 لإشعاع النيوترونات يمكن أن يحدث في منشأة صغيرة ـ كمفاعل بحثي ـ والتي يوجد منها حوالي 500 منشأة حول العالم. ولا توجد حاجة إلى جعل الثوريوم 232 جزءًا من مركبات الوقود النووي، ولا حاجة كذلك إلى مشاركته في توليد الطاقة.
لقد تم اثبات أن حوالي 200 جرام من معدن الثوريوم يمكن أن تنتج جرامًا واحدًا من البروتاكتينيوم 233؛ وبالتالي يمكن إنتاج جرام واحد من اليورانيوم 233، إذا تم تعريضها لنيوترونات عند مستويات نموذجية في نطاق عمل مفاعلات الطاقة وبعض المفاعلات البحثية لمدة شهر، وبالتالي فصل البروتاكتينيوم3. لذا فإن ما نحتاجه للحصول على الثمانية كيلوجرامات اللازمة لإنتاج سلاح نووي هو فقط 1.6 طن من معدن الثوريوم. ويمكن الحصول عمليًّا على تلك الكمية من اليورانيوم 233 عن طريق تلك العملية في أقل من عام.
إن فصل البروتاكتينيوم من الثوريوم ليس بجديد، ونحن هنا بصدد تسليط الضوء على عمليتين كيميائيتين معروفتين ـ تقنيات الوسط الحمضي3,4، والاستخلاص الاختزالي5-7 للبزموث السائل (انظر: «طرق للحصول على البروتاكتينيوم النقي») – تثيران قلقًا، وربما تكون هناك عمليات أخرى. وتستخدم كلتا الطريقتين معدات المعمل النووي القياسية والخلايا الساخنة، حيث يمكن معالجة المواد المشعة بها بطريقة آمنة، ولا تخضع تلك المعدات بالضرورة لمراقبة الوكالة الدولية للطاقة الذرية (IAEA).
كيمياء الثوريوم : طرق الحصول على البروتاكتينيوم النقي
تقنيات الوسط الحمضي
بعد تعريض المواد القائمة على الثوريوم للإشعاع لمدة شهر واحد، تُزال الأسطوانات، وتُذاب في حمض النيتريك3،4. ويمر الراسب الناتج بثلاث مراحل من التنقية. يُفصل البروتاكتينيوم أثناء المرحلة الثانية، عن طريق ترسيب مصحوب بثاني أكسيد المنجنيز MnO_2 (المرجع الثالث)، الذي يُفصل لاحقًا في المرحلة الثالثة باستخدام حمض الأيودين، ويحترق لينتُج أكسيد البروتاكتينيوم الذي يحتوي على البروتاكتينيوم 233 فقط. وتتحلل أي بقايا من البروتاكتينيوم 232 (فترة منتصف عمره 1.3 يوم) والبروتاكتينيوم 234 (فترة منتصف عمره 6.7 ساعات) ـ المتكونة من خلال التفاعلات المتنافسة ـ إلى اليورانيوم 232، واليورانيوم 234 ، وتُزال أثناء مرحلة الإذابة. وتُترك لتتحلل؛ ليتحول البروتاكتينيوم 233 إلى يورانيوم 233 عالي النقاء (أكثر من 99 %).
الاستخلاص الاختزالي للبيزموث السائل
يمر الفلورين فوق الوقود الملحي المنصهر المُعرض للإشعاع6؛ ليتحول ما يقرب من 99 % من اليورانيوم إلى UF_6 الذي يمكن إزالته5-7. ويوضع البروتاكتينيوم المتبقي ونواتج الانشطار واليورانيوم غير المتفاعل بعمود يحتوي على بيزموث سائل وليثيوم وثوريوم. وتُحفظ نواتج الانشطار في الملح، ويُستخرج البروتاكتينيوم واليورانيوم من البيزموث السائل. ويزال اليورانيوم المتبقي ـ بما في ذلك اليورانيوم 232، واليورانيوم 234، وكذلك النظائر الأخرى ـ بالمزيد من الفلورة (fluorination) للبيزموث. أما البروتاكتينيوم 233 المتبقي، فيكون عالي النقاء، ويتحلل إلى يورانيوم 233.
تستخدم أكثر تقنيات الوسط الحمضي السائل انتشارًا ثاني أكسيد المنجنيز لترسيب البروتاكتينيوم في صورة أكسيد البروتاكتينيوم4. وتتم إذابة أي منتج من منتجات اليورانيوم السام إشعاعيًّا في حمض، ويُزال أثناء الترسيب. وكان باحثو معمل أوك ريدج الوطني بتينيسي يستخدمون تلك الطريقة في الستينات من القرن العشرين؛ لاستخلاص جرام واحد من البروتاكتينيوم 233 من 200 جرام من مركبات الثوريوم3 المعرضة للإشعاع.
تكمن الصعوبة الأساسية في إنتاج 50 وات من الحرارة3 من تحلُّل بيتا لكل جرام واحد من البروتاكتينيوم 233، الذي يعقّد مسألة التعامل معه. وليس من السهل التوسع في إنتاج البروتاكتينيوم 233، ولكن الإمكانية المحتملة للمعالجة بالتوازي لكميات ضئيلة تجعل قلقنا قائمًا حيال تلك التقنية.
لقد أُعيد النظر في الطريقة الكيميائية الثانية، التي تم اقتراحها في السبعينات من القرن العشرين5,7 لمفاعلات الجيل الثاني للأملاح المنصهرة (انظر المرجع 8 على سبيل المثال)، حيث استخدمت تلك المفاعلات وقودًا سائلًا قائمًا على الثوريوم، يحتوي على ملح قائم على الفلورايد بتركيب كيميائي قياسي7 LiF-BeF_2- ThF_4- UF_4. وتلك العملية عبارة عن تفاعلات اختزالية قائمة على الكيمياء الحرارية، باستخدام أكسدة تحت درجات حرارة مرتفعة، تتضمن عملية فلوَرَة (fluorination) من الدرجة الأولى، يليها استخلاص باستخدام البزموث المنصهر؛ من أجل الحصول على البروتاكتينيوم.
إن البنية التحتية للكيمياء الحرارية أكثر تعقيدًا من تقنيات الوسط الحمضي، والتوسع في إنتاجها يمثل تحديًا كبيرًا. وتعتبر تقنيات إعادة المعالجة الحرارية الكيميائية في بداياتها، لكنَّ قلقنا يتمحور حول استخدام تلك التقنية من خلال مجموعات صغيرة9 لتكديس البروتاكتينيوم ببطء.
ونظرًا إلى حاجة مفاعلات الطاقة والأبحاث إلى معالجة الثوريوم بالإشعاع، فلا ينبع التهديد الأمنى الأكبر من المنظمات الإرهابية فقط، ولكن ينبع أيضًا من الانتشار المتعمد لتلك المفاعلات بالأمم المتحدة. ولدينا ثلاثة أمور تتسبب في مخاوف كبيرة:
الأول: أنه يمكن استخدام تقنيات الطاقة النووية التي تنطوي على وقود ثوريوم معرَّض للإشعاع لفترات قصيرة؛ لجمع كميات من اليورانيوم 233 بطريقة خَفِيّة، من خلال دفعات متوازية أو منفصلة، وربما دون رقابة الوكالة الدولية للطاقة الذرية.
الثاني: أن البنية التحتية اللازمة لمباشرة التقسيم الكيميائي للبروتاكتينيوم يمكن تأسيسها واكتسابها بطريقة خفيّة في معمل صغير.
الثالث: أن الدول الطامحة لتوسيع أنشطتها النووية قد تستخدم الثوريوم؛ للحصول على اليورانيوم 233؛ من أجل تصنيع الأسلحة النووية.
ولذلك.. ينبغي أن تُضَمَّن تلك الأمور الثلاثة في النقاشات حول سمات انتشار الثوريوم.
رصد الثوريوم
إن بزوغ تقنيات الثوريوم سوف يأتي بمشاكل، مثلما سيأتي أيضًا بمنافع. وهناك حاجة ملحّة إلى رصد ملائم للتقنيات النووية المصاحبة للثوريوم داخل المرافق المعلن عنها، وغير المعلن عنها. وتتحمل الوكالة الدولية للطاقة الذرية، ومجموعة مورِّدي المواد النووية – وهي مجموعة الدول المتحكِّمة في الصادرات النووية – المسؤولية الواجبة لملاحظة تلك التطورات.
إننا نحتاج إلى خطوات جادة للسيطرة على المواد القائمة على الثوريوم المعرض للإشعاع النيوتروني بطريقة قصيرة الأجل. وبطريقة مشابهة.. ينبغي تجنب دورات الوقود النووي السلمي، التي تنطوي على إعادة معالجة الوقود القائم على الثوريوم بالمصانع.
تُعتَبر الخلايا الساخنة تقنيةً أساسيةً في فصل البروتاكتينيوم. ويتطلب البرتوكول الإضافي لاتفاقية الحد من انتشار الأسلحة النووية10 كشف منشآت الخلايا الساخنة الكبيرة. وقد يكون من المهم أن يوضع حدّ معين لحجم المنشآت العاملة في هذا المجال، مع الإبقاء على مسارات البروتاكتينيوم في الاعتبار. إننا نشعر بالراحة، نتيجة أنّ منشآت الخلايا الساخنة الكبيرة يتم التعامل معها من قِبَل وكالة الطاقة الذرية كتقنيات نووية يمكن أن تكون «مزدوجة الاستخدام» لأغراض عسكرية أو سِلْميّة، لكن ـ رغم ذلك ـ ستظل المخاوف قائمةً دائمًا بسبب المنشآت الخفيّة غير المعلنة.
إنّ الثوريوم ليس عنصرًا حميدًا، كما أشير من قبل إليه. ولذلك.. فنحن ندعو إلى النقاش حول مخاطره المصاحبة؛ كي تطمئن نفوسنا ونتأكد من مستقبل نووي آمن.

ستيفن ف. آشلي
جيفري ت. باركس
ويليام ج. نوتال
كولين بوكسال
روبين و. جريمز
مجلة نيتشر – الطبعة العربية

المراجع:

المصدر: ملتقى شذرات