الفصل 898: الفصل 896: التنقية النهائية لعنصر اليورانيوم (فصل العلوم الشعبية ، لا تتردد في تخطيه)
إشعار مسبق: معظم المعرفة الواردة في هذا الفصل تأتي من مواد متاحة للجمهور من موقع معهد الصين للفيزياء الهندسية....
قرأ ريتشارد ، وتحركت نظراته عبر الصفحات.
"الطريقة الأولى لتنقية اليورانيوم 235 هي الفصل الكهرومغناطيسي ، والتي تستخدم مبدأ مطيافية الكتلة لفصل النظائر.
مطياف الكتلة هو جهاز يستخدم في المختبرات لتحليل كتلة الجسيمات المشحونة ، مما يسمح للجسيمات ذات الكتل المختلفة ولكن نفس الشحنة بالانحراف عند أقطار مختلفة في مجال مغناطيسي ، وبالتالي تحقيق الانفصال.
بالتفصيل ، عندما تدخل الجسيمات المجال المغناطيسي بسرعة V (بافتراض اتجاه تصاعدي) ، تتجه خطوط المجال المغناطيسي الناتجة عن حركة الجسيمات المشحونة إيجابياً إلى الأعلى يساراً وإلى الأسفل يميناً. وبالتالي ، يتعزز المجال المغناطيسي على الجانب الأيسر للجسيم المشحون المتحرك ، بينما يضعف على الجانب الأيمن ، مما يُشكل تدرجاً في المجال المغناطيسي يُولد ضغطاً مغناطيسياً يدفع من اليسار إلى اليمين.
هذه القوة عمودية على اتجاه السرعة ، ولكن لا تستطيع تغيير مقدار سرعة الجسيم المشحون المتحرك إلا أنها تستطيع تغيير اتجاه حركة الجسيم ، مما يشكل قوة مركزية.
وأيضاً نظراً لأن المجال المغناطيسي موحد ، فإن الضغط المغناطيسي المطبق على الجسيمات المشحونة المتحركة يكون متساوياً في كل مكان ، مما يتسبب في تحرك الجسيمات المشحونة المتحركة بشكل موحد في حركة دائرية داخل المجال المغناطيسي.
وفقاً لمعادلات الكهرومغناطيسية ، فإن القوة التي يمارسها المجال المغناطيسي تساوي تشبف ، والتسارع المركزي يساوي ف2/ر.
وبالتالي ، يمكن اشتقاقها: تشبف=مف2/ر → تشبر=مف.
في الصيغة ، Q هي شحنة الجسيم ، V هي سرعة الجسيم ، M هي كتلة الجسيم ، B هي شدة الحث المغناطيسي ، و R هو نصف قطر انحراف الحركة الدائرية للجسيم.
أيضاً نظراً لأن شحنة الجسيم Q وشدة الحث المغناطيسي B محددتان ، فإن زخم الجسيمات المتحركة يتناسب طردياً مع نصف قطر الانحراف.
الأيونات التي لها نفس الشحنة Q ولكن كتلتها مختلفة ، والتي يتم تسريعها بنفس الجهد يو ، تحصل على طاقة كامنة مساوية للطاقة الحركية عند دخول المجال المغناطيسي: تشيو=(1/2)مف2.
إن الزخم المعروف مسبقاً للجسيمات مف=تشبر يسمح لنا بإزالة V من المعادلات ، مما ينتج عنه م=تشب2ر2/2يو.
بالنسبة للجسيمات ذات الكتلة تساوي (م+Δم) ، (م+Δم)=تشب2(ر+Δر)2/2يو.
وهذا يعطي Δم/م=2Δر/ر ، مما يعني أن الانحراف النسبي للكتلة هو ضعف الانحراف النسبي لنصف القطر.
بسبب اختلاف كتل الجسيمات ، فإنها تكتسب طاقة متساوية بعد تسارعها بنفس الجهد ، لكن زخمها يختلف. و بعد دخول المجال المغناطيسي ، يكون للجسيمات ذات الزخم الأكبر نصف قطر انحناء أكبر و بينما يكون للجسيمات ذات الزخم الأصغر نصف قطر انحناء أصغر.
إذا دخلت الأيونات ذات الزخم نفسه المجال المغناطيسي بزاوية مائلة ، مما تسبب في تركيزها ضمن نطاق دي ، فيمكن حساب علاقة النطاق دي بزاوية السقوط بالصيغة: Δر/ر≈0.5تش2.
عندما تكون قيمة Q أقل من 50 ، يكون الخطأ النسبي لـ R هو 4/1,000 ، مما قد يُسبب انحرافاً في الكتلة قدره 8/1,000. مع ذلك يبلغ الفرق النسبي في الكتلة بين اليورانيوم 235 واليورانيوم 238 13/1,000 ، مما يجعل استخدام مطيافية الكتلة في التطبيقات العملية... "
انتهى ريتشارد من القراءة ورفع حاجبه.
من الواضح أن هذه طريقة واضحة ومفهومة. المبدأ هو أن الجسيمات ذات الكتل المختلفة والشحنة نفسها لها زخم مختلف بعد تسارعها بنفس الجهد ، مما يُسبب اختلافاً في أقطار الانحراف عند دخولها مجالاً مغناطيسياً.
مثال بسيط على ذلك قطار يسير على سكة حديدية. عند المنعطف ، يمكن لقطار بسرعة مناسبة أن يمر بشكل طبيعي. أما القطار المتحرك بسرعة كبيرة ، فسيُخلّ توازنه بفعل القوى المؤثرة ، مما يؤدي إلى خروجه عن مساره.
وباستخدام هذه الطريقة ، يصبح اليورانيوم 235 مثل القطار المسرع بشكل مناسب ، في حين يصبح اليورانيوم 238 مثل القطار المسرع بشكل مفرط ، مما يسمح بفصل الاثنين ، وبالتالي الحصول على اليورانيوم 235 عالي النقاء.
تتميز هذه الطريقة بمحتوى تقني منخفض نسبياً ، ولذلك اكتشف الكيميائيان الألمانيان هان وستراسمان الانشطار النووي على الأرض عام ١٩٣٨ ، واقترح مايتنر وفريش تفسيراً نظرياً للانشطار النووي. و بعد عامين فقط ، في أبريل ١٩٤٠ أنتج نيل من جامعة همم كميات ضئيلة من اليورانيوم ٢٣٥ المخصب باستخدام مطياف الكتلة.
لاحقاً ، في عام ١٩٤٢ ، انطلق مشروع مانهاتن على الأرض ، الهادف إلى تصنيع أسلحة نووية لأول مرة. و بدأ لورانس والآخرون باستخدام أجهزة فصل النظائر الكهرومغناطيسية لتنقية اليورانيوم ٢٣٥.
هذه الطريقة أثبتت فعاليتها وهي قابلة للتنفيذ بشكل كامل.
ومع ذلك فإنه يعاني أيضاً من مشكلة صغيرة.
أي أن الاستثمار كبير جداً.
في مشروع مانهاتن على الأرض ، ولتنقية اليورانيوم ٢٣٥ بهذه الطريقة ، بُنيَت منشأة كهرومغناطيسية ضخمة خصيصاً في أوك ذروة الجبل. شارك في المشروع ما يقرب من ٢٥ ألف شخص ، مع أكثر من ١١٠٠ جهاز فصل ، واستُخدم ١٥ ألف طن من الفضة فقط لتغليف الملفات.
15,000 طن!
وكانت النتيجة أنه لم يُنتج سوى بضعة غرامات من اليورانيوم ٢٣٥ يومياً. واستغرق الأمر عدة سنوات للحصول على ما يكفي من اليورانيوم ٢٣٥ لتصنيع قنبلة ذرية واحدة بالكاد.
ضغط ريتشارد على شفتيه.
ليس لديه عشرات الآلاف من المرؤوسين ، ولا 15 ألف طن من الفضة. و إذا أراد حقاً الإنتاج بهذه الطريقة ، فعليه أولاً حلّ المتطلبات الأساسية.
لو كانت هذه هي الطريقة الوحيدة ، فقد يتعين عليه أن يفكر جديا في إنشاء قوة خاصة مسبقا ، ولكن لحسن الحظ ، هذه ليست الطريقة الوحيدة ، لديه خيارات أخرى.
واصل القراءة.
"الطريقة الثانية لتنقية اليورانيوم 235 هي طريقة انتشار الغاز.
كما يوحي الاسم ، فإن المبدأ المطبق في هذه الطريقة هو انتشار الغاز المشترك.
على سبيل المثال ، قطرة من العطر تسكب في زاوية غرفة النوم سوف تنتشر بسرعة ، وسرعان ما ستملأ رائحة العطر الغرفة بأكملها.
إذا تم استبدال قطرة العطر بقطرة من الخل ، في نفس الظروف ، وانسكبت في نفس زاوية غرفة النوم ، فإن رائحة الخل ستستغرق وقتاً أطول حتى تنتشر في جميع أنحاء الغرفة.
يرجع ذلك إلى أن جزيئات الخل أثقل من جزيئات العطر ، وبالتالي فإن سرعة انتشارها تكون أبطأ.
وبالمثل ، عند ملء بالون بالهيدروجين (الكتلة الجزيئية النسبية ٢) والنيتروجين (الكتلة الجزيئية النسبية ٢٨ ، أي ١٤ ضعف كتلة الهيدروجين) ، يُلاحظ أن تسرب الهيدروجين أسرع بكثير من النيتروجين ، لأن جزيئات الهيدروجين أصغر وأخف وزناً.
إن تطبيق طريقة انتشار الغاز على عناصر اليورانيوم يسمح بفصل نظائر اليورانيوم 235 عن نظائر اليورانيوم 238 باستخدام نفس المبدأ.
يمكن إجراء العملية المحددة على النحو التالي: يُوضع سداسي فلوريد اليورانيوم في بيئة تزيد درجة حرارتها عن 64.8 درجة مئوية (338.0 كلفن) ، حيث يتسامى إلى غاز. ثم يُضغط سداسي فلوريد اليورانيوم الغازي على غشاء مسامي. وفقاً لمبدأ انتشار الغاز تمر جزيئات غاز سداسي فلوريد اليورانيوم المحتوية على اليورانيوم 235 عبر الغشاء أسرع من تلك المحتوية على اليورانيوم 238. ويتناسب معدل انتشارها عكسياً مع الجذر التربيعي لوزنها الجزيئي الغازي.
بضبط حجم مسام الغشاء المسامي ليكون أصغر من متوسط المسافة المقطوعة بين تصادمين لجزيء غاز مع جزيئات غازية أخرى ، يتم الحصول على الحالة المثلى لانتشار الغاز. تتحرك الجزيئات الأخف أسرع من الجزيئات الأثقل ، ما يسهل مرورها عبر مسام الغشاء.
يمكن أن يحدد جمع البيانات أنه في ظل التغذية المستمرة للغاز ، والتحكم في حجم مسام الغشاء المسامي ليكون أقل من 0,02 ميكرون ، والحفاظ على سداسي فلوريد اليورانيوم عند 85 درجة مئوية ، فإن الغاز المنتشر (التيار المخصب) يحتوي على تركيز اليورانيوم 235 أعلى بنحو 0.2٪ من غاز التغذية (المدخل)... "
وبعد أن قرأ ريتشارد الطريقة الثانية ، فكر في الأمر.
مبدأ هذه الطريقة الثانية بسيط وسهل الفهم أيضاً ، فهو يقتصر على دراسة اختلافات معدلات الحركة الجزيئية في انتشار الغاز. بفهم هذه النقطة ، يمكن زيادة محتوى اليورانيوم ٢٣٥ باستمرار.
المشكلة الوحيدة هي أن البيانات تظهر أنه في كل مرة يتم فيها تمرير غشاء مسامي ، فإن الزيادة في تركيز اليورانيوم 235 تبلغ حوالي 0.2% فقط.
ولزيادة محتوى اليورانيوم 235 إلى ارتفاع كبير والوصول إلى مستويات يكفى لتصنيع الأسلحة النووية فعليا ، يتعين ربط مراحل الفصل المتعددة على التوالي.
علاوة على ذلك فإن مجرد ربط مرحلة أو مرحلتين على التوالي ليس له تأثير يذكر و إذ يتطلب الأمر آلاف المراحل.
في الواقع ، اعتمد مشروع مانهاتن هذه الطريقة على الأرض أيضاً. ولهذا الغرض ، بُني مصنع ضخم في أوك ذروة الجبل ، حيث جُمّعت آلاف أجهزة الفصل على التوالي.
وقد أدى هذا إلى الحصول على نطاق هائل ، قابل للمقارنة بالطريقة الأولى ، وكانت هناك حاجة إلى طاقة هائلة لضمان الانتشار المستمر للغاز في نفس الاتجاه.
ولتحقيق هذه الغاية ، يتعين توجيه كهرباء البلاد بأكملها نحو محطة توزيع الغاز.
ويمكن القول أنه سواء كانت الطريقة الأولى أو الطريقة الثانية فإن تطبيقها عمليا بشكل حقيقي يتطلب دعم معظم القوى الوطنية في دولة حديثة غير عادية.
لهذا السبب ، تُعتبر الدول القادرة على تطوير وإنتاج الأسلحة النووية بشكل مستقل أقوى القوى تمثيلاً على وجه الأرض ، ورمزاً للقوة المطلقة. لذلك تحظى هذه الدول بالاحترام ولا يمكن تجاهلها.
وبالنسبة لريتشارد الآن ، أصبح تحقيق هذه الأهداف صعباً بعض الشيء.
ضم شفتيه واستمر في النظر إلى الأسفل.
"الطريقة الثالثة لتنقية اليورانيوم 235 هي طريقة الفصل بالطرد المركزي... "
"الطريقة الرابعة لتنقية اليورانيوم 235 هي طريقة فصل الفوهة... "
"الطريقة الخامسة لتنقية اليورانيوم 235 هي... "
"اليورانيوم 235... "
بعد تصفح معظم المحتوى بسرعة ، هز ريتشارد رأسه.
هناك بالفعل عدد لا بأس به من الطرق لتنقية اليورانيوم 235 ، وكلها تقريباً تعتمد على الفرق الطفيف في الكتلة بين اليورانيوم 235 واليورانيوم 238. وبالمقارنة مع الطريقتين الأولى والثانية ، فإن هاتين الطريقتين متشابهتان ، وتتطلبان متطلبات عالية من القوى العاملة والموارد في جميع الجوانب.
إذا أراد استخدام هذه الطريقة ، فعليه أولاً إنشاء قوة خاصة كبيرة.
لكن في قلبه لم يحن الوقت بعد لإنشاء قوة خاصة.
مع عقدة خفيفة من جبينه ، واصل ريتشارد القراءة بصبر وأخيراً توقف عند صفحة من الكتاب.
"الطريقة التاسعة لتنقية اليورانيوم 235 هي طريقة الفصل بالليزر.
هذه طريقة متقدمة نسبياً. يبدأ مبدأها من اختلاف مستويات الطاقة للنظائر نتيجةً لاختلاف كتلها ، مما يُسبب اختلافات في طيف الامتصاص عند إثارتها من المستوى طاقة منخفض إلى مستوى طاقة مرتفع.
وهكذا ، من خلال اختيار أشعة الليزر ذات الأطوال الموجية المختلفة ، وإثارة نظير واحد فقط ، واستخدام الاختلافات في الخصائص الفيزيائية والكيميائية بين النظائر المثارة والنظائر غير المثارة ، يمكن فصلها باستخدام الطرق المناسبة.
أثبتت التجارب توافق ذرات اليورانيوم ٢٣٥ واليورانيوم ٢٣٨ وجزيئاتهما المركبة مع هذه الطريقة. و في هذه التجربة ، يُمكن استخدام ليزر لإثارة جزيئات غاز سداسي فلوريد اليورانيوم المحتوية على اليورانيوم ٢٣٥ ، مما يُغيّر الجزيئات المحتوية على اليورانيوم ٢٣٥ دون التأثير على جزيئات سداسي فلوريد اليورانيوم المحتوية على اليورانيوم ٢٣٨. بعد ذلك يُستخدم ليزر ثانٍ لتحليل الجزيئات المُثارة إلى خماسي فلوريد اليورانيوم ، ثم استعادته على شكل مسحوق أبيض.
في الواقع ، باستخدام تقنيات فصل النظائر بالليزر البخاري الذري ، يُمكن أيضاً تشغيل معدن اليورانيوم مباشرةً. تتضمن هذه العملية استخدام شعاع إلكترون مُركّز في بيئة مفرغة لتسخين بزاقه معدن اليورانيوم موضعياً إلى 3,000 درجة مئوية ، مما يُبخّر معدن اليورانيوم إلى حالتيه الذرية اليورانيوم 238 واليورانيوم 235.
ثم باستخدام الليزر ، يتم تأين ذرات اليورانيوم ٢٣٥ في بخار اليورانيوم ، بينما تبقى ذرات اليورانيوم ٢٣٨ سليمة. وباستخدام الطرق الكهرومغناطيسية ، يتم جمع اليورانيوم ٢٣٥ ، مما يزيد من نقائه بشكل كبير... "
بعد قراءة هذه الطريقة ، أشرقت عينا ريتشارد قليلاً.
وأمكنه أن يرى أن طريقة الفصل بالليزر لها مزايا بارزة مقارنة بالطرق السابقة.
النقطة الأولى هي أن معامل الفصل كبير ، والطريقة بسيطة.
النقطة الثانية هي استهلاكها للكهرباء بشكل أقل. ووفقاً لبعض تقديرات البيانات في هذه الطريقة ، قد تكون الكهرباء اللازمة لطريقة الفصل بالليزر أقل من عُشر الكهرباء اللازمة لطريقة الانتشار.
مع العلم أن مشروع مانهاتن استهلك على الأرض حوالي 1700 ميغاواط من الكهرباء لاستخدام طريقة انتشار الغاز ، وهو أمر بالغ الصعوبة. وما زال من الصعب للغاية تقليص هذه الكمية إلى العُشر.
ثالثاً ، حجم الجهاز صغير نسبياً ، والقوى العاملة والموارد اللازمة ليست كبيرة. و في ذلك الوقت ، استخدم مشروع مانهاتن طريقة انتشار الغاز ، حيث وصلت مراحل الفصل إلى آلاف ، وبلغت مساحة المصنع 240 ألف متر مربع. أما بالنسبة لطريقة الفصل بالليزر ، فإن مستوى واحد بسيط يكفي ، مما يقلل المساحة المطلوبة للمعدات بشكل كبير.
بشكل عام ، تعتبر طريقة الفصل بالليزر هي الخيار الأفضل حالياً.
ومع ذلك لم يتسرع ريتشارد في استنتاجه ، بل واصل القراءة حتى أنهى الكتاب كاملاً. ثم أومأ برأسه وتمتم في نفسه "طريقة الفصل بالليزر أسهل تطبيقاً ، لذا... لنجربها. "
وبعد أن قال ذلك وقف ريتشارد ومعه الكتاب وخرج من الغرفة.
في تلك اللحظة ، استعاد تمثال السلحفاة الحجري الذي كان ريتشارد يجلس عليه الحياة. زحف ، وأتبع ريتشارد ، وعبر عدة أبواب من خشب البلوط ، وعاد إلى مكانه الأصلي ، واقفاً.
كان ريتشارد على وشك الخروج من باب المكتبة ومعه الكتاب عندما نظر نحو تمثال السلحفاة الحجري ، في الوقت المناسب لرؤيته ينظر إليه.
رمش ريتشارد وقال "سوما ، المشكلة التي واجهتها تم حلها ، والآن سأغادر. "
"يسعدني أن أسمعك تقول ذلك يا خالقي " قال تمثال السلحفاة الحجري ، وحرك رأسه قليلاً "وفي الوقت نفسه ، أتطلع إلى رؤيتك في المرة القادمة ".
"سأفعل " ابتسم ريتشارد ، وخرج من المكتبة مع الكتاب.
داخل المكتبة توقف رأس تمثال السلحفاة الحجري المتحرك قليلاً ، وتجمد جسده بالكامل ، ليعود إلى حالته الأصلية الثابتة ، ويصبح تمثالاً حجرياً حقيقياً.
خارج المكتبة ، سار ريتشارد على درب الحجر الأزرق ، مستمتعاً بالمناظر. و بعد برهة ، لمس الأرض برفق ، فانطلق جسده كله بسرعة فائقة ، مندفعاً نحو السماء.
وبعد قليل ، اخترق ريتشارد الغلاف الجوي ، وترك الكوكب ، ووصل إلى الفضاء الخارجي الفارغ.
أثناء مسح المناطق المحيطة ، شعر ريتشارد وكأنه كان يراجع القوات ، ويفحص مجموعات النجوم ، ويقوم ببعض التعديلات.
ولما رأى أن النجوم في بعض الأماكن كثيفة جداً ، أشار بيده لتفريقها ، وفي الأماكن التي كانت النجوم فيها قليلة جداً ، أشار بيده لنقل النجوم من مناطق أخرى.
ثم لاحظ ريتشارد نجماً قريباً ، خافتاً ومتوهجاً باللون الأحمر ، وحجمه يتمدد باستمرار ، مستعداً لالتهام عدة كواكب تدور حوله. و هذا يدل على أن عمر النجم يقترب من نهايته ، بعد أن غادر فئة نجوم النسق الرئيسي ، متحولاً إلى نجم عملاق أحمر.
ألقى ريتشارد نظرة سريعة ، فأدرك نظام النجم ، ملاحظاً جميع المعلومات الحساسة زمنياً. و بالنسبة له ، هذا لا معنى له على الإطلاق ، شيء يجب إزالته لإفساح المجال للمعرفة الأخرى.
وبدون تردد ، لوح ريتشارد بيده وضغط على النظام النجمي بأكمله في كتلة ، ثم رماه باتجاه ثقب أسود بعيد - والذي يعمل بمثابة سلة إعادة التدوير في قصر الذاكرة.
وبينما كان يشاهد نظام النجوم وهو يلتهمه الثقب الأسود ، ويصدر إشعاعات مكثفة ، استدار ريتشارد وبدأ في تعديل مناطق أخرى.
بعد التأكد أخيراً من أن عالم الذاكرة بأكمله لا يعاني من أي مشاكل كبيرة ، وقادر على الحفاظ على القدرة على الحركة على المدى الطويل ، أومأ ريتشارد برأسه في رضا وغادر مع الكتاب في يده.
"ينهار! "
تحدث ريتشارد ، مما تسبب في انهيار الكون بأكمله تجاهه ، وضغطه في وحدة واحدة ، ثم أطلق ضوءاً لامعاً لا يضاهى.
هذا النور هو الإضاءة في الواقع.
في العالم الحقيقي ، على السرير الصغير في مختبر إيدن الرئيسي ، فتح ريتشارد عينيه ببطء.
في هذه اللحظة كانت يداه فارغتين لم يخرج أي كتب ، لكن المعرفة ذات الصلة انتقلت بالفعل إلى الذكريات السطحية في عقله.
"طريقة الفصل بالليزر ، إذن ، لنبدأ "
قال ريتشارد وهو يرمش ، ثم وقف وخرج....
