فصل النظائر بواسطة الإثارة الليزرية

يُعد فصل النظائر بالإثارة الليزرية ( SILEX ) عملية تجريبية لإنتاج اليورانيوم المخصب . ويُعتقد بقوة أن SILEX تستخدم تثبيط التكثيف بالليزر لإثارة نمط اهتزازي لنظير اليورانيوم-235 في سداسي فلوريد اليورانيوم (UF₆ ₎ ، مما يسمح لهذا الجزيء الأخف بالتحرك بسرعة أكبر إلى الحافة الخارجية للنفث الغازي ومقاومة التكثيف مقارنةً بنظير اليورانيوم-238 الأثقل غير المُثار ( ²³⁸ UF₆ ₎ . ^{[ 1 ]} يختلف هذا اختلافًا كبيرًا عن طرق التخصيب بالليزر السابقة التي تم استكشافها لجدوى استخدامها التجاري: إحداها تستخدم اليورانيوم الذري ( فصل النظائر بالليزر باستخدام بخار اليورانيوم الذري (AVLIS))، وأخرى جزيئية تستخدم الليزر لفصل ذرة فلور من ²³⁵ UF₆ ( فصل النظائر بالليزر الجزيئي ( _MLIS ))، مما يسمح للمنتج المخصب بالترسب على شكل مادة صلبة. ^{[ 1 ]}

بينما تُعدّ شركة Silex Systems Limited الأسترالية أبرز مطوّر لهذه التقنية (كجزء من اتحاد التخصيب بالليزر العالمي)، فإنّ اختصار SILEX يشير في الواقع إلى مفهوم فصل فيزيائي يعتمد على كبح التكثيف، وهو مفهوم معروف وقيد التطوير أو يُستخدم في تطبيقات متعددة حول العالم. ^{[ 2 ]} قد توجد اختلافات طفيفة في معايير التشغيل، وترتيبات المعدات، وأجهزة الليزر وقدراتها، من عملية SILEX إلى أخرى (وقد تُسمى باسم مختلف)، لكنّ مفهوم الفصل الفيزيائي يبقى كما هو عند استخدام كبح التكثيف، لا سيما عند مقارنته بالمفهوم المستخدم في تقنيتي AVLIS أو MLIS. ^{[ 3 ] [ 1 ]}

بدأ تطوير مختلف أنواع فصل النظائر بالليزر الجزيئي  (MLIS) في سبعينيات القرن الماضي. وتتمثل العملية الفيزيائية الأساسية في جميعها في استخدام ليزر الأشعة تحت الحمراء، الذي يُثير اهتزازيًا نظيرًا واحدًا فقط من نظائر سداسي فلوريد اليورانيوم الغازي . ويتطلب ذلك طول موجة يقارب 16  ميكرومترًا. ثم تستمر تقنية MLIS التقليدية في إثارة الجزيئات حتى تتفكك ، وعندها تتبلور على شكل خماسي فلوريد اليورانيوم-235 .

بعد النشوة الأولية، تم التخلي عن أبحاث فصل النظائر بالليزر إلى حد كبير خلال التسعينيات، ويرجع ذلك أساسًا إلى أنها كانت لا تزال تتطلب أعمال بحث وتطوير مكثفة وغير مؤكدة، في حين أن أجهزة الطرد المركزي الغازية قد وصلت إلى مرحلة النضج التكنولوجي . ^{[ 4 ]} ومع ذلك، واصلت أستراليا البحث في تقنية SILEX.

في نوفمبر 1996، منحت شركة سيليكس سيستمز المحدودة ترخيصًا حصريًا لتقنيتها لشركة تخصيب اليورانيوم الأمريكية (USEC) لتخصيب اليورانيوم. ^{[ 5 ]} وفي عام 1999، وقّعت الولايات المتحدة وأستراليا معاهدة دولية للتعاون في مجال البحث والتطوير لتقنية سيليكس. ^{[ 6 ]} إلا أن شركة تخصيب اليورانيوم الأمريكية انسحبت من المشروع في عام 2003.

أنهت شركة سيليكس سيستمز المرحلة الثانية من الاختبارات في عام 2005 وبدأت برنامجها الخاص بحلقات الاختبار. وفي عام 2007، وقّعت سيليكس سيستمز اتفاقية تسويق وترخيص حصرية مع شركة جنرال إلكتريك (GE)، ونقلت بموجبها حلقات الاختبار إلى منشأة جنرال إلكتريك في ويلمنجتون، بولاية كارولاينا الشمالية . وفي العام نفسه، وقّعت شركة جنرال إلكتريك هيتاشي للطاقة النووية (GEH) خطابات نوايا لتقديم خدمات تخصيب اليورانيوم مع شركتي إكسيلون وإنترجي ، وهما أكبر شركتين للطاقة النووية في الولايات المتحدة الأمريكية. ^{[ 7 ]}

في عام 2008، قامت شركة جنرال إلكتريك هيتاشي (GEH) بفصل شركة جلوبال ليزر إنريتشمنت (GLE) لتسويق تقنية SILEX، وأعلنت عن أول منشأة تجارية محتملة لتخصيب اليورانيوم باستخدام عملية Silex. ووافقت هيئة التنظيم النووي الأمريكية (NRC) على تعديل الترخيص الذي يسمح لشركة GLE بتشغيل حلقة الاختبار. وفي عام 2008 أيضاً، انضمت شركة كاميكو الكندية، أكبر منتج لليورانيوم في العالم، إلى جنرال إلكتريك وهيتاشي كشريك في ملكية شركة GLE. ^{[ 8 ]}

في عام 2010، أثيرت مخاوف من أن عملية SILEX تشكل تهديداً للأمن النووي العالمي. ^{[ 9 ]}

بين عامي 2011 و2012، تقدمت شركة GLE بطلب للحصول على ترخيص لبناء محطة تخصيب تجارية في ويلمنجتون، وحصلت عليه. ^{[ 10 ] [ 11 ]} وتقوم المحطة بتخصيب اليورانيوم بنسبة 8% من نظير اليورانيوم ^-235 ، وهي النسبة الأعلى لليورانيوم منخفض التخصيب . ^{[ 12 ]}

في عام 2014، أعادت كل من شركتي GLE و Silex Systems هيكلة أعمالهما، حيث خفضت Silex عدد موظفيها إلى النصف. ^{[ 13 ]} وفي عام 2016، انسحبت GEH من GLE، وشطبت استثمارها. ^{[ 13 ] [ 14 ]}

في عام 2016، وافقت وزارة الطاقة الأمريكية على بيع حوالي 300 ألف طن من سادس فلوريد اليورانيوم المستنفد إلى شركة GLE لإعادة تخصيبه (من 0.35 إلى 0.7  % من اليورانيوم ²³⁵ ) باستخدام عملية SILEX على مدى 40 عامًا في منشأة تخصيب بالليزر مقترحة في بادوكا، كنتاكي . ^{[ 15 ]}

في عام 2018، تخلت شركة Silex Systems عن خططها المتعلقة بشركة GLE، عازمة على إعادة تقنية SILEX إلى أستراليا. ^{[ 16 ]}

في عام 2021، استحوذت شركة سيليكس سيستمز على أغلبية أسهم شركة جي إل إي (51%)، بينما احتفظت شركة كاميكو بحصة أقلية (49%). وبموجب اتفاقية بين جي إل إي ووزارة الطاقة الأمريكية، ستعيد جي إل إي تخصيب عدة مئات من الكيلوطن من مخلفات اليورانيوم المستنفد من آخر محطة تخصيب تستخدم تقنية الانتشار الغازي إلى مستويات التخصيب الطبيعية . وقد عملت تلك المحطة في بادوكا حتى عام 2013، وتخطط جي إل إي لبناء محطتها الجديدة في الموقع نفسه. ^{[ 17 ] [ 18 ]}

يبلغ طول موجة الاهتزاز الأساسي الأقصر لغاز سادس فلوريد اليورانيوم (UF₆ ⁾ _حوالي 16  ميكرومترًا. عند درجة حرارة الغرفة ^، يكون عرضه (حوالي 20  سم⁻¹ ) أكبر بكثير من الانزياح النظائري (0.6 سم⁻¹ ). ويعود هذا التوسع إلى حالات الاهتزاز والدوران المثارة حراريًا. وللسماح بالإثارة الانتقائية، يُبرَّد سادس فلوريد اليورانيوم _، المخفف حوالي 100 ضعف بواسطة غاز حامل (مثل الأرجون أو النيتروجين )، إلى حوالي 80 كلفن عن طريق التمدد الأديباتي عبر فوهة في الفراغ. في البداية، تحدث تصادمات (وهي ضرورية للتبريد). ولكن بعد قطع مسافة تعادل 10 أقطار للفوهة تقريبًا، وبسبب التمدد، تصبح هذه التصادمات نادرة جدًا لدرجة أن التكثيف لا يمكن أن يحدث. كما أن تجنب التصادمات ضروري لكبح أي انتقال للطاقة بين النظائر. تُستخدم طريقة الحزمة الجزيئية هذه في جميع الحالات التي تتطلب تضييقًا طيفيًا للإثارة الانتقائية. 

في تقنية SILEX، يُختار الضغط وقطر الفوهة بحجمٍ كافٍ لتوفير عددٍ وافرٍ من التصادمات مباشرةً بعد الفوهة، مما يسمح بتكوين تجمعات (UF₆ _• G) مع الغاز الحامل G. (لا تتشكل تجمعات UF₆ _• UF₆ _عمليًا نظرًا لانخفاض كثافة UF₆ _{مقارنةً} بـ G). إذا تم إثارة جزيء 235UF₆ بشكلٍ انتقائي عند 628.3 سم⁻¹ ^{، فلن} يتجمع هذا الجزيء مع G، بينما يتجمع جزيء 238UF₆ الأثقل غير المُثار _{. نظرًا} ^{لسرعتها} الحرارية الأعلى، تغادر الجزيئات الحرة محور الحزمة الجزيئية أسرع من التجمعات. ولذلك _، تُثرى التجمعات في الجزء المنقول عبر فوهة الكاشف في اتجاه التدفق، بينما يُثرى الجزء غير المنقول بجزيء 235UF₆ ^. كلما كان عامل الإثراء أفضل، زادت نسبة الجزء المنقول (أي قلّ الاستنزاف وقلّت نسبة القطع). أي أن SILEX تستخدم فوهة فصل معدلة بواسطة الليزر وتستفيد من الكبح الانتقائي لتكوين التجمعات ("التكثيف"). 

لذلك، يحتاج ليزر ثاني أكسيد الكربون _إلى ²⁰ ميغاواط على الأقل. مع إزاحة رامان تبلغ 354.3  سم⁻¹ ورقم موجي لليزر _ثاني أكسيد الكربون ^يبلغ 982.1 سم⁻¹ (خط 10R30)، نحصل على 627.8 سم⁻¹ ^. هذا قريب من فرع Q لليزر ²³⁵ UF₆ (مركزه عند 628.3 سم⁻¹ ^، وعرضه 0.01 ^سم⁻¹ [ ^{19 ] )} ، وهو أقرب إلى فرع Q لليزر ²³⁸ _{UF₆ .} لم توضح شركة GLE كيفية إجراء الضبط الدقيق اللازم. ستؤدي ليزرات ثاني أكسيد الكربون عالية الضغط _إلى مشاكل إضافية في معدل تكرار النبضات. مع ليزرات ثاني أكسيد الكربون الشائعة (ذات الضغط الجوي) _ومع مُزحزح رامان المُحفَّز ، تتراوح أحدث التقنيات بين 2 و4 كيلوهرتز . ^{[ 20 ]} ولضمان عدم ترك أجزاء كبيرة من الحزمة الجزيئية دون تشعيع، يلزم استخدام تردد لا يقل عن 20 كيلوهرتز (وفقًا لـ Urenco، عدة عشرات من الكيلوهرتز ^{[ 21 ]} )، إلا في حالة استخدام فوهات نبضية. ويجب أن تكون الفوهات نفسها على شكل شق لتوفير طول امتصاص كافٍ.      

تُشير شركة GLE إلى أنهم يصلون إلى عوامل فصل تتراوح بين 2 و20، ومن المرجح أن تكون القيم الأعلى مرتبطة بانخفاض معدل الاستنزاف (وهو أمر غير مُحدد). وهذا كافٍ للتخصيب من اليورانيوم الطبيعي (0.72  % ^235U ) إلى درجة تخصيب مناسبة للمفاعلات النووية ( > 3% ^235U ). وقد حققت الأعمال الرائدة لمجموعة فان دن بيرغ معدلات تخصيب أقل بكثير باستخدام _{سادس فلوريد الكبريت} (SF6) . ^{[ 22 ]}

باستخدام ليزرات أخرى ذات أطوال موجية مناسبة ، يمكن أيضًا استخدام SILEX للإثراء النظائري لعناصر أخرى مثل الكلور والموليبدينوم والكربون والسيليكون .

بالمقارنة مع تقنيات التخصيب الحالية، يحقق نظام SILEX تخصيبًا أعلى. وبالتالي، يتطلب الأمر عددًا أقل من المراحل للوصول إلى يورانيوم صالح للاستخدام في الأسلحة (أكثر من 90% من اليورانيوم ^-235 ). ووفقًا لشركة GLE، تتطلب كل مرحلة 25% فقط من المساحة التي تتطلبها الطرق التقليدية. لذلك، قد يمكّن هذا النظام الحكومات المارقة من إخفاء منشآت مخصصة لإنتاج اليورانيوم الصالح للاستخدام في الأسلحة. ^{[ 9 ]} ويتعزز جاذبية هذا النظام أكثر بادعاءات شركة GLE بأن بناء محطة SILEX أسرع وأقل تكلفة، مع استهلاك طاقة أقل بكثير. ولذلك، أعرب العلماء مرارًا وتكرارًا عن مخاوفهم من أن نظام SILEX قد يمهد الطريق بسهولة نحو امتلاك سلاح نووي. ^{[ 1 ] [ 23 ]}

في يونيو/حزيران 2001، صنّفت وزارة الطاقة الأمريكية "معلومات معينة أُنتجت بشكل خاص وتتعلق بعملية فصل نظائر مبتكرة لتخصيب اليورانيوم". وبموجب قانون الطاقة الذرية ، تُصنّف جميع المعلومات التي لم تُرفع عنها السرية صراحةً كبيانات مقيدة، سواء كانت مملوكة للقطاع الخاص أو للقطاع العام. ويختلف هذا اختلافًا جوهريًا عن الأمر التنفيذي لتصنيف الأمن القومي ، الذي ينص على أنه لا يُمكن تصنيف المعلومات إلا إذا كانت "مملوكة لحكومة الولايات المتحدة، أو مُنتجة من قبلها، أو لصالحها، أو خاضعة لسيطرتها". وهذه هي الحالة الوحيدة المعروفة لاستخدام قانون الطاقة الذرية بهذه الطريقة. ^{[ 24 ] [ 25 ]}

يستخدم مسلسل " الشفرة" (The Code) الذي أنتجته هيئة الإذاعة الأسترالية عام 2014، تقنية "تخصيب اليورانيوم بالليزر" كعنصر أساسي في حبكته. وتذكر بطلة المسلسل، صوفي والش، أن هذه التقنية ستكون أصغر حجماً، وأقل استهلاكاً للطاقة، وأكثر صعوبة في التحكم بمجرد أن تصبح بديلاً عملياً لأساليب التخصيب الحالية. كما تشير والش إلى أن تطوير هذه التقنية استغرق وقتاً طويلاً، وأن هناك مصالح حكومية كبيرة في الحفاظ على سريتها وتصنيفها كتقنية سرية.

• شركة سيليكس سيستمز المحدودة: http://www.silex.com.au/
• سنايدر، ر.، "تقييم انتشار تقنية تخصيب اليورانيوم بالليزر من الجيل الثالث"، العلوم والأمن العالمي: https://doi.org/10.1080/08929882.2016.1184528
• سنايدر، ر.، "مخاطر انتشار تخصيب اليورانيوم بالليزر"، عرض تقديمي في الأكاديمية الوطنية للعلوم