הפרדת איזוטופים אטומית בעזרת לייזר

הפרדת איזוטופים אטומית בעזרת לייזר היא שיטה שבה משתמשים בלייזרים מתכוונני אורך גל כדי להפריד איזוטופים של אורניום הנמצאים במצב של אדי מתכת תוך שימוש במעברים על עדיניםL. J. Radziemski, R. W. Solarz, and J. A. Paisner (Eds.), Laser Spectroscopy and its Applications (Marcel Dekker, New York, 1987) Chapter 3.Petr A. Bokhan, Vladimir V. Buchanov, Nikolai V. Fateev, Mikhail M. Kalugin, Mishik A. Kazaryan, Alexander M. Prokhorov, Dmitrij E. Zakrevskii: Laser Isotope Separation in Atomic Vapor. Wiley-VCH, Berlin, August 2006, . זהו אחד האופנים לקבלת אורניום מועשר. בהשוואה לשימוש בסרכזות גז, הפרדת איזוטופים אטומית בעזרת לייזר היא תהליך יעיל אנרגטית, מספק הפרדה בשיעור גבוה ומייצר מעט פסולת רדיואקטיבית או גרעינית. שיטה דומה, תוך שימוש במולקולות גז במקום באדים אטומיים, היא הפרדה מולקולרית של איזוטופים בעזרת לייזר.

 עקרון הפעולה 
קווי הבליעה של 235U ושל 238U שונים במעט בגלל מבנה על עדין של רמות האנרגיה. לדוגמה, קו הבליעה 502.74 ננומטר של 238U מוסח ל-502.73 ננומטר ב-235U. תהליך הפרדת איזוטופים אטומית בעזרת לייזר כולל את מערכת הלייזר ומערכת ההפרדה, אשר מצידה כוללת מאדה ומאסף. המאדה מייצר אלומת אדי אורניום הכוללת את שני האיזוטופים ומוארת על ידי מערכת הלייזר. כתוצאה מההארה, אטומי 235U מתייננים ורק הם נאספים אלקטרוסטטית ללוח איסוף. באופן זה מקבלים על לוח האיסוף אטומי 235U בלבד.

 עירור רמות האנרגיה האטומיות על ידי מערכת הלייזר 
מערכת הלייזר כוללת מערך של לייזר אדי נחושת הפועל בדפקים (פולסים) ושואב מערך של לייזרי צבע בשלושה ארכי גל. כל אחד מלייזרי הצבע כולל מתנד אופטי ראשי ומגבר הספק. המתנד הראשי פועל בהספק נמוך אך הוא מכוונן אורך גל בדיוק גבוה, צר סרט, ונמוך רעש. מגבר ההספק מגדיל מאוד את האלומה היוצאת מהמתנד הראשי. לייזרי הצבע מעוררים את אטומי ה-235U עד ליינון מלא.

הפרדת איזוטופים אטומית של יסודות אחרים, ליתיום למשל, מתבצעת עם לייזרי דיודה מתכוונניםI. E. Olivares, A. E. Duarte, E. A. Saravia, and F. J. Duarte, Lithium isotope separation with tunable diode lasers, Appl. Opt. 41, 2973-2977 (2002)..

 היסטוריה של עקרון הפעולה ושל הפטנט 
בסיום מלחמת העולם השנייה החזיקו הבריטים במעצר בחוות הול קבוצת פיזיקאים גרמנים, חלקם בעלי שם עולמי בתחום פיזיקת הקוונטים והגרעין כמו ורנר הייזנברג הידוע מעקרון האי-ודאות, ואוטו האן מגלה הפיצוח הגרעיני של אורניום. באוגוסט 1945 סיפר המפקד הבריטי של החווה לקבוצת המדענים על הטלת פצצות האטום על הירושימה ונגסקי והבריטים האזינו בסתר לתגובותיהם. המדענים דנו בינם לבין עצמם באפשרות ליצר פצצה גרעינית ובאופן שבו מעשירים את האורניום כדי לאפשר תגובת שרשרת גרעינית. המדענים העלו בדעתם שיטות שונות וביניהם תהליך פוטו-כימי הכרוך בהארת אטומי האורניום באורך גל מסוים. אמצאת הלייזר ב-1960 קידמה את הרעיון הערטילאי הזה לשיטה הניתנת למימוש. תחילה הוצעה ב-1969 הפרדה מולקולרית, ואחר כך הוצעה הפרדה אטומית כמפורט בקטע הבא.

בשנים 1969-1968 הגה ד"ר ישעיה נבנצל, פיזיקאי בכיר ברפא"ל, את תהליך הפרדת איזוטופים אטומית בעזרת לייזר, אך מדינת ישראל הטילה על התהליך חיסיון. במקביל, לכאורה, נהגה הרעיון בחברת אבקו בארצות הברית על ידי ריצ'רד לוי וג'ורג' ג'יינס, ואבקו רשמה עליו בקשת פטנט אמריקאית שהוגשה בישראל ב-1971 כבקשה ישראלית מס' 36461. בשלב מסוים הסתבר לנבנצל כי הצעתו הסודית הובאה לידיעת פרופ' עמוס דה-שליט יו"ר ועדת המחקר של הוועדה לאנרגיה אטומית, כי פרופ' דה-שליט שוחח על הפרדת איזוטופים בעזרת לייזר עם פרופ' גרוז'דנס, והלה הרצה על הנושא בפני קבוצת מדענים באבקו אשר כללה את ריצ'רד לוי וג'ורג' ג'יינס. בעקבות כך, טען נבנצל כי המצאתו דלפה למדעני אבקו והוא צריך להופיע כממציא על חלק מתביעות הפטנט. נבנצל ניהל מאבק ארוך שנים על זכות הבעלים נגד אבקו בלשכת הפטנטים הישראלית בבית המשפט המחוזי בתל אביב ובבית המשפט העליון בישראל. בתי המשפט קבעו לבסוף כי נבנצל לא הרים את נטל ההוכחה ולכן אינו זכאי להירשם כממציא.

 מימוש מעבדתי ותעשייתי 
בשנים 1970–1995 זכה התהליך לתשומת לב רבה בקהילה המדעית העולמית ומדי שנה נערכו כנסים בינלאומיים בנושא זה. מעבדות לאומיות בארצות הברית, ברית המועצות, הודו, סין, בריטניה ועוד בנו מעבדות מחקר לעיסוק בתהליך. בארצות הברית עסקה בכך המעבדה הלאומית לורנס ליברמור בקליפורניה, אשר ב-1994 העבירה את הטכנולוגיה לחברה תעשייתית, USEC. החברה השקיעה בתהליך 100 מיליון דולר אך חיסלה את המיזם ב-1999.

במקביל לארצות הברית, איבדה כמעט כל הקהילה הבינלאומית עניין בתהליך למרות יתרונותיו המהותיים בהשוואה לתהליכים מתחרים. זאת, היות שבתהליך הפרדת איזוטופים אטומית בעזרת לייזר התגלו קשיים טכנולוגיים לא פשוטים, בעוד שהתהליכים המתחרים, בעיקר סרכזות גז, ידועים מאז שנות ה-40 של המאה ה-20, הם השתכללו עם הזמן ונצבר בהם ניסיון רב. בנוסף, התפרקות ברית המועצות הובילה לפירוק עולמי של נשק גרעיני רב ולהסבת אורניום מועשר צבאית ליצור מוטות דלק לכורים גרעיניים, דבר שהוריד את מחיר האורניום המועשר והפך את ההשקעה בתהליך לבלתי-כלכלית.

קישורים חיצוניים

הערות שוליים

קטגוריה:תהליכים כימיים תעשייתיים
קטגוריה:אורניום
קטגוריה:יישומי לייזר