אפוזיה

אֵפוּזְיָה (הפּעה) היא מקרה פרטי של פעפוע בו מתרחש מעבר של מולקולות נוזל או גז דרך חריר זעיר ללא היווצרות של שטף. אפוזיה משמשת באחת השיטות העיקריות להעשרת אורניום. זאת משום שבאפוזיה יש העדפה למעבר חלקיקים בעלי מסה נמוכה יותר, כגון איזוטופים קלים יותר של אורניום, המאפשרת הפרדה בין איזוטופים שונים של אורניום. אפוזיה מתרחשת כאשר גודל החריר דרכו עוברת המולקולה קטן ביחס למהלך החופשי הממוצע שלה (המרחק הממוצע שעוברת המולקולה בין התנגשות להתנגשות במולקולות אחרות).

התמונה משמאל מראה אפוזיה, התמונה מימין מראה דיפוזיה.

עיקרון פיזיקלי וחוק גרהם

תרשים כללי של מכל המאפשר תהליך אפוזיה

כאשר ישנו מכל בעל חריר הקטן יחסית למהלך החופשי הממוצע, הסיכוי של חלקיק לצאת דרך חור כזה שווה לסיכוי שלו להתנגש בדופן - סיכוי שפרופורציוני למהירותו הממוצעת. המהירות הממוצעת של מולקולה בגז תלויה במסה שלה. לכן חלקיקים קלים יותר נעים במהירות ממוצעת גבוהה יותר, ולכן יש להם סיכוי גדול יותר לצאת דרך חיץ חדיר למחצה. לכן אם הקיר עשוי ממחיצה חדירה למחצה, שרצופה בחרירים שכאלה, החלקיקים שיעברו את המחיצה יהיו עשירים יותר במולקולות הקלות. היחס בין הריכוזים של שתי מולקולות (המולקולה הקלה מסומנת ב-L והכבדה ב-H) בזרם היוצא לעומת התערובת שבפנים ניתן על ידי חוק גרהם, והוא:

$\alpha ={\frac {{v_{rms}}_{L}}{{v_{rms}}_{H}}}={\sqrt {\frac {m_{H}}{m_{L}}}}$

בפועל, בגלל שהתהליך הוא דו כיווני, והגז שבמכל אינו אחיד, רמת ההעשרה קטנה יותר מגורם זה.

חוק גרהם נגזר מכך שעל פי חוק החלוקה השווה של האנרגיה, האנרגיה הקינטית בגז מתחלקת בממוצע באופן שווה בין המולקולות, בלי קשר לסוג שלהן או למסה שלהן. מכיוון שהאנרגיה הקינטית שווה ל:

$\langle E\rangle ={\frac {1}{2}}m\langle v^{2}\rangle$

השוויון באנרגיה הממוצעת $\langle E\rangle$ גורם לכך שהמהירות הממוצעת RMS של חלקיקים מסוג מסוים תלויה רק במסה שלהם, לפי:

$v_{rms}={\sqrt {\langle v^{2}\rangle }}\sim {\frac {1}{\sqrt {m}}}$

כלומר, ככל שהחלקיק קל יותר, מהירותו הממוצעת גבוהה יותר.

אפוזיה בתהליכי העשרת אורניום

תיאור סכמטי של דיפוזר

בתהליכי העשרת אורניום משתמשים בתופעת האפוזיה בתהליך המכונה דיפוזיה גזית. לראשונה נעשה שימוש באפוזיה לצורך העשרת אורניום במהלך פרויקט מנהטן, והוא היווה למעשה את תהליך ההעשרה הראשון של אורניום בקנה מידה תעשייתי. בתהליך זה ממירים את האורניום המוצק לגז על ידי הגבתו עם פלואור לקבלת אורניום שש פלואורי. בתהליך האפוזיה, עבור אורניום שש פלואורי, היחס בין המהירויות הממוצעות בגז, הקובע את סדר הגודל של שינוי היחס בין האיזוטופים בכל שלב הוא:

$\alpha ={\sqrt {\frac {m_{238}}{m_{235}}}}={\sqrt {\frac {238+6\times 19}{235+6\times 19}}}=1.0043$.

על מנת לקבל חומר מועשר במידה משמעותית, יש צורך במערך שלם (קסקדה) של מכלים בעלי מחיצה מחוררת למחצה, שכל אחד מהם מכונה דיפוזר. הדיפוזרים בדרך כלל מסודרים ברמות. כל דיפוזר קולט זרם נכנס של אורניום בדרגת העשרה מסוימת ופולט אורניום מעט יותר מועשר (יחסית לזרם הנכנס) לדיפיוזר ברמה הבאה, ומחזיר את יתרת הגז אחורנית, לזרם הנכנס של דיפוזרים ברמות העשרה נמוכות יותר.

מכיוון שהזרם של החלקיקים שעובר את המחיצה דליל בצורה ניכרת לעומת הזרם הנכנס, תהליך זה הוא איטי ביותר. בנוסף בגלל דלילות הגז המעושר, יש לדחוס אותו ביציאה, ולפני זה לקרר אותו, שכן דחיסה של גז גורמת להעלאת הטמפרטורה שלו. תהליך זה דורש אנרגיה רבה מאוד.

שיטה זו הייתה השיטה השנייה בחשיבותה מבין משלוש השיטות בהן השתמשו במסגרת פרויקט מנהטן להעשרת אורניום. בתחילת המלחמה הקרה היא הפכה לשיטת ההעשרה העיקרית בארצות הברית, ובעקבותיה בעולם. למרות חוסר יעילות השיטה, הן מבחינת הזמן הארוך של התהליך, והן מבחינת האנרגיה הנצרכת, קיומה של שיטה עובדת מנע במשך זמן רב פיתוח שיטות מתחרות. בארצות הברית וצרפת זוהי שיטת ההעשרה העיקרית עד היום. מדינות אחרות המעשירות אורניום עברו לשיטת הצנטריפוגה הגזית.

לקריאה נוספת

• http://dx.doi.org/10.1016/j.physa.2004.06.029
• http://www.if.ufrgs.br/~arenzon/papers/PHYSA2005_95.pdf