ثوريوم

الثُوريوم هو عنصر كيميائي من عناصر الجدول الدوري وله الرمز Th، وعدده الذري 90. ونظرا لأنه فلز له نشاط إشعاعي طفيف، ويوجد بصورة طبيعية فإنه يعد من أنواع الوقود النووي البديلة لليورانيوم.

بروتكتينيوم → ثوريوم ← أكتينيوم Ce ↑ Th ↓ - 90Th
المظهر
أبيض فضي
الخواص العامة
الاسم، العدد، الرمز	ثوريوم، 90، Th
تصنيف العنصر	أكتينيدات
المجموعة، الدورة، المستوى الفرعي	n/a, 7، f
الكتلة الذرية	232.0381 غ·مول−1
توزيع إلكتروني	Rn]; 6d2 7s2]
توزيع الإلكترونات لكل غلاف تكافؤ	2, 8, 18, 32, 18, 10, 2 (صورة)
الخواص الفيزيائية
الطور	صلب
الكثافة (عند درجة حرارة الغرفة)	11.7 غ·سم−3
نقطة الانصهار	2115 ك، 1842 °س، 3348 °ف
نقطة الغليان	5061 ك، 4788 °س، 8650 °ف
حرارة الانصهار	13.81 كيلوجول·مول−1
حرارة التبخر	514 كيلوجول·مول−1
السعة الحرارية (عند 25 °س)	26.23 جول·مول−1·كلفن−1
ضغط البخار
ض (باسكال) 1 10 100 1 كيلو 10 كيلو 100 كيلو عند د.ح. (كلفن) 2633 2907 3248 3683 4259 5055
الخواص الذرية
أرقام الأكسدة	4, 3, 2 (أكاسيده قاعدية ضعيفة)
الكهرسلبية	1.3 (مقياس باولنغ)
طاقات التأين	الأول: 587 كيلوجول·مول−1
	الثاني: 1110 كيلوجول·مول−1
	الثالث: 1930 كيلوجول·مول−1
نصف قطر ذري	179 بيكومتر
نصف قطر تساهمي	206±6 بيكومتر
خواص أخرى
البنية البلورية	مكعب مركزي الوجه
المغناطيسية	مغناطيسية مسايرة
مقاومة كهربائية	147 نانوأوم·متر (0 °س)
الناقلية الحرارية	54.0 واط·متر−1·كلفن−1 (300 كلفن)
التمدد الحراري	11.0 ميكرومتر·متر−1·كلفن−1 (25 °س)
سرعة الصوت (سلك رفيع)	2490 متر/ثانية (20 °س)
معامل يونغ	79 غيغاباسكال
معامل القص	31 غيغاباسكال
معامل الحجم	54 غيغاباسكال
نسبة بواسون	0.27
صلادة موس	3.0
صلادة فيكرز	350 ميغاباسكال
صلادة برينل	400 ميغاباسكال
رقم CAS	7440-29-1
النظائر الأكثر ثباتاً
المقالة الرئيسية: نظائر الثوريوم
النظائر الوفرة الطبيعية عمر النصف نمط الاضمحلال طاقة الاضمحلال MeV ناتج الاضمحلال 228Th نادر 1.9116 سنة α 5.520 224Ra 229Th نادر 7340 سنة α 5.168 225Ra 230Th نادر 75380 سنة α 4.770 226Ra 231Th نادر 25.5 ساعة β 0.39 231Pa 232Th 100% 1.405×1010 سنة α 4.083 228Ra 234Th نادر 24.1 يوم β 0.27 234Pa

الصفات المميزة

في حالة نقاءه فإن الثوريوم فلز أبيض فضي يحافظ على لمعانه لشهور عديدة. بينما عند وجود شوائب أكسيدية به فإن لمعانه يخبو في الهواء ويصبح رمادي ثم أخيرا يتحول للأسود. ولأكسيد الثوريم (ThO₂) (يسمى أيضا ثوريا) درجة ذوبان عالية جدا مقارنة بباقى الأكاسيد (3300 °C). وعند تسخينه في الهواء، فإن فلز الثوريوم يشتعل ويحترق بلهب أبيض.

شاهد الأكتينيدات في الطبيعة لتفاصيل أكثر عن السمات المميزة للأكتينيدات في الطبيعة.

الاستخدامات

استخدامات الثوريوم:

• يستخدم لعمل سبيكة مع المغنسيوم يكون لها مقاومة عالية لقوة الشد والزحف في درجات الحرارة العالية.
• يستخدم الثوريوم لتغطية أسلاك التنجستين المستخدمة في المعدات الإلكترونية، مما يحسن الانبعاث الإلكتروني للكاثود عند تسخينه.
• يستخدم الثوريوم في إلكترودات لحام القوس التنجستين الغازي والخزفيات المقاومة للحرارة.
• تستخدم تقنية تحديد العمر بواسطة يورانيوم-ثوريوم لتحديد عمر الحفريات الأدمية.
• كمادة خصبة لإنتاج الوقود النووي. وبالتحديد، في مفاعل مضخم الطاقة يجب الأخذ في الاعتبار استخدام الثوريوم حيث أنه متوافر عن اليورانيوم، كما أن بعض تصميمات المفاعلات النووية تأخذ في الاعتبار مساهمة الثوريوم في دورة وقودها النووي.
• الثوريوم يعد واقي أشعة قوي، بالرغم من أنه لم يستخدم كواقي أشعة بطريقة فعلية مثل الرصاص أو اليورانيوم المستنزف.
• يمكن استخدام الثوريوم في المفاعلات تحت الحرجة بدلا من اليورانيوم كوقود. وهذا يبنتج عنه نفايات أقل ولا يمكن أن يذوب.

استخدامات ثانى أكسيد الثوريوم (ThO₂):

• كمصدر إنارة في المصابيح الغازية المتنقلة. وهذه المصادر لها بريق ضوئي (لا يعتمد على النشاط الإشعاعي) عندما يتم تسخينها في لهب غازي.
• يستخدم للتحكم في حجم حبيبات التنجستين المستخدم في المصابيح الكهربية.
• يستخدم في البوتقات المعملية التي تتحمل درجات حرارة عالية.
• بإضافته إلى الزجاج، ينتج زجاج له معامل انكسار عالي، وتشتت منخفض. وبالتالي تم استخدام الزجاج الناتج في عدسات الكاميرات والتطبيقات العلمية.
• يستخدم كحفاز:
  • في تحويل الأمونيا إلى حمض نيتريك.
  • في عمليات تكسير البترول.
  • في إنتاج حمض الكبريتيك.
• يعد المكون النشيط في الثوروستات، الذي يستخدم في التشخيصات التي تتم بواسطة الأشعة السينية. وقد تم البدء في التوقف عن استخدام الثوروستات لوجود خطر الإصابة بالسرطان بسببه.

الثوريوم تاريخيا

تم اكتشاف الثوريوم عام 1828 بواسطة الكيميائي السويدي جونز جاكوب بيرزيليوس، والذي قام بتسميته على اسم ثور إله الرعد الإسكندنافي. ولم يكن للثوريوم أي استخدامات حتى عام 1885 حيث تم اكتشاف المصباح المغطى.

طريقة القضيب البللوري (أو طريقة التأيد) تم اكتشافها بواسطة أنطون إدوارد فان أركيل وجان هنريك دي بوير في عام 1925. وكانت هذه هي أول طريقة صناعية للإنتاج التجارى للثوريوم الطيع الفلزي.

وكان الاسم أيونيوم تم اقتراحه عند دراسة العناصر المشعة لنظير ²³⁰Th الناتج من سلسلة الاضمحلال لل²³⁸U قبل أن يعرف أن الأيونيوم والثوريوم متطابقان كيميائيا. وتم اقتراح Io للعنصر المتوقع.

التواجد

مونازايت، معدن نادر يحتوى على الثوريوم والفوسفات، وهو المصدر الأساسي للثوريوم

ويوجد الثوريوم بكميات ضئيلة في معظم الصخور وأنواع التربة، ولكنه يتواجد ثلاث مرات أكثر من اليورانيوم، ويوجد بكمية تماثل الرصاص. وتحتوى التربة بصفة عامة على 6 أجزاء في المليون من الثوريوم في المتوسط. ويتواجد الثوريوم في عدة معادن، وأكثرها شهرة المونازايت والذي يحتوى على 12% تقريبا من أكسيد الثوريوم. ويوجد من هذا المعدن مخزون طبيعى في عديد من البلدان. ويضمحل ²³²Th ببطيء شديد (يصل عمر النصف له ثلاث مرات مثل عمر الأرض تقريبا) ولكن توجد نظائر أخرى للثوريوم تنتج من الإضمحلال التسلسلي لليورانيوم. ومعظمها له فترة عمر نصف قليلة وتكون مشعة، ولكنها ضيئلة عند مقارنتها مع ²³²Th.

الثوريوم كوقود نووي

الثوريوم مثل اليورانيوم والبلوتونيوم، يمكن أن يستخدم كوقود في المفاعلات النووية. بالرغم من أنه لا ينشطر بمفرده، حيث ²³²Th يقوم بامتصاص النيترونات البطيئة لإنتاج اليورانيوم-233 (²³³U)، والذي يحدث له انشطار. ومثله مثل ²³⁸U فإنه يورانيوم خصب. وبالترتيب طبق للأهمية فإن²³³U أفضل من النظيرين الأخريين المستخدمين كوقود، ²³⁵U والبلوتينيوم-239 (²³⁹Pu)، نظرا لإنتاجه العالي من النيترونات لكل نيترون ممتص. ويعطى بداية ببعض المواد المنشطرة (²³⁵U أو ²³⁹Pu) تنتج دورة مستمرة مشابهة، ولكن بكفاءة أعلى من الممكنة بواسطة ²³⁸U إلى ²³⁹Pu (في مفاعلات النيترون البطيء). يقوم ²³²Th بامتصاص النيترون ليصبح ²³³Th الذي ينحل تلقائيا إلى بروأكتينيوم-233 (²³³Pa) ثم ²³³U، ويمكن عندها الحصول على الوقود المشع من المفاعل، ويفصل ²³³U من الثوريوم (عملية مشابهة حيث أنها تتضمن فصل كيميائي بدلا من الفصل بواسطة النظائر)، ويتم تغذيته لمفاعل آخر كنوع من أنواع الدورة المغلقة في دورات الوقود النووي.

وتتضمن مشاكل تصنيع الوقود التكلفة العالية الناتجة من الإشعاع العالي لليورانيوم ²³³U والذي نظرا لتلوثه ببعض أجزاء من ²³²U القصير العمر، تحدث نفس المشكلة في إعادة تشكيل الثوريوم نظرا للإشعاع العالي للثوريوم ²²⁸Th، ويأتي خطر بعض الأسلحة من تكاثر ²³³U، ولم تحل المشاكل التقنية المتعلقة بهذا الموضوع للآن. ولا زال هناك عمل كثير لتطوير طريقة استخدام الثوريوم كوقود، بحيث يمكن استخدامه بطريقة تجارية. وبالرغم من ندرة وجود اليورانيوم، فلا زالت هذه الجهود غير كافية للاتجاه للثوريوم.

ومع ذلك، فإن دورة وقود الثوريوم، بقدرتها على توليد وقود متوالد بدون الحاجة لمفاعل نيترون سريع، ترجح باستخدامه على المدى البعيد. وبتوافر الثوريوم عن اليورانيوم، فإنه من أهم الركائز التي سيستند عليها الوقود النووي ومن بين الأساسيات التي سيتم الاعتماد على نمذجتها وتطبيقاتها من أجل الحفاظ على التماسك النوعي للمواد الكونية .

الهند لديها مخزون كبير من الثوريوم، ولذا فإنها تخطط لاستخدامه في برنامجها النووي، مستخدمة اليورانيوم كمادة مساعدة فقط. وهذه الخطة الطموحة تستخدم كل من المفاعل المولد السريع والحراري. ويقدم كل من مفاعل المياه الثقيلة المتقدمو مفاعل KAMINI جهود مبذولة في هذا الاتجاه.

والكميات الآتية تمثل المخزون الطبيعي للثوريوم مقدر بالطن [1]:

• 360000 الهند
• 300000 أستراليا
• 170000 النرويج
• 160000 الولايات المتحدة
• 100000 كندا
• 35000 جنوب أفريقيا
• 16000 البرازيل
• 95000 الدول الأخرى

النظائر

يتكون الثوريوم الموجود طبيعيا من نظير واحد ²³²Th. ويوجد للثوريوم 25 نظير مشع وأكثرهم ثباتا ²³²Th وله عمر نصف مقداره 14.05 مليار سنة، ²³⁰Th وله عمر نصف مقداره 75380 سنة، ²²⁹Th وله عمر نصف مقداره 7340 سنة، ²²⁸Th وله عمر نصف مقداره 1.92 سنة. أما بقية النظائر فلها عمر نصف أقل من 30 يوم ومعظم هذه النظائر أقل من 10 دقائق. وللعنصر أيزومر نووي واحد.

ويتراوح الوزن الذري لنظائر الثوريوم من 212 وحدة كتل ذرية (²¹²Th) إلى 236 (²³⁶Th)

الاحتياطات

يشتعل مسحوق فلز الثوريوم تلقائيا في الهواء، ولذا يجب التعامل معه بحرص شديد.

كما يزيد معدل احتمال الإصابة بسرطان الرئة، والبنكرياس، الدم عند التعرض لدخان الثوريوم. كما أن تعرض الجسم من الداخل للثوريوم يؤدى لزيادة معدل الإصابة بأمراض الكبد. ولا يوجد للعنصر أي دور حيوي آخر معروف. شاهد أيضا ثوروتراست.

الثوريوم في الثقافة العامة

شاهد أيضا استخدامات الثوريوم الخيالية. دافيد هان، والذي يطلق عليه "الفتى سكوت المشع"، يقوم بإطلاق الثوريوم من خلال مصباح مع النيترونات لإنتاج كميات صغيرة من المواد الانشطارية في ساحة بيته الخلفية. وكان عليه أن لا يقوم بتطوير عمله نظرا لارتفاع مشتوى الإشعاع في البيوت المحيطة به.

وفي عام 1999، قامت مجموعة طلبة من جامعة شياغو بإنشاء مفاعل نووي صغير يعمل.

المصادر

• معمل لوس الاموس القومي- الثوريوم
• المجمع النووي الأوربي- سلاسل الإضمحلال الطبيعي
• تحضير التيتانيوم، والزركونيوم، والهافيوم، والثوريم van Arkel, A.E., and de Boer, J.H., 1925 : Zeitschrift für Anorganische und Allgemeine Chemie, v. 148, p. 345–350

وصلات خارجية

• الطاقة من الثوريوم
• صفحة المعلومات حول الثوريوم
• شركة طاقة الثوريوم- تطوير وقود الثوريوم
• العناصر على الشبكة- الثوريوم
• أسئلة متكررة- الثوريوم
• الفحص الجيولوجي الأمريكي- الثوريوم
• مركز معلومات اليورانيوم يقدم بعض المواد الأصلية في تركيبه.
• المبرد اللانهائي - مزيل رائحة المجمد، منتج تجاري يفترض أنه يزيل الروائح للأبد مصنوع من Th-232.
• الطاقة من الثوريوم

انظر أيضا

• الجدول الدوري
• المفاعل النووي