حركية وآلية تآكل اليورانيوم المبكرة بفعل الهيدروجين

لماذا يهم هذا الضرر المعدني الخفي

تعتمد تقنيات الطاقة الحديثة — من وقود المحطات النووية إلى تخزين الهيدروجين والمفاعلات الاندماجية المستقبلية — على معادن تتحمل بصمت بيئات قاسية لسنوات. تهديد خفي واحد هو الهيدروجين، ذلك الذرّة الصغيرة التي يمكن أن تتسلل إلى المعادن وتجعلها هشة أو تتحول إلى مسحوق مع الوقت. يكشف هذا البحث كيف يبدأ ذلك الضرر في اليورانيوم، وهو مادة نووية أساسية، عبر مراقبة اللحظات الأولى للهجوم باستخدام ميكروسكوب بصري قوي قادر على رؤية تغيّرات الارتفاع بمقياس مليارات الأمتار.

مراقبة تغير المعدن في الزمن الحقيقي

سعى الباحثون للإجابة عن سؤال يبدو بسيطًا لكنه خادع: عندما يلتقي اليورانيوم بالغاز الهيدروجيني لأول مرة، ماذا يحدث بالضبط على السطح، ومتى يحدث ذلك؟ لعقود اعتمد العلماء بشكل أساسي على مقاييس الضغط وقياسات الكتلة لتتبع مقدار الهيدروجين الذي تمتصه العينة إجمالاً. تعمل تلك الأدوات جيدًا لمراحل التلف المتأخرة، لكنها عمليا عمياء تجاه العيوب الدقيقة الأولى التي تتشكل. في هذه الدراسة، استخدم الفريق بدلاً من ذلك قياس التضاريس البصرية بضوء أبيض مجزأ (الإنترفيروميترية الضوئية) لمسح سطح المعدن مرارًا أثناء تعرضه للهيدروجين عند 50 °م وبضغط غازي ثابت. أتاحت لهم هذه الطريقة بناء خريطة ثلاثية الأبعاد متسلسلة زمنياً للسطح، ملتقطةً الانتفاخات والحفر الدقيقة أثناء نشأتها ونموها.

الانتظار الهادئ قبل ظهور الضرر

من أبرز النتائج أن «لا شيء يحدث» لفترة طويلة مفاجئة. بعد إدخال الهيدروجين، يبدو سطح اليورانيوم دون تغيير لحوالي ساعة. خلال فترة الحث هذه، يكون الهيدروجين في الواقع نشيطًا: تلتصق الذرات بالسطح، وتخترق طبقة أكسيد رقيقة، وتذوب في المعدن تحتها. فقط عندما يتجمع الهيدروجين محليًا بما يتجاوز ما يمكن للمعدن استيعابه بشكل مريح، يتكوّن جيب تحت السطح من هيدريد اليورانيوم، دافعًا السطح إلى الأعلى مكوّنًا بثرة مجهرية. لم تتكوّن أولى هذه البثرات في التجربة عند عيوب واضحة مثل مسام الصب، مما يشير إلى أن اختلافات دقيقة في أكسيد السطح والشوائب تلعب دورًا أكبر مما كان يُفترض سابقًا.

من البثرات إلى الانفجارات والمسحوق

بمجرد ظهور البثرة الأولى، تتسارع القصة. تتبّع الفريق ارتفاعها وعرضها وحجمها مع الزمن ورأى نموًا سريعًا بعد فترة الحث. تبقى البثرة في البداية سليمة، قبة ناعمة تحت طبقة السطح. لكن مع نمو الجيب الهيدريدي يتراكم ضغط داخلي ضد المعدن المغطي. عندما يصل إلى حجم حرج — نحو 40 ميكرومتر عبرها، أي ما يقارب نصف عرض شعرة الإنسان — يتشقق السطح ويقشر الجزء العلوي، مطلقًا دفقة من مسحوق هيدريد اليورانيوم. في هذه اللحظة، يصبح ملف السطح فجائيًا متقطعًا، وتتحول البثرة إلى حفرة مفتوحة. بعد التقشّر، يصبح النمو في ذلك الموقع أكثر خطية وثباتًا، ويمكن أن تتوسع المنطقة المتضررة وتندمج مع مواقع مجاورة، نحتًا لنتوءات أكبر.

قياس وتيرة الضرر

لأن مسوحات الإنترفيرومترية تعطي أقطار دقيقة لكل موقع نامٍ، تمكن الباحثون من حساب مدى سرعة تقدم جبهة الضرر جانبياً على السطح. في الظروف المختبرة، تحرك الحافة المتقدمة لموقع هيدريد بعد التقشّر بسرعة نحو 0.91 ميكرومتر في الدقيقة. كرروا قياسات مماثلة عند درجات حرارة أخرى وقارنوا نتائجهم مع بيانات كلاسيكية لهيدريد اليورانيوم جُمعت قبل عقود من تجارب قائمة على الضغط. بشكل ملحوظ، تتطابق المعدلات الجديدة المعتمدة على السطح جيدًا مع تلك المقاييس القديمة للحجم الكلي، مما يدعم بقوة كلًا من طريقة الإنترفيرومتري والنماذج الرياضية القائمة لوضع هيدريد اليورانيوم. بنهاية فترة تزيد قليلاً عن أربع ساعات، تحول ما يقرب من 43 بالمئة من مساحة السطح المرصودة إلى تلف مرتبط بالهيدريد.

داخل الجيوب الخفية للتغير

لفهم شكل هذه البثرات والحفر تحت السطح، استخدم الفريق مجاهر إلكترونية متقدمة وحزم أيونات مركزة لقطع المواقع المتضررة وتصويرها ثلاثية الأبعاد. وجدوا أن الجيوب الهيدريدية المبكرة تتكوّن كأماكن مضغوطة مسطحة (مفلطحة) مباشرة تحت السطح، ملتزمة بشكل وثيق بحدود المعدن–الهيدريد. بعد التقشّر، يخف قيد الطبقة العلوية ويمكن للهيدريد في الأسفل أن ينشطر ويكوّن هياكل طبقية أكثر انفتاحًا تسرّع التفاعل اللاحق. أظهر حيود الأشعة السينية للمسحوق المجمّع وجود شكلين بلوريين مختلفين من هيدريد اليورانيوم، بكثافات مختلفة قليلاً. وهذا يوحي أن الشكل المتكوّن في مواقع معينة قد يؤثر على سرعة نموها وخطورة التلف الناتج.

ما الذي يخبرنا به هذا العمل عن السلامة

لغير المتخصصين، الرسالة الرئيسية هي أن اليورانيوم لا يتفكك بفعل الهيدروجين دفعة واحدة؛ بل يمر بمرحلة «صامتة» طويلة قبل ظهور تلف مرئي، تليها فترة نمو سريع عندما تصل جيوب تحت السطح إلى حجم حرج وتنفجر. من خلال مشاهدة هذا المسار مباشرة بخريطة بصرية فائقة الدقة، يقدم المؤلفون أول رؤية كمية مفصّلة لكيفية وسرعة تكوّن هذه العيوب المبكرة ونموها واندماجها. تعزز نتائجهم نماذج التآكل الحديثة وتثبت أن قياس التضاريس بالإنترفيرومتري الضوئي أداة قوية لتوقع وإدارة الضرر الناتج عن الهيدروجين في المواد النووية والتقنيات ذات الصلة.

الاستشهاد: Shittu, J., Siekhaus, W., Sun, TC. et al. Early-stage uranium-hydrogen corrosion kinetics and mechanism. npj Mater Degrad 10, 35 (2026). https://doi.org/10.1038/s41529-026-00751-6

الكلمات المفتاحية: تآكل اليورانيوم, هشاشة الهيدروجين, هيدريدات المعادن, تحديد ملامح السطح, مواد نووية