Газовая центрифуга

Устройство, выполняющее изотопное разделение газов

Схема газовой центрифуги с противотоком, используемой для разделения изотопов урана.

Газовая центрифуга – это устройство, выполняющее изотопное разделение газов. Центрифуга основана на принципе центробежной силы, ускоряющей молекулы , так что частицы разной массы физически разделяются градиентом по радиусу вращающегося контейнера. Газовые центрифуги широко используются для отделения урана-235 ( ²³⁵ U) от урана-238 ( ²³⁸ U). Газовая центрифуга была разработана для замены газодиффузионного метода извлечения урана-235. Высокая степень разделения этих изотопов достигается за счет использования множества отдельных центрифуг, расположенных последовательно, которые последовательно достигают более высоких концентраций. Этот процесс дает более высокие концентрации урана-235 при использовании значительно меньше энергии по сравнению с процессом газовой диффузии.

Центробежный процесс

Центрифуга использует силу, возникающую в результате центробежного ускорения , для разделения молекул в соответствии с их массой и может применяться к большинству жидкостей. ^[1] Плотные (более тяжелые) молекулы движутся к стенке, а более легкие остаются ближе к центру. Центрифуга состоит из ротора с твердым корпусом, вращающегося полный период с высокой скоростью. ^[2] Концентрические газовые трубки, расположенные на оси ротора, используются для подачи сырьевого газа в ротор и извлечения более тяжелых и легких разделенных потоков. ^[2] При производстве ²³⁵ U более тяжелым потоком являются потоки отходов, а более легким потоком – поток продуктов. Современные центрифуги типа Zippe представляют собой высокие цилиндры, вращающиеся вокруг вертикальной оси. Вертикальный градиент температуры можно применить для создания конвективной циркуляции, поднимающейся в центре и опускающейся на периферии центрифуги. Такой противоток можно также стимулировать механически с помощью совков, отбирающих обогащенные и обедненные фракции. Диффузия между этими встречными потоками увеличивает разделение по принципу противотока .

На практике, поскольку высота одной центрифуги ограничена, несколько таких центрифуг соединяют последовательно. Каждая центрифуга получает один входной сигнал и выдает две выходные линии, соответствующие легкой и тяжелой фракциям . Входом каждой центрифуги является выход (легкий) предыдущей центрифуги и выход (тяжелый) следующей ступени. При этом получается почти чистая легкая фракция на выходе (легкая) последней центрифуги и почти чистая тяжелая фракция на выходе (тяжелая) первой центрифуги.

Процесс газового центрифугирования

Каскад газовых центрифуг, используемых для производства обогащенного урана. Испытательный стенд газовых центрифуг в США в Пайтоне, штат Огайо, 1984 год. Высота каждой центрифуги составляет около 40 футов (12 м). (Обычные центрифуги, используемые сегодня, намного меньше, менее 5 метров (16 футов) в высоту.)

В процессе газового центрифугирования используется уникальная конструкция, которая позволяет газу постоянно поступать в центрифугу и выходить из нее. В отличие от большинства центрифуг, основанных на периодической обработке , газовая центрифуга использует непрерывную обработку, допускающую каскадирование, при котором последовательно происходят несколько идентичных процессов. Газовая центрифуга состоит из цилиндрического ротора , корпуса, электродвигателя и трех линий для перемещения материала. Газовая центрифуга имеет корпус, который полностью закрывает центрифугу. ^[3] Цилиндрический ротор расположен внутри корпуса, из которого удален весь воздух, что обеспечивает вращение практически без трения во время работы. Двигатель вращает ротор, создавая центробежную силу на компонентах, когда они входят в цилиндрический ротор. Эта сила действует на разделение молекул газа: более тяжелые молекулы движутся к стенке ротора, а более легкие – к центральной оси. Имеются две выходные линии: одна для фракции, обогащенной искомым изотопом (при разделении урана это U-235), и одна обедненная им. Выходные линии передают эти разделения в другие центрифуги для продолжения процесса центрифугирования. ^[4] Процесс начинается после балансировки ротора в три этапа. ^[5] Большую часть технических подробностей о газовых центрифугах получить трудно, поскольку они окутаны «ядерной тайной». ^[5]

Первые центрифуги, использовавшиеся в Великобритании, имели корпус из сплава, обернутый стекловолокном, пропитанным эпоксидной смолой. Динамическая балансировка узла была достигнута путем добавления небольших следов эпоксидной смолы в местах, указанных устройством для испытания балансировки. Двигатель обычно был блинного типа, располагался в нижней части цилиндра. Первые устройства обычно имели длину около 2 метров (приблизительно), но последующие разработки постепенно увеличивали длину. Нынешнее поколение имеет длину более 4 метров. Подшипники представляют собой устройства, работающие на газе, поскольку механические подшипники не выдерживают нормальных рабочих скоростей этих центрифуг.

Секция центрифуг будет питаться переменным током переменной частоты от электронного (объемного) инвертора, который будет медленно разгонять их до необходимой скорости, обычно превышающей 50 000 об/мин. Одной из мер предосторожности было быстро преодолеть частоты, на которых, как известно, цилиндр испытывал проблемы с резонансом. Инвертор представляет собой высокочастотный агрегат, способный работать на частотах около 1 килогерца. Весь процесс обычно происходит бесшумно; если из центрифуги слышен шум, это предупреждение о неисправности (которая обычно происходит очень быстро). Конструкция каскада обычно допускает выход из строя хотя бы одной центрифуги без ущерба для работы каскада. Устройства, как правило, очень надежны: ранние модели работали непрерывно более 30 лет.

В более поздних моделях скорость вращения центрифуг постоянно увеличивалась, поскольку именно скорость стенки центрифуги оказывает наибольшее влияние на эффективность разделения.

Особенностью каскадной системы центрифуг является то, что можно постепенно увеличивать производительность установки, добавляя каскадные «блоки» к существующей установке в подходящих местах, вместо того, чтобы устанавливать совершенно новую линию центрифуг.

Параллельные и противоточные центрифуги

Простейшей газовой центрифугой является прямоточная центрифуга, в которой сепарационный эффект достигается за счет центробежного воздействия вращения ротора. В этих центрифугах тяжелая фракция собирается на периферии ротора, а легкая фракция — ближе к оси вращения. ^[6]

Для создания противотока используется противоточное умножение для усиления эффекта разделения. Создается вертикальный циркуляционный ток, при котором газ течет аксиально вдоль стенок ротора в одном направлении, а обратный поток - ближе к центру ротора. Центробежное разделение продолжается, как и раньше (более тяжелые молекулы преимущественно движутся наружу), что означает, что более тяжелые молекулы собираются пристеночным потоком, а более легкая фракция собирается на другом конце. В центрифуге с потоком, направленным вниз, более тяжелые молекулы собираются внизу. Выходные ковши затем размещаются на концах полости ротора, при этом сырьевая смесь впрыскивается вдоль оси полости (в идеале точка впрыска находится в точке, где смесь в роторе равна подаваемой смеси ^[7] ). .

Этот противоток может быть вызван механическим или термическим способом, или их комбинацией. В механически индуцированном противотоке для создания потока используется расположение (стационарных) черпаков и внутренних роторных конструкций. ^[8] Совок взаимодействует с газом, замедляя его, что приводит к втягиванию его в центр ротора. Лопасти на каждом конце индуцируют противоположные токи, поэтому один черпак защищен от потока «перегородкой»: перфорированным диском внутри ротора, который вращается вместе с газом — на этом конце ротора поток будет направлен наружу, в сторону газа. стенка ротора. Таким образом, в центрифуге с перегородкой в ​​верхней части поток через стенку направлен вниз, а более тяжелые молекулы собираются внизу.

Термически индуцированные конвекционные потоки можно создать путем нагревания нижней части центрифуги и/или охлаждения верхней части.

Разделительные рабочие единицы

Единица работы разделения (ЕРР) является мерой объема работы, совершаемой центрифугой, и имеет единицы массы (обычно единица работы разделения в килограмме ). Работа , необходимая для разделения массы исходного материала анализа на массу продукта анализа , а также хвостов массы и анализа, выражается через количество необходимых единиц работы разделения, определяемое выражением ${\displaystyle W_{\mathrm {SWU} }}$ ${\displaystyle F}$ ${\displaystyle x_{f}}$ ${\displaystyle P}$ ${\displaystyle x_{p}}$ ${\displaystyle T}$ ${\displaystyle x_{t}}$

${\displaystyle W_{\mathrm {SWU} }=P\cdot V\left(x_{p}\right)+T\cdot V(x_{t})-F\cdot V(x_{f})}$

где функция ценности , определяемая как ${\displaystyle V\left(x\right)}$

${\displaystyle V(x)=(1-2x)\cdot \ln \left({\frac {1-x}{x}}\right)}$

Практическое применение центрифугирования

Отделение урана-235 от урана-238

Для разделения урана требуется материал в газообразной форме; Гексафторид урана (UF ₆ ) используется для обогащения урана . При входе в цилиндр центрифуги газ UF ₆ вращается с высокой скоростью. Вращение создает сильную центробежную силу, которая притягивает больше молекул более тяжелого газа (содержащих U-238) к стенке цилиндра, в то время как более легкие молекулы газа (содержащие U-235) стремятся собраться ближе к центру. Поток, слегка обогащенный U-235, отводится и подается на следующую более высокую ступень, а слегка обедненный поток возвращается обратно на следующую более низкую ступень.

Разделение изотопов цинка

Для некоторых применений в ядерных технологиях содержание цинка-64 в металлическом цинке необходимо снизить, чтобы предотвратить образование радиоизотопов в результате его нейтронной активации . В качестве газообразной питательной среды каскада центрифуг используется диэтилцинк . Примером полученного материала является обедненный оксид цинка , используемый в качестве ингибитора коррозии .

История

Предложенный в 1919 году центробежный процесс был впервые успешно осуществлен в 1934 году. Американский ученый Джесси Бимс и его команда из Университета Вирджинии разработали процесс путем разделения двух изотопов хлора с помощью вакуумной ультрацентрифуги . Это был один из первых способов разделения изотопов , реализованных во время Манхэттенского проекта , в частности Гарольда Юри и Карла П. Коэна , но исследования были прекращены в 1944 году, поскольку считалось, что этот метод не даст результатов к концу войны. и что другие способы обогащения урана ( газовая диффузия и электромагнитная сепарация ) имели больше шансов на успех в краткосрочной перспективе. Этот метод успешно использовался в советской ядерной программе , что сделало Советский Союз наиболее эффективным поставщиком обогащенного урана . Франц Симон , Рудольф Пайерлс , Клаус Фукс и Николас Курти внесли важный вклад в центробежный процесс. Поль Дирак также внес важный теоретический вклад в центробежный процесс во время Второй мировой войны . ^{[9] [10]} Дирак разработал фундаментальную теорию процессов разделения, которая лежит в основе проектирования и анализа современных заводов по обогащению урана. ^[11]

В долгосрочной перспективе, особенно с развитием центрифуги типа Zippe , газовая центрифуга стала очень экономичным способом разделения, использующим значительно меньше энергии, чем другие методы, и имеющим множество других преимуществ.

Исследования физических характеристик центрифуг проводились пакистанским ученым Абдул Кадир Ханом в 1970–80-х годах с использованием вакуумных методов для повышения роли центрифуг в разработке ядерного топлива для пакистанской атомной бомбы . ^[3] Многие из теоретиков, работавших с Ханом, не были уверены, что газообразный и обогащенный уран будет осуществлён вовремя. ^[12] Один учёный вспоминал: «Никто в мире не использовал метод [газовой] центрифуги для производства урана военного качества… Это не сработало. Он просто терял время». ^[12] Несмотря на скептицизм, программа быстро оказалась осуществимой. Обогащение с помощью центрифуги использовалось в экспериментальной физике, и к концу 20 века этот метод был переправлен контрабандой как минимум в три разные страны . ^{[3] [12]}

Смотрите также

• Ядерные технологии
• Атомная энергия
• Ядерное топливо

Сноски

1. Основы центрифуги - Коул Пармер
2. Хан, Абдул Кадир; Атта, Массачусетс; Мирза, Дж. А. (1 сентября 1986 г.). «Вибрации, вызванные потоком в газотрубном узле центрифуги». Журнал ядерной науки и технологий . 23 (9): 819–827. Бибкод : 1986JNST...23..819A. дои : 10.1080/18811248.1986.9735059 .
3. Газоцентрифужное обогащение урана
4. Что такое газовая центрифуга? Архивировано 12 мая 2003 г. в Wayback Machine.
5. Хан, AQ; Сулеман, М.; Ашраф, М.; Хан, М. Зубайр (1 ноября 1987 г.). «Некоторые практические аспекты балансировки ротора ультрацентрифуги». Журнал ядерной науки и технологий . 24 (11): 951–959. Бибкод : 1987JNST...24..951K. дои : 10.1080/18811248.1987.9733526 .
6. Боговалов, Сергей; Борман, Владимир (2016). «Разделительная способность оптимизированной попутной газовой центрифуги». Ядерная инженерия и технологии . 48 (3). Эльзевир Б.В.: 719–726. arXiv : 1506.00823 . дои : 10.1016/j.net.2016.01.024 . ISSN  1738-5733.
7. ван Виссен, Ральф; Голомбок, Майкл; Брауэрс, JJH (2005). «Разделение углекислого газа и метана в противоточных газовых центрифугах непрерывного действия». Химико-техническая наука . 60 (16). Эльзевир Б.В.: 4397–4407. Бибкод :2005ЧЭнС..60.4397В. doi :10.1016/j.ces.2005.03.010. ISSN  0009-2509.
8. «Технические соображения по газовым центрифугам». Федерация американских ученых . Проверено 13 января 2020 г. .
9. Оландер, Дональд Р. (1978). «Газовая центрифуга». Научный американец . 239 (2): 37–43. ISSN  0036-8733.
10. Кемп, Р. Скотт (26 июня 2009 г.). «Теория и разработка газовых центрифуг: обзор программ США». Наука и глобальная безопасность . 17 (1): 1–19. дои : 10.1080/08929880802335816 . ISSN  0892-9882.
11. Гилинский, Виктор (2010). «Воспоминания о Дираке». Физика сегодня . 63 . дои : 10.1063/1.3431338 .
12. Бригадный генерал (в отставке) Фероз Хасан Хан (7 ноября 2012 г.). «Освоение обогащения урана» (книга Google) . Есть траву: создание пакистанской бомбы . Стэнфорд, Калифорния: Издательство Стэнфордского университета. п. 151. ИСБН 978-0804776011. Проверено 8 января 2013 г.

Рекомендации

• «Основы центрифугирования». Техническая лаборатория Коула-Пармера. 14 марта 2008 г.
• «Газоцентрифужное обогащение урана». Глобальная безопасность.Орг. 27 апреля 2005 г. 13 марта 2008 г.
• «Что такое газовая центрифуга?» 2003. Институт науки и международной безопасности. 10 октября 2013 г.

Внешние ссылки

• Аннотированная библиография по газовой центрифуге из цифровой библиотеки Алсос.
• История центрифуги
• Что такое газовая центрифуга?
• Соглашение между правительством Соединенных Штатов Америки и четырьмя правительствами Французской Республики, Соединенного Королевства Великобритании и Северной Ирландии, Королевства Нидерландов и Федеративной Республики Германия относительно создания, строительства и эксплуатации уранового месторождения Установки по обогащению с использованием технологии газовых центрифуг в Соединенных Штатах Америки Государственный департамент США