Центрифуга типа Циппе — это газовая центрифуга , предназначенная для обогащения редкого делящегося изотопа урана-235 ( 235 U) из смеси изотопов, встречающихся в природных соединениях урана. Разделение изотопов основано на небольшой разнице в массе изотопов. Конструкция Циппе была первоначально разработана в Советском Союзе группой под руководством 60 австрийских и немецких ученых и инженеров, захваченных после Второй мировой войны и работавших в заключении. На Западе (и теперь вообще) этот тип известен по имени человека, который воссоздал технологию после своего возвращения на Запад в 1956 году, на основе его воспоминаний о своей работе в советской программе (и вкладе в нее), Гернота Циппе . В той степени, в которой она может упоминаться в советском/российском использовании по имени любого человека, она была известна (по крайней мере, на несколько более ранней стадии разработки) как центрифуга Каменева (в честь Евгения Каменева). [1] [2]
Природный уран состоит из трех изотопов ; большую часть (99,274%) составляет U-238 , в то время как примерно 0,72% составляет U-235 , делящийся тепловыми нейтронами, а оставшиеся 0,0055% составляет U-234 . Если природный уран обогащается до 3% U-235 , его можно использовать в качестве топлива для легководных ядерных реакторов . Если его обогащают до 90% урана-235, его можно использовать для ядерного оружия .
Обогащение урана затруднено, поскольку изотопы практически идентичны по химии и очень похожи по весу: U-235 всего на 1,26% легче U-238 (обратите внимание, что это относится только к металлическому урану). Центрифуги должны работать с жидкостью, а не с твердым телом, и в этом процессе использовался газообразный гексафторид урана . Относительная разница масс между 235 UF 6 и 238 UF 6 составляет менее 0,86%. Эффективность разделения в центрифуге зависит от абсолютной разницы масс. Для разделения изотопов урана требуется центрифуга , которая может вращаться со скоростью 1500 оборотов в секунду (90 000 об/мин ). Если предположить, что диаметр ротора составляет 20 см (как в некоторых современных центрифугах [3] ), это будет соответствовать центростремительному ускорению около 900 000 xg [4] (примерно в 42 раза больше максимальной скорости стандартной лабораторной настольной микроцентрифуги [5] и от 0,9 до 9 раз больше максимальной скорости стандартной лабораторной ультрацентрифуги [6] ) или линейной скорости, превышающей 2 Маха в воздухе ( 1 Маха = скорость звука в воздухе около 340 м/с) и намного больше в UF 6 . Для сравнения, автоматические стиральные машины работают со скоростью всего около 12–25 оборотов в секунду (720–1500 об/мин) во время цикла отжима, в то время как турбины в автомобильных турбокомпрессорах могут работать со скоростью около 2500–3333 оборотов в секунду (150 000–200 000 об/мин). [7] [8]
Центрифуга типа Zippe [9] имеет полый цилиндрический ротор, заполненный газообразным гексафторидом урана (UF 6 ). Вращающееся магнитное поле в нижней части ротора, как в электродвигателе , способно вращать его достаточно быстро, чтобы UF 6 отбрасывался к внешней стенке, при этом 238 UF 6 обогащается в самом внешнем слое, а 235 UF 6 обогащается внутри этого слоя. Центробежная сила создает градиент давления: на оси центрифуги практически вакуум, так что для входа и выхода газа не требуется механического прохода или уплотнения; вблизи стенки UF 6 достигает своего давления насыщения, что, в свою очередь, ограничивает скорость вращения, поскольку необходимо избегать конденсации. В так называемой противоточной центрифуге дно газообразной смеси может нагреваться, создавая конвекционные потоки . Но противоток обычно стимулируется механически совком, собирающим обогащенную фракцию. Таким образом, обогащение в каждом горизонтальном слое повторяется (и, таким образом, умножается) в следующем слое, аналогично тому, как это происходит при колоночной дистилляции . Один черпак находится за перфорированной перегородкой, которая вращается вместе с центрифугой; он собирает фракцию, богатую 238 UF 6 . Другой черпак не имеет перегородки. Он замедляет вращение газа и, таким образом, увеличивает давление по направлению внутрь, так что фракция, богатая 235 UF 6 , также может быть собрана без откачки. [1] [9] Каждая центрифуга имеет один вход на оси и две выходные линии, одна собирает газ внизу, а другая вверху.
Количественно распределение радиального давления (или плотности) можно определить по формуле [9]
где p - давление, r - переменный радиус и R - его максимум, M - молекулярная масса, ω - угловая скорость, k - постоянная Больцмана и T - температура. (Это уравнение похоже на барометрическую формулу .) Запись этого уравнения для обоих изотопов и деление дает ( зависящее от r ) изотопное отношение. Оно содержит только Δ M (а не относительную разность масс Δ M/M ) в показателе степени. Затем радиальный коэффициент обогащения получается путем деления на начальное изотопное отношение. Чтобы вычислить общее обогащение в противоточной центрифуге высотой H , нужно добавить коэффициент H /( R √2) в показателе степени.
По словам Глейзера, [3] ранние центрифуги имели диаметр ротора от 7,4 до 15 см и длину от 0,3 до 3,2 м, а окружная скорость составляла от 350 до 500 м/с. Современная центрифуга TC-21 от Urenco имеет диаметр 20 см и длину более 5 м, вращаясь со скоростью 770 м/с. Centrus (ранее Usec) планирует центрифугу диаметром 60 см, высотой 12 м и окружной скоростью 900 м/с.
Противоток газа стимулируется либо механически, либо (менее предпочтительно) градиентом температуры между верхней и нижней частью ротора. При соотношении противотока к подаче 4 Глейзер [3] вычисляет коэффициент разделения 1,74 для центрифуги TC-21 высотой 5 м. Уменьшение этого коэффициента (за счет увеличения подачи) уменьшает коэффициент разделения, но увеличивает пропускную способность и, следовательно, производительность.
Для уменьшения трения ротор вращается в вакууме . Часть ротора с близлежащим корпусом действует как молекулярный насос, который поддерживает вакуум. Магнитный подшипник удерживает верхнюю часть ротора в устойчивом положении, а единственный физический контакт (необходимый только во время запуска) — это конический подшипник из драгоценных камней , на котором установлен ротор. [1] [9] Оба подшипника содержат меры для гашения вибраций. Три газовых линии входят в ротор по его оси.
После освобождения ученых из советского плена в 1956 году [1] Гернот Циппе с удивлением обнаружил, что инженеры на Западе отстают в технологии центрифуг на годы. Он смог воспроизвести свою конструкцию в Университете Вирджинии в Соединенных Штатах , опубликовав результаты, хотя Советы конфисковали его записи. Циппе покинул Соединенные Штаты, когда ему фактически запретили продолжать свои исследования: американцы классифицировали работу как секретную, требуя от него либо стать гражданином США (он отказался), либо вернуться в Европу, либо прекратить свои исследования. [1] Он вернулся в Европу, где в 1960-х годах он и его коллеги сделали центрифугу более эффективной, изменив материал ротора с алюминия на мартенситностареющую сталь , сплав с более длительным усталостным ресурсом и большей длиной разрыва, что позволяло развивать более высокую скорость. Эта улучшенная конструкция центрифуги долгое время использовалась коммерческой компанией Urenco для производства обогащенного уранового топлива для атомных электростанций . [1] В последнее время они используют (например, в своей модели TC-21) армированные углеродным волокном стены. [3]
Точные детали усовершенствованных центрифуг типа Zippe являются тщательно охраняемыми секретами. Например, эффективность центрифуг повышается за счет увеличения скорости их вращения. Для этого используются более прочные материалы, такие как композитные материалы , армированные углеродным волокном ; но детали материала и его защита от химических воздействий являются запатентованными. Таковы также различные методы, которые используются для предотвращения сил, вызывающих деструктивные (изгибающие) вибрации: удлинение (противоточной) центрифуги экспоненциально улучшает обогащение. [9] Но это также снижает частоту колебаний механических резонансов, что увеличивает опасность катастрофического отказа во время запуска (как это произошло во время события Stuxnet в Иране). Прерывание цилиндрического ротора гибкими сильфонами контролирует низкочастотные вибрации, а тщательный контроль скорости во время запуска помогает гарантировать, что центрифуга не будет работать слишком долго на скоростях, где резонанс является проблемой. Но, по-видимому, необходимы дополнительные (запатентованные) меры. Поэтому Россия остановилась на «докритических» центрифугах (т.е. с небольшой длиной около 0,5–1 м), тогда как у Urenco они достигают длины до 10 м.
Центрифугу типа Zippe трудно успешно построить, и она требует тщательно обработанных деталей. Однако, по сравнению с другими методами обогащения , она намного дешевле и быстрее в установке, потребляет гораздо меньше энергии и требует мало площади для установки. Поэтому ее можно построить в относительной секретности. Это делает ее идеальной для тайных программ по созданию ядерного оружия и увеличивает риск распространения ядерного оружия . [3] Каскадные центрифуги также имеют гораздо меньше материала, удерживаемого в машине в любое время, чем газодиффузионные установки .
В рамках программы создания атомной бомбы Пакистана были разработаны центрифуги P1 и P2 на основе ранних конструкций Urenco; [3] первые две центрифуги, которые Пакистан развернул в большем количестве, но сократил их после 1981 года на основе оценки, необходимой для критической массы. Центрифуга P1 использует алюминиевый ротор, а центрифуга P2 использует ротор из мартенситностареющей стали, [3] который прочнее, вращается быстрее и обогащает больше урана на машину, чем P1. В Пакистане центрифуга типа Zippe имела местное обозначение и была известна как Centrifuge Khan (в честь Абдул Кадир Хана ). : 151 [10]
Российские источники оспаривают отчет о советской разработке центрифуги, предоставленный Гернотом Циппе. Они ссылаются на Макса Штеенбека как на немецкого ученого, отвечавшего за немецкую часть советских работ по центрифуге, которые были начаты немецким беженцем Фрицем Ланге в 1930-х годах. Советы приписывают Штеенбеку, Исааку Кикоину и Евгению Каменеву создание различных ценных аспектов проекта. Они утверждают, что Циппе занимался созданием прототипов для проекта в течение двух лет с 1953 года. Поскольку проект центрифуги был совершенно секретным, Советы в то время не оспаривали ни одно из заявлений Циппе. [2]
