Газовая центрифуга

Устройство, осуществляющее изотопное разделение газов

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

Газовая центрифуга — это устройство, которое выполняет изотопное разделение газов. Центрифуга основана на принципах центробежной силы, ускоряющей молекулы, так что частицы разной массы физически разделяются в градиенте вдоль радиуса вращающегося контейнера. Наиболее распространенное применение газовых центрифуг — разделение урана-235 ( ²³⁵ U) от урана-238 ( ²³⁸ U). Газовая центрифуга была разработана для замены метода газовой диффузии при извлечении ²³⁵ U. Высокая степень разделения этих изотопов основана на использовании множества отдельных центрифуг, расположенных последовательно, которые достигают последовательно более высоких концентраций. Этот процесс дает более высокие концентрации ²³⁵ U, используя значительно меньше энергии по сравнению с процессом газовой диффузии.

История

Предложенный в 1919 году, центробежный процесс был впервые успешно реализован в 1934 году. Американский ученый Джесси Бимс и его команда в Университете Вирджинии разработали процесс путем разделения двух изотопов хлора с помощью вакуумной ультрацентрифуги . Это был один из первых методов разделения изотопов, разработанных в ходе Манхэттенского проекта , в частности Гарольдом Юри и Карлом П. Коэном , но исследования были прекращены в 1944 году, поскольку считалось, что этот метод не даст результатов к концу войны, и что другие методы обогащения урана ( газовая диффузия и электромагнитное разделение ) 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 Саймон , Рудольф Пайерлс , Клаус Фукс и Николас Курти внесли важный вклад в центробежный процесс.

Поль Дирак внес важный теоретический вклад в центробежный процесс во время Второй мировой войны ; ^{[1] [2]} Дирак разработал фундаментальную теорию процессов разделения, которая лежит в основе проектирования и анализа современных заводов по обогащению урана. ^[3] В долгосрочной перспективе, особенно с разработкой центрифуги типа Циппе , газовая центрифуга стала очень экономичным способом разделения, потребляющим значительно меньше энергии, чем другие методы, и имеющим множество других преимуществ.

Исследования физических характеристик центрифуг проводились пакистанским ученым Абдулом Кадиром Ханом в 1970–1980-х годах, с использованием вакуумных методов для повышения роли центрифуг в разработке ядерного топлива для пакистанской атомной бомбы . ^[4] Многие теоретики, работавшие с Ханом, не были уверены, что газообразный и обогащенный уран будут осуществимы в срок. ^[5] Один ученый вспоминал: «Никто в мире не использовал метод [газовой] центрифуги для производства урана военного класса... Это не сработало бы. Он просто терял время». ^[5] Несмотря на скептицизм, программа быстро доказала свою осуществимость. Обогащение с помощью центрифуги использовалось в экспериментальной физике, и к концу 20-го века этот метод был контрабандой вывезен по крайней мере в три разные страны . ^{[4] [5]}

Центробежный процесс

Центрифуга использует силу, возникающую в результате центробежного ускорения , для разделения молекул в соответствии с их массой и может применяться к большинству жидкостей. ^[6] Плотные (тяжелые) молекулы движутся к стенке, а более легкие остаются близко к центру. Центрифуга состоит из жесткого ротора , вращающегося с полной скоростью на полном периоде. ^[7] Концентрические газовые трубки, расположенные на оси ротора, используются для введения исходного газа в ротор и извлечения более тяжелых и более легких разделенных потоков. ^[7] Для производства ²³⁵ U более тяжелый поток является потоком отходов, а более легкий поток - потоком продукта. Современные центрифуги типа Zippe представляют собой высокие цилиндры, вращающиеся на вертикальной оси. Вертикальный температурный градиент может быть применен для создания конвективной циркуляции, поднимающейся в центре и опускающейся на периферии центрифуги. Такой противоточный поток также может быть стимулирован механически с помощью совков, которые вынимают обогащенные и обедненные фракции. Диффузия между этими противоположными потоками увеличивает разделение по принципу противоточного умножения .

На практике, поскольку существуют ограничения на высоту одной центрифуги, несколько таких центрифуг соединяются последовательно. Каждая центрифуга получает одну входную линию и производит две выходные линии, соответствующие легким и тяжелым фракциям . Вход каждой центрифуги — это поток продукта предыдущей центрифуги. Это производит почти чистую легкую фракцию из потока продукта последней центрифуги и почти чистую тяжелую фракцию из потока отходов первой центрифуги.

Процесс газового центрифугирования

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

Процесс газовой центрифугирования использует уникальную конструкцию, которая позволяет газу постоянно поступать в центрифугу и выходить из нее. В отличие от большинства центрифуг, которые полагаются на пакетную обработку , газовая центрифуга использует непрерывную обработку, допуская каскадирование, в котором последовательно происходят несколько идентичных процессов. Газовая центрифуга состоит из цилиндрического ротора, корпуса, электродвигателя и трех линий для перемещения материала. Газовая центрифуга спроектирована с корпусом, который полностью закрывает центрифугу. ^[4] Цилиндрический ротор расположен внутри корпуса, из которого откачан весь воздух, чтобы обеспечить почти бесфрикционное вращение во время работы. Двигатель вращает ротор, создавая центробежную силу на компонентах, когда они попадают в цилиндрический ротор. Эта сила действует, разделяя молекулы газа, при этом более тяжелые молекулы движутся к стенке ротора, а более легкие молекулы — к центральной оси. Есть две выходные линии, одна для фракции, обогащенной желаемым изотопом (при разделении урана это ²³⁵ U), и одна, обедненная этим изотопом. Выходные линии переносят эти разделения в другие центрифуги для продолжения процесса центрифугирования. ^[8] Процесс начинается, когда ротор уравновешивается в три этапа. ^[9] Большинство технических подробностей о газовых центрифугах трудно получить, поскольку они окутаны «ядерной секретностью». ^[9]

Ранние газовые центрифуги, использовавшиеся в Великобритании, использовали корпус из сплава, обернутый в пропитанное эпоксидной смолой стекловолокно. Динамическая балансировка сборки достигалась путем добавления небольших следов эпоксидной смолы в местах, указанных испытательным устройством балансировки. Двигатель обычно был типа «блин», расположенным в нижней части цилиндра. Ранние блоки обычно имели длину около 2 метров, но последующие разработки постепенно увеличивали длину. Текущее поколение имеет длину более 4 метров. Подшипники представляют собой газовые устройства, поскольку механические подшипники не выдержали бы нормальных рабочих скоростей этих центрифуг.

Секция центрифуг будет питаться переменным током переменной частоты от электронного (объемного) инвертора, который будет медленно наращивать их до требуемой скорости, как правило, свыше 50 000 об/мин. Одной из мер предосторожности было быстрое преодоление частот, на которых цилиндр, как известно, испытывал проблемы с резонансом . Инвертор представляет собой высокочастотный блок, способный работать на частотах около 1 килогерца. Весь процесс обычно бесшумный; если слышен шум, исходящий от центрифуги, это предупреждение о неисправности (которая обычно происходит очень быстро). Конструкция каскада обычно допускает отказ по крайней мере одного блока центрифуги без ущерба для работы каскада. Блоки обычно очень надежны, причем ранние модели работали непрерывно более 30 лет.

Более поздние модели постоянно увеличивали скорость вращения центрифуг, поскольку именно скорость стенки центрифуги оказывает наибольшее влияние на эффективность разделения. Особенностью каскадной системы центрифуг является то, что можно увеличивать производительность установки постепенно, добавляя каскадные «блоки» к существующей установке в подходящих местах, вместо того, чтобы устанавливать совершенно новую линию центрифуг.

Прямоточные и противоточные центрифуги

Простейшая газовая центрифуга — это конкурирующая центрифуга, где разделительный эффект создается центробежными эффектами вращения ротора. В этих центрифугах тяжелая фракция собирается на периферии ротора, а легкая фракция — ближе к оси вращения. ^[10]

Индуцирование противоточного потока использует умножение противотока для усиления эффекта разделения. Устанавливается вертикальный циркулирующий ток, при этом газ течет аксиально вдоль стенок ротора в одном направлении, а обратный поток ближе к центру ротора. Центробежное разделение продолжается, как и прежде (более тяжелые молекулы предпочтительно движутся наружу), что означает, что более тяжелые молекулы собираются потоком стенки, а более легкая фракция собирается на другом конце. В центрифуге с нисходящим потоком стенки более тяжелые молекулы собираются на дне. Затем выходные черпаки размещаются на концах полости ротора, при этом исходная смесь впрыскивается вдоль оси полости (в идеале точка впрыска находится в точке, где смесь в роторе равна подаче ^[11] ).

Этот противоточный поток может быть вызван механически или термически, или их комбинацией. В механически вызванном противоточном потоке расположение (стационарных) совков и внутренних структур ротора используется для создания потока. ^[12] Совок взаимодействует с газом, замедляя его, что имеет тенденцию втягивать его в центр ротора. Совки на каждом конце вызывают противоположные токи, поэтому один совок защищен от потока «перегородкой»: перфорированным диском внутри ротора, который вращается вместе с газом — на этом конце ротора поток будет направлен наружу, к стенке ротора. Таким образом, в центрифуге с перегородкой в ​​верхнем совке поток вдоль стенки направлен вниз, и более тяжелые молекулы собираются внизу. Термически вызванные конвекционные потоки могут быть созданы путем нагревания нижней части центрифуги и/или охлаждения верхнего конца.

Единицы работы разделения

Единица разделительной работы (SWU) является мерой количества работы, выполненной центрифугой, и имеет единицы массы (обычно килограмм единица разделительной работы ). Работа, необходимая для разделения массы исходного материала анализа на массу продукта анализа и хвостов массы и анализа, выражается через количество необходимых единиц разделительной работы, заданных 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

Разделение урана-235 от урана-238

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

Разделение изотопов цинка

Для некоторых применений в ядерной технологии содержание цинка-64 в металлическом цинке должно быть снижено, чтобы предотвратить образование радиоизотопов путем его нейтронной активации . Диэтилцинк используется в качестве газообразной питающей среды для каскада центрифуг. Примером полученного материала является обедненный оксид цинка , используемый в качестве ингибитора коррозии .

Смотрите также

• Ядерные технологии
• Ядерная энергетика
• Ядерное топливо

Примечания

1. Оландер, Дональд Р. (1978). «Газовая центрифуга». Scientific American . 239 (2): 37–43. Bibcode : 1978SciAm.239b..37O. doi : 10.1038/scientificamerican0878-37. ISSN  0036-8733. JSTOR  24960352.
2. Кемп, Р. Скотт (26 июня 2009 г.). «Теория и развитие газовых центрифуг: обзор программ США». Наука и всеобщая безопасность . 17 (1): 1–19. Bibcode : 2009S&GS...17....1K. doi : 10.1080/08929880802335816 . ISSN  0892-9882.
3. Гилинский, Виктор (2010). «Воспоминания о Дираке». Physics Today . 63 (5): 59. Bibcode : 2010PhT....63e..59G. doi : 10.1063/1.3431338 .
4. Газовая центрифуга для обогащения урана
5. Бригадный генерал (в отставке) Фероз Хассан Хан (7 ноября 2012 г.). "Mastering the Uranium Enrichment" (google book) . Поедание травы: создание пакистанской бомбы . Стэнфорд, Калифорния: Stanford University Press. стр. 151. ISBN 978-0804776011. Получено 8 января 2013 г.
6. Основы центрифуги - Коул Пармер
7. Khan, Abdul Qadeer; Atta, MA; Mirza, JA (1 сентября 1986 г.). «Вызванные потоком вибрации в сборке газовой трубки центрифуги». Журнал ядерной науки и технологий . 23 (9): 819–827. Bibcode : 1986JNST...23..819A. doi : 10.1080/18811248.1986.9735059 .
8. Что такое газовая центрифуга? Архивировано 12 мая 2003 г. на Wayback Machine
9. Khan, AQ; Suleman, M.; Ashraf, M.; Khan, M. Zubair (1 ноября 1987 г.). «Некоторые практические аспекты балансировки ротора ультрацентрифуги». Журнал ядерной науки и технологий . 24 (11): 951–959. Bibcode : 1987JNST...24..951K. doi : 10.1080/18811248.1987.9733526 .
10. Боговалов, Сергей; Борман, Владимир (2016). «Разделительная мощность оптимизированной параллельной газовой центрифуги». Ядерная инженерия и технологии . 48 (3). Elsevier BV: 719–726. arXiv : 1506.00823 . Bibcode :2016NuEnT..48..719B. doi : 10.1016/j.net.2016.01.024 . ISSN  1738-5733.
11. Ван Виссен, Ральф; Голомбок, Майкл; Брауэрс, Дж. Дж. Х. (2005). «Разделение диоксида углерода и метана в непрерывных противоточных газовых центрифугах». Химическая инженерия . 60 (16). Elsevier BV: 4397–4407. Bibcode : 2005ChEnS..60.4397V. doi : 10.1016/j.ces.2005.03.010. ISSN  0009-2509.
12. "Инженерные соображения относительно газовых центрифуг". Федерация американских ученых . Получено 13 января 2020 г.

Ссылки

• «Основы центрифугирования». Техническая лаборатория Коул-Пармера. 14 марта 2008 г.
• «Газовое центрифугирование обогащения урана». Global Security.Org. 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 Германии относительно создания, строительства и эксплуатации установок по обогащению урана с использованием газоцентрифужной технологии в Соединенных Штатах Америки Государственный департамент Соединенных Штатов Америки