Центрифуга типа Циппе представляет собой газовую центрифугу , предназначенную для обогащения редкого делящегося изотопа урана-235 ( 235 U) из смеси изотопов, встречающихся в природных соединениях урана. Разделение изотопов основано на небольшой разнице масс изотопов. Конструкция Zippe была первоначально разработана в Советском Союзе группой, возглавляемой 60 австрийскими и немецкими учёными и инженерами, захваченными после Второй мировой войны и работавшими в заключении. На Западе (а теперь и вообще) этот тип известен по имени Гернота Зиппе , человека, который воссоздал эту технологию после своего возвращения на Запад в 1956 году, основываясь на его воспоминаниях о своей работе (и вкладе в нее) в советской программе. . В той степени, в которой в советском/российском обиходе ее можно было назвать 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 ; большая часть (99,274%) — это U-238 , при этом примерно 0,72% — это U-235 , делящийся тепловыми нейтронами, а оставшиеся 0,0055% — это U-234 . Если природный уран обогатить до 3% U-235 , его можно будет использовать в качестве топлива для легководных ядерных реакторов . Если его обогатить до 90% ураном-235, его можно будет использовать для ядерного оружия .
Обогащение урана затруднено, поскольку изотопы практически идентичны по химическому составу и очень схожи по весу: U-235 всего на 1,26% легче U-238 (обратите внимание, это относится только к металлическому урану). Центрифуги должны работать с газом, а не с твердым веществом, и здесь используется гексафторид урана . Относительная разница масс между 235 UF 6 и 238 UF 6 составляет менее 0,86%. С другой стороны, 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 мы предположим, что диаметр ротора равен 20 см (как в некоторых современных центрифугах [3] ), это будет соответствовать центростремительному ускорению около 900 000 g [4] (примерно в 42 раза больше максимальной скорости стандартной лабораторной настольной микроцентрифуги [5]). ] и от 0,9 до 9 раз превышающей максимальную скорость стандартной лабораторной ультрацентрифуги [6] ) или линейную скорость более 2 Маха в воздухе ( 1 Маха = скорость звука, в воздухе около 340 м/с) и многое другое в воздухе. УФ 6 . Для сравнения, автоматические стиральные машины работают со скоростью всего от 12 до 25 оборотов в секунду (720–1500 об/мин) во время отжима, тогда как турбины автомобильных турбокомпрессоров могут работать со скоростью примерно 2500–3333 оборота в секунду (150 000–200 000 об/ мин). [7] [8]
Центрифуга типа Циппе [9] имеет полый цилиндрический ротор, заполненный газообразным гексафторидом урана (UF 6 ). Вращающееся магнитное поле в нижней части ротора, используемое в электродвигателе , способно вращать его достаточно быстро, чтобы UF 6 выбрасывается к внешней стенке, при этом UF 6, обогащенный 238 , находится во внешнем слое, а UF 6 , обогащенный 235 , - внутри этого слоя. Центробежная сила создает градиент давления: на оси центрифуги практически создается вакуум, поэтому для входа и выхода газа не требуется механического прохода или уплотнения; вблизи стенки UF 6 достигает давления насыщения, что, в свою очередь, ограничивает скорость вращения, поскольку необходимо избегать образования конденсата. В так называемой противоточной центрифуге нижняя часть газовой 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 при колонной перегонке . Один черпак находится за перфорированной перегородкой, которая вращается вместе с центрифугой; он собирает фракцию, богатую 238 UF 6 . Другой совок без перегородки. Он замедляет вращение газа и, таким образом, увеличивает давление внутрь, так что фракцию, богатую 235 UF 6 , можно собирать без откачки. [1] [9] Каждая центрифуга имеет одно входное отверстие на оси и две выходные линии: одна для сбора газа 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 как для изотопов, так и для деления дает ( r -зависимое) соотношение изотопов. Он содержит только Δ M (а не относительную разницу масс Δ M/M ) в показателе степени. Коэффициент радиального обогащения затем получается путем деления на исходное соотношение изотопов. Для расчета общего обогащения в противоточной центрифуге высотой H необходимо добавить к показателю степени коэффициент H /( R √2).
По данным Глейзера [3] , ранние центрифуги имели диаметр ротора от 7,4 до 15 см, длину от 0,3 до 3,2 м и окружную скорость от 350 до 500 м/с. Современная центрифуга TC-21 компании Urenco имеет диаметр 20 см и длину более 5 м, вращаясь со скоростью 770 м/с. Компания Centrus (ранее Usec) планирует построить центрифугу диаметром 60 см, высотой 12 м и окружной скоростью 900 м/с.
Противоток газа стимулируется либо механически, либо (менее предпочтительно) за счет температурного градиента между верхней и нижней частью ротора. При соотношении противотока к питанию, равном 4, Глейзер [3] рассчитал коэффициент разделения 1,74 для центрифуги TC-21 высотой 5 м. Снижение этого соотношения (за счет увеличения подачи) снижает коэффициент разделения, но увеличивает пропускную способность и, следовательно, производительность.
Чтобы уменьшить трение, ротор вращается в вакууме . Часть ротора с расположенным рядом корпусом действует как молекулярный насос, поддерживающий вакуум. Магнитный подшипник удерживает верхнюю часть ротора устойчиво, а единственным физическим контактом (необходимым только во время запуска) является конический подшипник с драгоценными камнями , на котором установлен ротор. [1] [9] Оба подшипника имеют меры по гашению вибраций. Три газопровода входят в ротор по его оси.
После того, как ученые были освобождены из советского плена в 1956 году, [1] Гернот Зиппе был удивлен, обнаружив, что инженеры на Западе отставали на годы в своих технологиях центрифуг. Ему удалось воспроизвести свой проект в Университете Вирджинии в США , опубликовав результаты, хотя Советы конфисковали его записи. Зиппе покинул Соединенные Штаты, когда ему фактически запретили продолжать свои исследования: американцы классифицировали эту работу как секретную, потребовав от него либо стать гражданином США (он отказался), либо вернуться в Европу, либо отказаться от своих исследований. [1] Он вернулся в Европу, где в 1960-х годах он и его коллеги сделали центрифугу более эффективной, заменив материал ротора с алюминия на мартенситностареющую сталь , сплав с более длительным усталостным сроком службы и большей длиной разрушения, что позволило увеличить скорость. Эта усовершенствованная 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) стенки, армированные углеродным волокном. [3]
Точные детали усовершенствованных центрифуг типа Zippe держатся в строжайшем секрете. 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 химического воздействия являются собственностью компании. Таковы также различные методы, которые используются, чтобы избежать сил, вызывающих разрушительные (изгибающие) вибрации: Удлинение (противоточной) центрифуги экспоненциально улучшает обогащение. [9] Но это также снижает частоту механических резонансов, что увеличивает опасность катастрофического отказа во время запуска (как это произошло во время события Stuxnet в Иране). Разрыв цилиндрического ротора гибкими сильфонами позволяет контролировать 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, похоже, необходимы дополнительные (собственные) меры. Поэтому в России остались «подкритические» центрифуги (т.е. с небольшой длиной около 0,5–1 м), а у Urenco — до 10 м.
Центрифугу типа Zippe сложно построить, и она требует тщательной обработки деталей. Однако по сравнению с другими методами обогащения он намного дешевле, быстрее монтируется, потребляет гораздо меньше энергии и требует небольшой площади для установки. Поэтому его можно построить в относительной секретности. Это делает его идеальным для тайных программ создания ядерного оружия и увеличивает риск ядерного распространения . [3] В каскадах центрифуг также содержится гораздо меньше материала, постоянно находящегося в машине, чем в газодиффузионных установках .
В рамках программы создания атомной бомбы Пакистана были разработаны центрифуги P1 и P2 на основе ранних разработок Urenco; [3] первые две центрифуги, которые Пакистан развернул в больших количествах, но сократили их после 1981 года, исходя из оценки, необходимой для достижения критической массы. В центрифуге P1 используется алюминиевый ротор, а в центрифуге P2 — ротор из мартенситностареющей стали, [3] который прочнее, вращается быстрее и обогащает больше урана на машину, чем P1. В Пакистане центрифуга типа Зиппе имела местное обозначение и была известна как Центрифуга Хан (в честь Абдул Кадир Хана ). : 151 [10]
Российские источники оспаривают версию Гернота Зиппе о разработке советских центрифуг. Они называют Макса Штеенбека немецким ученым, руководившим немецкой частью советских усилий по созданию центрифуг, начатых немецким беженцем Фрицем Ланге в 1930-х годах. Советы приписывают Стенбеку, Исааку Кикоину и Евгению Каменеву создание различных ценных аспектов дизайна. Они заявляют, что Зиппе занимался созданием прототипов для этого проекта в течение двух лет, начиная с 1953 года. Поскольку проект центрифуги был совершенно секретным, Советы в то время не оспаривали ни одно из утверждений Зиппе. [2]
