Центрифуга типа Zippe

Zipp типа Центрифуга ²³⁵U) из смеси изотопов, обнаруженных в природных урановых соединениях. Изотопное разделение основано на небольшой разнице в массе изотопов. Дизайн Zippe первоначально был разработан в Советском Союзе командой, возглавляемой 60 австрийскими и немецкими учеными и инженерами, захваченными после Второй мировой войны , работая под стражей. На Западе (и теперь, в целом) этот тип известен под названием человека, который воссоздал технологию после его возвращения на Запад в 1956 году, на основе его воспоминания о его работе (и вкладах в) советской программы Герно Зипп Полем В той степени, в которой это может быть упомянуто в советском/российском использовании по имени любого человека, это было известно (по крайней мере, на несколько более ранней стадии развития) как центрифуга Каменева (после Евгения Каменева). ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]}

Фон

Натуральный уран состоит из трех изотопов ; Большинство (99,274%) составляет U-238 , в то время как приблизительно 0,72% составляет U-235 , расщепляется тепловыми нейтронами, а оставшиеся 0,0055% -U-234 . Если натуральный уран обогащен до 3% U-235 , его можно использовать в качестве топлива для с легкой водой ядерных реакторов . Если он обогащен до 90% урана-235, его можно использовать для ядерного оружия .

Центрифуга уранового обогащения

Обогащение урана сложно, потому что изотопы практически идентичны по химии и очень похожи по весу: U-235 на 1,26% легче U-238 (обратите внимание, что это относится только к урановому металлу). Центрифуги должны работать с газом, а не с твердым, а газ, используемый здесь, представляет собой гексафторид урана . Относительная разница в массе между ²³⁵UF ₆ и ²³⁸UF ₆ составляет менее 0,86%. Эффективность разделения в центрифуге зависит от абсолютной разности массы. Отделение изотопов урана требует центрифуги , которая может вращаться на 1500 революциях в секунду (90 000 об / мин ). Если мы предполагаем диаметр ротора 20 см (как в некоторых современных центрифугах ^{[ 3 ]}), это будет соответствовать центростременному ускорению около 900 000 xg ^{[ 4 ]} (Примерно в 42 раза больше максимальной скорости стандартной лабораторной столовой микроцентрифуги ^{[ 5 ]} и от 0,9 до 9 раз больше максимальной скорости стандартной лабораторной ультрацентрифуги ^{[ 6 ]}) или линейная скорость больше, чем Маха 2 в воздухе (Маха 1 = скорость звука, в воздухе ок. 340 м/с) и гораздо больше в UF ₆ . Для сравнения, автоматические стиральные машины работают всего около 12-25 революций в секунду (720–1500 об / мин) во время цикла вращения, в то время как турбины в автомобильных турбокомпрессорах могут работать до 2500–3333 революций в секунду (150 000–200 000 об / мин). ^{[ 7 ]}^{[ 8 ]}

Центрифуга типа молнии ^{[ 9 ]} Имеет полый цилиндрический ротор, заполненный газообразным урановым гексафторидом (UF ₎ вращающимся магнитным полем ротора, как используется электродвигате 6 _в в нижней части , с ²³⁸UF ₆ обогащен самым внешним слоем и ²³⁵UF ₆ обогащен внутренней частью этого слоя. Центробежная сила создает градиент давления: на оси центрифуги практически существует вакуум, так что для впускного отверстия и выходов для газа не требуется механическая подача или уплотнение; Рядом с стеной UF ₆ достигает давления насыщения, что, в свою очередь, ограничивает скорость вращения, поскольку следует избегать конденсации. В так называемой контр- центрифуге дно газообразной смеси может быть нагрета, создавая конвекционные токи . Но контркурация обычно стимулируется механическим совоку, собирающим обогащенную фракцию. Таким образом, обогащение в каждом горизонтальном слое повторяется (и, таким образом, умножается) в следующем слое, так же, как в дистилляции столбца . Один совок находится за перфорированной перегородкой, которая вращается с центрифугой; он собирает ²³⁸UF ₆ -Rich Фракция. Другой совок без перегородки. Он замедляет вращение газа и, таким образом, увеличивает давление в сторону внутренней части, так что также ²³⁵UF ₆ -Rich можно собрать без перекачки. ^{[ 1 ]}^{[ 9 ]} Каждая центрифуга имеет одну входную клетку на оси и две выходные линии, одна из которых собирает газ внизу и одну сверху.

Количественно распределение радиального давления (или плотности) может быть дано ^{[ 9 ]} $p(r)=p(R)\exp(-(M\omega ^{2}/2kT)(R^{2}-r^{2}))$

где p - давление, r переменного радиуса и r его максимума, m молекулярная масса, ω угловой скорости, k больцманн постоянную и температуру . (Это уравнение аналогично барометрической формуле .) Написание этого уравнения как для изотопов, так и для деления, дает ( R -зависимое) соотношение изотопа. Он содержит только Δ m (не относительную разность массы Δ м/м ) в показателях. Затем коэффициент радиального обогащения приводит к делу через начальное соотношение изотопов. Чтобы рассчитать общее обогащение в противоочном центрифуге высоты H , нужно добавить коэффициент H /( r √2) в показатель.

По словам Глейзера, ^{[ 3 ]} Ранние центрифуги имели диаметры ротора от 7,4 до 15 см, а длины от 0,3 до 3,2 м, а периферическая скорость составляла от 350 до 500 м/с. Современная центрифуга TC-21 Urenco имеет диаметр 20 см и длину более 5 м, вращаясь с 770 м/с. Centrus (ранее USEC) планирует центрифугу с диаметром 60 см, высотой 12 м и периферической скоростью 900 м/с.

Противоточка газа стимулируется либо механически, либо (менее предпочтительным) градиентом температуры между верхней и нижней частью ротора. С соотношением противоолочника к корпусу 4, Glaser ^{[ 3 ]} Рассчитывает коэффициент разделения 1,74 для центрифуги TC-21 высотой 5 м. Снижение этого соотношения (путем увеличения подачи) уменьшает коэффициент разделения, но увеличивает пропускную способность и, следовательно, производительность.

Чтобы уменьшить трение, ротор вращается в вакууме . Часть ротора с приближением корпуса действует как молекулярный насос, который поддерживает вакуум. Магнитный подшипник удерживает вершину ротора устойчиво, и единственный физический контакт (необходимый только во время запуска)-это коническое жемчужинг, на котором сидит ротор. ^{[ 1 ]}^{[ 9 ]} Оба подшипника содержат меры для демпфирования вибраций. Три газовых линиях попадают в ротор на его оси.

После того, как ученые были освобождены из советского плена в 1956 году, ^{[ 1 ]} Gernot Zippe был удивлен, обнаружив, что инженеры на Западе отставали в своей технологии центрифуги. Он смог воспроизвести свой дизайн в Университете Вирджинии в Соединенных Штатах , опубликовав результаты, хотя Советы конфисковали его заметки. Зипп покинул Соединенные Штаты, когда ему было фактически запрещено продолжить свое исследование: американцы классифицировали эту работу как секрет, требуя от него либо стать гражданином США (он отказался), или возвращался в Европу, либо отказался от своих исследований. ^{[ 1 ]} Он вернулся в Европу, где в 1960 -х годах он и его коллеги сделали центрифугу более эффективной, изменяя материал ротора с алюминия на мариорирующую сталь , сплав с более длинной усталостью и более длительным расщеплением, что позволило более высокую скорость. Этот улучшенный дизайн центрифуги долгое время использовался коммерческой компанией Urenco для производства обогащенного уранового топлива для атомных электростанций . ^{[ 1 ]} Совсем недавно они используют (например, в своей модели TC-21), усиленные стенами углеродного волокна. ^{[ 3 ]}

Точные детали современных центрифуг типа Zippe являются тщательно охраняемыми секретами. Например, эффективность центрифуг улучшается за счет увеличения скорости их вращения. Для этого более прочные материалы, такие как угнородные ; составные материалы используются Но детали материала и его защиту от химических атак являются запатентованными. Таковы также различные методы, которые используются, чтобы избежать сил, вызывающих разрушительные (изгибые) вибрации: удлинение (противорело) центрифуги улучшает обогащение в геометрической прогрессии. ^{[ 9 ]} Но это также уменьшает частоту вибрации механических резонансов, что увеличивает опасность катастрофического сбоя во время запуска (как это произошло во время события Stuxnet в Иране). Прерывание цилиндрического ротора гибким сильфоном контролирует низкочастотные вибрации, а тщательный контроль скорости во время запуска помогает гарантировать, что центрифуга не работает слишком долго на скоростях, когда резонанс является проблемой. Но более (собственные) меры кажутся необходимыми. Поэтому Россия оставалась с «субкритическими» центрифугами (т. Е. С небольшими длиной около 0,5–1 м), тогда как у Urenco длины до 10 м.

Центрифуги типа Zippe трудно успешно построить и требует тщательно обработанных деталей. Однако, по сравнению с другими методами обогащения , он намного дешевле и быстрее настраивается, потребляет гораздо меньшую энергию и требует небольшой области для завода. Поэтому он может быть построен в относительной секретности. Это делает его идеальным для скрытых программ ядерного оружия и увеличивает риск развития ядерного пролиферации . ^{[ 3 ]} Каскады центрифуги также имеют гораздо меньше материала в машине в любое время, чем газообразные диффузионные растения .

Глобальное использование

Программа атомной бомбы Пакистана разработала центрифуги P1 и P2 на основе ранних дизайнов Urenco; ^{[ 3 ]} Первые два центрифуги, которые Пакистан развернул в большем количестве, но снижает его после 1981 года на основе оценки, требуется для критической массы. Центрифуга P1 использует алюминиевый ротор, а центрифуга P2 использует мариструмент стального ротора, ^{[ 3 ]} который является сильнее, вращается быстрее и обогащает больше урана на машину, чем P1. В Пакистане центрифуга типа молнии имела местное обозначение и была известна как центрифуга Хан (после Абдула Кадера Хана ). ^: 151^{[ 10 ]}

Российские источники оспаривают отчет о развитии советской центрифуги, данном Герно Зиппе. Они называют Макса Стинбека немецким ученым, отвечающим за немецкую часть советской центрифуги, которая была начата немецкой беженкой Фриц Ланге в 1930 -х годах. Советы Кредиты Стинбека, Исаака Кикоин и Евгени Каменева с исходными различными ценными аспектами дизайна. Они заявили, что Zippe занимался строительством прототипов для проекта в течение двух лет с 1953 года. Поскольку проект центрифуги был главным секретом, Советы не оспаривали ни одно из претензий Zippe в то время. ^{[ 2 ]}

Центрифужные объекты типа Zippe

Исследовательские лаборатории Khan в Пакистане
Национальный обогащение национальной лаборатории Лос -Аламоса в Соединенных Штатах
Группа Urenco в Великобритании, Нидерландах и Германии
Россия (где это называется центрифуга Каменева)

Смотрите также

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^{беременный} ^в ^{дюймовый} ^и ^фон Брод, Уильям Дж. (2004-03-23). «Стройный и элегантный, это питает бомбу» . New York Times . Получено 2009-10-23 .
^ Jump up to: ^а ^{беременный} Олег Бухарин, Олег. Российская газообразная технология центрифуги и комплекс обогащения урана архивировал 11 января 2014 года, в The Wayback Machine 2004.
^ Jump up to: ^а ^{беременный} ^в ^{дюймовый} ^и ^фон ^глин Глейзер, Александр (2008-10-15). «Характеристики центрифуги газа для обогащения урана и их актуальность для распространения ядерного оружия» . Наука и глобальная безопасность . 16 (1–2): 1–25. Bibcode : 2008s и GS ... 16 .... 1g . doi : 10.1080/08929880802335998 . ISSN 0892-9882 . S2CID 27062236 .
^ «Расчет центростремительной силы» . Вольфрам Альфа . Получено 29 апреля 2023 года .
^ «Центрифуги на стенде» . Термофишер Scientific . Получено 29 апреля 2023 года .
^ «Thermo Scientific Sorvall MTX/MX Plus Series Micro-Oltracenttrifuge Guide» (PDF) . Термофишер Scientific . Получено 29 апреля 2023 года .
^ Как работает турбо
^ Howstuffworks "Как работают турбокомпрессоры"
^ Jump up to: ^а ^{беременный} ^в ^{дюймовый} ^и Вольфанг Эрфельд, Урсула Эрфельд, обогащение урана-235, Гмелин Справочник неорганической химии. 8. Aufl. Erg.bd.a2: изотоп. К. Келлер. Ред.: К.-С. Бушбек, К. Келлер. Берлин, Гейдельберг, Нью -Йорк: Springer 1980
^ Хан, Фероз (7 ноября 2012 г.). « Мастерство обогащения урана ». Еда трава: изготовление пакистанской бомбы . Стэнфорд, Калифорния: издательство Стэнфордского университета. п. 400. ISBN 978-0-8047-8480-1 .

Внешние ссылки

Тип Zippe - бомба бедняка , BBC Radio 4 , 19 мая 2004 г.
Отслеживание технологий , Audlear Engineering International , 31 августа 2004 г.
Стройный и элегантный, он питает бомбу , Нью -Йорк Таймс , 23 марта 2004 г.
Центрифуга газа и ядерное распространение , Марвин Миллер, 22 октября 2004 г.
Продолжительность центрифугирования газа и ядерного оружия , Хьюстон Дж. Вуд, Александр Глазер и Р. Скотт Кемп, Физика сегодня, страница 40, сентябрь 2008 г.
Долгосрочные интересы энергетической безопасности Соединенных Штатов: слушание перед подкомитетом Конгресса по экономической стабилизации, 11 декабря 1990 г. Стр. 140, Джон Э. Грей , вице-председатель Атлантического совета , ссылаясь на ядерном топливе, статью о здесь появляется Тройка, пока свидетельствует Подкомитет по экономической стабилизации (Комитет Палаты представителей Соединенных Штатов по банковскому делу, финансам и делам Urbain)

[nyt2004-1] Jump up to: ^а ^{беременный} ^в ^{дюймовый} ^и ^фон Брод, Уильям Дж. (2004-03-23). «Стройный и элегантный, это питает бомбу» . New York Times . Получено 2009-10-23 .

[partnershipforglobalsecurity.org-2] Jump up to: ^а ^{беременный} Олег Бухарин, Олег. Российская газообразная технология центрифуги и комплекс обогащения урана архивировал 11 января 2014 года, в The Wayback Machine 2004.

[:0-3] Jump up to: ^а ^{беременный} ^в ^{дюймовый} ^и ^фон ^глин Глейзер, Александр (2008-10-15). «Характеристики центрифуги газа для обогащения урана и их актуальность для распространения ядерного оружия» . Наука и глобальная безопасность . 16 (1–2): 1–25. Bibcode : 2008s и GS ... 16 .... 1g . doi : 10.1080/08929880802335998 . ISSN 0892-9882 . S2CID 27062236 .

[4] «Расчет центростремительной силы» . Вольфрам Альфа . Получено 29 апреля 2023 года .

[5] «Центрифуги на стенде» . Термофишер Scientific . Получено 29 апреля 2023 года .

[6] «Thermo Scientific Sorvall MTX/MX Plus Series Micro-Oltracenttrifuge Guide» (PDF) . Термофишер Scientific . Получено 29 апреля 2023 года .

[7] Как работает турбо

[8] Howstuffworks "Как работают турбокомпрессоры"

[:1-9] Jump up to: ^а ^{беременный} ^в ^{дюймовый} ^и Вольфанг Эрфельд, Урсула Эрфельд, обогащение урана-235, Гмелин Справочник неорганической химии. 8. Aufl. Erg.bd.a2: изотоп. К. Келлер. Ред.: К.-С. Бушбек, К. Келлер. Берлин, Гейдельберг, Нью -Йорк: Springer 1980

[10] Хан, Фероз (7 ноября 2012 г.). « Мастерство обогащения урана ». Еда трава: изготовление пакистанской бомбы . Стэнфорд, Калифорния: издательство Стэнфордского университета. п. 400. ISBN 978-0-8047-8480-1 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]