Центрифуга типа Zippe

Центрифуга типа Циппе — 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 масс изотопов. Конструкция Zippe 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 (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).

Предыстория

Природный уран состоит из трех изотопов ; большая часть (99,274%) — U-238 , при этом примерно 0,72% — U-235 , делящийся тепловыми нейтронами, а оставшиеся 0,0055% — 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 .

Схема принципов работы газовой центрифуги типа Zippe: U-238 показан темно-синим цветом, а U-235 - голубым.

Центрифужное обогащение урана

Обогащать уран сложно, поскольку изотопы практически идентичны по химическому составу и очень похожи 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 УФ 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 принять диаметр ротора 20 см (как в некоторых современных центрифугах ), это будет соответствовать центростремительному ускорению около 900 000 g. (примерно в 42 раза превышает максимальную скорость стандартной лабораторной настольной микроцентрифуги). и в 0,9–9 раз превышает максимальную скорость стандартной лабораторной ультрацентрифуги. ) или линейная скорость более   2 Маха в воздухе (   1 Маха = скорость звука, в воздухе около 340 м/с) и многое другое в UF 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 до 2500–3333 оборотов в секунду (150 000–200 000   об/мин).

Газовая центрифуга для обогащения урана. На полной скорости возле оси практически вакуум, чтобы не было утечек на проходном месте и чтобы корм UF ₆ мог легко поступать. Нижний черпак, собирающий легкую фракцию, также замедляет скорость газа. и таким образом уменьшает радиальный градиент давления. Это облегчает обмен с внутренним слоем газа и стимулирует противоток.

Центрифуга типа Zippe имеет полый цилиндрический ротор, наполненный газообразным гексафторидом урана (UF ₆ ). Вращающееся магнитное поле в нижней части ротора, используемое в электродвигателе , способно вращать его достаточно быстро, чтобы UF ₆ выбрасывался к внешней стенке. , с ²³⁸ UF _6, обогащенный во внешнем слое и ²³⁵ UF ₆ обогащен 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 ²³⁸ UF ₆ -богатая фракция. Другой совок без перегородки. Он замедляет вращение газа и, таким образом, увеличивает давление внутрь, так что также ²³⁵ Фракцию, богатую UF ₆ , можно собирать без откачки. 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 как $p(r)=p(R)exp(-(M\omega ^{2}/2kT)(R^{2}-r^{2}))$

где p - давление, r - переменный радиус и R - его максимум, M - молекулярная масса, ω - угловая скорость, k - и постоянная Больцмана 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 коэффициент H /( R к показателю степени √2).

По словам Глейзера, 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 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 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. Оба подшипника содержат меры по гашению вибраций. Три газопровода входят в ротор по его оси.

После освобождения ученых из советского плена в 1956 г. Гернот Зиппе был удивлен, обнаружив, что западные инженеры на годы отстали в технологии 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, требуя от него либо стать гражданином США (он отказался), либо вернуться в Европу, либо отказаться от своих исследований. 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 сроком службы и большей длиной разрушения, что позволило повысить скорость. Эта усовершенствованная конструкция центрифуги долгое время использовалась коммерческой компанией Urenco для производства обогащенного уранового топлива для атомных электростанций . Совсем недавно они стали использовать (например, в своей модели TC-21) стенки, армированные углеродным волокном.

Точные детали усовершенствованных центрифуг типа Zippe держатся в строжайшем секрете. Например, эффективность центрифуг повышается за счет увеличения скорости их вращения. Для этого углеродным волокном , армированные более прочные материалы, такие как композитные материалы используются ; 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. 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), тогда как у Urenco длина 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 . В каскадах центрифуг также содержится гораздо меньше материала, постоянно находящегося в машине, чем в газодиффузионных установках .

Глобальное использование

В рамках программы создания атомной бомбы Пакистана были разработаны центрифуги P1 и P2 на основе ранних разработок Urenco; первые две центрифуги, которые Пакистан развернул в большем количестве, но после 1981 года сократили их количество, исходя из оценки, необходимой для достижения критической массы. В центрифуге P1 используется алюминиевый ротор, а в центрифуге P2 — ротор из мартенситностареющей стали. который сильнее, 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 ).

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.

Центрифуги типа Zippe

• Исследовательские лаборатории Хана в Пакистане
• Национальный обогатительный комплекс Национальной лаборатории Лос-Аламоса в США.
• Urenco Group в Великобритании, Нидерландах и Германии
• Россия (где она называется центрифугой Каменева)

См. также

• Газовая центрифуга
• Ультрацентрифуга
• Магнитная левитация
• Упорный подшипник
• Немецкий проект ядерного оружия
• Германия и оружие массового поражения
• Пакистан и оружие массового поражения
• Нидерланды и оружие массового поражения
• Принудительный труд немцев в Советском Союзе
• Русский Алсос
• Стакснет

Внешние ссылки

• Тип Zippe - бомба для бедняков , BBC Radio 4 , 19 мая 2004 г.
• Отслеживание технологии , Nuclear Engineering International , 31 августа 2004 г.
• Стройный и элегантный, он питает бомбу , The New York Times , 23 марта 2004 г.
• Газовая центрифуга и распространение ядерного оружия , Марвин Миллер, 22 октября 2004 г.
• Газовая центрифуга и распространение ядерного оружия , Хьюстон Г. Вуд, Александр Глейзер и Р. Скотт Кемп, Physics Today, стр. 40, сентябрь 2008 г.
• Долгосрочные интересы энергетической безопасности Соединенных Штатов: слушания в Подкомитете Конгресса по экономической стабилизации, 11 декабря 1990 г., стр. 140, Джон Э. Грей , заместитель председателя Атлантического совета , цитируя о ядерном топливе статью «А вот и тройка» , давая показания ранее Подкомитет по экономической стабилизации (Комитет Палаты представителей США по банковскому делу, финансам и городским делам)