Газовая центрифуга

Газовая центрифуга – это устройство, выполняющее изотопное разделение газов. Центрифуга ускоряющей основана на принципе центробежной силы, молекулы, так что частицы разной массы физически разделяются градиентом по радиусу вращающегося контейнера. Газовые центрифуги широко используются для разделения урана-235 ( ²³⁵U) из урана-238 ( ²³⁸У). Газовая центрифуга была разработана для замены газовой диффузии . метода ²³⁵Экстракция U. Высокая степень разделения этих изотопов достигается за счет использования множества отдельных центрифуг, расположенных последовательно, которые последовательно достигают более высоких концентраций. Этот процесс дает более высокие концентрации ²³⁵U, используя при этом значительно меньше энергии по сравнению с процессом газовой диффузии.

История

Предложенный в 1919 году центробежный процесс был впервые успешно осуществлен в 1934 году. Американский ученый Джесси Бимс и его команда из Университета Вирджинии разработали процесс путем разделения двух изотопов хлора с помощью вакуумной ультрацентрифуги . Это был один из первых способов разделения изотопов , реализованных во время Манхэттенского проекта , в частности Гарольда Юри и Карла П. Коэна , но исследования были прекращены в 1944 году, поскольку считалось, что этот метод не даст результатов к концу войны. и что другие способы обогащения урана ( газовая диффузия и электромагнитная сепарация ) 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 Симон , 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 развитием центрифуги типа Циппе , газовая центрифуга стала очень экономичным способом разделения, использующим значительно меньше энергии, чем другие методы, и имеющим множество других преимуществ.

Исследования физических характеристик центрифуг проводились пакистанским ученым Абдул Кадир Ханом в 1970–80-х годах с использованием вакуумных методов для повышения роли центрифуг в разработке ядерного топлива для пакистанской атомной бомбы . ^{[ 4 ]} Многие из теоретиков, работавших с Ханом, не были уверены, что газообразный и обогащенный уран будет осуществлён вовремя. ^{[ 5 ]} Один учёный вспоминал: «Никто в мире не использовал метод [газовой] центрифуги для производства урана военного качества… Это не сработало. Он просто терял время». ^{[ 5 ]} Несмотря на скептицизм, программа быстро оказалась осуществимой. Обогащение с помощью центрифуги использовалось в экспериментальной физике, и этот метод был переправлен контрабандой как минимум в три разные страны . к концу 20 века ^{[ 4 ]}^{[ 5 ]}

Центробежный процесс

Центрифуга ускорения использует силу, возникающую в результате центробежного , для разделения молекул в соответствии с их массой и может применяться к большинству жидкостей. ^{[ 6 ]} Плотные (более тяжелые) молекулы движутся к стенке, а более легкие остаются ближе к центру. Центрифуга состоит из ротора с твердым корпусом , вращающегося полный период с высокой скоростью. ^{[ 7 ]} Концентрические газовые трубки, расположенные на оси ротора, используются для подачи питающего газа в ротор и извлечения более тяжелых и более легких разделенных потоков. ^{[ 7 ]} Для ²³⁵При производстве U более тяжелый поток представляет собой поток отходов, а более легкий поток представляет собой поток продукта. Современные центрифуги типа Zippe представляют собой высокие цилиндры, вращающиеся вокруг вертикальной оси. Вертикальный градиент температуры можно применить для создания конвективной циркуляции, поднимающейся в центре и опускающейся на периферии центрифуги. Такой противоток также можно стимулировать механически с помощью совков, отбирающих обогащенные и обедненные фракции. Диффузия между этими встречными потоками увеличивает разделение по принципу противотока .

На практике, поскольку высота одной центрифуги ограничена, несколько таких центрифуг соединяют последовательно. Каждая центрифуга получает одну входную линию и производит две выходные линии, соответствующие легкой и тяжелой фракциям . Входом каждой центрифуги является поток продукта предыдущей центрифуги. В результате получается почти чистая легкая фракция из потока продуктов последней центрифуги и почти чистая тяжелая фракция из потока отходов первой центрифуги.

Процесс газового центрифугирования

В процессе газового центрифугирования используется уникальная конструкция, которая позволяет газу постоянно поступать в центрифугу и выходить из нее. В отличие от большинства центрифуг, которые полагаются на периодическую обработку , газовая центрифуга использует непрерывную обработку, допуская каскадирование, при котором последовательно происходят несколько идентичных процессов. Газовая центрифуга состоит из цилиндрического ротора, корпуса, электродвигателя и трех линий для перемещения материала. Газовая центрифуга имеет корпус, который полностью закрывает центрифугу. ^{[ 4 ]} Цилиндрический ротор расположен внутри корпуса, из которого удален весь воздух, что обеспечивает вращение практически без трения во время работы. Двигатель вращает ротор, создавая центробежную силу на компонентах, когда они входят в цилиндрический ротор. Эта сила действует на разделение молекул газа: более тяжелые молекулы движутся к стенке ротора, а более легкие - к центральной оси. Имеются две выходные линии, одна для фракции, обогащенной искомым изотопом (при разделении урана это ²³⁵U), и один обедненный этим изотопом. Выходные линии переносят эти разделения в другие центрифуги для продолжения процесса центрифугирования. ^{[ 8 ]} Процесс начинается с балансировки ротора в три этапа. ^{[ 9 ]} Большую часть технических подробностей о газовых центрифугах получить трудно, поскольку они окутаны «ядерной тайной». ^{[ 9 ]}

Первые газовые центрифуги, использовавшиеся в Великобритании, имели корпус из сплава, обернутый стекловолокном, пропитанным эпоксидной смолой. Динамическая балансировка узла была достигнута путем добавления небольших следов эпоксидной смолы в местах, указанных устройством для испытания балансировки. Двигатель обычно был блинного типа, располагался в нижней части цилиндра. Первые устройства обычно имели длину около 2 метров, но последующие разработки постепенно увеличивали длину. Нынешнее поколение имеет длину более 4 метров. Подшипники представляют собой устройства, работающие на газе, поскольку механические подшипники не выдерживают нормальных рабочих скоростей этих центрифуг.

Секция центрифуг будет питаться переменным током переменной частоты от электронного (объемного) инвертора, который будет медленно разгонять их до необходимой скорости, обычно превышающей 50 000 об/мин. Одной из мер предосторожности было быстро преодолеть частоты, на которых, как известно, цилиндр испытывал проблемы с резонансом . Инвертор представляет собой высокочастотный агрегат, способный работать на частотах около 1 килогерца. Весь процесс обычно происходит бесшумно; если из центрифуги слышен шум, это предупреждение о неисправности (которая обычно происходит очень быстро). Конструкция каскада обычно допускает выход из строя хотя бы одной центрифуги без ущерба для работы каскада. Устройства, как правило, очень надежны: ранние модели работали непрерывно более 30 лет.

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

Параллельные и противоточные центрифуги

Простейшей газовой центрифугой является прямоточная центрифуга, в которой сепарационный эффект достигается за счет центробежного воздействия вращения ротора. В этих центрифугах тяжелая фракция собирается на периферии ротора, а легкая фракция - ближе к оси вращения. ^{[ 10 ]}

Для создания противотока используется противоточное умножение для усиления эффекта разделения. Создается вертикальный циркуляционный ток, при котором газ течет аксиально вдоль стенок ротора в одном направлении, а обратный поток - ближе к центру ротора. Центробежное разделение продолжается, как и раньше (более тяжелые молекулы преимущественно движутся наружу), что означает, что более тяжелые молекулы собираются пристеночным потоком, а более легкая фракция собирается на другом конце. В центрифуге с потоком, направленным вниз, более тяжелые молекулы собираются внизу. Затем выпускные ковши размещаются на концах полости ротора, при этом сырьевая смесь впрыскивается вдоль оси полости (в идеале точка впрыска находится в точке, где смесь в роторе равна подаваемой смеси). ^{[ 11 ]}).

Этот противоток может быть вызван механическим или термическим способом, или их комбинацией. В механически индуцированном противотоке для создания потока используется расположение (стационарных) черпаков и внутренних роторных конструкций. ^{[ 12 ]} Совок взаимодействует с газом, замедляя его, что приводит к втягиванию его в центр ротора. Лопасти на каждом конце индуцируют противоположные токи, поэтому один черпак защищен от потока «перегородкой»: перфорированным диском внутри ротора, который вращается вместе с газом — на этом конце ротора поток будет направлен наружу, в сторону газа. стенка ротора. Таким образом, в центрифуге с перегородкой в верхней части поток через стенку направлен вниз, а более тяжелые молекулы собираются внизу. Термически индуцированные конвекционные потоки могут быть созданы путем нагревания нижней части центрифуги и/или охлаждения верхней части.

Разделительные рабочие единицы

Единица работы разделения (ЕРР) является мерой объема работы, совершаемой центрифугой, и имеет единицы массы (обычно единица работы разделения в килограмме ). Работа $W_{\mathrm {SWU} }$ необходимо разделить массу $F$ подачи анализа $x_{f}$ в массу $P$ анализа продукта $x_{p}$ , и хвосты массы $T$ и анализ $x_{t}$ выражается через количество необходимых разделительных рабочих единиц, определяемое выражением

W_{\mathrm {SWU} }=P\cdot V\left(x_{p}\right)+T\cdot V(x_{t})-F\cdot V(x_{f})

где

V\left(x\right)

— функция ценности , определяемая как

V(x)=(1-2x)\cdot \ln \left({\frac {1-x}{x}}\right)

Практическое применение центрифугирования

Отделение урана-235 от урана-238

Для разделения урана требуется материал в газообразной форме; Гексафторид урана (UF ₆ ) используется для обогащения урана . 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 ²³⁸U) к стенке цилиндра, тогда как более легкие молекулы газа (содержащие ²³⁵U) имеют тенденцию собираться ближе к центру. Поток, слегка обогащенный ²³⁵U извлекается и подается на следующую более высокую ступень, а слегка обедненный поток возвращается обратно на следующую более низкую ступень.

Разделение изотопов цинка

Для некоторых применений в ядерных технологиях содержание цинка-64 в металлическом цинке необходимо снизить, чтобы предотвратить образование радиоизотопов в результате его нейтронной активации . диэтилцинк В качестве газообразной питательной среды каскада центрифуг используется . Примером полученного материала является обедненный оксид цинка , используемый в качестве ингибитора коррозии .

См. также

Примечания

^ Оландер, Дональд Р. (1978). «Газовая центрифуга» . Научный американец . 239 (2): 37–43. Бибкод : 1978SciAm.239b..37O . doi : 10.1038/scientificamerican0878-37 . ISSN 0036-8733 . JSTOR 24960352 .
^ Кемп, Р. Скотт (26 июня 2009 г.). «Теория и разработка газовых центрифуг: обзор программ США» . Наука и глобальная безопасность . 17 (1): 1–19. Бибкод : 2009S&GS...17....1K . дои : 10.1080/08929880802335816 . ISSN 0892-9882 .
^ Гилинский, Виктор (2010). «Воспоминания о Дираке» . Физика сегодня . 63 (5): 59. Бибкод : 2010ФТ....63е..59Г . дои : 10.1063/1.3431338 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Газоцентрифужное обогащение урана
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Бригадный генерал (в отставке) Фероз Хасан Хан (7 ноября 2012 г.). «Освоение обогащения урана» (книга Google) . Есть траву: создание пакистанской бомбы . Стэнфорд, Калифорния: Издательство Стэнфордского университета. п. 151. ИСБН 978-0804776011 . Проверено 8 января 2013 г.
^ Основы центрифуги - Коул Пармер
^ Перейти обратно: ^а ^б Хан, Абдул Кадир; Атта, Массачусетс; Мирза, Дж. А. (1 сентября 1986 г.). «Вибрации, вызванные потоком в газотрубном узле центрифуги» . Журнал ядерной науки и технологий . 23 (9): 819–827. Бибкод : 1986JNST...23..819A . дои : 10.1080/18811248.1986.9735059 .
^ Что такое газовая центрифуга? Архивировано 12 мая 2003 г. в Wayback Machine.
^ Перейти обратно: ^а ^б Хан, AQ; Сулеман, М.; Ашраф, М.; Хан, М. Зубайр (1 ноября 1987 г.). «Некоторые практические аспекты балансировки ротора ультрацентрифуги» . Журнал ядерной науки и технологий . 24 (11): 951–959. Бибкод : 1987JNST...24..951K . дои : 10.1080/18811248.1987.9733526 .
^ Боговалов Сергей; Борман, Владимир (2016). «Разделительная способность оптимизированной попутной газовой центрифуги» . Ядерная инженерия и технологии . 48 (3). Эльзевир Б.В.: 719–726. arXiv : 1506.00823 . Бибкод : 2016NuEnT..48..719B . дои : 10.1016/j.net.2016.01.024 . ISSN 1738-5733 .
^ ван Виссен, Ральф; Голомбок, Майкл; Брауэрс, JJH (2005). «Разделение углекислого газа и метана в противоточных газовых центрифугах непрерывного действия». Химико-техническая наука . 60 (16). Эльзевир Б.В.: 4397–4407. Бибкод : 2005ЧЭнС..60.4397В . дои : 10.1016/j.ces.2005.03.010 . ISSN 0009-2509 .
^ «Технические аспекты газовых центрифуг» . Федерация американских ученых . Проверено 13 января 2020 г. .

Ссылки

«Основы центрифугирования». Техническая лаборатория Коула-Пармера. 14 марта 2008 г.
«Газоцентрифужное обогащение урана». Глобальная безопасность.Орг. 27 апреля 2005 г. 13 марта 2008 г.
«Что такое газовая центрифуга?» 2003. Институт науки и международной безопасности. 10 октября 2013 г.

Внешние ссылки

[1] Оландер, Дональд Р. (1978). «Газовая центрифуга» . Научный американец . 239 (2): 37–43. Бибкод : 1978SciAm.239b..37O . doi : 10.1038/scientificamerican0878-37 . ISSN 0036-8733 . JSTOR 24960352 .

[2] Кемп, Р. Скотт (26 июня 2009 г.). «Теория и разработка газовых центрифуг: обзор программ США» . Наука и глобальная безопасность . 17 (1): 1–19. Бибкод : 2009S&GS...17....1K . дои : 10.1080/08929880802335816 . ISSN 0892-9882 .

[3] Гилинский, Виктор (2010). «Воспоминания о Дираке» . Физика сегодня . 63 (5): 59. Бибкод : 2010ФТ....63е..59Г . дои : 10.1063/1.3431338 .

[third-4] Перейти обратно: ^а ^б ^с Газоцентрифужное обогащение урана

[Stanford_University_Press-5] Перейти обратно: ^а ^б ^с Бригадный генерал (в отставке) Фероз Хасан Хан (7 ноября 2012 г.). «Освоение обогащения урана» (книга Google) . Есть траву: создание пакистанской бомбы . Стэнфорд, Калифорния: Издательство Стэнфордского университета. п. 151. ИСБН 978-0804776011 . Проверено 8 января 2013 г.

[first-6] Основы центрифуги - Коул Пармер

[Journal_of_Nuclear_Science_and_Technology-7] Перейти обратно: ^а ^б Хан, Абдул Кадир; Атта, Массачусетс; Мирза, Дж. А. (1 сентября 1986 г.). «Вибрации, вызванные потоком в газотрубном узле центрифуги» . Журнал ядерной науки и технологий . 23 (9): 819–827. Бибкод : 1986JNST...23..819A . дои : 10.1080/18811248.1986.9735059 .

[second-8] Что такое газовая центрифуга? Архивировано 12 мая 2003 г. в Wayback Machine.

[JNSCT2-9] Перейти обратно: ^а ^б Хан, AQ; Сулеман, М.; Ашраф, М.; Хан, М. Зубайр (1 ноября 1987 г.). «Некоторые практические аспекты балансировки ротора ультрацентрифуги» . Журнал ядерной науки и технологий . 24 (11): 951–959. Бибкод : 1987JNST...24..951K . дои : 10.1080/18811248.1987.9733526 .

[10] Боговалов Сергей; Борман, Владимир (2016). «Разделительная способность оптимизированной попутной газовой центрифуги» . Ядерная инженерия и технологии . 48 (3). Эльзевир Б.В.: 719–726. arXiv : 1506.00823 . Бибкод : 2016NuEnT..48..719B . дои : 10.1016/j.net.2016.01.024 . ISSN 1738-5733 .

[van_Wissen_Golombok_Brouwers_2005_pp._4397–4407-11] ван Виссен, Ральф; Голомбок, Майкл; Брауэрс, JJH (2005). «Разделение углекислого газа и метана в противоточных газовых центрифугах непрерывного действия». Химико-техническая наука . 60 (16). Эльзевир Б.В.: 4397–4407. Бибкод : 2005ЧЭнС..60.4397В . дои : 10.1016/j.ces.2005.03.010 . ISSN 0009-2509 .

[12] «Технические аспекты газовых центрифуг» . Федерация американских ученых . Проверено 13 января 2020 г. .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]