Газ центрифуга - Gas centrifuge

Уранның изотоптарын бөлу үшін қолданылатын қарсы ағынды газ центрифугасының диаграммасы.

A газ центрифуга орындайтын құрылғы болып табылады изотоптардың бөлінуі газдар. A центрифуга принциптеріне сүйенеді центрге тарту күші әр түрлі масса бөлшектері айналмалы ыдыстың радиусы бойынша градиент бойынша физикалық түрде бөлінетін етіп үдететін молекулалар. Газ центрифугаларын көрнекті пайдалану уран-235 (²³⁵U) бастап уран-238 (²³⁸U). Газ центрифугасын ауыстыру үшін жасалған газ тәрізді диффузия уран-235 алу әдісі. Бұл изотоптардың жоғары дәрежеде бөлінуі каскадта орналасқан, жеке-дара жоғары концентрацияларға қол жеткізетін көптеген жеке центрифугаларды қолдануға негізделген. Бұл процесс уран-235 концентрациясын жоғарылатады, ал газ тәрізді диффузия процесіне қарағанда айтарлықтай аз энергияны пайдаланады.

Орталықтан тепкіш процесс

The центрифуга центрге тарту күшіне сүйенеді үдеу молекулаларды олардың массасына сәйкес бөлуге және көптеген сұйықтықтарға қолдануға болады.^[1] Тығыз (ауыр) молекулалар қабырғаға қарай жылжиды, ал жеңілдері центрге жақын болып қалады. Центрифуга толық жылдамдықта айналатын қатты дене роторынан тұрады.^[2] Ротордың осінде орналасқан концентрлі газ түтіктері роторға қоректендіру газын енгізу және ауыр және жеңіл бөлінген ағындарды шығару үшін қолданылады.^[2] Үшін ²³⁵U өндірісі, ауыр ағын - қалдық ағыны, ал жеңіл ағын - өнім ағыны. Заманауи Циппе типті центрифугалар тік өсінде айналатын биік цилиндрлер, центрифуга перифериясында центрге көтеріліп конвективті циркуляцияны құру үшін тік температуралық градиент қолданылады. Осы қарама-қарсы ағындар арасындағы диффузия бөлінуді көбейтеді қарсы ағынды көбейту.

Іс жүзінде, бір центрифуга жасаудың биіктігінің шегі бар болғандықтан, осындай бірнеше центрифугалар тізбектей қосылады. Әр центрифуга бір кірісті қабылдайды және жеңіл және ауырға сәйкес келетін екі шығыс сызықты шығарады фракциялар. Әр центрифуганың кірісі алдыңғы центрифуганың шығысы (жеңіл) және келесі кезеңнің шығысы (ауыр) болып табылады. Бұл соңғы центрифугадан (жеңілден) таза дерлік жеңіл фракцияны және бірінші центрифугадан (ауыр) шыққан таза ауыр фракцияны шығарады.

Газды центрифугалау процесі

Байытылған уранды өндіру үшін қолданылатын газ центрифугаларының каскады. Пикетон, АҚШ-тағы газ центрифугасының сынақ алаңы, Огайо, 1984 ж. Әр центрифуганың биіктігі шамамен 12 фут. (Қазіргі кезде қолданылатын дәстүрлі центрифугалар әлдеқайда аз, биіктігі 5 метрден аспайды.)

Газ центрифугалау процесінде газдың центрифугаға үнемі кіріп-шығуына мүмкіндік беретін ерекше дизайн қолданылады. Көптеген центрифугалардан айырмашылығы пакеттік өңдеу, газ центрифугасы каскадтауға мүмкіндік беретін үздіксіз өңдеуді пайдаланады, онда бірнеше бірдей процестер бірінен соң бірі жүреді. ротор, қаптама, ан электр қозғалтқышы, және саяхаттауға арналған үш жол. Газ центрифуга центрифуганы толығымен қоршайтын қаптамамен жасалған.^[3] Цилиндрлік ротор корпустың ішінде орналасқан, ол эвакуацияланған жұмыс істеген кезде үйкеліссіз айналу үшін барлық ауаның. Қозғалтқыш роторды айналдырып, цилиндрлік роторға енген кезде компоненттерге центрге тартқыш күшін жасайды. Бұл күш газ молекулаларын бөлуге әсер етеді, ауыр молекулалар ротордың қабырғасына қарай, ал жеңілірек молекулалар орталық оське қарай қозғалады. Екі шығыс сызығы бар, олардың бірі қажетті изотопта байытылған фракция үшін (уранды бөлуде бұл U-235), ал екіншісі онымен таусылған. Шығу сызықтары центрифугалау процесін жалғастыру үшін осы бөліністерді басқа центрифугаларға жеткізеді.^[4] Процесс ротор үш кезеңде теңдестірілген кезде басталады.^[5] Газ центрифугаларының техникалық бөлшектерінің көпшілігін алу қиын, себебі олар «ядролық құпияға» оранған.^[5]

Ұлыбританияда қолданылған алғашқы центрифугаларда эпоксидті сіңдірілген шыны талшыққа оралған қорытпа корпус қолданылған. Жинақтың динамикалық теңгерімі теңдестіру қондырғысында көрсетілген жерлерде эпоксидтің кішкене іздерін қосу арқылы жүзеге асырылды. Қозғалтқыш, әдетте, цилиндрдің төменгі жағында орналасқан құймақ түрі болды. Ертедегі қондырғылардың ұзындығы шамамен 2 метрді құрады (шамамен), бірақ кейінгі даму ұзындығын біртіндеп ұлғайтты. Қазіргі ұрпақтың ұзындығы 4 метрден асады. Мойынтіректер газ негізіндегі қондырғылар болып табылады, өйткені механикалық мойынтіректер осы центрифугалардың қалыпты жұмыс жылдамдықтарында өмір сүре алмас еді.

Центрифугалар бөлімі айнымалы жиіліктегі айнымалы токпен электронды (сусымалы) инвертордан қоректенетін болады, бұл оларды қажетті жылдамдыққа дейін, көбіне 50 000 айн / мин-нан асып түседі. Сақтық шаралардың бірі цилиндр резонанс проблемасына ұшыраған белгілі жиіліктерді тез алу болды. Инвертор - бұл шамамен 1 килогерц жиілікте жұмыс істеуге қабілетті жоғары жиілікті блок. Бүкіл процесс әдеттегідей үнсіз; егер центрифугадан шу шықса, бұл ақаулық туралы ескерту (бұл әдетте өте тез пайда болады). Каскадтың дизайны, әдетте, каскадтың жұмысын бұзбай, кем дегенде бір центрифуга қондырғысының істен шығуына мүмкіндік береді. Қондырғылар әдетте өте сенімді, олардың алғашқы модельдері 30 жылдан астам үздіксіз жұмыс істейді.

Кейінгі модельдер центрифугалардың айналу жылдамдығын тұрақты түрде арттырды, өйткені бөлу тиімділігіне центрифуга қабырғасының жылдамдығы көбірек әсер етеді.

Центрифугалар каскадтық жүйесінің ерекшелігі - бұл қондырғыға толықтай жаңа центрифугалар желісін орнатудың орнына, қолданыстағы қондырғыға каскадты «блоктарды» қосу арқылы өсімдіктің өнімділігін біртіндеп арттыруға болады.

Параллель және қарсы ағым центрифугалары

Ең қарапайым газ центрифугасы - параллель центрифуга, мұнда сепараторлық әсер ротордың айналуының центрифугалық әсерінен пайда болады. Бұл центрифугаларда ауыр фракция ротордың перифериясында жиналады, ал жеңіл фракция айналу осіне жақын.^[6]

Қарама-қарсы ағынды қолдану қарсы қарсы көбейту сепаративті әсерді күшейту үшін. Тік циркуляциялық ток орнатылады, газ ротор қабырғалары бойынша осьтік бағытта бір бағытта жүреді, ал кері ағын ротордың ортасына жақындайды. Орталықтан тепкіш бөлу бұрынғыдай жалғасады (ауыр молекулалар жақсырақ сыртқа қарай қозғалады), демек, ауыр молекулалар қабырға ағынымен жиналады, ал жеңіл фракция екінші жағында жиналады. Қабырға ағыны төмен центрифугада ауыр молекулалар төменгі жағына жиналады. Содан кейін шығыс қасықтар ротор қуысының ұштарына қойылады, қоректендіру қоспасы қуыс осі бойымен енгізіледі (ең дұрысы, инъекция нүктесі ротордағы қоспаның берілуіне тең болатын жерде болады)^[7]).

Бұл қарсы ағынды механикалық немесе термиялық жолмен немесе комбинациялауға болады. Механикалық индуцирленген қарсы ағындарда ағынды қалыптастыру үшін (стационарлық) шоқылар мен ішкі роторлы құрылымдардың орналасуы қолданылады.^[8] Шөміш газбен баяулау арқылы әрекеттеседі, ол оны ротордың ортасына тартуға бейім. Екі ұштағы қарама-қарсы токтар пайда болады, сондықтан бір қорап ағыннан «қоршау» арқылы қорғалған: ротор ішіндегі газбен бірге айналатын тесілген диск - бұл ротордың соңында ағын сыртқа қарай бағытталады ротор қабырғасы. Осылайша, үстіңгі қақпағы бар центрифугада қабырға ағыны төмен қарай, ал төменгі жағында ауыр молекулалар жиналады.

Термиялық индукцияланған конвекциялық токтар центрифуга түбін қыздыру және / немесе жоғарғы ұшын салқындату арқылы жасалуы мүмкін.

Бөлек жұмыс бөлімдері

The жұмыс бөлімі (SWU) - центрифуга жасаған жұмыс мөлшерінің өлшемі және масса бірліктері бар (әдетте килограммдық сепаративті жұмыс блогы). Жұмысы ${ displaystyle W _ { mathrm {SWU}}}$ массаны бөлу үшін қажет ${ displaystyle F}$ талдаудың жемі ${ displaystyle x_ {f}}$ массаға айналады ${ displaystyle P}$ өнімді талдау ${ displaystyle x_ {p}}$ және массаның құйрықтары ${ displaystyle T}$ және талдау ${ displaystyle x_ {t}}$ өрнекпен берілген, бөлінетін жұмыс бірліктерінің саны бойынша көрсетіледі

{ displaystyle W _ { mathrm {SWU}} = P cdot V сол (x_ {p} оң) + T cdot V (x_ {t}) - F cdot V (x_ {f})}

қайда

{ displaystyle V сол (х оң)}

болып табылады мән функциясы ретінде анықталды

{ displaystyle V (x) = (1-2x) cdot ln сол ({ frac {1-x} {x}} оң)}

Центрифугалауды практикалық қолдану

Уран-235 уранын-238 бөлу

Уранды бөлу үшін материалды газ күйіндегі материал қажет; уран гексафторид (UF₆) үшін қолданылады уранды байыту. Центрифуга цилиндріне кірген кезде UF₆ газ жоғары жылдамдықпен айналады. Айналдыру цилиндр қабырғасына қарай ауыр газ молекулаларын (U-238 бар) көбірек тартатын күшті центрифугалық күш тудырады, ал жеңіл газ молекулалары (құрамында U-235 бар) орталыққа жақын жиналуға бейім. U-235-те аздап байытылған ағын алынып, келесі жоғарғы сатыға жіберіледі, ал аздап сарқылған ағын келесі келесі сатыға қайта оралады.

Мырыш изотоптарының бөлінуі

Ядролық технологиядағы кейбір қолдану үшін мазмұны мырыш-64 жылы мырыш пайда болуына жол бермеу үшін металды түсіру керек радиоизотоптар оның көмегімен нейтрондардың активациясы. Диэтил мырыш центрифуга каскады үшін газ тәрізді қоректік орта ретінде қолданылады. Алынған материалдың мысалы болып табылады сарқылатын мырыш оксиді ретінде пайдаланылады коррозия ингибиторы.

Тарих

1919 жылы ұсынылған центрифугалық процесс алғаш рет 1934 жылы сәтті орындалды. Американдық ғалым Джесси Бимс және оның командасы Вирджиния университеті процесті екі бөлу арқылы дамытты хлор изотоптары вакуум арқылы ультрацентрифуга. Бұл алғашқы бастамалардың бірі болды изотоптық бөліну барысында жүргізілгенді білдіреді Манхэттен жобасы, атап айтқанда Гарольд Урей және Карл П.Коэн, бірақ 1944 жылы зерттеу тоқтатылды, өйткені бұл әдіс соғыс аяқталғанға дейін нәтиже бермейді және басқа құралдар уранды байыту (газ тәрізді диффузия және электромагниттік бөлу ) қысқа мерзімде табысқа жету мүмкіндігі жоғары болды. Бұл әдіс сәтті қолданылды Кеңестік ядролық бағдарлама, Кеңес Одағын ең тиімді жеткізушіге айналдыру байытылған уран.

Ұзақ мерзімді перспективада, әсіресе Циппе типті центрифуга, газ центрифуга бөлудің өте үнемді режиміне айналды, басқа әдістерге қарағанда айтарлықтай аз энергияны пайдаланады және көптеген басқа артықшылықтарға ие.

Пәкістанның қатысуы

Газ центрифугаларын тиімді қолдану анықталды^{[түсіндіру қажет ]} Пәкістан, бұл оның өндіріс қабілетін айтарлықтай арттырады жоғары байытылған уран (HEU) оның коммерциялық атом электр станциялары үшін де, отын атом қаруы. Центрифугалардың физикалық өнімділігінде ізашарлық зерттеулерді пәкістандық ғалым жүргізді Абдулқадир хан пайдалана отырып, 1970-80 жж вакуумдық әдістер дамуындағы центрифугалардың рөлін жоғарылату үшін ядролық отын.^[3] Бағдарламаға қатысқан бір теориялық физик центрифуга бағдарламасы өте қиын, ең тұрақты және қиын жоба болды, деп ғалымдар шешті және зерттеді.^[9]^{[тексеру сәтсіз аяқталды ]} Ханмен жұмыс жасайтын көптеген теоретиктер газ тәріздес және байытылған уранның уақытында орындалатынына сенімді емес еді.^[9] Бір ғалым еске түсірді: «Әлемде [газ] центрифуга әдісін әскери деңгейдегі уран өндіру үшін ешкім қолданбаған ... Бұл нәтиже бермейтін еді. Ол [А.Қ. Хан] жай уақытты босқа өткізіп жатты».^[9] Скептицизмге қарамастан, бағдарламаны Пәкістан қысқа мерзімде іске асырды. Центрифуга арқылы байыту физика эксперименттерінде қолданылған және тиімді физикалық қолдану,^{[нақтылау ]} әсіресе Хан Пәкістанда, және бұл әдіс кем дегенде контрабандалық жолмен өткізілді үш түрлі ел 20 ғасырдың аяғында.^[3]^[9]

Сондай-ақ қараңыз

Сілтемелер

^ Центрифуга негіздері - Коул Пармер
^ ^а ^б Хан, Абдулқадир; Атта, М.А .; Мирза, Дж. А. (1 қыркүйек 1986). «Центрифуганы газ түтікшелерінде құрастырудағы ағынды тербелістер». Ядролық ғылым және технологиялар журналы. 23 (9): 819–827. дои:10.1080/18811248.1986.9735059.
^ ^а ^б ^c Газды центрифугаға байыту
^ Газ центрифуга дегеніміз не? Мұрағатталды 12 мамыр 2003 ж Wayback Machine
^ ^а ^б Хан, А.Қ .; Сулеман М .; Ашраф М .; Хан, М.Зубайр (1 қараша 1987). «Ультра центрифуга роторын теңгерудің кейбір практикалық аспектілері». Ядролық ғылым және технологиялар журналы. 24 (11): 951–959. дои:10.1080/18811248.1987.9733526.
^ Боговалов, Сергей; Борман, Владимир (2016). «Оңтайландырылған параллельді газ центрифугасының айыру күші». Ядролық техника және технологиялар. Elsevier BV. 48 (3): 719–726. дои:10.1016 / j.net.2016.01.024. ISSN 1738-5733.CS1 maint: ref = harv (сілтеме)
^ ван Виссен, Ральф; Голомбок, Майкл; Бруэрс, Дж. (2005). «Көмірқышқыл газы мен метанды үздіксіз қарсы ағымды газ центрифугаларында бөлу». Химиялық инженерия ғылымы. Elsevier BV. 60 (16): 4397–4407. дои:10.1016 / j.ces.2005.03.010. ISSN 0009-2509.
^ «Газ центрифугаларына арналған инженерлік ойлар». Америка ғалымдарының федерациясы. Алынған 13 қаңтар 2020.
^ ^а ^б ^c ^г. Бригада генералы (отставкадағы) Фероз Хасан Хан (7 қараша 2012). «Уран байытуды игеру» (google кітап). Шөп жеу: Пәкістан бомбасын жасау. Стэнфорд, Калифорния: Стэнфорд университетінің баспасы. б. 151. ISBN 978-0804776011. Алынған 8 қаңтар 2013.

Әдебиеттер тізімі

«Центрифугалау негіздері». Cole-Parmer техникалық зертханасы. 14 наурыз 2008 ж
«Газды центрифугаға байыту». Global Security.Org. 27 сәуір 2005. 13 наурыз 2008 ж
«Газ центрифуга дегеніміз не?» 2003. Ғылым және халықаралық қауіпсіздік институты. 10 қазан 2013

Сыртқы сілтемелер

[first-1] Центрифуга негіздері - Коул Пармер

[Journal_of_Nuclear_Science_and_Technology-2] а ^б Хан, Абдулқадир; Атта, М.А .; Мирза, Дж. А. (1 қыркүйек 1986). «Центрифуганы газ түтікшелерінде құрастырудағы ағынды тербелістер». Ядролық ғылым және технологиялар журналы. 23 (9): 819–827. дои:10.1080/18811248.1986.9735059.

[third-3] а ^б ^c Газды центрифугаға байыту

[second-4] Газ центрифуга дегеніміз не? Мұрағатталды 12 мамыр 2003 ж Wayback Machine

[JNSCT2-5] а ^б Хан, А.Қ .; Сулеман М .; Ашраф М .; Хан, М.Зубайр (1 қараша 1987). «Ультра центрифуга роторын теңгерудің кейбір практикалық аспектілері». Ядролық ғылым және технологиялар журналы. 24 (11): 951–959. дои:10.1080/18811248.1987.9733526.

[6] Боговалов, Сергей; Борман, Владимир (2016). «Оңтайландырылған параллельді газ центрифугасының айыру күші». Ядролық техника және технологиялар. Elsevier BV. 48 (3): 719–726. дои:10.1016 / j.net.2016.01.024. ISSN 1738-5733.CS1 maint: ref = harv (сілтеме)

[van_Wissen_Golombok_Brouwers_2005_pp._4397–4407-7] ван Виссен, Ральф; Голомбок, Майкл; Бруэрс, Дж. (2005). «Көмірқышқыл газы мен метанды үздіксіз қарсы ағымды газ центрифугаларында бөлу». Химиялық инженерия ғылымы. Elsevier BV. 60 (16): 4397–4407. дои:10.1016 / j.ces.2005.03.010. ISSN 0009-2509.

[8] «Газ центрифугаларына арналған инженерлік ойлар». Америка ғалымдарының федерациясы. Алынған 13 қаңтар 2020.

[Stanford_University_Press-9] а ^б ^c ^г. Бригада генералы (отставкадағы) Фероз Хасан Хан (7 қараша 2012). «Уран байытуды игеру» (google кітап). Шөп жеу: Пәкістан бомбасын жасау. Стэнфорд, Калифорния: Стэнфорд университетінің баспасы. б. 151. ISBN 978-0804776011. Алынған 8 қаңтар 2013.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]