Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Схема газовой центрифуги с противотоком, используемой для разделения изотопов урана.

Газовая центрифуга представляет собой устройство , которое выполняет разделение изотопов газов. Центрифугу опирается на принципах центростремительной силы ускоряющих молекулы таким образом , что частицы различных масс физически разделены в градиенте вдоль радиуса вращающегося контейнера. Видное применение газовых центрифуг - это отделение урана-235 ( 235 U) от урана-238 ( 238 U). Газовая центрифуга была разработана для замены газодиффузионнойметод извлечения урана-235. Высокая степень разделения этих изотопов зависит от использования множества отдельных центрифуг, расположенных каскадом, которые достигают последовательно более высоких концентраций. Этот процесс дает более высокие концентрации урана-235 при использовании значительно меньшего количества энергии по сравнению с процессом газовой диффузии.

Центробежный процесс [ править ]

Центрифуги зависят от силы , в результате центростремительного ускорения для отдельных молекул в зависимости от их массы, и могут быть применены к большинству жидкостей. [1] Плотные (более тяжелые) молекулы движутся к стенке, а более легкие остаются ближе к центру. Центрифуга состоит из жесткого ротора, вращающегося с полной периодичностью и высокой скоростью. [2] Концентрические газовые трубы, расположенные на оси ротора, используются для подачи подаваемого газа в ротор и извлечения более тяжелых и легких разделенных потоков. [2] Для производства 235 U более тяжелым потоком является поток отходов, а более легким потоком является поток продукта. Современные центрифуги типа Zippeпредставляют собой высокие цилиндры, вращающиеся по вертикальной оси, с вертикальным градиентом температуры, применяемым для создания конвективной циркуляции, поднимающейся в центре и опускающейся на периферии центрифуги. Диффузия между этими противоположными потоками увеличивает разделение по принципу противоточного умножения .

На практике, поскольку высота одной центрифуги ограничена, несколько таких центрифуг подключаются последовательно. Каждая центрифуга принимает один вход и производит две выходные линии, соответствующие легкой и тяжелой фракциям . Вход каждой центрифуги - это выход (легкий) предыдущей центрифуги и выход (тяжелый) следующей ступени. Таким образом получается почти чистая легкая фракция на выходе (легкая) последней центрифуги и почти чистая тяжелая фракция на выходе (тяжелая) первой центрифуги.

Процесс центрифугирования газа [ править ]

Каскад газовых центрифуг для получения обогащенного урана. Испытательный стенд газовых центрифуг США в Пикетоне, штат Огайо, 1984 год. Каждая центрифуга имеет высоту около 40 футов (12 м). (Обычные центрифуги, используемые сегодня, намного меньше, менее 5 метров (16 футов) в высоту.)

В процессе центрифугирования газа используется уникальная конструкция, которая позволяет газу постоянно поступать в центрифугу и выходить из нее. В отличие от большинства центрифуг, в которых используется периодическая обработка , в газовых центрифугах используется непрерывная обработка, что позволяет осуществлять каскадирование, при котором несколько идентичных процессов происходят последовательно. Газовая центрифуга состоит из цилиндрического ротора , корпуса, электродвигателя и трех линий для перемещения материала. Газовая центрифуга разработана с кожухом, который полностью закрывает центрифугу. [3] Цилиндрический ротор расположен внутри корпуса, из которого откачивается воздух.всего воздуха, чтобы обеспечить вращение почти без трения во время работы. Двигатель вращает ротор, создавая центростремительную силу на компонентах, когда они входят в цилиндрический ротор. Эта сила действует для разделения молекул газа, при этом более тяжелые молекулы движутся к стенке ротора, а более легкие - к центральной оси. Имеются две выходные линии, одна для фракции, обогащенной желаемым изотопом (при разделении урана это U-235), и одна, обедненная им. По выходным линиям эти разделения переносятся в другие центрифуги для продолжения процесса центрифугирования. [4] Процесс начинается, когда ротор балансируется в три этапа. [5] Большинство технических подробностей о газовых центрифугах трудно получить, потому что они окутаны «ядерной тайной».[5]

Ранние центрифуги, использовавшиеся в Великобритании, использовали корпус из сплава, обернутый стекловолокном, пропитанным эпоксидной смолой. Динамическая балансировка сборки была достигнута путем добавления небольших следов эпоксидной смолы в местах, указанных блоком для проверки балансировки. Мотор обычно был блинного типа, расположенный внизу цилиндра. Первые блоки обычно были около 2 метров в длину (приблизительно), но последующие разработки постепенно увеличивали длину. Нынешнее поколение имеет длину более 4 метров. Подшипники представляют собой устройства на основе газа, так как механические подшипники не выдержат нормальных рабочих скоростей этих центрифуг.

Секция центрифуг будет снабжаться переменным током переменной частоты от электронного (объемного) инвертора, который будет медленно увеличивать их до необходимой скорости, обычно превышающей 50 000 об / мин. Одна из мер предосторожности заключалась в том, чтобы быстро преодолеть частоты, на которых цилиндр, как известно, имел проблемы с резонансом. Инвертор - это высокочастотный блок, способный работать на частотах около 1 килогерца. Обычно весь процесс молчит; если слышен шум от центрифуги, это предупреждение о неисправности (которая обычно происходит очень быстро). Конструкция каскада обычно допускает выход из строя по крайней мере одной центрифуги без ущерба для работы каскада. Эти агрегаты обычно очень надежны, ранние модели работали без перерыва более 30 лет.

В более поздних моделях скорость вращения центрифуг постоянно увеличивалась, так как 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 [ править ]

Самая простая газовая центрифуга - это центрифуга параллельного типа, в которой эффект разделения достигается за счет центробежных эффектов вращения ротора. В этих центрифугах тяжелая фракция собирается на периферии ротора, а легкая фракция - ближе к оси вращения. [6]

Для создания противотока используется умножение противотока для усиления разделяющего эффекта. Устанавливается вертикальный циркулирующий ток, при котором газ течет в осевом направлении вдоль стенок ротора в одном направлении, а обратный поток - ближе к центру ротора. Центробежное разделение продолжается, как и раньше (более тяжелые молекулы предпочтительно движутся наружу), что означает, что более тяжелые молекулы собираются потоком стенки, а более легкая фракция собирается на другом конце. В центрифуге с потоком, направленным вниз от стенки, более тяжелые молекулы собираются на дне. Затем на концах полости ротора размещаются выпускные совки, при этом исходная смесь впрыскивается вдоль оси полости (в идеале точка впрыска находится в точке, где смесь в роторе равна загрузке [7].).

Этот противоточный поток может быть вызван механически или термически или их комбинацией. В механически индуцированном противоточном потоке для создания потока используется расположение (стационарных) совков и внутренних структур ротора. [8] Совок взаимодействует с газом, замедляя его, что имеет тенденцию втягивать его в центр ротора. Совки на каждом конце индуцируют встречные токи, поэтому один совок защищен от потока «перегородкой»: перфорированным диском внутри ротора, который вращается вместе с газом - на этом конце ротора поток будет направлен наружу, в направлении стенка ротора. Таким образом, в центрифуге с верхней ложкой с перегородками поток через стенку направлен вниз, а более тяжелые молекулы собираются внизу.

Тепловые конвекционные токи могут быть созданы путем нагревания нижней части центрифуги и / или охлаждения верхней части.

Разделительные рабочие единицы [ править ]

Сепаративная блок работы (ЕРР) является мерой количества работы , проделанным в центрифуге и имеет единицы массы (обычно килограммы разделительных единицы работы ). Работа, необходимая для разделения массы исходного материала для анализа на массу продукта для анализа , и хвосты массы и анализа выражаются в единицах количества необходимых рабочих единиц разделения, задаваемых выражением

где - функция цены , определяемая как

Практическое применение центрифугирования [ править ]

Отделение урана-235 от урана-238 [ править ]

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 U-238) к стенке цилиндра, в то время как более легкие молекулы газа (содержащие U-235) имеют тенденцию собираться ближе к центру. Поток, слегка обогащенный U-235, отводится и подается на следующую более высокую ступень, в то время как слегка обедненный поток возвращается обратно на следующую более низкую ступень.

Разделение изотопов цинка [ править ]

Для некоторых применений в ядерной технологии необходимо снизить содержание цинка-64 в металлическом цинке , чтобы предотвратить образование радиоизотопов при его нейтронной активации . Диэтилцинк используется в качестве газообразной питательной среды для каскада центрифуг. Примером получаемого материала является обедненный оксид цинка , используемый в качестве ингибитора коррозии .

История [ править ]

Предложенный в 1919 году центробежный процесс был впервые успешно осуществлен в 1934 году. Американский ученый Джесси Бимс и его команда из Университета Вирджинии разработали этот процесс путем разделения двух изотопов хлора с помощью вакуумной ультрацентрифуги . Это был один из первых способов разделения изотопов, использовавшийся в ходе Манхэттенского проекта , в частности Гарольдом Ури и Карлом П. Коэном , но исследования были прекращены в 1944 году, поскольку считалось, что этот метод не даст результатов к концу войны. и что другие средства обогащения урана ( газовая диффузия иэлектромагнитное разделение ) имели больше шансов на успех в краткосрочной перспективе. Этот метод был успешно использован в советской ядерной программе , что сделало Советский Союз самым эффективным поставщиком обогащенного урана .

В долгосрочной перспективе, особенно с развитием центрифуги типа Zippe , газовая центрифуга стала очень экономичным способом разделения, потребляющим значительно меньше энергии, чем другие методы, и имеющим множество других преимуществ.

Участие Пакистана [ править ]

Эффективное использование газовых центрифуг было обнаружено [ требуется разъяснение ] Пакистаном, что значительно расширяет его возможности по производству высокообогащенного уранового топлива (ВОУ) как для своих коммерческих атомных электростанций, так и для атомного оружия . Новаторские исследования физических характеристик центрифуг были выполнены пакистанским ученым Абдул Кадир Хан в 1970–80-х годах с использованием вакуумных методов для повышения роли центрифуг в разработке ядерного топлива . [3]Один физик-теоретик, участвовавший в программе, утверждал, что программа центрифуг была довольно сложной, наиболее длительной и сложной задачей, над которой ученые работали и изучали. [9] [ неудавшаяся проверка ] Многие теоретики, работавшие с Ханом, были не уверены, что газообразный и обогащенный уран можно будет получить вовремя. [9] Один ученый вспоминал: «Никто в мире не использовал метод [газовой] центрифуги для производства урана военного качества ... Это не сработало. Он [А.К. Хан] просто зря тратил время». [9] Несмотря на скептицизм, программа была осуществлена ​​Пакистаном в кратчайшие сроки. Обогащение на центрифуге использовалось в физических экспериментах иэффективное физическое использование, [ пояснить ], в частности, Хан в Пакистане, и к концу 20-го века этот метод был контрабандным путем доставлен как минимум в три разные страны . [3] [9]

См. Также [ править ]

  • Ядерная технология
  • Атомная энергия
  • Ядерное топливо

Сноски [ править ]

  1. ^ Основы центрифуги - Коул Пармер
  2. ^ а б Хан, Абдул Кадир; Атта, Массачусетс; Мирза, Дж. А. (1 сентября 1986 г.). "Вибрации, вызванные потоком в газовой трубке центрифуги" . Журнал ядерной науки и технологий . 23 (9): 819–827. DOI : 10.1080 / 18811248.1986.9735059 .
  3. ^ a b c Газовая центрифуга для обогащения урана
  4. ^ Что такое газовая центрифуга? Архивировано 12 мая 2003 года в Wayback Machine.
  5. ^ a b Хан, AQ; Сулеман, М .; Ашраф, М .; Хан, М. Зубаир (1 ноября 1987 г.). «Некоторые практические аспекты балансировки ротора ультрацентрифуги». Журнал ядерной науки и технологий . 24 (11): 951–959. DOI : 10.1080 / 18811248.1987.9733526 .
  6. ^ Боговалы, Сергей; Борман, Владимир (2016). «Разделительная мощность оптимизированной газовой центрифуги параллельного типа» . Ядерная инженерия и технологии . Elsevier BV. 48 (3): 719–726. DOI : 10.1016 / j.net.2016.01.024 . ISSN 1738-5733 . 
  7. ^ ван Виссен, Ральф; Голомбок, Майкл; Брауэрс, JJH (2005). «Разделение углекислого газа и метана в противоточных газовых центрифугах непрерывного действия». Химическая инженерия . Elsevier BV. 60 (16): 4397–4407. DOI : 10.1016 / j.ces.2005.03.010 . ISSN 0009-2509 . 
  8. ^ «Технические аспекты газовых центрифуг» . Федерация американских ученых . Дата обращения 13 января 2020 .
  9. ^ a b c d Бригадный генерал (в отставке) Фероз Хасан Хан (7 ноября 2012 г.). «Освоение обогащения урана» (гугл-книга) . Поедание травы: создание пакистанской бомбы . Стэнфорд, Калифорния: Издательство Стэнфордского университета. п. 151. ISBN.  978-0804776011. Проверено 8 января 2013 года .

Ссылки [ править ]

  • «Основы центрифугирования». Cole-Parmer Technical Lab. 14 марта 2008 г.
  • «Газовая центрифуга по обогащению урана». Global Security.Org. 27 апреля 2005 г. 13 марта 2008 г.
  • "Что такое газовая центрифуга?" 2003. Институт науки и международной безопасности. 10 октября 2013 г.

Внешние ссылки [ править ]

  • Аннотированная библиография по газовой центрифуге из цифровой библиотеки Alsos
  • История центрифуги
  • Что такое газовая центрифуга?
  • Соглашение между правительством Соединенных Штатов Америки и четырьмя правительствами Французской Республики, Соединенного Королевства Великобритании и Северной Ирландии, Королевства Нидерландов и Федеративной Республики Германии о создании, строительстве и эксплуатации урана Установки по обогащению с использованием технологии газовых центрифуг в Соединенных Штатах Америки Государственный департамент США