Циппе типа центрифуги является газовая центрифуга предназначена для обогащения редких делящегося изотопа уран-235 ( 235 U) из смеси изотопов найдены в природных урановых соединений. Изотопное разделение основано на небольшую разницу в массе изотопов. Конструкция Zippe была первоначально разработана в Советском Союзе командой во главе с 60 австрийскими и немецкими учеными и инженерами, захваченными после Второй мировой войны, работающие в заключении. На Западе (а теперь и в целом) этот тип известен по имени человека, который воссоздал эту технологию после своего возвращения на Запад в 1956 году, основываясь на его воспоминаниях о своей работе в советской программе (и вкладе в нее) , Гернот Циппе. . Поскольку в советском / российском обиходе на нее можно было ссылаться по имени любого человека, она была известна (по крайней мере, на несколько более ранней стадии развития) как центрифуга Каменева (после Евгения Каменева). [1] [2]
Фон [ править ]
Природный уран состоит из трех изотопов ; большую часть (99,274%) составляет U-238 , приблизительно 0,72% - делящийся U-235, а оставшиеся 0,0055% - U-234 . Если природный уран обогащен до 3% по U-235 , его можно использовать в качестве топлива для легководных ядерных реакторов . Если он будет обогащен до 90% урана-235, его можно будет использовать в ядерном оружии .
Центрифуга для обогащения урана [ править ]
Обогащение урана затруднено, потому что изотопы практически идентичны по химическому составу и очень похожи по весу: U-235 всего на 1,26% легче, чем U-238 (обратите внимание, что это относится к твердому урану). Эффективность разделения в центрифуге зависит от разницы в весе. Однако центрифуги должны работать с газом, а не с твердым телом, и в качестве газа здесь используется гексафторид урана. Здесь разница масс между U (235) F6 и U (238) F6 составляет менее 0,86%. Для разделения изотопов урана требуется центрифуга, которая может вращаться со скоростью 1500 оборотов в секунду (90 000 об / мин ). Если мы предположим, что диаметр ротора составляет 20 см (фактический диаметр ротора, вероятно, будет меньше), это соответствует линейной скорости, превышающей 2 Маха (Маха 1 ≈ 340 м / с на уровне моря). Для сравнения, автоматические стиральные машины работают со скоростью только от 12 до 25 оборотов в секунду (720-1500 оборотов в минуту) во время цикла отжима, в то время как турбины в автомобильных турбокомпрессорах могут работать примерно до 2500-3333 оборотов в секунду (150 000-200 000 оборотов в минуту). [3] [4]
Центрифуга типа Zippe имеет полый цилиндрический ротор, заполненный газообразным гексафторидом урана . Вращающееся магнитное поле в нижней части ротора, как он использовано в электрическом двигателе , способно вращать его достаточно быстро , что U-238 выбрасывается к краю. Зажигалка U-235 собирается ближе к центру. Нижняя часть газовой смеси нагревается, создавая конвекционные потоки, которые перемещают U-238 вниз. U-235 движется вверх, где его собирают совки. [1] Каждая центрифуга имеет одну входную и две выходные линии (соответствующие тяжелой и легкой фракциям).
При высокой скорости вращения газ сжимается близко к стенке ротора. Ротор может быть длиной в несколько метров (диаметр, вероятно, меньше 10 см), а температурный градиент в 300 ° C между верхней и нижней частью ротора создает очень сильный конвекционный поток. Кроме того, очень сильные силы Кориолиса повышают эффективность разделения.
Чтобы уменьшить трение, ротор вращается в вакууме . Магнитный подшипник удерживает верхнюю часть ротора устойчив, и единственный физический контакт конического камня подшипник , на котором сидит ротор. [1] Три газовые линии должны быть соосными с фиксированной осью, так как внешний обод вращается очень быстро, а уплотнение очень важно.
После того, как ученые были освобождены из советского плена в 1956 году, [1] Гернот Циппе с удивлением обнаружил, что западные инженеры на годы отстали в своей технологии центрифуг. Он смог воспроизвести свой дизайн в Университете Вирджинии в США , опубликовав результаты, даже несмотря на то, что Советы конфисковали его записи. Зиппе покинул Соединенные Штаты, когда ему фактически запретили продолжать свои исследования: американцы классифицировали работу как секретную, потребовав от него либо стать гражданином США (он отказался), либо вернуться в Европу, либо отказаться от своих исследований. [1] 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 сроком службы, что позволило увеличить скорость. Эта усовершенствованная конструкция центрифуги используется коммерческой компанией Urenco для производства обогащенного уранового топлива для атомных электростанций . [1]
Точные детали усовершенствованных центрифуг типа Zippe строго охраняются в секрете, но эффективность центрифуг повышается за счет их удлинения и увеличения скорости вращения. Чтобы сделать это, даже более прочные материалы, такие как углеродное волокно , укрепил композиционных материалов , которые используются; и используются различные методы, чтобы избежать сил, вызывающих разрушительные вибрации, включая использование гибких «сильфонов», позволяющих контролируемое изгибание ротора, а также тщательный контроль скорости, чтобы гарантировать, что центрифуга не будет работать очень долго на скоростях, где возникает резонанс. проблема.
Центрифугу типа Zippe сложно построить успешно, и для нее требуются тщательно обработанные детали. Однако по сравнению с другими методами обогащения он намного дешевле и более энергоэффективен и может использоваться в относительной секретности. Это делает его идеальным для тайных программ создания ядерного оружия и, возможно, увеличивает риск распространения ядерного оружия . Каскады центрифуг также содержат гораздо меньше материала, удерживаемого в машине в любое время, в отличие от газодиффузионных установок .
Глобальное использование [ править ]
В рамках программы создания атомной бомбы Пакистана были разработаны центрифуги P1 и P2; первые две центрифуги, которые Пакистан развернул в большом количестве. В центрифуге P1 используется алюминиевый ротор, а в центрифуге P2 используется ротор из мартенситностареющей стали, который прочнее, быстрее вращается и обогащает больше урана на машину, чем в центрифуге P1.
Российские и советские источники оспаривают отчет о разработке советских центрифуг, сделанный Гернотом Циппе. Они цитируют Макса Стенбека как немецкого ученого, отвечавшего за немецкую часть советских центрифужных работ, которые были начаты немецким беженцем Фрицем Ланге в 1930-х годах. Советы приписывают Стенбеку, Исааку Кикоину и Евгению Каменеву создание различных ценных аспектов дизайна. Они заявляют, что Циппе занимался созданием прототипов для этого проекта в течение двух лет с 1953 года. Поскольку проект центрифуги был совершенно секретным, Советы в то время не оспаривали ни одно из заявлений Циппе. [2]
См. Также [ править ]
- Газовая центрифуга
- Ультрацентрифуга
- Магнитная левитация
- Упорный подшипник
- Немецкий проект ядерного оружия
- Германия и оружие массового поражения
- Пакистан и оружие массового уничтожения
- Нидерланды и оружие массового поражения
- Принудительный труд немцев в Советском Союзе
- Русский Алсос
- Stuxnet
Ссылки [ править ]
- ^ Б с д е е Broad, Уильям Дж (2004-03-23). «Стройный и элегантный, он питает бомбу» . Нью-Йорк Таймс . Проверено 23 октября 2009 .
- ^ a b Олег Бухарин, Олег. Российский комплекс технологии газовых центрифуг и обогащения урана. Архивировано 11 января 2014 года на Wayback Machine 2004.
- ^ Как работает турбо
- ^ HowStuffWorks "Как работают турбокомпрессоры"
Внешние ссылки [ править ]
- The Zippe Type - The Poor Man's Bomb , BBC Radio 4 , 19 мая 2004 г.
- Отслеживание технологий , Nuclear Engineering International , 31 августа 2004 г.
- Тонкий 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.
- Газовые центрифуги и распространение ядерного оружия , Хьюстон Г. Вуд, Александр Глейзер и Р. Скотт Кемп, Physics Today, стр. 40, сентябрь 2008 г.
- Долгосрочные интересы США в области энергетической безопасности: слушания в подкомитете Конгресса по экономической стабилизации, 11 декабря 1990 г., стр. 140, Джон Э. Грей , заместитель председателя Атлантического совета , цитируя статью о ядерном топливе « Вот идет тройка» , давая показания перед Подкомитет по экономической стабилизации (Комитет Палаты представителей США по банковскому делу, финансам и городским делам)
