Газдық центрифуга – изотоптарды бөлу құрылмысы. Уран-235 пен уран-238-ді ажыратуға қолданылады, диффузия әдісінен артық. Көп центрифугалар қатарымен тиімдірек бөлуге мүмкіндік береді.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Газдарды изотоптық бөлуді жүзеге асыратын құрылғы
Device that performs isotope separation of gases
Газ центрифугасы – газдарды изотоптық бөлуді жүзеге асыратын құрылғы. Центрифуга молекулаларды центрифугалық күш арқылы жылдамдатып, әр түрлі массадағы бөлшектерді айналмалы контейнер радиусы бойынша градиент бойымен физикалық түрде бөліп алады. Газ центрифугаларының ең маңызды қолданылуы – уран-235 (235U) изотопын уран-238 (238U) изотопынан бөлу. Газ центрифугасы уран-235-ті өндірудің газдық диффузия әдісін алмастыру мақсатымен әзірленді. Бұл изотоптарды жоғары дәрежеде бөлу үшін көптеген жеке центрифугалар тізбектей орналастырылады, олар біртіндеп концентрацияны арттырады. Бұл процесте газдық диффузия процесімен салыстырғанда едәуір аз энергия қолданылып, уран-235-тің жоғары концентрациясы алынады.
A gas centrifuge is a device that performs isotope separation of gases. A centrifuge relies on the principles of centrifugal force accelerating molecules so that particles of different masses are physically separated in a gradient along the radius of a rotating container. A prominent use of gas centrifuges is for the separation of uranium 235 (235U) from uranium 238 (238U). The gas centrifuge was developed to replace the gaseous diffusion method of uranium 235 extraction. High degrees of separation of these isotopes relies on using many individual centrifuges arranged in series, that achieve successively higher concentrations. This process yields higher concentrations of uranium 235 while using significantly less energy compared to the gaseous diffusion process.
Орталықтан шығару процесі
Центрифуга молекулаларды олардың массасына қарай бөлу үшін центрифугалық үдеуден туындайтын күшке сүйенеді және оны көптеген сұйықтықтарға қолдануға болады. Тығыз (ауыр) молекулалар қабырғаға қарай қозғалады, ал жеңіл молекулалар орталыққа жақын қалады. Центрифуга жоғары жылдамдықпен толық айналатын қатты дене роторынан тұрады. Ротор осіне орналасқан концентрлі газ түтікшелері роторға бастапқы газды беру және ауыр және жеңіл бөлінген ағындарды алу үшін қолданылады. Цилиндрлі ротор корпустың ішінде орналасқан, ол жұмыс істеген кезде мүлдем ауасы сорылып, дерлік үйкеліссіз айналу қамтамасыз етіледі. Двигатель роторды айналдырады, осылайша цилиндрлік роторға кірген кезде компоненттерге центробектік күш тудырады. Бұл күш газ молекулаларын бөліп, ауыр молекулалар ротор қабырғасына, ал жеңіл молекулалар орталық осіне қарай қозғалады. Екі шығару құбыры бар, біреуі қажетті изотопқа байытылған фракция үшін (уранды бөлуде бұл U 235), екіншісі одан кемітілген. Шығару құбырлары осы бөліністерді басқа центрифугаларға жеткізіп, центрифугалау процесін жалғастырады. Процесс ротордың үш сатыда теңгерілуімен басталады. Газ центрифугалары туралы техникалық егжей-тегжейлі мәліметтерді алу қиын, өйткені олар "ядролық құпиямен" қоршалған. Кері ағынды тудыру бөлгіш әсерін күшейту үшін кері ағымды көбейтуді пайдаланады. Ротор қабырғалары бойымен бір бағытта осьтік ағып жатқан газды тік айналым ағыны құрылады, ал ротордың ортасына жақын кері ағын пайда болады. Орталықтан бөлу бұрынғыдай жалғасады (ауыр молекулалар басымдықпен сыртқа қарай қозғалады), яғни ауыр молекулалар қабырға ағынымен жиналады, ал жеңіл фракция екінші жағында жиналады. Қабырға ағыны төмен қарай бағытталған центрифугада ауыр молекулалар төменгі жағында жиналады. Содан кейін шығару жинағыштары ротор қуысының шеттеріне орналастырылады, ал бастапқы қоспа қуыстың осі бойымен (идеалды жағдайда, инъекция нүктесі ротордағы қоспа бастапқы қоспаға тең болатын нүктеде) енгізіледі. Бұл кері ағынды механикалық немесе термиялық жолмен немесе олардың үйлесімімен тудыруға болады. Механикалық түрде тудырылған кері ағын кезінде ағынды жасау үшін (тұрақты) жинағыштардың орналасуы және ішкі ротор құрылымдары қолданылады. Жинағыш газбен өзара әрекеттеседі, оны баяулатып, ротордың ортасына тартады. Әр ұшқыш жинағыштар қарама-қарсы ағындарды тудырады, сондықтан бір жинағыш "қорғағышпен" қорғалады: ротордың ішінде тесілген диск, ол газбен бірге ротордың осы ұшымен бірге айналады, ағысы сыртқа қарай, ротор қабырғасына қарай болады. Осылайша, жоғарғы жағы қорғалған центрифугадағы қабырға ағыны төмен қарай, ал ауыр молекулалар төменгі жағында жиналады. Термиялық түрде тудырылған конвекциялық ағындарды центрифуганың төменгі бөлігін қыздыру және/немесе жоғарғы бөлігін салқындату арқылы жасауға болады.
The centrifuge relies on the force resulting from centrifugal acceleration to separate molecules according to their mass, and can be applied to most fluids. The dense (heavier) molecules move towards the wall and the lighter ones remain close to the center. The centrifuge consists of a rigid body rotor rotating at full period at high speed. Concentric gas tubes located on the axis of the rotor are used to introduce feed gas into the rotor and extract the heavier and lighter separated streams. The cylindrical rotor is located inside the casing, which is evacuated of all air to produce a near frictionless rotation when operating. The motor spins the rotor, creating the centrifugal force on the components as they enter the cylindrical rotor. This force acts to separate the molecules of the gas, with heavier molecules moving towards the wall of the rotor, and the lighter molecules towards the central axis. There are two output lines, one for the fraction enriched in the desired isotope (in uranium separation, this is U 235), and one depleted in it. The output lines take these separations to other centrifuges to continue the centrifugation process. The process begins when the rotor is balanced in three stages. Most of the technical details on gas centrifuges are difficult to obtain because they are shrouded in "nuclear secrecy". Inducing a countercurrent flow uses countercurrent multiplication to enhance the separative effect. A vertical circulating current is set up, with the gas flowing axially along the rotor walls in one direction, and a return flow closer to the center of the rotor. The centrifugal separation continues as before (heavier molecules preferentially moving outwards), which means that the heavier molecules are collected by the wall flow, and the lighter fraction collects at the other end. In a centrifuge with downward wall flow, the heavier molecules collect at the bottom. The outlet scoops are then placed at the ends of the rotor cavity, with the feed mixture injected along the axis of the cavity (ideally, the injection point is at the point where the mixture in the rotor is equal to the feed). This countercurrent flow can be induced mechanically or thermally, or a combination. In mechanically induced countercurrent flow, the arrangement of the (stationary) scoops and internal rotor structures are used to generate the flow. A scoop interacts with the gas by slowing it, which tends to draw it into the centre of the rotor. The scoops at each end induce opposing currents, so one scoop is protected from the flow by a "baffle": a perforated disc within the rotor which rotates along with the gas—at this end of the rotor, the flow will be outwards, towards the rotor wall. Thus, in a centrifuge with a baffled top scoop, the wall flow is downwards, and heavier molecules are collected at the bottom. Thermally induced convection currents can be created by heating the bottom of the centrifuge and/or cooling the top end.
Уран-235-ті уран-238-тен бөлу
Уранды бөлу үшін материалды газ күйінде ұстау қажет; уранды байыту үшін уран гексафториді (UF6) қолданылады. UF6 газы центрифуга цилиндріне енген кезде жоғары жылдамдықпен айналады. Айналу күшті центробегтік күшті жасайды, ол цилиндрдің қабырғасына қарай ауыр газ молекулаларының (U 238-ді қамтитын) көбін тартады, ал жеңіл газ молекулалары (U 235-ті қамтитын) орталыққа қарай жиналады. U-235-ке қатысты аздап байытылған ағын келесі жоғары деңгейге жіберіледі, ал аздап азайтылған ағын келесі төменгі деңгейге қайта жіберіледі.
The separation of uranium requires the material in a gaseous form; uranium hexafluoride (UF6) is used for uranium enrichment. Upon entering the centrifuge cylinder, the UF6 gas is rotated at a high speed. The rotation creates a strong centrifugal force that draws more of the heavier gas molecules (containing the U 238) toward the wall of the cylinder, while the lighter gas molecules (containing the U 235) tend to collect closer to the center. The stream that is slightly enriched in U 235 is withdrawn and fed into the next higher stage, while the slightly depleted stream is recycled back into the next lower stage.
Цинк изотоптарын бөлу
Ядролық технологияның кейбір салаларында цинк металлындағы цинк-64 мөлшерін нейтрондық белсендіру арқылы радиоизотоптардың түзілуін болдырмау үшін төмендету қажет. Диэтилцинк центрифуга каскадына газ тәрізді қоректендіру ортасы ретінде қолданылады. Соның салдарынан пайда болатын материалдың мысалы – коррозияға қарсы ингибитор ретінде қолданылатын таусылған цинк оксиді.
For some uses in nuclear technology, the content of zinc 64 in zinc metal has to be lowered in order to prevent formation of radioisotopes by its neutron activation. Diethyl zinc is used as the gaseous feed medium for the centrifuge cascade. An example of a resulting material is depleted zinc oxide, used as a corrosion inhibitor.
Тарих
1919 жылы ұсынылған центрифугалық процесс алғаш рет 1934 жылы сәтті орындалды. Америкалық ғалым Джесси Бимс және оның Виргиния университетіндегі командасы екі хлор изотопын вакуумдік ультрацентрифуга арқылы бөліп, осы процесті әзірледі. Бұл Манхэттен жобасы барысында, әсіресе Гарольд Урей мен Карл П. Коэн тарапынан іздестірілген алғашқы изотоптық бөлу тәсілдерінің бірі болды, бірақ 1944 жылы зерттеулер тоқтатылды, себебі бұл әдіс соғыс аяқталғанға дейін нәтиже бермейді деп саналды, ал уранды байытудың басқа тәсілдері (газды диффузия және электромагниттік бөлу) жақын уақытта сәттілікке жете алады деген үміт болды. Бұл әдіс Кеңес Одағының ядролық бағдарламасында табысты қолданылып, Совет Одағын байытылған уранның ең тиімді жеткізушісіне айналдырды. Франц Симон, Рудольф Пейерлс, Клаус Фукс және Николас Курти центрифугалық процеске маңызды үлес қосты. Пауль Дирак Екінші дүниежүзілік соғыс кезінде центрифугалық процеске маңызды теориялық үлес қосты. Дирак қазіргі заманғы уран байыту зауыттарының жобалау және талдауының негізінде жатқан бөліну процестерінің негізгі теориясын жасады. Ұзақ мерзімді перспективада, әсіресе Zippe типіндегі центрифуганың дамуымен, газ центрифугасы бөлудің өте экономикалық әдісіне айналды, ол басқа әдістерге қарағанда едәуір аз энергияны қолданады және көптеген артықшылықтарға ие. 1970-1980 жылдары пакистандық ғалым Абдул Кадир Хан центрифугалардың физикалық өнімділігін зерттеді, Пәкістанның атом бомбасын жасауда центрифугалардың рөлін арттыру үшін вакуумдық әдістерді пайдаланды. Бір ғалым еске алды: "Әлемде ешкім [газ] центрифуга әдісімен әскери сападағы уран өндірген емес. Бұл жұмыс істемейді. Ол тек уақытын босқа кетіріп жатыр". Шүбхеге қарамастан, бағдарламаның орындалуы мүмкін екені тез дәлелденді. Центрифуга арқылы байыту тәжірибелік физикада қолданылды, ал бұл әдіс 20 ғасырдың соңына дейін кем дегенде үш елге жасырын түрде жеткізілді.
Suggested in 1919, the centrifugal process was first successfully performed in 1934. American scientist Jesse Beams and his team at the University of Virginia developed the process by separating two chlorine isotopes through a vacuum ultracentrifuge. It was one of the initial isotopic separation means pursued during the Manhattan Project, more particularly by Harold Urey and Karl P. Cohen, but research was discontinued in 1944 as it was felt that the method would not produce results by the end of the war, and that other means of uranium enrichment (gaseous diffusion and electromagnetic separation) had a better chance of success in the short term. This method was successfully used in the Soviet nuclear program, making the Soviet Union the most effective supplier of enriched uranium. Franz Simon, Rudolf Peierls, Klaus Fuchs and Nicholas Kurti made important contributions to the centrifugal process. Paul Dirac also made important theoretical contributions to the centrifugal process during World War II. Dirac developed the fundamental theory of separation processes that underlies the design and analysis of modern uranium enrichment plants. In the long term, especially with the development of the Zippe type centrifuge, the gas centrifuge has become a very economical mode of separation, using considerably less energy than other methods and having numerous other advantages. Research in the physical performance of centrifuges was carried out by the Pakistani scientist Abdul Qadeer Khan in the 1970s–80s, using vacuum methods for advancing the role of centrifuges in the development of nuclear fuel for Pakistan's atomic bomb. One scientist recalled: "No one in the world has used the [gas] centrifuge method to produce military grade uranium This was not going to work. He was simply wasting time." In spite of skepticism, the program was quickly proven to be feasible. Enrichment via centrifuge has been used in experimental physics, and the method was smuggled to at least three different countries by the end of the 20th century.