Газовая центрифуга: принцип разделения изотопов газов
Gas centrifuge
Газовые центрифуги: разделение изотопов газов, обогащение урана-235 (235U). Принцип работы, преимущества перед газодиффузионным методом, применение в ядерной отрасли.
Газовая центрифуга – это устройство, выполняющее изотопное разделение газов. Центрифуга основана на принципах центробежной силы, ускоряющей молекулы, в результате чего частицы различной массы физически разделяются в градиенте вдоль радиуса вращающегося контейнера. Газовые центрифуги широко используются для разделения урана-235 (235U) от урана-238 (238U). Газовая центрифуга была разработана в качестве замены газодиффузионному методу извлечения урана-235. Высокая степень разделения этих изотопов достигается за счет использования множества отдельных центрифуг, соединенных последовательно, для получения последовательно более высоких концентраций. Этот процесс позволяет получать более высокие концентрации урана-235, потребляя значительно меньше энергии по сравнению с газодиффузионным процессом.
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.
Центробежный процесс
Центрифуга использует силу, возникающую в результате центробежного ускорения, для разделения молекул в зависимости от их массы и может применяться к большинству жидкостей. Более плотные (тяжелые) молекулы движутся к стенке, а более легкие остаются ближе к центру. Центрифуга состоит из жесткого ротора, вращающегося с постоянной скоростью на высокой скорости. Концентрические газовые трубки, расположенные на оси ротора, используются для подачи питающего газа в ротор и отвода обогащенных и обедненных потоков. Цилиндрический ротор расположен внутри корпуса, из которого откачивается воздух для обеспечения почти беспрепятственного вращения во время работы. Двигатель раскручивает ротор, создавая центробежную силу, действующую на компоненты при их попадании в цилиндрический ротор. Эта сила разделяет молекулы газа: более тяжелые молекулы движутся к стенке ротора, а более легкие – к центральной оси. Существует два выходных трубопровода: один для фракции, обогащенной целевым изотопом (например, U-235 при разделении урана), и один для обедненной. Эти фракции по выходным трубопроводам направляются в другие центрифуги для продолжения процесса центрифугирования. Процесс начинается с балансировки ротора в три этапа. Большинство технических деталей о газовых центрифугах труднодоступны, поскольку они окутаны «ядерной секретностью». Создание противотока использует эффект противоточного умножения для усиления сепарационного эффекта. Устанавливается вертикальный циркулирующий поток, при котором газ течет осево вдоль стенок ротора в одном направлении, а обратный поток – ближе к центру ротора. Центробежное разделение продолжается (более тяжелые молекулы предпочтительно движутся наружу), что означает, что более тяжелые молекулы собираются потоком вдоль стенки, а более легкая фракция – на другом конце. В центрифуге с нисходящим потоком вдоль стенки более тяжелые молекулы собираются внизу. Выпускные лопатки располагаются на концах роторной камеры, а питательная смесь вводится вдоль оси камеры (в идеале – в точке, где состав смеси в роторе соответствует составу питающей смеси). Этот противоток может быть индуцирован механически, термически или комбинированно. При механической индукции противотока для создания потока используется расположение (неподвижных) лопаток и внутренних конструкций ротора. Лопатка взаимодействует с газом, замедляя его, что приводит к его увлечению к центру ротора. Лопатки на каждом конце создают встречные потоки, поэтому одна из них защищена от потока «перегородкой» – перфорированным диском внутри ротора, который вращается вместе с газом. На этом конце ротора поток направлен наружу, к стенке ротора. Таким образом, в центрифуге с перегородкой у верхней лопатки поток вдоль стенки направлен вниз, а более тяжелые молекулы собираются внизу. Термически индуцированные конвекционные потоки могут быть созданы путем нагрева нижней части центрифуги и/или охлаждения верхней части.
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.
Отделяем уран-235 от урана-238
Для разделения урана требуется, чтобы материал находился в газообразном состоянии; для обогащения урана используется гексафторид урана (UF6). При поступлении в цилиндр центрифуги газ UF6 вращается с высокой скоростью. Вращение создает сильную центробежную силу, которая притягивает больше тяжелых молекул газа (содержащих U-238) к стенке цилиндра, а более легкие молекулы газа (содержащие U-235) стремятся собираться ближе к центру. Поток, немного обогащенный U-235, отбирается и подается на следующую, более высокую ступень, а поток, немного обедненный, возвращается на следующую, более низкую ступень.
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.
Разделение изотопов цинка
Для некоторых применений в ядерных технологиях необходимо снизить содержание цинка-64 в металлическом цинке, чтобы предотвратить образование радиоизотопов в результате его нейтронной активации. Диэтилцинк используется как газообразная рабочая среда для центрифужной каскада. Примером конечного продукта является обедненный оксид цинка, применяемый в качестве ингибитора коррозии.
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.
История
Центробежный процесс был предложен в 1919 году, но впервые успешно реализован в 1934 году. Американский ученый Джесси Бимс и его команда из Университета Вирджинии разработали этот процесс, разделив два изотопа хлора с помощью вакуумной ультрацентрифуги. Он являлся одним из первых методов изотопного разделения, рассматриваемых в рамках Манхэттенского проекта, в особенности Гарольдом Юри и Карлом П. Коэном, однако исследования были прекращены в 1944 году, поскольку считалось, что метод не даст результатов к концу войны, а другие способы обогащения урана (газовая диффузия и электромагнитное разделение) имели больше шансов на успех в краткосрочной перспективе. Этот метод успешно применялся в советской ядерной программе, сделав Советский Союз наиболее эффективным поставщиком обогащенного урана. Франц Симон, Рудольф Пейерлс, Клаус Фукс и Николас Курти внесли значительный вклад в развитие центробежного процесса. Пол Дирак также внес важный теоретический вклад в центробежный процесс во время Второй мировой войны, разработав фундаментальную теорию процессов разделения, которая лежит в основе проектирования и анализа современных предприятий по обогащению 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 обладающим многочисленными другими преимуществами. Исследования физических характеристик центрифуг проводились пакистанским ученым Абдулом Кадиром Ханом в 1970-х – 1980-х годах с использованием вакуумных методов для расширения роли центрифуг в разработке ядерного топлива для атомной бомбы Пакистана. Один из ученых вспоминал: «Никто в мире не использовал [газовый] центрифугирующий метод для производства урана оружейного качества. Это было бесперспективно. Он просто тратил время». Несмотря на скептицизм, программа быстро доказала свою осуществимость. Обогащение с помощью центрифуги применялось в экспериментальной физике, и к концу XX века этот метод был контрабандой вывезен в по крайней мере три разные страны.
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.