Введение
Процесс аэродинамического обогащения урана
Процесс вихревого разделения "Helikon" – это процесс аэродинамического обогащения урана, разработанный на основе устройства, называемого вихревой трубкой. Пол Дирак задумал идею разделения изотопов и попытался создать такое устройство в 1934 году в лаборатории Питера Капицы в Кембридже. Другие методы разделения были более практичными в то время, но этот метод был разработан и использован в Южной Африке для производства реакторного топлива с содержанием урана-235 около 3–5% и 80–93% обогащенного урана для использования в ядерном оружии. Южноафриканская корпорация по обогащению урана, Ltd. (UCOR) разработала этот процесс, эксплуатируя предприятие в Пелиндабе (известное как завод "Y") для производства сотен килограммов высокообогащенного урана. Процессы аэродинамического обогащения требуют больших затрат электроэнергии и обычно не считаются экономически выгодными из-за высокого энергопотребления и значительных требований к отводу отработанного тепла. Однако он имеет и другие преимущества, например, в простоте и отсутствии необходимости в высокой точности, даже если это более дорогостоящее решение. Южноафриканский завод по обогащению был закрыт 1 февраля 1990 года.
The Helikon vortex separation process is an aerodynamic uranium enrichment process designed around a device called a vortex tube. Paul Dirac thought of the idea for isotope separation and tried creating such a device in 1934 in the lab of Peter Kapitza at Cambridge. Other methods of separation were more practical at that time, but this method was designed and used in South Africa for producing reactor fuel with a uranium 235 content of around 3–5%, and 80–93% enriched uranium for use in nuclear weapons. The Uranium Enrichment Corporation of South Africa, Ltd. (UCOR) developed the process, operating a facility at Pelindaba (known as the 'Y' plant) to produce hundreds of kilograms of HEU. Aerodynamic enrichment processes require large amounts of electricity and are not generally considered economically competitive because of high energy consumption and substantial requirements for removal of waste heat. There are other ways in which it is advantageous, e. g. In simplicity, lack of precision required, even if more expensive. The South African enrichment plant was closed on 1 February 1990.
Процесс
В процессе вихревого разделения смесь газа гексафторида урана и водорода вводится тангенциально в трубку с одного конца через сопла или отверстия со скоростью, близкой к скорости звука. Трубка сужается к небольшому выходному отверстию на одном или обоих концах. Это тангенциальное введение газа приводит к спиральному или вихревому движению внутри трубки, и два потока газа отводятся с противоположных концов вихревой трубки; центробежная сила обеспечивает изотопное разделение. Спиральный вращающийся поток затухает ниже точки подачи из-за трения о стенку трубки. Следовательно, внутренний диаметр трубки обычно уменьшается для снижения затухания скорости вращающегося потока. Этот процесс характеризуется разделяющим элементом с очень малым коэффициентом отбора продукта (отношением потока продукта к потоку питания) – около 1/20, и высокими рабочими давлениями процесса. Из-за чрезвычайно сложной трубопроводной системы, необходимой для соединения каскадов, конструкция была развита в каскадную технологию (под названием Helikon), в которой 20 ступеней разделения объединяются в один модуль, и все 20 ступеней используют общую пару осевых компрессоров. Основным требованием для успешной работы этого метода является то, что осевые компрессоры эффективно передают параллельные потоки различных изотопных составов без существенного смешивания. Типичный модуль Helikon состоит из большого цилиндрического стального сосуда, содержащего 20 сепарационных узлов, а также два компрессора (по одному на каждом конце) и два водяных теплообменника. Преимуществами этого процесса являются отсутствие опасений по поводу критичности из-за сильно разбавленного исходного материала и пригодность для периодической обработки. Это означает, что установки типа Helikon могут быть относительно небольшими, что делает эту технологию проблемой распространения ядерного оружия.