Gaz santrifüjü - Gas centrifuge

Uranyum izotoplarını ayırmak için kullanılan, ters akımlı bir gaz santrifüjünün şeması.

Bir gaz santrifüjü , gazların izotop ayrımını gerçekleştiren bir cihazdır . Bir santrifüj , molekülleri hızlandıran merkezcil kuvvet ilkelerine dayanır, böylece farklı kütlelere sahip parçacıklar, dönen bir kabın yarıçapı boyunca bir gradyan içinde fiziksel olarak ayrılır. Gaz santrifüjlerinin belirgin bir kullanımı, uranyum-235'in ( ²³⁵ U) uranyum-238'den ( ²³⁸ U) ayrılması içindir . Gaz santrifüjü, uranyum-235 ekstraksiyonunun gazlı difüzyon yönteminin yerini almak üzere geliştirilmiştir . Bu izotopların yüksek derecede ayrılması, art arda daha yüksek konsantrasyonlar elde eden, kademeli olarak düzenlenmiş birçok ayrı santrifüjün kullanılmasına dayanır. Bu işlem, gazlı difüzyon işlemine kıyasla önemli ölçüde daha az enerji kullanırken daha yüksek konsantrasyonlarda uranyum-235 verir.

santrifüj işlemi

Santrifüj merkezcil sonuçlanan kuvvetin dayanır hızlanma kendi kütlesine göre ayrı molekül arasında, en sıvıları için uygulanabilir. Yoğun (ağır) moleküller duvara doğru hareket eder ve daha hafif olanlar merkeze yakın kalır. Santrifüj, yüksek hızda tam periyodda dönen rijit gövdeli bir rotordan oluşur. Rotorun ekseninde bulunan eş merkezli gaz tüpleri, besleme gazını rotora vermek ve daha ağır ve daha hafif ayrılmış akışları çıkarmak için kullanılır. İçin ²³⁵ U, üretim, ağır akışı atık akımı ve hafif akış ürünü akışıdır. Modern Zippe tipi santrifüjler , merkezde yükselen ve santrifüjün çevresinde alçalan bir konvektif sirkülasyon oluşturmak için uygulanan dikey bir sıcaklık gradyanı ile dikey bir eksen üzerinde dönen uzun silindirlerdir. Bu karşıt akışlar arasındaki difüzyon, ters akım çarpma prensibi ile ayrımı arttırır .

Uygulamada, tek bir santrifüjün ne kadar uzun yapılabileceğinin sınırları olduğundan, bu tür birkaç santrifüj seri olarak bağlanır. Her santrifüj bir girdi alır ve hafif ve ağır fraksiyonlara karşılık gelen iki çıkış hattı üretir . Her santrifüjün girişi, bir önceki santrifüjün çıkışı (hafif) ve bir sonraki aşamanın çıkışıdır (ağır). Bu, son santrifüjün çıkışından (hafif) neredeyse saf bir ışık fraksiyonu ve ilk santrifüjün çıkışından (ağır) neredeyse saf bir ağır fraksiyon üretir.

Gaz santrifüj işlemi

Zenginleştirilmiş uranyum üretmek için kullanılan gaz santrifüjlerinin kademeli. ABD gaz santrifüjü, Piketon, Ohio, 1984'te test yatağı. Her santrifüj yaklaşık 40 fit (12 m) uzunluğundadır. (Günümüzde kullanılan geleneksel santrifüjler çok daha küçüktür, yüksekliği 5 metreden (16 ft) daha azdır.)

Gaz santrifüj işlemi, gazın sürekli olarak santrifüj içine ve dışına akmasına izin veren benzersiz bir tasarım kullanır. Yığın işlemeye dayanan çoğu santrifüjün aksine , gaz santrifüjü, art arda birden fazla aynı işlemin gerçekleştiği basamaklandırmaya izin veren sürekli işleme kullanır. Gaz santrifüjü, silindirik bir rotor , bir kasa, bir elektrik motoru ve malzemenin hareket etmesi için üç hattan oluşur. Gaz santrifüjü, santrifüjü tamamen saran bir kasa ile tasarlanmıştır. Silindirik rotor, çalışırken neredeyse sürtünmesiz bir dönüş sağlamak için tüm havayı boşaltan kasanın içine yerleştirilmiştir . Motor, rotoru döndürür ve bileşenler silindirik rotora girerken bunlar üzerinde merkezcil kuvvet oluşturur. Bu kuvvet, daha ağır moleküllerin rotorun duvarına doğru hareket etmesi ve daha hafif moleküllerin merkezi eksene doğru hareket etmesiyle gaz moleküllerini ayırmaya etki eder. İki çıkış hattı vardır, biri istenen izotopta zenginleştirilmiş fraksiyon için (uranyum ayrımında, bu U-235'tir) ve diğeri de tükenmiştir. Çıkış hatları, santrifüj işlemine devam etmek için bu ayrımları diğer santrifüjlere götürür. Rotor üç aşamada dengelendiğinde süreç başlar. Gaz santrifüjleriyle ilgili teknik ayrıntıların çoğu, "nükleer gizlilik" içinde olduklarından elde edilmesi zordur.

İngiltere'de kullanılan ilk santrifüjler, epoksi emdirilmiş cam elyafa sarılmış bir alaşım gövde kullanıyordu. Montajın dinamik balansı, balans test ünitesi tarafından belirtilen yerlere küçük epoksi izleri eklenerek sağlandı. Motor genellikle silindirin alt kısmında bulunan gözleme tipindeydi. İlk birimler tipik olarak yaklaşık 2 metre uzunluğundaydı (yaklaşık), ancak sonraki gelişmeler yavaş yavaş uzunluğu artırdı. Şimdiki neslin boyu 4 metrenin üzerinde. Yataklar gaz bazlı cihazlardır, çünkü mekanik yataklar bu santrifüjlerin normal çalışma hızlarında hayatta kalamaz.

Santrifüjlerin bir bölümü, elektronik (yoğun) bir invertörden gelen değişken frekanslı AC ile beslenecektir, bu da onları yavaş yavaş istenen hıza, genellikle 50.000 rpm'nin üzerine çıkaracaktır. Bir önlem, silindirin rezonans sorunları yaşadığı bilinen frekansları hızla geçmekti. İnverter, 1 kilohertz civarındaki frekanslarda çalışabilen yüksek frekanslı bir ünitedir. Tüm süreç normalde sessizdir; bir santrifüjden gelen bir ses duyulursa, bu bir arıza uyarısıdır (normalde çok hızlı gerçekleşir). Kaskadın tasarımı, normalde, kaskadın çalışmasından ödün vermeden en az bir santrifüj ünitesinin arızalanmasına izin verir. Birimler normalde çok güvenilirdir ve ilk modelleri 30 yılı aşkın süredir kesintisiz olarak çalışmaktadır.

Daha sonraki modeller, ayırma verimliliği üzerinde en fazla etkiye sahip olan santrifüj duvarının hızı olduğundan, santrifüjlerin dönüş hızını istikrarlı bir şekilde artırdı.

Santrifüjlerin kademeli sisteminin bir özelliği, tamamen yeni bir santrifüj hattı kurmak yerine, mevcut kuruluma uygun yerlerde kademeli "bloklar" ekleyerek tesis verimini kademeli olarak artırmanın mümkün olmasıdır.

Eşzamanlı ve ters akımlı santrifüjler

En basit gaz santrifüjü, rotorun dönüşünün santrifüj etkileri tarafından ayırıcı etkinin üretildiği eşzamanlı santrifüjdür. Bu santrifüjlerde, ağır kısım rotorun çevresinde, hafif kısım ise dönme eksenine yakın kısımda toplanır.

Bir karşı akım akışının indüklenmesi , ayırıcı etkiyi geliştirmek için karşı akım çarpmasını kullanır . Gazın rotor duvarları boyunca bir yönde eksenel olarak aktığı ve rotorun merkezine daha yakın bir geri dönüş akışıyla dikey bir dolaşım akımı kurulur. Santrifüj ayırma eskisi gibi devam eder (daha ağır moleküller tercihen dışa doğru hareket eder), bu da daha ağır moleküllerin duvar akışı tarafından toplandığı ve daha hafif fraksiyonun diğer uçta toplandığı anlamına gelir. Duvar akışı aşağı doğru olan bir santrifüjde, daha ağır moleküller altta toplanır. Çıkış kepçeleri daha sonra, boşluğun ekseni boyunca enjekte edilen besleme karışımı ile rotor boşluğunun uçlarına yerleştirilir (ideal olarak, enjeksiyon noktası, rotordaki karışımın beslemeye eşit olduğu noktadır).

Bu karşı akım akışı, mekanik veya termal olarak veya bir kombinasyonla indüklenebilir. Mekanik olarak indüklenen karşı akım akışında, akışı oluşturmak için (sabit) kepçelerin ve dahili rotor yapılarının düzenlenmesi kullanılır. Bir kepçe, gazı yavaşlatarak gazla etkileşime girer ve bu da gazın rotorun merkezine çekilmesine neden olur. Her iki uçtaki kepçeler karşıt akımları indükler, bu nedenle bir kepçe bir "bölme" ile akıştan korunur: rotor içinde gazla birlikte dönen delikli bir disk - rotorun bu ucunda, akış dışa doğru olacaktır. rotor duvarı. Böylece üst kepçesi şaşkın bir santrifüjde duvar akışı aşağı doğru olur ve daha ağır moleküller altta toplanır.

Santrifüjün alt kısmının ısıtılması ve/veya üst ucunun soğutulmasıyla termal olarak indüklenen konveksiyon akımları oluşturulabilir.

Ayırıcı çalışma birimleri

Ayırıcı iş birimi (SWU) santrifüj ile yapılan iş miktarının bir ölçüsüdür ve (tipik olarak kütle birimine sahip ayırıcı iş ünitesini kilogram ). Çalışma gerekli kitle ayırmak için tahlilinin besleme kütlesi halinde ürün deneyinin ve kütle kuyrukları ve tahlil ifade tarafından verilen, gerekli ayırıcı iş birimlerinin sayısı olarak ifade edilir${\displaystyle W_{\mathrm {SWU} }}$${\görüntüleme stili F}$${\displaystyle x_{f}}$${\görüntüleme stili P}$${\displaystyle x_{p}}$${\görüntüleme stili T}$${\displaystyle x_{t}}$

${\displaystyle W_{\mathrm {SWU} }=P\cdot V\sol(x_{p}\sağ)+T\cdot V(x_{t})-F\cdot V(x_{f})}$

burada bir değer fonksiyonu olarak tanımlanır${\görüntüleme stili V\sol(x\sağ)}$

${\displaystyle V(x)=(1-2x)\cdot \ln \sol({\frac {1-x}{x}}\sağ)}$

Santrifüjün pratik uygulaması

Uranyum-235'i uranyum-238'den ayırma

Uranyumun ayrılması, malzemenin gaz halinde olmasını gerektirir; uranyum zenginleştirme için uranyum heksaflorür (UF ₆ ) kullanılır . Santrifüj silindirine girdikten sonra UF ₆ gazı yüksek hızda döndürülür. Dönme, daha ağır gaz moleküllerini (U-238'i içeren) silindirin duvarına doğru çeken güçlü bir merkezkaç kuvveti yaratırken, daha hafif gaz molekülleri (U-235'i içeren) merkeze daha yakın bir yerde toplanma eğilimi gösterir. U-235'te biraz zenginleştirilmiş akış çekilir ve bir sonraki yüksek aşamaya beslenirken, biraz tükenmiş akış bir sonraki alt aşamaya geri dönüştürülür.

çinko izotoplarının ayrılması

Nükleer teknolojide bazı kullanımlar için, içeriği çinko-64 içinde çinko metali oluşmasını önlemek için düşürülmüştür gereken radyoizotoplar onun tarafından nötron etkinleştirme . Dietil çinko , santrifüj kaskadı için gazlı besleme ortamı olarak kullanılır. Ortaya çıkan malzemeye bir örnek, korozyon önleyici olarak kullanılan tükenmiş çinko oksittir .

Tarih

1919'da önerilen santrifüj işlemi ilk olarak 1934'te başarılı bir şekilde gerçekleştirildi. Amerikalı bilim adamı Jesse Beams ve Virginia Üniversitesi'ndeki ekibi, bir vakum ultrasantrifüj yoluyla iki klor izotopunu ayırarak işlemi geliştirdi . Manhattan Projesi sırasında , daha özel olarak Harold Urey ve Karl P. Cohen tarafından izlenen ilk izotopik ayırma yöntemlerinden biriydi , ancak yöntemin savaşın sonuna kadar sonuç üretemeyeceği hissedildiği için 1944'te araştırma durduruldu. ve diğer uranyum zenginleştirme araçlarının ( gazlı difüzyon ve elektromanyetik ayırma ) kısa vadede daha iyi bir başarı şansına sahip olduğu. Bu yöntem Sovyet nükleer programında başarıyla kullanıldı ve Sovyetler Birliği'ni zenginleştirilmiş uranyumun en etkili tedarikçisi haline getirdi .

Uzun vadede, özellikle Zippe tipi santrifüjün gelişmesiyle birlikte, gaz santrifüjü, diğer yöntemlere göre çok daha az enerji kullanan ve çok sayıda başka avantajı olan çok ekonomik bir ayırma modu haline geldi.

Santrifüjlerin fiziksel performansına ilişkin araştırmalar, Pakistan'ın atom bombası için nükleer yakıtın geliştirilmesinde santrifüjlerin rolünü geliştirmek için vakum yöntemleri kullanılarak 1970'lerde ve 80'lerde Pakistanlı bilim adamı Abdul Qadeer Khan tarafından gerçekleştirildi . Khan ile çalışan teorisyenlerin çoğu, hem gaz halindeki hem de zenginleştirilmiş uranyumun zamanında uygulanabilir olacağından emin değildi. Bir bilim adamı şöyle hatırladı: "Dünyada hiç kimse askeri kalitede uranyum üretmek için [gaz] santrifüj yöntemini kullanmadı... Bu işe yaramayacaktı. O sadece zaman kaybediyordu." Şüpheciliğe rağmen, programın uygulanabilir olduğu kısa sürede kanıtlandı. Santrifüj yoluyla zenginleştirme deneysel fizikte kullanılmış ve yöntem 20. yüzyılın sonuna kadar en az üç farklı ülkeye kaçırılmıştır .

Ayrıca bakınız

• nükleer teknoloji
• Nükleer güç
• Nükleer yakıt

Dipnotlar

Referanslar

Dış bağlantılar

• Alsos Dijital Kütüphanesinden gaz santrifüjü hakkında açıklamalı kaynakça
• Santrifüjün Tarihçesi
• Gaz Santrifüjü Nedir?
• Amerika Birleşik Devletleri Hükümeti ile Fransa Cumhuriyeti'nin Dört Hükümeti, Büyük Britanya ve Kuzey İrlanda Birleşik Krallığı, Hollanda Krallığı ve Federal Almanya Cumhuriyeti Arasında Uranyumun Kurulması, İnşası ve İşletilmesine İlişkin Anlaşma Amerika Birleşik Devletleri'nde Gaz Santrifüj Teknolojisini Kullanan Tesisleri Zenginleştirme Amerika Birleşik Devletleri Dışişleri Bakanlığı