Gass sentrifuger - Gas centrifuge

Diagram over en gass sentrifuge med motstrøm, brukt for å skille isotoper av uran.

En gass ​​sentrifuge er en enhet som utfører isotopseparasjon av gasser. En sentrifuge er avhengig av prinsippene for sentripetal kraftakselererende molekyler, slik at partikler med forskjellige masser blir fysisk skilt i en gradient langs radien til en roterende beholder. En fremtredende bruk av gass sentrifuger er for separasjon av uran-235 ( ²³⁵ U) fra uran-238 ( ²³⁸ U). Gass sentrifugen ble utviklet for å erstatte den gassformede diffusjonsmetoden for utvinning av uran-235. Høy grad av separasjon av disse isotopene er avhengig av å bruke mange individuelle sentrifuger anordnet i kaskade, som oppnår suksessivt høyere konsentrasjoner. Denne prosessen gir høyere konsentrasjoner av uran-235 mens den bruker betydelig mindre energi sammenlignet med den gassformede diffusjonsprosessen.

Sentrifugalprosess

Den sentrifuge er avhengig av den kraft som skyldes sentripetal akselerasjon for å separere molekyler i henhold til deres masse, og kan brukes på de fleste væsker. De tette (tyngre) molekylene beveger seg mot veggen, og de lettere forblir nær sentrum. Sentrifugen består av en stiv kroppsrotor som roterer i full periode med høy hastighet. Konsentriske gassrør plassert på rotoraksen brukes til å føre mategass inn i rotoren og trekke ut de tyngre og lettere separerte strømmer. For ²³⁵ U-produksjon er den tyngre strømmen avfallsstrømmen og den lettere strømmen er produktstrømmen. Moderne sentrifuger av Zippe-typen er høye sylindere som snurrer på en vertikal akse, med en vertikal temperaturgradient brukt for å skape en konvektiv sirkulasjon som stiger i midten og faller ned i periferien av sentrifugen. Diffusjon mellom disse motstridende strømmer øker separasjonen ved prinsippet om motstrømsmultiplikasjon .

I praksis, siden det er grenser for hvor høy en enkelt sentrifuge kan lages, er flere slike sentrifuger koblet i serie. Hver sentrifuge mottar en inngang og produserer to utgangslinjer, tilsvarende lette og tunge brøker . Inngangen til hver sentrifuge er utgangen (lys) fra forrige sentrifuge og utgangen (tung) fra neste trinn. Dette produserer en nesten ren lysfraksjon fra utgangen (lys) fra den siste sentrifugen og en nesten ren tung fraksjon fra utgangen (tung) fra den første sentrifugen.

Gass sentrifugeringsprosess

Kaskade av gass sentrifuger som brukes til å produsere beriket uran. Amerikansk gass sentrifuge testbed i Piketon, Ohio, 1984. Hver sentrifuge er omtrent 12 meter høy. (Konvensjonelle sentrifuger som brukes i dag er mye mindre, mindre enn 5 meter (16 fot) høye.)

Gass sentrifugeringsprosessen bruker en unik design som gjør at gass kontinuerlig kan strømme inn og ut av sentrifugen. I motsetning til de fleste sentrifuger som er avhengige av batch-prosessering , bruker gass-sentrifugen kontinuerlig prosessering, slik at kaskading, hvor flere identiske prosesser forekommer etter hverandre. Gass sentrifugen består av en sylindrisk rotor , et hylster, en elektrisk motor og tre linjer for materialet å bevege seg på. Gass sentrifugen er utformet med et foringsrør som helt lukker sentrifugen. Den sylindriske rotoren er plassert inne i huset, som evakueres av all luft for å gi en nesten friksjonsfri rotasjon når den brukes. Motoren spinner rotoren, og skaper den sentripetale kraften på komponentene når de kommer inn i den sylindriske rotoren. Denne kraften virker for å skille molekylene i gassen, med tyngre molekyler som beveger seg mot rotorveggen, og de lettere molekylene mot sentralaksen. Det er to utgangslinjer, en for fraksjonen beriket med ønsket isotop (i uranseparasjon er dette U-235), og en utarmet i den. Utgangslinjene tar disse skillene til andre sentrifuger for å fortsette sentrifugeringsprosessen. Prosessen begynner når rotoren balanseres i tre trinn. De fleste tekniske detaljene om gass sentrifuger er vanskelige å få tak i fordi de er innhyllet i "atomhemmelighold".

De tidlige sentrifugene som ble brukt i Storbritannia brukte et legeringslegeme pakket inn i epoxyimpregnert glassfiber. Dynamisk balansering av enheten ble oppnådd ved å tilsette små spor av epoksy på de stedene som er angitt av balanseringstestenheten. Motoren var vanligvis en type pannekake som var plassert i bunnen av sylinderen. De tidlige enhetene var vanligvis rundt 2 meter lange (ca.), men den påfølgende utviklingen økte gradvis lengden. Den nåværende generasjonen er over 4 meter lang. Lagrene er gassbaserte enheter, da mekaniske lagre ikke ville overleve ved normale driftshastigheter for disse sentrifuger.

En seksjon sentrifuger vil bli matet med variabel frekvens AC fra en elektronisk (bulk) inverter, som sakte vil rampe dem opp til den nødvendige hastigheten, vanligvis over 50.000 rpm. En forholdsregel var å raskt komme forbi frekvenser der sylinderen var kjent for å lide av resonansproblemer. Inverteren er en høyfrekvensenhet som kan fungere ved frekvenser rundt 1 kilohertz. Hele prosessen er normalt stille; hvis det høres en lyd som kommer fra en sentrifuge, er det en advarsel om feil (som normalt oppstår veldig raskt). Utformingen av kaskaden muliggjør normalt svikt i minst en sentrifugeenhet uten at kompromiss med driften av kaskaden. Enhetene er normalt veldig pålitelige, med tidlige modeller som har operert kontinuerlig i over 30 år.

Senere modeller har jevnlig økt rotasjonshastigheten til sentrifuger, ettersom det er hastigheten på sentrifugeveggen som har mest effekt på separasjonseffektiviteten.

Et trekk ved kaskadesystemet av sentrifuger er at det er mulig å øke anleggsgjennomstrømningen trinnvis ved å legge kaskade "blokker" til den eksisterende installasjonen på passende steder, i stedet for å måtte installere en helt ny linje med sentrifuger.

Samtidige og motstrøms sentrifuger

Den enkleste gassentrifugen er den samtidige sentrifugen, hvor separasjonseffekten produseres av sentrifugale effekter av rotorens rotasjon. I disse sentrifuger samles den tunge fraksjonen ved periferien til rotoren, og lysfraksjonen nærmere rotasjonsaksen.

Å indusere en motstrømsstrøm bruker motstrømsmultiplikasjon for å forbedre separasjonseffekten. En vertikal sirkulasjonsstrøm er satt opp, med gassen som strømmer aksialt langs rotorveggene i en retning, og en returstrøm nærmere sentrum av rotoren. Sentrifugalseparasjonen fortsetter som før (tyngre molekyler beveger seg fortrinnsvis utover), noe som betyr at de tyngre molekylene samles opp av veggstrømmen, og den lettere fraksjonen samler seg i den andre enden. I en sentrifuge med nedadgående veggstrøm samler de tyngre molekylene seg i bunnen. Utløpsskopene plasseres deretter i endene av rotorhulen, med tilførselsblandingen injisert langs hulrommet (ideelt sett er injeksjonspunktet på det punktet hvor blandingen i rotoren er lik tilføringen).

Denne motstrømmen kan induseres mekanisk eller termisk, eller en kombinasjon. I mekanisk indusert motstrøm brukes arrangementet av (stasjonære) skott og interne rotorstrukturer for å generere strømmen. En øse samhandler med gassen ved å bremse den, som har en tendens til å trekke den inn i midten av rotoren. Skovlene i hver ende induserer motsatte strømmer, slik at en skje er beskyttet mot strømmen av en "baffel": en perforert plate i rotoren som roterer sammen med gassen - i denne enden av rotoren vil strømmen være utover, mot rotorveggen. Dermed, i en sentrifuge med en forvirret toppskje, er veggstrømmen nedover, og tyngre molekyler samles i bunnen.

Termisk induserte konveksjonsstrømmer kan opprettes ved å varme opp bunnen av sentrifugen og / eller avkjøle toppenden.

Separate arbeidsenheter

Den separative arbeidsenheten (SWU) er et mål på mengden arbeid utført av sentrifugen og har masseenheter (typisk kilogram separativ arbeidsenhet ). Arbeidet som er nødvendig for å skille en mengde mating av analysen til en masse av produktanalysen , og haler av masse og analysen uttrykkes i antall antall separative arbeidsenheter som trengs, gitt av uttrykket${\ displaystyle W _ {\ mathrm {SWU}}}$${\ displaystyle F}$${\ displaystyle x_ {f}}$${\ displaystyle P}$${\ displaystyle x_ {p}}$${\ displaystyle T}$${\ displaystyle x_ {t}}$

${\ displaystyle W _ {\ mathrm {SWU}} = P \ cdot V \ venstre (x_ {p} \ høyre) + T \ cdot V (x_ {t}) - F \ cdot V (x_ {f})}$

hvor er verdifunksjonen , definert som${\ displaystyle V \ left (x \ right)}$

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

Praktisk anvendelse av sentrifugering

Skille uran-235 fra uran-238

Separasjonen av uran krever materialet i gassform; uranheksafluorid (UF ₆ ) brukes til uranberikelse . Når du kommer inn i sentrifugesylinderen, roteres UF _6- gassen med høy hastighet. Rotasjonen skaper en sterk sentrifugalkraft som trekker mer av de tyngre gassmolekylene (som inneholder U-238) mot sylinderveggen, mens de lettere gassmolekylene (som inneholder U-235) har en tendens til å samle seg nærmere sentrum. Strømmen som er litt beriket i U-235 blir trukket tilbake og matet inn i neste høyere trinn, mens den litt tømte strømmen resirkuleres tilbake til neste nedre trinn.

Separasjon av sinkisotoper

For noen anvendelser innen kjerneteknologi må innholdet av sink-64 i sinkmetall senkes for å forhindre dannelse av radioisotoper ved nøytronaktivering . Dietylsink brukes som gassformig tilførselsmedium for sentrifugekaskaden. Et eksempel på et resulterende materiale er utarmet sinkoksyd , brukt som korrosjonshemmende .

Historie

Foreslått i 1919 ble sentrifugalprosessen først vellykket utført i 1934. Amerikansk forsker Jesse Beams og hans team ved University of Virginia utviklet prosessen ved å skille to klorisotoper gjennom en vakuum- ultrasentrifuge . Det var en av de første isotopiske separasjonsmidlene som ble fulgt under Manhattan-prosjektet , nærmere bestemt av Harold Urey og Karl P. Cohen , men forskningen ble avviklet i 1944 da man følte at metoden ikke ville gi resultater innen krigens slutt, og at andre midler for uranberikelse ( gassdiffusjon og elektromagnetisk separasjon ) hadde bedre sjanse for å lykkes på kort sikt. Denne metoden ble vellykket brukt i det sovjetiske atomprogrammet , noe som gjorde Sovjetunionen til den mest effektive leverandøren av beriket uran .

På lang sikt, spesielt med utviklingen av sentrifugen av Zippe-typen , har gass sentrifugen blitt en veldig økonomisk separasjonsmåte ved å bruke betydelig mindre energi enn andre metoder og har mange andre fordeler.

Forskning i den fysiske ytelsen til sentrifuger ble utført av den pakistanske forskeren Abdul Qadeer Khan på 1970-80 tallet, ved hjelp av vakuummetoder for å fremme sentrifugenes rolle i utviklingen av atombrensel for Pakistans atombombe . Mange av teoretikerne som jobbet med Khan var usikre på at enten gassformet og beriket uran ville være mulig i tide. En forsker husket: "Ingen i verden har brukt [gass] sentrifugemetoden til å produsere uran av militær kvalitet ... Dette kom ikke til å fungere. Han kaster bort tid." Til tross for skepsis ble programmet raskt vist seg å være gjennomførbart. Berikelse via sentrifuge har blitt brukt i eksperimentell fysikk, og metoden ble smuglet til minst tre forskjellige land innen slutten av 1900-tallet.

Se også

• Atomteknologi
• Kjernekraft
• Atomdrivstoff

Fotnoter

Referanser

Eksterne linker

• Kommentert bibliografi om gass sentrifugen fra Alsos digitale bibliotek
• Historien om sentrifugen
• Hva er en gass sentrifuge?
• Avtale mellom regjeringen i Amerikas forente stater og de fire regjeringene i Den franske republikk, Det forente kongerike Storbritannia og Nord-Irland, kongeriket Nederland og Forbundsrepublikken Tyskland angående etablering, bygging og drift av uran Berikende installasjoner ved bruk av gass sentrifuger teknologi i USAs amerikanske utenriksdepartement