Gaszentrifuge - Gas centrifuge

Schema einer Gaszentrifuge mit Gegenstrom zur Trennung von Uranisotopen.

Eine Gaszentrifuge ist ein Gerät zur Isotopentrennung von Gasen. Eine Zentrifuge beruht auf dem Prinzip der Zentripetalkraft, die Moleküle beschleunigt, sodass Partikel unterschiedlicher Masse in einem Gradienten entlang des Radius eines rotierenden Behälters physikalisch getrennt werden. Eine prominente Anwendung von Gaszentrifugen ist die Trennung von Uran-235 ( 235 U) von Uran-238 ( 238 U). Die Gaszentrifuge wurde entwickelt, um das Gasdiffusionsverfahren der Uran-235-Extraktion zu ersetzen . Hohe Abscheidegrade dieser Isotope beruhen auf dem Einsatz vieler kaskadierter Einzelzentrifugen, die sukzessive höhere Konzentrationen erreichen. Dieser Prozess liefert höhere Konzentrationen von Uran-235 bei deutlich geringerem Energieverbrauch im Vergleich zum Gasdiffusionsprozess.

Zentrifugalverfahren

Die Zentrifuge stützt sich auf die Kraft , die sich aus zentripetale Beschleunigung zu getrennten Moleküle je nach ihrer Masse und kann auf die meisten Flüssigkeiten angewendet werden. Die dichten (schwereren) Moleküle bewegen sich zur Wand hin und die leichteren bleiben in der Nähe des Zentrums. Die Zentrifuge besteht aus einem Starrkörperrotor, der sich mit hoher Drehzahl über die volle Dauer dreht. Konzentrische Gasrohre, die sich auf der Achse des Rotors befinden, werden verwendet, um Zufuhrgas in den Rotor einzuführen und die schwereren und leichteren getrennten Ströme zu extrahieren. Bei der Produktion von 235 U ist der schwerere Strom der Abfallstrom und der leichtere Strom der Produktstrom. Moderne Zentrifugen vom Zippe-Typ sind hohe Zylinder, die sich um eine vertikale Achse drehen, wobei ein vertikaler Temperaturgradient angelegt wird, um eine konvektive Zirkulation zu erzeugen, die in der Mitte der Zentrifuge ansteigt und am Umfang der Zentrifuge abfällt. Die Diffusion zwischen diesen gegenläufigen Strömungen erhöht die Trennung durch das Prinzip der Gegenstrommultiplikation .

Da in der Praxis der Höhe einer einzelnen Zentrifuge Grenzen gesetzt sind, werden mehrere solcher Zentrifugen in Reihe geschaltet. Jede Zentrifuge erhält einen Eingang und produziert zwei Ausgangsleitungen, die leichten und schweren Fraktionen entsprechen . Der Input jeder Zentrifuge ist der Output (leicht) der vorherigen Zentrifuge und der Output (schwer) der folgenden Stufe. Dabei entsteht eine nahezu reine Leichtfraktion aus dem Austrag (leicht) der letzten Zentrifuge und eine nahezu reine Schwerfraktion aus dem Austrag (schwer) der ersten Zentrifuge.

Gaszentrifugationsverfahren

Kaskade von Gaszentrifugen zur Herstellung von angereichertem Uran. US-Gaszentrifugenprüfstand in Piketon, Ohio, 1984. Jede Zentrifuge ist etwa 12 m hoch. (Herkömmliche Zentrifugen, die heute verwendet werden, sind viel kleiner, weniger als 5 Meter (16 ft) hoch.)

Der Gaszentrifugationsprozess verwendet ein einzigartiges Design, das es ermöglicht, dass Gas ständig in die Zentrifuge ein- und ausströmt. Im Gegensatz zu den meisten Zentrifugen, die auf Batch-Verarbeitung basieren , verwendet die Gaszentrifuge eine kontinuierliche Verarbeitung, die eine Kaskadierung ermöglicht, bei der mehrere identische Prozesse nacheinander ablaufen. Die Gaszentrifuge besteht aus einem zylindrischen Rotor , einem Gehäuse, einem Elektromotor und drei Förderleitungen. Die Gaszentrifuge ist mit einem Gehäuse ausgestattet, das die Zentrifuge vollständig umschließt. Der zylindrische Rotor befindet sich im Inneren des Gehäuses, aus dem alle Luft evakuiert ist , um im Betrieb eine nahezu reibungslose Rotation zu erzeugen. Der Motor dreht den Rotor und erzeugt die Zentripetalkraft auf die Komponenten, wenn sie in den zylindrischen Rotor eintreten. Diese Kraft bewirkt eine Trennung der Gasmoleküle, wobei sich die schwereren Moleküle zur Wand des Rotors und die leichteren Moleküle zur Mittelachse hin bewegen. Es gibt zwei Ausgangsleitungen, eine für die an dem gewünschten Isotop angereicherte Fraktion (bei der Urantrennung ist dies U-235) und eine daran abgereicherte. Die Ausgangsleitungen führen diese Trennungen zu anderen Zentrifugen, um den Zentrifugationsprozess fortzusetzen. Der Prozess beginnt, wenn der Rotor in drei Stufen ausgewuchtet wird. Die meisten technischen Details zu Gaszentrifugen sind schwer zu beschaffen, da sie in das „Atomgeheimnis“ gehüllt sind.

Die frühen Zentrifugen, die in Großbritannien verwendet wurden, verwendeten einen Legierungskörper, der mit epoxidimprägnierten Glasfasern umwickelt war. Das dynamische Auswuchten der Anordnung wurde durch Hinzufügen kleiner Spuren von Epoxid an den von der Auswuchttesteinheit angezeigten Stellen erreicht. Der Motor war normalerweise ein Pfannkuchentyp, der sich am Boden des Zylinders befand. Die frühen Einheiten waren in der Regel etwa 2 Meter lang (ca.), aber spätere Entwicklungen erhöhten die Länge allmählich. Die jetzige Generation ist über 4 Meter lang. Bei den Lagern handelt es sich um gasbasierte Geräte, da mechanische Lager bei den normalen Betriebsdrehzahlen dieser Zentrifugen nicht überleben würden.

Ein Teil der Zentrifugen würde mit Wechselstrom mit variabler Frequenz von einem elektronischen (großen) Wechselrichter gespeist, der sie langsam auf die erforderliche Geschwindigkeit hochfahren würde, im Allgemeinen über 50.000 U/min. Eine Vorsichtsmaßnahme bestand darin, schnell an Frequenzen vorbeizukommen, bei denen der Zylinder bekanntermaßen Resonanzprobleme hatte. Der Wechselrichter ist ein Hochfrequenzgerät, das bei Frequenzen um 1 Kilohertz betrieben werden kann. Der gesamte Prozess ist normalerweise stumm; Wenn von einer Zentrifuge ein Geräusch zu hören ist, ist dies eine Störungswarnung (die normalerweise sehr schnell auftritt). Die Auslegung der Kaskade lässt normalerweise den Ausfall von mindestens einer Zentrifugeneinheit zu, ohne den Betrieb der Kaskade zu beeinträchtigen. Die Einheiten sind normalerweise sehr zuverlässig, wobei frühe Modelle über 30 Jahre ununterbrochen betrieben wurden.

Spätere Modelle haben die Rotationsgeschwindigkeit der Zentrifugen stetig erhöht, da die Geschwindigkeit der Zentrifugenwand den größten Einfluss auf die Trennleistung hat.

Ein Merkmal des Kaskadensystems von Zentrifugen besteht darin, dass es möglich ist, den Anlagendurchsatz schrittweise zu erhöhen, indem an geeigneten Stellen Kaskaden-"Blöcke" zu der bestehenden Installation hinzugefügt werden, anstatt eine komplett neue Zentrifugenlinie installieren zu müssen.

Gleich- und Gegenstromzentrifugen

Die einfachste Gaszentrifuge ist die Parallelzentrifuge, bei der die Trennwirkung durch die Zentrifugalwirkung der Rotorrotation erzeugt wird. Bei diesen Zentrifugen wird die schwere Fraktion am Umfang des Rotors gesammelt und die leichte Fraktion näher an der Rotationsachse.

Das Induzieren einer Gegenstromströmung verwendet eine Gegenstrommultiplikation , um den Trenneffekt zu verstärken. Es wird eine vertikale zirkulierende Strömung aufgebaut, wobei das Gas axial entlang der Rotorwände in eine Richtung strömt und eine Rückströmung näher zur Rotormitte. Die Zentrifugalabscheidung läuft wie bisher weiter (schwerere Moleküle wandern bevorzugt nach außen), das heißt, die schwereren Moleküle werden von der Wandströmung aufgefangen und die leichtere Fraktion sammelt sich am anderen Ende. Bei einer Zentrifuge mit Wandströmung nach unten sammeln sich die schwereren Moleküle am Boden. Die Auslassschaufeln werden dann an den Enden des Rotorhohlraums platziert, wobei die Beschickungsmischung entlang der Achse der Kavität eingespritzt wird (idealerweise befindet sich der Injektionspunkt an dem Punkt, an dem die Mischung im Rotor gleich der Beschickung ist).

Dieser Gegenstrom kann mechanisch oder thermisch oder eine Kombination induziert werden. Bei mechanisch induzierter Gegenströmung wird die Anordnung der (stationären) Schaufeln und Innenläuferstrukturen zur Strömungserzeugung genutzt. Eine Schaufel interagiert mit dem Gas, indem sie es verlangsamt, wodurch es in die Mitte des Rotors gezogen wird. Die Schaufeln an jedem Ende induzieren gegenläufige Strömungen, so dass eine Schaufel durch eine "Schallwand" vor der Strömung geschützt ist: eine perforierte Scheibe im Rotor, die sich mit dem Gas dreht – an diesem Ende des Rotors wird die Strömung nach außen, in Richtung die Rotorwand. So ist bei einer Zentrifuge mit einem Schwalltopf oben die Wandströmung nach unten gerichtet und schwerere Moleküle werden unten gesammelt.

Thermisch induzierte Konvektionsströme können durch Erhitzen des Bodens der Zentrifuge und/oder Kühlen des oberen Endes erzeugt werden.

Getrennte Arbeitseinheiten

Die Trennarbeitseinheit (SWU) ist ein Maß für die Menge der Arbeit , die von den Zentrifugen gemacht und hat die Einheit der Masse (typischerweise separative Arbeitseinheit Kilogramm ). Die Arbeit, die erforderlich ist, um eine Masse von Testfutter in eine Produktmasse von Assay und Massen- und Assay- Masse zu trennen , wird in Form der Anzahl der erforderlichen Trennarbeitseinheiten ausgedrückt, die durch den Ausdruck angegeben wird

wo ist die Wertfunktion , definiert als

Praktische Anwendung der Zentrifugation

Trennung von Uran-235 von Uran-238

Die Abtrennung von Uran erfordert das Material in gasförmiger Form; Uranhexafluorid (UF 6 ) wird zur Urananreicherung verwendet . Beim Eintritt in den Zentrifugenzylinder wird das UF 6 -Gas mit hoher Geschwindigkeit gedreht. Die Rotation erzeugt eine starke Zentrifugalkraft, die mehr der schwereren Gasmoleküle (die das U-238 enthalten) zur Wand des Zylinders zieht, während die leichteren Gasmoleküle (die das U-235) dazu neigen, sich näher am Zentrum zu sammeln. Der an U-235 leicht angereicherte Strom wird abgezogen und in die nächsthöhere Stufe eingespeist, während der leicht abgereicherte Strom wieder in die nächstniedrigere Stufe zurückgeführt wird.

Trennung von Zinkisotopen

Für einige Anwendungen in der Nukleartechnik muss der Gehalt an Zink-64 im Zinkmetall gesenkt werden, um die Bildung von Radioisotopen durch seine Neutronenaktivierung zu verhindern . Als gasförmiges Fördermedium für die Zentrifugenkaskade wird Diethylzink verwendet. Ein Beispiel für ein resultierendes Material ist abgereichertes Zinkoxid , das als Korrosionsinhibitor verwendet wird .

Geschichte

Der 1919 vorgeschlagene Zentrifugalprozess wurde erstmals 1934 erfolgreich durchgeführt. Der amerikanische Wissenschaftler Jesse Beams und sein Team an der University of Virginia entwickelten den Prozess, indem sie zwei Chlorisotope durch eine Vakuum- Ultrazentrifuge trennten . Es war eines der ersten Isotopentrennungsmittel , die während des Manhattan-Projekts verfolgt wurden , insbesondere von Harold Urey und Karl P. Cohen , aber die Forschung wurde 1944 eingestellt, da man der Meinung war, dass die Methode bis zum Ende des Krieges keine Ergebnisse liefern würde. und dass andere Mittel der Urananreicherung ( gasförmige Diffusion und elektromagnetische Trennung ) kurzfristig bessere Erfolgsaussichten hätten. Diese Methode wurde im sowjetischen Nuklearprogramm erfolgreich eingesetzt , was die Sowjetunion zum effektivsten Lieferanten von angereichertem Uran machte .

Langfristig, insbesondere mit der Entwicklung der Zippe-Zentrifuge , hat sich die Gaszentrifuge zu einem sehr wirtschaftlichen Trennverfahren entwickelt, das im Vergleich zu anderen Verfahren deutlich weniger Energie verbraucht und zahlreiche weitere Vorteile bietet.

Die Erforschung der physikalischen Leistungsfähigkeit von Zentrifugen wurde in den 1970er bis 80er Jahren vom pakistanischen Wissenschaftler Abdul Qadeer Khan durchgeführt , wobei Vakuummethoden verwendet wurden, um die Rolle von Zentrifugen bei der Entwicklung von Kernbrennstoff für die pakistanische Atombombe voranzutreiben . Viele der mit Khan zusammenarbeitenden Theoretiker waren sich nicht sicher, ob sowohl gasförmiges als auch angereichertes Uran rechtzeitig machbar sein würden. Ein Wissenschaftler erinnerte sich: "Niemand auf der Welt hat die [Gas-]Zentrifugenmethode verwendet, um Uran in Militärqualität zu produzieren.... Das würde nicht funktionieren. Er hat einfach Zeit verschwendet." Trotz Skepsis erwies sich das Programm schnell als machbar. Die Anreicherung mittels Zentrifuge wurde in der Experimentalphysik verwendet, und die Methode wurde bis zum Ende des 20. Jahrhunderts in mindestens drei verschiedene Länder geschmuggelt .

Siehe auch

Fußnoten

Verweise

Externe Links