آشنایی با تاریخچه و روش کار سانتریفوژ های هسته ای

 سانتریفوژ های هسته ای یکی از ابزارهای لازم در فرآیند غنی سازی اورانیوم  است. در این مقاله در باره اساس کار سانترفیوژ، تاریخچه سانترفیوژ و همچنین مواد بکار رفته و چالش های موجود در ساخت و طراحی سانترفیوژ صحبت می شود.

مقدمه

سانتریفیوژ (به لاتین: Centrifugus) (Centre به معنی مرکز و fugus- به معنی فرار از) یا گریزانه[۱] دستگاهی است که در آن با استفاده از نیروی گریز از مرکز مواد را از یکدیگر جدا می‌کنند. در این دستگاه محفظه‌ای که مواد جداشدنی در آن قراردارد معمولاً به کمک یک موتور به سرعت حول یک محور می‌چرخد. سانتریفوژ دستگاهی است که از آن برای چرخاندن مواد با سرعت بالا استفاده می‌شود. دانشمندان معمولاً دستگاه سانتریفوژ را برای جدا کردن ذرات جامد از یک مایع یا تقسیم مخلوط مایعات به اجزای مختلف آن به کار می‌گیرند. مخلوط را درون لوله‌ای قرار می‌دهند که طوری قرار داده شده‌است که با چرخش دستگاه، به سمت خارج از مرکز حرکت می‌کند و به حالت افقی قرار می‌گیرند. در این حالت، نیروی گریز از مرکز می‌خواهد که مخلوط را برخلاف مرکز سانتریفوژ براندو از این نقطه دور کند و ذرات یا مایع سنگین تر بیش تر به سمت بیرون (یا ته مخلوط) رانده می‌شوند. وقتی سانتریفوژ از حرکت باز می‌ایستد، مواد به همین حالت غیرمخلوط می‌مانند. خون و سایر نمونه‌های بیولوژیکی را معمولاً به وسیله دستگاه سانتریفوژ جدا می‌کنند. سریع‌ترین سانتریفوژ با نام «فرامرکز گریز» با سرعت ۲۰۰۰۰۰ دور در دقیقه می‌چرخد. از دستگاه‌های گریز از مرکز بزرگ برای انجام آزمایش بر روی خلبانان نظامی و فضانوردان استفاده می‌شود تا میزان مقاومت آنان در شتاب‌های بالا معلوم شود.

سانتریفیوژ نوع Zippe یک سانتریفیوژ گازی است که برای غنی‌سازی ایزوتوپ شکافت‌پذیر نادر اورانیوم 235 (235U) از مخلوط ایزوتوپ‌های موجود در ترکیبات اورانیوم طبیعی طراحی شده است.

جداسازی ایزوتوپی بر اساس تفاوت جزئی در جرم ایزوتوپ ها است. طرح Zippe در اصل در اتحاد جماهیر شوروی توسط تیمی به رهبری 60 دانشمند و مهندس اتریشی و آلمانی که پس از جنگ جهانی دوم دستگیر شده بودند و در بازداشت کار می کردند، توسعه یافت. در غرب (و در حال حاضر به طور کلی) این نوع با نام مردی شناخته می شود که پس از بازگشت به غرب در سال 1956، بر اساس خاطراتش از کار خود در (و مشارکت در) برنامه شوروی، گرنوت زیپ، این فناوری را بازسازی کرد. 

تا آنجایی که ممکن است در استفاده شوروی/روسی با نام یک شخص به آن اشاره شود، (حداقل در مراحل اولیه توسعه) به عنوان سانتریفیوژ کامنف (پس از اوگنی کامنف) شناخته می‌شد. 

 Gernot Zippe (نوامبر 1917 - 7 مه 2008) یک مهندس مکانیک اتریشی-آلمانی بود که به طور گسترده ای به عنوان رهبری تیم سازنده سانتریفیوژ نوع Zippe، یک ماشین سانتریفیوژ برای غنی سازی و جمع آوری اورانیوم-235 شناخته می شود.

اورانیوم طبیعی 

اورانیوم طبیعی از سه ایزوتوپ تشکیل شده است. اکثریت (99.274٪) U-238 است، در حالی که تقریبا 0.72٪ U-235 شکافت پذیر و 0.0055٪ باقی مانده U-234 است. اگر اورانیوم طبیعی غنی‌سازی شود تا حاوی 3 درصد U-235 باشد، می‌توان از آن به عنوان سوخت راکتورهای هسته‌ای آب سبک استفاده کرد. اگر غنی‌سازی شود تا 90 درصد  حاوی اورانیوم 235 باشد، می‌توان از آن برای سلاح‌های هسته‌ای استفاده کرد.

اساس کار سانتریفوژها

هر گاه جسمی با سرعت معینی حول یک مرکز با محور دوران کند نیرویی در جسم متحرک و در جهت عمود بر مسیر دوران و به سمت خارج از مرکز ایجاد می‌گردد. که به نیروی فراگریز یا نیروی گریز از مرکز موسوم است که مقدار آن از رابطه F=MRW2 که در آن R شعاع دوران M جرم جسم و V سرعت خطی و (w) سرعت زاویه‌ای است بدست می‌آید. محور دوران ممکن است به سه حال قائم، افقی یا مایل باشد. سانتریفیوژهایی که در صنعت اورانیوم کاربرد دارند قدرتی برابر ۳۰۰ دور در ثانیه را دارند.

روند غنی سازی

غنی‌سازی اورانیوم دشوار است، زیرا ایزوتوپ‌ها عملاً از نظر شیمی یکسان و از نظر وزن بسیار مشابه هستند:

U-235 تنها 1.26٪ سبک‌تر از U-238 است (توجه داشته باشید که این برای اورانیوم جامد صدق می‌کند). راندمان جداسازی در سانتریفیوژ به اختلاف وزن بستگی دارد. با این حال، سانتریفیوژها باید با گاز کار کنند تا جامد، و گاز مورد استفاده در اینجا هگزافلووراید اورانیوم است.

در اینجا اختلاف جرم بین U(235)F6 و U(238)F6 کمتر از 0.86٪ است. جداسازی ایزوتوپ های اورانیوم به سانتریفیوژی نیاز دارد که بتواند با سرعت 1500 دور در ثانیه (90000 دور در دقیقه) بچرخد.

اگر قطر روتور را 20 سانتی متر فرض کنیم (قطر واقعی روتور احتمالا کمتر است)، این مربوط به سرعت خطی بیشتر از 2 ماخ (1 ماخ ≈ 340 متر بر ثانیه در سطح دریا) است. برای مقایسه، ماشین‌های لباسشویی خودکار در طول چرخه چرخش فقط با سرعت 12 تا 25 دور در ثانیه (720 تا 1500 دور در دقیقه) کار می‌کنند، در حالی که توربین‌های توربوشارژرهای خودرو می‌توانند تا حدود 2500 تا 3333 دور در ثانیه (150000-200000 دور در دقیقه) کار کنند. 

یک سانتریفیوژ نوع Zippe دارای روتور توخالی و استوانه‌ای است که با هگزافلوورید اورانیوم گازی پر شده است.

یک میدان مغناطیسی دوار در پایین روتور، همانطور که در موتور الکتریکی استفاده می شود، می تواند آن را به سرعت بچرخاند تا U-238 به سمت لبه پرتاب شود. U-235 در نزدیکی مرکز جمع می شود. کف مخلوط گازی گرم می شود و جریان های همرفتی تولید می کند که U-238 را به سمت پایین حرکت می دهد. U-235 به سمت بالا حرکت می کند، جایی که اسکوپ ها آن را جمع می کنند.

هر سانتریفیوژ دارای یک ورودی و دو خط خروجی (مربوط به کسر سنگین و سبک) است.

در سرعت چرخش بالا، گاز نزدیک به دیواره روتور فشرده می شود. روتور می تواند چندین متر طول داشته باشد (قطر به احتمال زیاد کمتر از 10 سانتی متر باشد) و یک گرادیان دمایی 300 درجه سانتی گراد بین بالا و پایین روتور جریان همرفتی بسیار قوی ایجاد می کند. علاوه بر این، نیروهای بسیار قوی کوریولیس تولید شده بر راندمان جداسازی می افزاید.

 برای کاهش اصطکاک، روتور در خلاء می چرخد. یک یاتاقان مغناطیسی بالای روتور را ثابت نگه می دارد و تنها تماس فیزیکی یاتاقان جواهر مخروطی است که روتور روی آن قرار می گیرد. سه خط گاز باید با محور ثابت متحدالمرکز باشند زیرا لبه بیرونی خیلی سریع می چرخد ​​و آب بندی آن بسیار مهم است.

 پس از آزاد شدن دانشمندان از اسارت شوروی در سال 1956،   گرنوت زیپ با شگفتی متوجه شد که مهندسان در غرب سال‌ها از فناوری سانتریفیوژ عقب مانده‌اند. او توانست طرح خود را در دانشگاه ویرجینیا در ایالات متحده بازتولید کند و نتایج را منتشر کند، حتی اگر شوروی یادداشت های او را مصادره کرده بود.

زیپ زمانی که عملاً از ادامه تحقیقاتش منع شد، ایالات متحده را ترک کرد: آمریکایی‌ها این کار را به عنوان سری طبقه‌بندی کردند و از او خواستند که یا شهروند ایالات متحده شود (او نپذیرفت)، یا به اروپا بازگردد یا تحقیقات خود را رها کند.

او به اروپا بازگشت، جایی که در دهه 1960، او و همکارانش سانتریفیوژ را با تغییر مواد روتور از آلومینیوم به فولاد ماراژینگ، که آلیاژی با عمر خستگی طولانی‌تر بود، کارآمدتر کردند. این طرح بهبود یافته سانتریفیوژ توسط شرکت تجاری Urenco برای تولید سوخت اورانیوم غنی شده برای نیروگاه های هسته ای استفاده می شود.

 جزئیات دقیق سانتریفیوژهای پیشرفته نوع Zippe کاملاً محرمانه است، اما کارایی سانتریفیوژها با طولانی تر کردن آنها و افزایش سرعت چرخش آنها بهبود می یابد. برای انجام این کار، حتی از مواد قوی تر، مانند مواد کامپوزیتی تقویت شده با فیبر کربن، استفاده می شود. و تکنیک های مختلفی برای جلوگیری از نیروهایی که باعث ارتعاشات مخرب می شوند، استفاده می شود، از جمله استفاده از "دم" انعطاف پذیر برای اجازه دادن به خم شدن کنترل شده روتور، و همچنین کنترل دقیق سرعت برای اطمینان از اینکه سانتریفیوژ برای مدت طولانی در سرعت هایی که رزونانس کار نمی کند.

 ساخت موفقیت آمیز سانتریفیوژ نوع Zippe دشوار است و به قطعات ماشینکاری شده با دقت نیاز دارد. با این حال، در مقایسه با سایر روش‌های غنی‌سازی، بسیار ارزان‌تر و از نظر انرژی کارآمدتر است و می‌توان از آن در مخفی کاری نسبی استفاده کرد. این امر آن را برای برنامه های مخفیانه تسلیحات هسته ای ایده آل می کند و احتمالاً خطر گسترش سلاح های هسته ای را افزایش می دهد. آبشارهای سانتریفیوژ بر خلاف نیروگاه های انتشار گازی، مواد بسیار کمتری را در هر زمان در دستگاه نگهداری می کنند.