가스 원심 분리기

가스 원심분리기는 가스의 동위원소 분리를 하는 장치이다.원심분리기는 원심력이 가속하는 분자의 원리에 의존하여 회전하는 용기의 반지름을 따라 다른 질량의 입자가 물리적으로 분리된다.가스 원심분리기의 주요 용도는 ²³⁵우라늄-235(U)를 ²³⁸우라늄-238(U)에서 분리하는 것이다.가스 원심분리기는 우라늄-235 추출의 가스 확산 방식을 대체하기 위해 개발되었다.이러한 동위원소의 높은 분리 정도는 연속적으로 더 높은 농도를 달성하는 캐스케이드 형태로 배치된 많은 개별 원심분리기를 사용하는 것에 의존한다.이 과정은 가스 확산 과정에 비해 훨씬 적은 에너지를 사용하면서 더 높은 농도의 우라늄-235를 산출한다.

원심법

원심분리기는 원심가속도에 따른 힘에 의존하여 질량에 따라 분자를 분리하며 대부분의 ^[1]유체에 적용할 수 있습니다.밀도가 높은(무거운) 분자는 벽을 향해 이동하고 가벼운 분자는 중심에 가깝게 남습니다.원심분리기는 고속으로 ^[2]최대 주기로 회전하는 강체 로터로 구성됩니다.로터의 축에 위치한 동심원 가스관은 공급 가스를 로터에 도입하고 무겁고 가벼운 분리된 ^[2]스트림을 추출하기 위해 사용됩니다.U 생산의 경우, 무거운 스트림은 폐기물 스트림이고 가벼운 스트림은 제품 스트림입니다.현대의 지페형 원심분리기는 수직축에서 회전하는 높은 실린더로, 수직 온도 구배가 적용되어 중앙에서 상승하고 원심분리기의 주변부에서 하강하는 대류 순환을 형성합니다.이러한 반대 흐름 사이의 확산은 역류 증배의 원리에 의한 분리를 증가시킨다.

실제로는 단일 원심분리기를 만들 수 있는 높이에 제한이 있기 때문에 이러한 원심분리기는 여러 개 직렬로 연결됩니다.각 원심분리기는 1개의 입력을 받아 2개의 출력 라인을 생성하며, 이 출력 라인은 가볍고 무거운 분수에 대응합니다.각 원심분리기의 입력은 이전 원심분리기의 출력(가벼움)과 다음 단계의 출력(가벼움)입니다.그러면 마지막 원심분리기의 출력(라이트)에서 거의 순수한 광분율이 생성되고 첫 번째 원심분리기의 출력(무거운)에서 거의 순수한 중분율이 생성됩니다.

가스 원심 분리 공정

가스 원심분리 공정은 가스가 원심분리기를 지속적으로 드나들 수 있도록 하는 독특한 설계를 사용합니다.배치 처리에 의존하는 대부분의 원심분리기와는 달리 가스 원심분리기에서는 연속적인 처리를 사용하여 동일한 여러 공정을 연속적으로 수행할 수 있습니다.가스 원심분리기는 원통형 로터, 케이스, 전기 모터, 그리고 물질이 이동할 수 있는 3개의 라인으로 구성됩니다.가스 원심분리기는 원심분리기를 ^[3]완전히 감싸는 케이스로 설계되었습니다.원통형 로터는 케이스 내부에 위치하며, 이 로터는 작동 시 마찰이 거의 없는 회전을 생성하기 위해 모든 공기를 배출합니다.모터가 로터를 회전시켜 구성 요소가 원통형 로터에 들어갈 때 구성 요소에 원심력을 생성합니다.이 힘은 가스의 분자를 분리하는 역할을 하며, 무거운 분자는 회전자의 벽 쪽으로, 가벼운 분자는 중심축을 향해 움직입니다.원하는 동위원소(우라늄 분리에서는 U-235)로 농축된 분수에 대한 출력 라인과 U-235로 고갈된 출력 라인의 두 가지가 있다.출력 라인은 이러한 분리를 다른 원심 분리기로 가져가 원심 분리 프로세스를 ^[4]계속합니다.이 프로세스는 로터가 3단계로 균형을 ^[5]이룰 때 시작됩니다.가스 원심분리기에 관한 기술적인 세부사항의 대부분은 "핵비밀"^[5]에 싸여있기 때문에 입수하기가 어렵다.

영국에서 사용된 초기 원심분리기는 에폭시 함침 유리 섬유로 포장된 합금 본체를 사용했다.어셈블리의 동적 균형 조정은 균형 조정 테스트 유닛이 나타내는 위치에 에폭시의 작은 흔적을 추가하여 수행되었습니다.모터는 보통 실린더 하단에 있는 팬케이크 타입이었습니다.초기 유닛의 길이는 일반적으로 약 2미터(약)였지만, 이후 개발로 점차 길이가 늘어났다.현재의 세대는 길이가 4미터가 넘는다.기계식 베어링은 이러한 원심분리기의 정상 작동 속도에서는 생존할 수 없기 때문에 베어링은 가스 기반 장치입니다.

원심분리기의 한 섹션에는 전자(벌크) 인버터로부터 가변 주파수 AC가 공급되어 필요한 속도(일반적으로 50,000rpm 이상)까지 서서히 상승합니다.한 가지 예방책은 실린더가 공명 문제를 겪는 것으로 알려진 주파수를 빨리 통과하는 것이었습니다.인버터는 약 1킬로헤르츠 주파수로 작동할 수 있는 고주파 장치입니다.일반적으로 전체 프로세스는 조용합니다. 원심 분리기에서 소음이 들리면 고장 경고입니다(일반적으로 매우 빠르게 발생합니다).캐스케이드 설계는 일반적으로 캐스케이드 작동을 손상시키지 않고 최소 1개의 원심분리기 장치의 고장을 허용합니다.초기 모델은 30년 이상 지속적으로 작동하여 일반적으로 신뢰성이 매우 높습니다.

분리 효율에 가장 큰 영향을 미치는 것은 원심 분리벽의 속도이기 때문에 이후 모델들은 원심 분리기의 회전 속도를 꾸준히 증가시켰습니다.

원심분리기의 캐스케이드 시스템의 특징은 원심분리기의 완전히 새로운 라인을 설치할 필요 없이 적절한 위치에서 기존 설비에 캐스케이드 "블록"을 추가하여 발전소 처리량을 점진적으로 증가시킬 수 있다는 것이다.

동시 및 역류 원심 분리기

가장 간단한 가스 원심분리기는 동시 원심분리기로, 로터의 회전으로 인한 원심효과에 의해 분리효과가 발생합니다.이들 원심분리기에서는 중분율은 회전자 주위에, 광분율은 ^[6]회전축 부근에서 수집된다.

역류 유도는 역류 곱셈을 사용하여 분리 효과를 높입니다.기체가 회전자 벽을 따라 한 방향으로 축방향으로 흐르고, 리턴류가 회전자 중심에 가까워지도록 수직순환 전류를 설정한다.원심분리는 이전과 같이 계속된다(높은 분자가 우선적으로 바깥쪽으로 이동한다). 즉, 무거운 분자는 벽의 흐름에 의해 모이고, 가벼운 분자는 다른 끝에 모인다.벽이 아래로 흐르는 원심분리기에서는 무거운 분자가 바닥에 모인다.그런 다음 출구 스쿠프는 공급 혼합물이 공동 축을 따라 주입된 상태에서 로터 공동 끝에 배치됩니다(이상적으로 분사 지점은 로터 내 혼합물이 공급과^[7] 동일한 지점입니다).

이 역류 흐름은 기계적으로나 열적으로 또는 그 조합으로 유도될 수 있습니다.기계적으로 유도되는 역류 흐름에서는 흐름을 ^[8]생성하기 위해 (정지) 스쿠프 및 내부 로터 구조의 배치가 사용됩니다.스쿱은 기체를 느리게 하여 기체와 상호작용하며, 기체는 기체를 로터의 중앙으로 끌어당기는 경향이 있습니다.각 끝의 스쿠프는 반대되는 전류를 유도하기 때문에 하나의 스쿠프는 기체와 함께 회전하는 로터 내부의 구멍 난 디스크인 "버플"에 의해 흐름으로부터 보호됩니다. 로터의 이 끝에서 흐름은 로터 벽을 향해 바깥쪽으로 흐릅니다.따라서 탑스쿱이 배파된 원심분리기에서는 벽의 흐름이 아래쪽으로 흘러 더 무거운 분자가 바닥에 모인다.

열유발 대류전류는 원심분리기 하부를 가열하거나 상단부를 냉각함으로써 생성될 수 있다.

개별 작업 단위

분리 작업 단위(SWU)는 원심 분리기에 의해 수행된 작업량을 측정한 것으로 질량 단위(일반적으로 킬로그램의 분리 작업 단위)가 있습니다.$검사{\displaystyle {}_{}}$ $f$의 피드$F를$$$제품 $검사{\displaystyle {}_{}}$ x$p$의 $P$로 분리하기 위해 필요한 ${\displaystyle {작업\mathrm{}}_{}}$ ${\displaystyle {\mathrm{WW}}_{}}$ U$($ W_${\$mathrm ${SWU})$와$매스{\displaystyle }$ T $T$의 꼬리 부분($표시$ 스타일$X_{$p$$$$$\})$$playstyle x_{t}$는 다음 식에 따라 필요한 개별 작업 단위의 수로 표현됩니다.

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

$여기$서${\displaystyle }$V (${\displaystyle x}$) \ $displaystyle$V \$left$ ( x \ $right )$는 다음과 같이 정의되는 값 함수입니다.

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

원심분리 실용화

우라늄-235와 우라늄-238의 분리

우라늄을 분리하려면 기체 형태의 물질이 필요합니다. 우라늄 농축에는 육불화우라늄(UF₆)이 사용됩니다.원심분리 실린더에 들어가면 UF₆ 가스가 고속으로 회전합니다.이 회전은 강한 원심력을 발생시켜 무거운 가스 분자(U-238 포함)를 실린더 벽 쪽으로 더 많이 끌어당기는 반면, 가벼운 가스 분자(U-235 포함)는 중심에 더 가까이 모이는 경향이 있습니다.U-235에서 약간 농축된 스트림은 인출되어 다음 높은 단계로 공급되고, 약간 고갈된 스트림은 다음 낮은 단계로 재활용됩니다.

아연 동위원소 분리

핵기술의 일부 용도에서는 중성자 활성화에 의한 방사성 동위원소 형성을 방지하기 위해 아연 금속의 아연-64 함량을 낮춰야 한다.원심분리 캐스케이드용 가스공급매체로 디에틸아연을 이용한다.그 결과 발생하는 재료의 예로는 부식억제제로 사용되는 열화아연산화물을 들 수 있다.

역사

1919년에 제안된, 원심분리기 과정은 1934년에 처음으로 성공적으로 수행되었다.버지니아 대학의 미국인 과학자 제시 빔스와 그의 팀은 진공 초원심기를 통해 두 개의 염소 동위원소를 분리함으로써 이 과정을 개발했다.이것은 맨하탄 프로젝트, 특히 Harold Urey와 Karl P에 의해 추구된 초기 동위원소 분리 수단 중 하나였다. 코헨은 그러나 1944년 이 방법이 종전까지 결과를 낳지 못할 것이며, 우라늄 농축의 다른 수단(가스 확산과 전자파 분리)이 단기적으로 성공할 가능성이 더 높다고 느껴져 연구는 중단되었다.이 방법은 소련의 핵 프로그램에서 성공적으로 사용되었고, 소련은 농축 우라늄의 가장 효과적인 공급국이 되었다.

장기적으로, 특히 Zippe형 원심분리기가 개발됨에 따라, 가스 원심분리기는 다른 방법들에 비해 상당히 적은 에너지를 사용하고 많은 다른 장점들을 가지고 있어 매우 경제적인 분리 방식이 되었습니다.

원심분리기의 물리적 성능에 대한 연구는 1970-80년대 파키스탄 과학자 압둘 카디르 칸에 의해 파키스탄 원자폭탄용 ^[3]핵연료 개발에서 원심분리기의 역할을 발전시키기 위한 진공 방법을 사용하여 수행되었다.칸과 함께 일하는 많은 이론가들은 가스 우라늄과 농축 우라늄이 ^[9]제 시간에 실현될 수 있을지 확신하지 못했다.한 과학자는 "세계 어느 누구도 군사용 우라늄을 생산하기 위해 [가스] 원심분리법을 사용한 적이 없다"고 회상했다.이거 안 될 것 같아.그는 단순히 시간을 ^[9]낭비하고 있었다.회의론에도 불구하고, 그 프로그램은 곧 실현 가능한 것으로 입증되었다.원심분리기를 통한 농축은 실험 물리학에 사용되어 왔으며, 이 방법은 20세기 ^[3][9]말까지 적어도 세 개의 다른 나라로 밀반입되었다.

「 」를 참조해 주세요.

• 핵기술
• 원자력
• 핵연료

각주

레퍼런스

외부 링크

• 알소스 디지털 라이브러리의 가스 원심분리기에 대한 주석참고 문헌
• 원심분리기의 역사
• 가스 원심분리기가 뭐죠?
• 가스 원심분리기를 이용한 우라늄 농축시설의 설치, 건설 및 운영에 관한 미국 정부와 프랑스 공화국, 영국 및 북아일랜드 왕국, 네덜란드 왕국, 독일 연방공화국 간의 협정미국의 e테크놀로지 미국 국무부