지페형 원심분리기

Zippe-type centrifuge

지페형 원심분리기는 자연발생 우라늄 화합물에서 발견된 동위원소 혼합물에서 희소성 핵분열성 동위원소 우라늄-235(235U)를 농축하기 위해 고안된 가스원심분리기다.동위원소 분리는 동위원소 질량의 약간의 차이를 기초로 한다.지페 디자인은 원래 소련에서 제2차 세계대전 이후 포획된 오스트리아와 독일의 과학자와 기술자 60명이 이끄는 팀이 구류 작업을 하면서 개발한 것이다.서구(그리고 현재 일반적으로)에서는 소련 프로그램인 제르노트 지페에 대한 (그리고 공헌한 것)에 대한 기억을 바탕으로 1956년 서부로 돌아온 후 그 기술을 재현한 사람의 이름으로 그 유형을 알 수 있다.소련/러시아어 사용에서 어느 한 사람의 이름으로 언급될 수 있을 정도로, 카메네프 원심분리기(Evgeni Kamenev 이후)로 알려져 있었다.[1][2]

배경

천연 우라늄은 3개의 동위원소로 구성되는데, 과반수(99.274%)는 U-238이고, 약 0.72%는 핵분열성 U-235, 나머지 0.0055%는 U-234이다.천연 우라늄이 3% U-235로 농축되면 경수로용 연료로 사용할 수 있다.우라늄-235를 90% 함유할 정도로 농축하면 핵무기에 사용될 수 있다.

진한 청색으로 표시된 U-238과 연한 청색으로 표시된 U-235를 포함한 Zippe형 가스 원심분리기 원리의 도표.

원심분리기 우라늄 농축

우라늄 농축은 동위원소가 화학에서 사실상 동일하고 무게도 매우 비슷하기 때문에 어렵다: U-235는 U-238보다 1.26% 가볍다(이는 고체 우라늄에 적용된다).원심분리기의 분리 효율은 중량 차이에 따라 달라진다.다만 원심분리기는 고체가 아닌 가스로 작업을 해야 하는데 여기서 사용되는 가스는 우라늄 헥사플루오라이드다.여기서 UF와6 UF의6 질량 차이는 0.86% 미만이다.우라늄 동위원소를 분리하려면 초당 1500회전(90,000RPM)으로 회전할 수 있는 원심분리기가 필요하다.회전자 직경이 20 cm(실제 회전자 직경이 적을 가능성이 있음)라고 가정할 경우 이는 마하 2(해발 높이에서 마하 1 ≈ 340 m/s)보다 큰 선형 속도에 해당한다.비교를 위해 자동 세탁기는 스핀 사이클 동안 초당 약 12~25회전(720~1500RPM)에 불과한 반면, 자동차 터보차저의 터빈은 초당 약 2500~3333회전(150,000~200,000RPM)까지 구동할 수 있다.[3][4]

지페형 원심분리기에는 기체 우라늄 헥사플루오라이드를 채운 속이 빈 원통형 로터가 있다.전기 모터에 사용되는 로터 하단의 회전 자기장은 U-238이 가장자리를 향해 던져질 정도로 충분히 빠르게 회전할 수 있다.라이터 U-235는 센터 근처에 모여 있다.기체 혼합물의 바닥은 가열되어 U-238을 아래로 움직이는 대류 전류를 생성한다.U-235는 스쿠프들이 수집하는 곳으로 이동한다.[1]각 원심분리기에는 1개의 입구 및 2개의 출력 라인이 있다(중량 및 광분수에 대응함).

회전 속도가 빠를 때 가스는 로터 벽 가까이 압축된다.로터의 길이는 수 미터(지름은 10 cm 미만일 가능성이 있음)일 수 있으며, 로터의 상단과 하단의 온도 구배는 300 °C로 매우 강한 대류 전류를 생성한다.게다가 매우 강한 코리올리 힘이 만들어 낸 것이 분리 효율을 더한다.

마찰을 줄이기 위해 로터는 진공 상태에서 회전한다.자석 베어링은 로터의 상단을 안정되게 유지하며, 유일한 물리적 접촉은 로터가 앉아 있는 원뿔형 보석 베어링이다.[1]세 개의 가스 라인은 바깥쪽 림이 매우 빠르게 회전하고 있기 때문에 고정축과 동심원이 되어야 하며, 봉인이 매우 중요하다.

1956년 과학자들이 소련 포로에서 풀려난 후,[1] 제르노트 지페는 서구의 기술자들이 원심분리기 기술에서 몇 년 뒤떨어져 있다는 것을 발견하고 놀랐다.그는 소련이 그의 노트를 압수했음에도 불구하고 결과를 발표하면서 미국 버지니아 대학에서 자신의 디자인을 재현할 수 있었다.Zippe는 그의 연구를 계속하는 것이 사실상 금지되었을 때 미국을 떠났다.미국인들은 그가 미국 시민이 되거나(그가 거절), 유럽으로 돌아가거나 혹은 그의 연구를 포기하도록 요구하는 이 작품을 비밀로 분류했다.[1]그는 1960년대 유럽으로 돌아와 그와 그의 동료들은 로터의 재질을 알루미늄에서 피로수명이 긴 합금인 마레이징강으로 바꿔 원심분리기를 더욱 효율적으로 만들었고, 이로 인해 속도가 더 빨라졌다.이 개선된 원심분리 설계는 상업용 회사인 우렌코가 원전용 농축우라늄 연료를 생산하는 데 사용된다.[1]

첨단 지페형 원심분리기의 정확한 내역은 비밀이 엄수돼 있지만 원심분리기의 길이를 더 길게 하고 회전속도를 높여 효율을 높인다.그러기 위해서는 탄소섬유보강 복합재료와 같이 더욱 강한 재료를 사용하고, 로터의 굴곡을 제어하기 위한 유연한 "벨로우"의 사용과 원심분리기가 매우 오랫동안 작동하지 않도록 세심한 속도조절 등 파괴진동을 일으키는 힘을 피하기 위해 다양한 기법을 사용한다.공명이 문제가 되는 속도에 오래도록

Zippe형 원심분리기는 성공적으로 구축하기 어렵고 세심하게 가공된 부품이 필요하다.그러나 다른 농축방식에 비해 훨씬 저렴하고 에너지 효율이 높아 상대적으로 비밀리에 사용할 수 있다.이것은 비밀 핵 무기 프로그램에 이상적이며 핵 확산의 위험을 증가시킬 수 있다.원심분리기 캐스케이드 또한 기체 확산 식물과 달리 기계에 고정되는 재료가 훨씬 적다.

글로벌 사용량

파키스탄의 원폭 프로그램은 P1과 P2 원심분리기를 개발했는데, 이것은 파키스탄이 대량으로 배치한 최초의 원심분리기다.P1 원심분리기는 알루미늄 로터를 사용하며, P2 원심분리기는 마레이징강로터를 사용하는데, 이 로터가 P1보다 더 강하고 회전 속도가 빠르며 기계당 우라늄이 더 많이 농축된다.

러시아와 소련의 소식통들은 제르노트 지페가 제공한 소련의 원심분리기 개발에 대해 이의를 제기한다.이들은 1930년대 독일 난민 프리츠 랑게가 시작한 소련의 독일 원심분리기 작업을 담당한 독일 과학자로 막스 스텐벡을 꼽는다.소련은 설계의 서로 다른 가치 있는 측면들을 만들어 낸 Steenbeck, Isaac Kikoin, Evgeni Kamenev를 신용한다.그들은 Zippe가 1953년부터 2년 동안 이 프로젝트를 위한 시제품 제작에 관여했다.원심분리기 프로젝트는 극비였기 때문에 소련은 당시 지페의 주장에 이의를 제기하지 않았다.[2]

참고 항목

참조

  1. ^ a b c d e f Broad, William J. (2004-03-23). "Slender and Elegant, It Fuels the Bomb". The New York Times. Retrieved 2009-10-23.
  2. ^ a b 올레그 부카린, 올레그.러시아의 가스 원심분리 기술과 우라늄 농축 시설은 웨이백 머신 2004에 2014년 1월 11일에 보관되었다.
  3. ^ 터보 작동 방식
  4. ^ HowStuffWorks "터보차저 작동 방식"

외부 링크