Газовая центрифуга
Газовая центрифуга — устройство для разделения (сепарации) газов с разным молекулярным весом.
Наиболее известны газовые центрифуги для разделения изотопов, в первую очередь подразумевается современный способ обогащения урана изотопом U-235 для атомной энергетики и атомного вооружения. Перед обогащением природная смесь изотопов урана переводится в газообразную фазу в виде гексафторида урана. Высокая степень разделения достигается использованием множества отдельных газовых центрифуг, собранных в каскад, что позволяет последовательно достичь более высокого обогащения урана-235 при значительно меньших энергетических затратах по сравнению с диффузионным каскадным процессом разделения изотопов, используемым ранее. Газоцентрифужная технология представляет сегодня самый экономичный способ разделения изотопов урана, использует значительно меньше энергии, чем другие методы, и имеет множество других преимуществ.
Устройство газовой центрифуги
Важнейшим элементом газовой центрифуги является так называемый ротор — цилиндр (труба), вращающийся в специальном вакуумированном кожухе, с огромной скоростью . При увеличении оборотов ротор последовательно проходит частоты, на которых возникают резонансные колебания, обусловленные механическими свойствами вращающейся системы. Центрифуга, работающая на частоте вращения ротора выше резонансной, называется надкритической, ниже — подкритической. Рабочим веществом является газообразное соединение природного урана гексафторид урана, получаемой из природной закиси-окиси урана(U3O8). UF6 подается в центрифугу через трубопровод питания и поступает в роторное пространство возле оси ротора в его центральной части. Вследствие высокой скорости вращения ротора (линейная скорость на его периферии 600 и более м/с) газ концентрируется у его стенки. У оси ротора образуется разреженная зона с более легкой фракцией. Эффективное разделение компонентов смеси происходит только при наличии осевой циркуляции газа внутри ротора. Такая циркуляция обеспечивается созданием осевого температурного градиента за счет внешнего источника тепла. При циркуляции наибольшая разность в концентрации легкого и тяжелого изотопов устанавливается в торцевых частях центрифуги, — нижней и верхней соответственно. Обогащенная легким изотопом фракция (продукт) выводится с помощью газоотборника в ввыходной трубопровод. Тяжелая фракция — отвал (или хвост) отбирается.
Наиболее секретными элементами и определяющими для работы центрифуги устройствами были и остаются: нижняя опора ротора, магнитный подшипник и двигатель и др., что представляет собой определенное ноу-хау и запатентовано в различных патентах. Первый такой патент принадлежит сотрудникам группы Др. Макса Штеенбека, которые впервые предложили самостабилизирущую подвижную нижнюю опору, магнитный привод и молекулярный вакуумный насос.Разделительной способности центрифуги являются ее геометрические размеры (длина ротора: размеры российских подкритических газовых центрифуг: длина ротора около 1 м, диаметр около 0,5 м.), скорость вращения ротора, а также наличие циркуляции газа в осевом направлении. Развитие оптимальных размеров ротора и других элементов отдельной газовой центрифуги, остается актуальной научной и технической проблемой для увеличения к.п.д. и стоимости газоцентрифужной технологии с использованием каскадов газовых центрифуг.
