أجهزة الطرد المركزي الغازية

أجهزة الطرد المركزي الغازية هي أجهزة تقوم بفصل النظائر عن الغازات. تعتمد أجهزة الطرد المركزي على مبادئ تسريع الجزيئات بقوة الطرد المركزي بحيث يتم فصل جزيئات ذات كتل مختلفة فعليًا في تدرج على طول نصف قطر الحاوية الدوارة. أحد الاستخدامات البارزة لأجهزة الطرد المركزي الغازية هو فصل اليورانيوم 235 ( ²³⁵ U) عن اليورانيوم 238 ( ²³⁸ U). تم تطوير أجهزة الطرد المركزي الغازية لتحل محل طريقة الانتشار الغازي لاستخراج ^{اليورانيوم 235} (238 U). تعتمد الدرجات العالية من فصل هذه النظائر على استخدام العديد من أجهزة الطرد المركزي الفردية المرتبة في سلسلة والتي تحقق تركيزات أعلى على التوالي. تنتج هذه العملية تركيزات أعلى من ^{اليورانيوم 235 (235} U) مع استخدام طاقة أقل بكثير مقارنة بعملية الانتشار الغازي.

تم اقتراح عملية الطرد المركزي في عام 1919، وتم إجراؤها بنجاح لأول مرة في عام 1934. طور العالم الأمريكي جيسي بيمز وفريقه في جامعة فيرجينيا هذه العملية عن طريق فصل نظيرين للكلور من خلال جهاز طرد مركزي فائق الفراغ . كانت إحدى وسائل الفصل النظائري الأولية التي تم اتباعها أثناء مشروع مانهاتن ، وبشكل أكثر تحديدًا من قبل هارولد يوري وكارل ب. كوهين ، ولكن تم إيقاف البحث في عام 1944 حيث كان هناك شعور بأن الطريقة لن تنتج نتائج بحلول نهاية الحرب، وأن وسائل أخرى لتخصيب اليورانيوم ( الانتشار الغازي والفصل الكهرومغناطيسي ) لديها فرصة أفضل للنجاح على المدى القصير. تم استخدام هذه الطريقة بنجاح في البرنامج النووي السوفييتي ، مما جعل الاتحاد السوفييتي المورد الأكثر فعالية لليورانيوم المخصب. قدم فرانز سيمون ورودولف بيرلز وكلاوس فوكس ونيكولاس كورتي مساهمات مهمة في عملية الطرد المركزي.

قدم بول ديراك مساهمات نظرية مهمة في عملية الطرد المركزي أثناء الحرب العالمية الثانية ؛ ^{[1] [2]} طور ديراك النظرية الأساسية لعمليات الفصل التي تشكل أساس تصميم وتحليل محطات تخصيب اليورانيوم الحديثة. ^[3] على المدى الطويل، وخاصة مع تطوير أجهزة الطرد المركزي من نوع زيبي ، أصبحت أجهزة الطرد المركزي الغازية طريقة اقتصادية للغاية للفصل، حيث تستخدم طاقة أقل بكثير من الطرق الأخرى وتتمتع بالعديد من المزايا الأخرى.

أجرى العالم الباكستاني عبد القدير خان أبحاثًا في الأداء المادي لأجهزة الطرد المركزي في السبعينيات والثمانينيات، باستخدام أساليب الفراغ لتعزيز دور أجهزة الطرد المركزي في تطوير الوقود النووي للقنبلة الذرية الباكستانية . ^[4] كان العديد من المنظرين الذين يعملون مع خان غير متأكدين من إمكانية إنتاج اليورانيوم الغازي والمخصب في الوقت المناسب. ^[5] يتذكر أحد العلماء: "لم يستخدم أحد في العالم طريقة الطرد المركزي [الغازي] لإنتاج اليورانيوم العسكري .... لم يكن هذا لينجح. لقد كان ببساطة يضيع الوقت". ^[5] وعلى الرغم من الشكوك، فقد ثبت بسرعة أن البرنامج قابل للتنفيذ. تم استخدام التخصيب عبر أجهزة الطرد المركزي في الفيزياء التجريبية، وتم تهريب الطريقة إلى ثلاث دول مختلفة على الأقل بحلول نهاية القرن العشرين. ^{[4] [5]}

تعتمد أجهزة الطرد المركزي على القوة الناتجة عن تسارع الطرد المركزي لفصل الجزيئات وفقًا لكتلتها ويمكن تطبيقها على معظم السوائل. ^[6] تتحرك الجزيئات الكثيفة (الأثقل) نحو الجدار، وتبقى الجزيئات الأخف بالقرب من المركز. تتكون أجهزة الطرد المركزي من دوار جسم صلب يدور بفترة كاملة بسرعة عالية. ^[7] تُستخدم أنابيب الغاز المتحدة المركز الموجودة على محور الدوار لإدخال غاز التغذية إلى الدوار واستخراج التيارات المنفصلة الأثقل والأخف وزناً. ^[7] لإنتاج ²³⁵ U، يكون التيار الأثقل هو تيار النفايات والتيار الأخف هو تيار المنتج. أجهزة الطرد المركزي الحديثة من نوع Zippe عبارة عن أسطوانات طويلة تدور على محور رأسي. يمكن تطبيق تدرج درجة الحرارة الرأسي لإنشاء دورة حمل حراري ترتفع في المركز وتنزل عند محيط أجهزة الطرد المركزي. يمكن أيضًا تحفيز مثل هذا التدفق المعاكس ميكانيكيًا بواسطة المجارف التي تستخرج الكسور المخصبة والمستنفدة. يؤدي الانتشار بين هذه التدفقات المتقابلة إلى زيادة الانفصال وفقًا لمبدأ الضرب المعاكس للتيار .

في الممارسة العملية، نظرًا لوجود حدود لارتفاع جهاز الطرد المركزي الواحد الذي يمكن تصنيعه، يتم توصيل العديد من أجهزة الطرد المركزي هذه على التوالي. يتلقى كل جهاز طرد مركزي خط إدخال واحد وينتج خطي إخراج، يتوافقان مع الكسور الخفيفة والثقيلة . يكون مدخل كل جهاز طرد مركزي هو تيار المنتج لجهاز الطرد المركزي السابق. ينتج هذا جزءًا خفيفًا نقيًا تقريبًا من تيار المنتج لجهاز الطرد المركزي الأخير وجزءًا ثقيلًا نقيًا تقريبًا من تيار النفايات لجهاز الطرد المركزي الأول.

تستخدم عملية الطرد المركزي الغازي تصميمًا فريدًا يسمح للغاز بالتدفق باستمرار داخل وخارج جهاز الطرد المركزي. على عكس معظم أجهزة الطرد المركزي التي تعتمد على المعالجة الدفعية ، يستخدم جهاز الطرد المركزي الغازي المعالجة المستمرة، مما يسمح بالتتابع حيث تحدث عمليات متطابقة متعددة على التوالي. يتكون جهاز الطرد المركزي الغازي من دوار أسطواني وغلاف ومحرك كهربائي وثلاثة خطوط لسفر المواد. تم تصميم جهاز الطرد المركزي الغازي بغلاف يحيط بجهاز الطرد المركزي تمامًا. ^[4] يقع الدوار الأسطواني داخل الغلاف، والذي يتم إخلاؤه من كل الهواء لإنتاج دوران شبه خالٍ من الاحتكاك عند التشغيل. يدير المحرك الدوار، مما يخلق قوة الطرد المركزي على المكونات أثناء دخولها الدوار الأسطواني. تعمل هذه القوة على فصل جزيئات الغاز، مع تحرك الجزيئات الثقيلة نحو جدار الدوار والجزيئات الأخف نحو المحور المركزي. هناك خطان للإخراج، أحدهما للجزء المخصب بالنظير المطلوب (في فصل اليورانيوم، هذا هو ²³⁵ U)، والآخر مستنفد من هذا النظير. تنقل خطوط الإخراج هذه الفصلات إلى أجهزة طرد مركزي أخرى لمواصلة عملية الطرد المركزي. ^[8] تبدأ العملية عندما يتم موازنة الدوار في ثلاث مراحل. ^[9] من الصعب الحصول على معظم التفاصيل الفنية حول أجهزة الطرد المركزي الغازية لأنها محاطة بـ "السرية النووية". ^[9]

كانت أجهزة الطرد المركزي الغازية المبكرة المستخدمة في المملكة المتحدة تستخدم هيكلًا من سبيكة ملفوفة بألياف زجاجية مشبعة بالإيبوكسي. وتم تحقيق التوازن الديناميكي للتجميع عن طريق إضافة آثار صغيرة من الإيبوكسي في المواقع التي تشير إليها وحدة اختبار التوازن. وكان المحرك عادةً على شكل فطيرة يقع في الجزء السفلي من الأسطوانة. وكان طول الوحدات المبكرة حوالي مترين، لكن التطورات اللاحقة زادت الطول تدريجيًا. ويبلغ طول الجيل الحالي أكثر من 4 أمتار. والمحامل عبارة عن أجهزة تعتمد على الغاز، حيث لا يمكن للمحامل الميكانيكية أن تصمد عند سرعات التشغيل العادية لهذه الأجهزة.

كان من المقرر أن يتم تغذية قسم من أجهزة الطرد المركزي بتيار متناوب متغير التردد من عاكس إلكتروني (كتل)، والذي كان يعمل على زيادة سرعتها ببطء إلى السرعة المطلوبة، والتي تتجاوز عادة 50 ألف دورة في الدقيقة. وكان أحد الاحتياطات هو تجاوز الترددات التي كان من المعروف أن الأسطوانة تعاني عندها من مشاكل الرنين . والعاكس عبارة عن وحدة عالية التردد قادرة على العمل عند ترددات تبلغ حوالي 1 كيلوهرتز. وعادة ما تكون العملية برمتها صامتة؛ فإذا سمعنا ضوضاء قادمة من جهاز الطرد المركزي، فهذا تحذير من الفشل (الذي يحدث عادة بسرعة كبيرة). ويسمح تصميم الشلال عادة بفشل وحدة واحدة على الأقل من أجهزة الطرد المركزي دون المساس بتشغيل الشلال. وعادة ما تكون الوحدات موثوقة للغاية، حيث عملت النماذج المبكرة بشكل مستمر لأكثر من 30 عامًا.

وقد زادت النماذج اللاحقة من سرعة دوران أجهزة الطرد المركزي بشكل مطرد، حيث إن سرعة جدار جهاز الطرد المركزي هي التي لها التأثير الأكبر على كفاءة الفصل. ومن سمات نظام أجهزة الطرد المركزي المتتالية أنه من الممكن زيادة إنتاجية المصنع تدريجيًا، عن طريق إضافة "كتل" متتالي إلى التركيب الحالي في مواقع مناسبة، بدلاً من الاضطرار إلى تركيب خط جديد تمامًا من أجهزة الطرد المركزي.

أبسط أجهزة الطرد المركزي الغازية هي أجهزة الطرد المركزي المتزامنة، حيث يتم إنتاج التأثير الانفصالي من خلال التأثيرات الطاردة المركزية لدوران الدوار. في أجهزة الطرد المركزي هذه، يتم جمع الجزء الثقيل عند محيط الدوار والجزء الخفيف من أقرب محور الدوران. ^[10]

يستخدم تحريض تدفق التيار المعاكس مضاعفة التيار المعاكس لتعزيز التأثير الانفصالي. يتم إعداد تيار دائري رأسي، مع تدفق الغاز محوريًا على طول جدران الدوار في اتجاه واحد وتدفق عائد أقرب إلى مركز الدوار. يستمر الفصل الطردي المركزي كما كان من قبل (تتحرك الجزيئات الثقيلة بشكل تفضيلي إلى الخارج)، مما يعني أن الجزيئات الثقيلة يتم جمعها بواسطة تدفق الجدار، ويتجمع الجزء الأخف في الطرف الآخر. في جهاز الطرد المركزي مع تدفق الجدار لأسفل، تتجمع الجزيئات الثقيلة في الأسفل. ثم يتم وضع مغارف المخرج في نهايات تجويف الدوار، مع حقن خليط التغذية على طول محور التجويف (من الناحية المثالية، تكون نقطة الحقن عند النقطة التي يكون فيها الخليط في الدوار مساويًا للتغذية ^[11] ).

يمكن إحداث هذا التدفق المعاكس للتيار ميكانيكيًا أو حراريًا أو مزيجًا منهما. في التدفق المعاكس للتيار المستحث ميكانيكيًا، يتم استخدام ترتيب المجارف (الثابتة) وهياكل الدوار الداخلية لتوليد التدفق. ^[12] تتفاعل المجرفة مع الغاز عن طريق إبطائه، مما يميل إلى سحبه إلى مركز الدوار. تحفز المجارف في كل طرف تيارات معاكسة، لذلك يتم حماية مغرفة واحدة من التدفق بواسطة "حاجز": قرص مثقب داخل الدوار يدور مع الغاز - في هذا الطرف من الدوار، سيكون التدفق إلى الخارج، نحو جدار الدوار. وبالتالي، في جهاز الطرد المركزي مع مغرفة علوية محجبة، يكون تدفق الجدار إلى الأسفل، ويتم جمع الجزيئات الأثقل في الأسفل. يمكن إنشاء تيارات الحمل الحراري المستحثة حرارياً عن طريق تسخين الجزء السفلي من جهاز الطرد المركزي و/أو تبريد الطرف العلوي.

وحدة العمل الفصلية (SWU) هي مقياس لكمية العمل الذي يقوم به جهاز الطرد المركزي ولها وحدات كتلة (عادةً وحدة عمل فصل بالكيلوجرام ). يتم التعبير عن العمل اللازم لفصل كتلة من تغذية التحليل إلى كتلة من منتج التحليل وذيول الكتلة والتحليل من حيث عدد وحدات العمل الفصلية المطلوبة، والتي يتم إعطاؤها بواسطة التعبير${\displaystyle W_{\mathrm {SWU} }}$${\displaystyle F}$${\displaystyle x_{f}}$${\displaystyle P}$${\displaystyle x_{p}}$${\displaystyle T}$${\displaystyle x_{t}}$

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

أين هي دالة القيمة ، والتي يتم تعريفها على أنها${\displaystyle V\left(x\right)}$

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

يتطلب فصل اليورانيوم وجود المادة في صورة غازية؛ ويُستخدم سداسي فلوريد اليورانيوم (UF _{6 )} لتخصيب اليورانيوم . وعند دخول غاز سداسي فلوريد اليورانيوم إلى أسطوانة الطرد المركزي، يدور غاز سداسي فلوريد اليورانيوم _بسرعة عالية. ويخلق الدوران قوة طرد مركزي قوية تجذب المزيد من جزيئات الغاز الثقيلة (التي تحتوي على ²³⁸ U) نحو جدار الأسطوانة، بينما تميل جزيئات الغاز الأخف (التي تحتوي على ²³⁵ U) إلى التجمع بالقرب من المركز. ويتم سحب التيار المخصب قليلاً في ²³⁵ U وتغذيته إلى المرحلة الأعلى التالية، بينما يتم إعادة تدوير التيار المستنفد قليلاً إلى المرحلة الأدنى التالية.

بالنسبة لبعض الاستخدامات في التكنولوجيا النووية، يجب خفض محتوى الزنك-64 في معدن الزنك لمنع تكوين النظائر المشعة عن طريق تنشيطه بالنيوترونات . يستخدم ثنائي إيثيل الزنك كوسط تغذية غازي لسلسلة أجهزة الطرد المركزي. ومن الأمثلة على المواد الناتجة أكسيد الزنك المستنفد ، المستخدم كمثبط للتآكل .

• التكنولوجيا النووية
• الطاقة النووية
• الوقود النووي

• قائمة المراجع الموثقة عن أجهزة الطرد المركزي الغازية من مكتبة ألسوس الرقمية
• تاريخ أجهزة الطرد المركزي
• ما هو جهاز الطرد المركزي الغازي؟
• اتفاقية بين حكومة الولايات المتحدة الأمريكية والحكومات الأربع للجمهورية الفرنسية والمملكة المتحدة لبريطانيا العظمى وأيرلندا الشمالية ومملكة هولندا وجمهورية ألمانيا الاتحادية بشأن إنشاء وبناء وتشغيل منشآت تخصيب اليورانيوم باستخدام تكنولوجيا أجهزة الطرد المركزي الغازية في الولايات المتحدة الأمريكية وزارة خارجية الولايات المتحدة