جهاز طرد مركزي من نوع زيب

جهاز الطرد المركزي من نوع زيب هو جهاز طرد مركزي يعمل بالغاز، مصمم لتخصيب نظير اليورانيوم-235 ( ^235U ) النادر والقابل للانشطار، من خليط النظائر الموجودة في مركبات اليورانيوم الطبيعية. يعتمد فصل النظائر على الاختلاف الطفيف في كتلتها. طُوّر تصميم زيب في الاتحاد السوفيتي على يد فريق بقيادة 60 عالماً ومهندساً نمساوياً وألمانياً، أثناء احتجازهم بعد أسرهم في نهاية الحرب العالمية الثانية .

في الغرب، وبشكل عام الآن، يُعرف هذا النوع من الأجهزة باسم الرجل الذي أعاد ابتكار هذه التقنية بعد عودته إلى الغرب عام 1956، وهو غيرنوت زيب ، استنادًا إلى ذاكرته لمساهماته في البرنامج السوفيتي. وإذا كان من الممكن الإشارة إليه في الاستخدام السوفيتي/الروسي باسم أي شخص، فقد كان يُعرف في مرحلة مبكرة من التطوير باسم جهاز طرد مركزي كامينيف ، نسبةً إلى يفغيني كامينيف. ^{[ 1 ] [ 2 ]}

يتكون اليورانيوم الطبيعي من ثلاثة نظائر ؛ يشكل اليورانيوم-238 النسبة الأكبر (99.274%) ، بينما يشكل اليورانيوم-235 ، القابل للانشطار بالنيوترونات الحرارية، حوالي 0.72%، أما النسبة المتبقية فهي 0.0055% من اليورانيوم-234 . إذا تم تخصيب اليورانيوم الطبيعي إلى 3% من اليورانيوم-235 ، فإنه يُستخدم كوقود للمفاعلات النووية التي تعمل بالماء الخفيف . أما إذا تم تخصيبه إلى 90% من اليورانيوم-235، فإنه يُستخدم في الأسلحة النووية .

يُعدّ تخصيب اليورانيوم عمليةً صعبةً نظرًا لتشابه نظائره كيميائيًا ووزنيًا: فاليورانيوم-235 أخفّ بنسبة 1.26% فقط من اليورانيوم-238 (مع ملاحظة أن هذا ينطبق فقط على معدن اليورانيوم). تتطلب أجهزة الطرد المركزي استخدام سائل بدلًا من مادة صلبة، وقد استُخدم في هذه العملية غاز سادس فلوريد اليورانيوم . يقلّ الفرق النسبي في الكتلة بين _سادس فلوريد اليورانيوم ^-235 وسادس _فلوريد اليورانيوم ^-238 عن 0.86%. تعتمد كفاءة الفصل في جهاز الطرد المركزي على الفرق المطلق في الكتلة. يتطلب فصل نظائر اليورانيوم جهاز طرد مركزي يدور بسرعة 1500 دورة في الثانية (90000 دورة في الدقيقة ). إذا افترضنا قطرًا للدوار يبلغ 20 سم (كما هو الحال في بعض أجهزة الطرد المركزي الحديثة ^{[ 3 ]} )، فإن هذا يُعادل تسارعًا مركزيًا يبلغ حوالي 900,000 ضعف تسارع الجاذبية الأرضية ^{[ 4 ]} (أي ما يُعادل 42 ضعف السرعة القصوى لجهاز طرد مركزي دقيق قياسي يُستخدم في المختبرات ^{[ 5 ]} ، وما بين 0.9 و9 أضعاف السرعة القصوى لجهاز طرد مركزي فائق السرعة قياسي يُستخدم في المختبرات ^{[ 6 ]} )، أو سرعة خطية أكبر من 2 ماخ في الهواء (ماخ 1 = سرعة الصوت، في الهواء حوالي 340 م/ث)، وأعلى من ذلك بكثير في غاز _سادس فلوريد اليورانيوم . وللمقارنة، تعمل الغسالات الأوتوماتيكية بسرعة تتراوح بين 12 و25 دورة في الثانية (720-1500 دورة في الدقيقة) أثناء دورة العصر، بينما يمكن أن تصل سرعة التوربينات في شواحن التوربو للسيارات إلى حوالي 2500-3333 دورة في الثانية (150,000-200,000 دورة في الدقيقة). ^{[ 7 ] [ 8 ]}       

يحتوي جهاز الطرد المركزي من نوع زيب ^{[ 9 ]} على دوّار أسطواني مجوّف مملوء بغاز سداسي فلوريد اليورانيوم (UF6 ₎ . يُولد مجال مغناطيسي دوّار في أسفل الدوّار، كما هو الحال في المحركات الكهربائية ، مما يُتيح له الدوران بسرعة كافية لدفع غاز UF6 _نحو الجدار الخارجي، حيث يُخصب نظير ²³⁸ UF6 في الطبقة الخارجية، بينما يُخصب نظير ₂₃₅ ^UF6 في الطبقة الداخلية _. تُولّد قوة الطرد المركزي تدرجًا في الضغط: يكاد يكون هناك فراغ على محور جهاز الطرد المركزي، مما يُغني عن الحاجة إلى وصلات ميكانيكية أو موانع تسرب لمدخل ومخرج الغاز؛ بالقرب من الجدار، يصل غاز UF6 _إلى ضغط التشبع، مما يحدّ بدوره من سرعة الدوران، لتجنب التكثيف. في جهاز الطرد المركزي ذي التيار المعاكس ، يُمكن تسخين قاع المزيج الغازي، مما يُنتج تيارات حمل حراري . لكن التيار المعاكس يُحفز عادةً ميكانيكيًا بواسطة المغرفة التي تجمع الجزء المُخصب. وبهذه الطريقة، يتكرر التخصيب في كل طبقة أفقية (وبالتالي يتضاعف) في الطبقة التالية، كما هو الحال في التقطير العمودي . توجد إحدى المغرفتين خلف حاجز مثقب يدور مع جهاز الطرد المركزي؛ وهي تجمع الجزء الغني بـ ²³⁵ UF _6. أما المغرفة الأخرى فهي بدون حاجز. تعمل على إبطاء دوران الغاز، وبالتالي زيادة الضغط باتجاه الداخل، بحيث يمكن أيضًا جمع الجزء الغني بـ ²³⁵ UF _{6 دون الحاجة إلى ضخ.} ^{[ 1 ] [ 9 ]} يحتوي كل جهاز طرد مركزي على مدخل واحد على المحور وخطين للإخراج، أحدهما يجمع الغاز في الأسفل والآخر في الأعلى.

ويمكن إعطاء توزيع الضغط الشعاعي (أو الكثافة) كمياً بواسطة ^{[ 9 ]}${\displaystyle p(r)=p(R)\exp(-(M\omega ^{2}/2kT)(R^{2}-r^{2}))}$

حيث p هو الضغط، و r هو نصف القطر المتغير و R هو أقصى قيمة له، و M هي الكتلة الجزيئية، و ω هي السرعة الزاوية، و k هو ثابت بولتزمان، و T هي درجة الحرارة. (هذه المعادلة مشابهة لمعادلة الضغط الجوي ). بكتابة هذه المعادلة لكلا النظيرين وقسمتها، نحصل على نسبة النظائر (التي تعتمد على r ). تحتوي هذه النسبة فقط على ΔM (وليس فرق الكتلة النسبي ΔM /M ) في الأس. ينتج عامل الإثراء القطري بقسمة النسبة الأولية للنظائر. لحساب الإثراء الكلي في جهاز طرد مركزي ذي تيار معاكس بارتفاع H ، يجب إضافة عامل H /( R√2 ) إلى الأس.

بحسب غلاسر، ^{[ 3 ]} كانت أجهزة الطرد المركزي القديمة ذات أقطار دوارات تتراوح بين 7.4 و15  سم، وأطوال تتراوح بين 0.3 و3.2 متر، وسرعة دوران محيطية تتراوح بين 350 و500  متر/ثانية. أما جهاز الطرد المركزي الحديث TC-21 من شركة يورينكو ، فيبلغ قطره 20  سم وطوله أكثر من 5 أمتار، ويدور بسرعة 770  متر/ثانية. وتخطط شركة سينتروس (المعروفة سابقًا باسم USEC) لإنتاج جهاز طرد مركزي بقطر 60  سم، وارتفاع 12 مترًا،  وسرعة دوران محيطية 900 متر/ثانية.

يُحفَّز تيار معاكس للغاز إما ميكانيكيًا أو (وهو الأقل تفضيلًا) بواسطة تدرج حراري بين أعلى وأسفل الدوّار. عند نسبة تيار معاكس إلى تغذية تبلغ 4، يحسب غلاسر ^{[ 3 ]} عامل فصل قدره 1.74 لجهاز طرد مركزي TC-21 بارتفاع 5 أمتار. يؤدي خفض هذه النسبة (عن طريق زيادة التغذية) إلى تقليل عامل الفصل، ولكنه يزيد من معدل التدفق وبالتالي الإنتاجية.

لتقليل الاحتكاك، يدور الدوّار في فراغ . يعمل جزء من الدوّار مع الغلاف المجاور له كمضخة جزيئية، تحافظ على الفراغ. يثبت محمل مغناطيسي الجزء العلوي من الدوّار، والاتصال المادي الوحيد (الضروري فقط أثناء بدء التشغيل) هو محمل الجوهرة المخروطي الذي يستقر عليه الدوّار. ^{[ 1 ] [ 9 ]} يحتوي كلا المحملين على وسائل لتخميد الاهتزازات. تدخل خطوط الغاز الثلاثة إلى الدوّار على محوره.

بعد إطلاق سراح العلماء من الأسر السوفيتي عام ١٩٥٦، ^{[ ١ ]} فوجئ غيرنوت زيب بأن المهندسين في الغرب متأخرون سنوات في تكنولوجيا أجهزة الطرد المركزي. تمكن من إعادة إنتاج تصميمه في جامعة فرجينيا بالولايات المتحدة ، ونشر النتائج، رغم مصادرة السوفيت لملاحظاته. غادر زيب الولايات المتحدة عندما مُنع فعليًا من مواصلة أبحاثه: فقد صنّف الأمريكيون العمل سريًا، مطالبين إياه إما بالحصول على الجنسية الأمريكية (وهو ما رفضه)، أو العودة إلى أوروبا، أو التخلي عن أبحاثه. ^{[ ١ ]} عاد إلى أوروبا حيث قام هو وزملاؤه، خلال ستينيات القرن العشرين، بتحسين كفاءة جهاز الطرد المركزي عن طريق تغيير مادة الدوّار من الألومنيوم إلى فولاذ الماراجينج ، وهو سبيكة ذات عمر أطول ومقاومة أكبر للإجهاد، مما سمح بسرعات أعلى. استخدمت شركة يورينكو التجارية تصميم جهاز الطرد المركزي المُحسّن هذا لفترة طويلة لإنتاج وقود اليورانيوم المُخصّب لمحطات الطاقة النووية . ^{[ 1 ]} وفي الآونة الأخيرة، يستخدمون (على سبيل المثال في طرازهم TC-21) جدرانًا مقواة بألياف الكربون. ^{[ 3 ]}

تُعدّ التفاصيل الدقيقة لأجهزة الطرد المركزي المتطورة من نوع زيب (Zippe) من الأسرار المحفوظة بعناية. فعلى سبيل المثال، تتحسن كفاءة هذه الأجهزة بزيادة سرعة دورانها. ولتحقيق ذلك، تُستخدم مواد أقوى، مثل المواد المركبة المدعمة بألياف الكربون ؛ إلا أن تفاصيل هذه المواد وكيفية حمايتها من الهجمات الكيميائية تبقى سرية. وينطبق الأمر نفسه على التقنيات المختلفة المستخدمة لتجنب القوى المسببة للاهتزازات المدمرة (الانحناء): إذ يُحسّن إطالة جهاز الطرد المركزي (ذي التيار المعاكس) عملية التخصيب بشكل كبير. ^{[ 9 ]} ولكنه يُقلل أيضًا من تردد الرنين الميكانيكي، مما يزيد من خطر حدوث عطل كارثي أثناء بدء التشغيل (كما حدث خلال هجوم ستوكسنت في إيران). ويُساعد إيقاف الدوار الأسطواني بواسطة منفاخ مرن على التحكم في الاهتزازات منخفضة التردد، كما يُساعد التحكم الدقيق في السرعة أثناء بدء التشغيل على ضمان عدم تشغيل جهاز الطرد المركزي لفترة طويلة بسرعات تُسبب الرنين . ولكن ثمة حاجة إلى مزيد من التدابير السرية. لذلك، ظلت روسيا تستخدم أجهزة الطرد المركزي "دون الحرجة" (أي بأطوال صغيرة حوالي 0.5-1 متر)، في حين أن أجهزة الطرد المركزي في شركة يورينكو لها أطوال تصل إلى 10 أمتار.

يُعدّ بناء جهاز الطرد المركزي من نوع زيب أمرًا صعبًا ويتطلب أجزاءً مصنّعة بدقة عالية. مع ذلك، بالمقارنة مع طرق التخصيب الأخرى ، فهو أرخص بكثير وأسرع في الإعداد، ويستهلك طاقة أقل بكثير، ويتطلب مساحة صغيرة للمحطة. لذلك، يمكن بناؤه في سرية نسبية. وهذا ما يجعله مثاليًا لبرامج الأسلحة النووية السرية، ويزيد من خطر الانتشار النووي . ^{[ 3 ]} كما أن سلاسل أجهزة الطرد المركزي تحتوي على كمية أقل بكثير من المواد في الجهاز في أي وقت مقارنةً بمحطات الانتشار الغازي .

طوّر برنامج القنبلة الذرية الباكستاني جهازي الطرد المركزي P1 وP2 استنادًا إلى التصاميم الأولية لجهاز يورينكو؛ ^{[ 3 ]} وهما أول جهازي طرد مركزي نشرتهما باكستان بأعداد كبيرة، لكنها قلّصت أعدادهما بشكل كبير بعد مراجعة حسابات الكتلة الحرجة. يستخدم جهاز الطرد المركزي P1 دوّارًا من الألومنيوم، بينما يستخدم جهاز الطرد المركزي P2 دوّارًا من فولاذ الماراجينج، ^{[ 3 ]} وهو أقوى وأسرع دورانًا، ويُخصّب كمية أكبر من اليورانيوم لكل جهاز مقارنةً بجهاز P1. في باكستان، كان لجهاز الطرد المركزي من نوع زيب اسم محلي، وهو "سنتريفوج خان" (نسبةً إلى عبد القدير خان ). ^{: 151 [ 10 ]}

تُشكك المصادر الروسية في رواية غيرنوت زيب عن تطوير جهاز الطرد المركزي السوفيتي. فهي تُشير إلى ماكس ستينبيك باعتباره العالم الألماني المسؤول عن الجزء الألماني من مشروع جهاز الطرد المركزي السوفيتي، الذي بدأه اللاجئ الألماني فريتز لانج في ثلاثينيات القرن العشرين. وينسب السوفيت الفضل إلى ستينبيك وإسحاق كيكوين وإيفجيني كامينيف في ابتكار جوانب قيّمة مختلفة من التصميم. ويذكرون أن زيب انخرط في بناء نماذج أولية للمشروع لمدة عامين ابتداءً من عام 1953. ونظرًا لأن مشروع جهاز الطرد المركزي كان سريًا للغاية، لم يُشكك السوفيت في أي من ادعاءات زيب في ذلك الوقت. ^{[ 2 ]}

• جهاز طرد مركزي غازي
• جهاز الطرد المركزي فائق السرعة
• الرفع المغناطيسي
• محمل الدفع
• مشروع الأسلحة النووية الألماني
• ألمانيا وأسلحة الدمار الشامل
• باكستان وأسلحة الدمار الشامل
• هولندا وأسلحة الدمار الشامل
• العمل القسري للألمان في الاتحاد السوفيتي
• الروسية ألوس
• ستوكسنت

• ذا زيب تايب - قنبلة الفقراء ، راديو بي بي سي 4 ، 19 مايو 2004
• تتبع التكنولوجيا ، مجلة الهندسة النووية الدولية ، 31 أغسطس 2004
• نحيف وأنيق، إنه يغذي القنبلة ، صحيفة نيويورك تايمز ، 23 مارس 2004
• جهاز الطرد المركزي الغازي وانتشار الأسلحة النووية ، مارفن ميلر، 22 أكتوبر 2004
• جهاز الطرد المركزي الغازي وانتشار الأسلحة النووية ، هيوستن ج. وود، ألكسندر جلاسر، و ر. سكوت كيمب، مجلة الفيزياء اليوم، صفحة 40، سبتمبر 2008
• مصالح أمن الطاقة طويلة الأجل للولايات المتحدة: جلسة استماع أمام اللجنة الفرعية للكونغرس المعنية بالاستقرار الاقتصادي، 11 ديسمبر 1990، صفحة 140، جون إي. غراي ، نائب رئيس المجلس الأطلسي ، مستشهداً بمقال الوقود النووي " ها هي الترويكا قادمة" أثناء الإدلاء بشهادته أمام اللجنة الفرعية المعنية بالاستقرار الاقتصادي (لجنة مجلس النواب الأمريكي المعنية بالبنوك والمالية والشؤون الحضرية).