طارد مركزي غازي

رسم تخطيطي لطارد مركزي غازي مع تدفق تيار معاكس، يُستخدم لفصل نظائر اليورانيوم.

الطارد المركزي الغازي Gas Centrifuge عبارة جهاز يُستخدم لـ فصل النظائر الغازية. يعتمد الطارد المركزي على مبادئ القوة الجاذبة للجزيئات المتسارعة بحيث تُفصل الجسيمات ذات الكتل المختلفة مادياً\فيزيائياً في تدرج على طول نصف قطر الحاوية (الوعاء) الدوارة. من الاستخدامات البارزة لأجهزة الطرد المركزي الغازية فصل يورانيوم-235 (²³⁵U) من يورانيوم-238 (²³⁵U). طُور الطارد المركزي الغازي ليحل محل طريقة الانتشار الغازي لاستخراج اليورانيوم 235. تعتمد درجات الفصل العالية لهذه النظائر على استخدام العديد من الطاردات المركزية الفردية المرتبة في سلسلة، والتي تحقق تركيزات أعلى على التوالي. تنتج هذه العملية تركيزات أعلى من اليورانيوم 235 مع استخدام طاقة أقل بكثير مقارنة بعملية الانتشار الغازي.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

عملية الطرد المركزي

يعتمد الطارد المركزي على القوة الناتجة عن تسارع قوة الطرد المركزي لفصل الجزيئات وفقاً لكتلتها، ويمكن تطبيقها على معظم السوائل.^[1]تتحرك الجزيئات الكثيفة (الأثقل) باتجاه الجدار وتبقى الجزيئات الأخف قريبة من المركز. يتكون الطارد المركزي من جسم دوار صلب يدور بدورة كاملة بسرعة عالية.^[2]تُستخدم أنابيب الغاز المركز الموجودة على محور الدوار لإدخال غاز التغذية في الدوار واستخراج التيارات المفصولة الثقيلة والأخف وزناً.^[2] بالنسبة إلى إنتاج ²³⁵U، يكون التيار الأثقل هو تيار النفايات والتيار الأخف هو تيار المنتج. طارد مركزي من النوع زيپ الحديث عبارة عن أسطوانات طويلة تدور على محور عمودي، مع تطبيق تدرج عمودي لدرجة الحرارة لإنشاء دوران الحمل الحراري الذي يرتفع في المركز وينخفض عند محيط جهاز الطرد المركزي. يؤدي الانتشار بين هذه التدفقات المتعارضة إلى زيادة الفصل من خلال مبدأ تضاعف التيار المعاكس.

في الممارسة العملية، نظراً لوجود حدود لطول يمكن صنع جهاز طرد مركزي واحد، يتم توصيل العديد من أجهزة الطرد المركزي في سلسلة. يتلقى كل جهاز طرد مركزي مدخلًا واحداً وينتج خطي إخراج، يتوافقان مع الكسور الخفيفة والثقيلة. مدخل كل طارد مركزي هو ناتج (خفيف) طارد مركزي سابق والمخرج (ثقيل) للمرحلة التالية. ينتج عن هذا جزء خفيف نقي تقريبًا من ناتج (خفيف) طارد مركزي آخر وجزء ثقيل نقي تقريباً من ناتج (ثقيل) للطارد المركزي الأول.

عملية الطرد المركزي للغازات

سلسلة من أجهزة الطرد المركزي الغازية المستخدمة لإنتاج اليورانيوم المخصب. اختُبرت أجهزة الطرد المركزي الغازية الأمريكية في پيكتن، أوهايو، 1984. يبلغ ارتفاع كل طارد مركزي 12 متر. (أجهزة الطرد المركزي التقليدية المستخدمة اليوم أصغر بكثير، وأقل من 5 أمتار)

تستخدم عملية الطرد المركزي الغازي تصميماً فريداً يسمح للغاز بالتدفق باستمرار داخل وخارج جهاز الطرد المركزي. على عكس معظم أجهزة الطرد المركزي التي تعتمد على معالجة بالدفعات، تستخدم أجهزة الطرد المركزي الغازية معالجة مستمرة، مما يسمح بالتعاقب، حيث تحدث عدة عمليات متطابقة على التوالي. يتكون الطارد المركزي الغازي من دوار أسطواني، وغطاء، ومحرك كهربائي، وثلاثة خطوط لنقل المواد. صُمم الطارد المركزي الغازي بغلاف يحيط بالكامل بالطارد المركزي.^[3] يقع الدوار الأسطواني داخل الغلاف، وهو تفريغ من كل الهواء لإنتاج دوران شبه عديم الاحتكاك عند التشغيل. يقوم المحرك بتدوير الجزء المتحرك، مما يخلق قوة الجاذبية المركزية على المكونات أثناء دخولها الدوار الأسطواني. تعمل هذه القوة على فصل جزيئات الغاز، مع تحرك الجزيئات الأثقل باتجاه جدار الجزء المتحرك، والجزيئات الأخف نحو المحور المركزي. يوجد خطان للإخراج، أحدهما للجزء المخصب بالنظير المطلوب (في فصل اليورانيوم، وهو U-235)، والآخر مستنزف. تأخذ خطوط الإخراج هذه الفواصل إلى طاردات مركزية أخرى لمواصلة عملية الطرد المركزي.^[4] تبدأ العملية عندما يكون الدوار متوازناً على ثلاث مراحل.^[5] يصعب الحصول على معظم التفاصيل الفنية المتعلقة بالطاردات المركزية الغازية لأنها محاطة بـ "السرية النووية".^[5]

استخدمت الطاردات المركزية الأولية في المملكة المتحدة جسم سبيكة ملفوف بألياف زجاجية مشبعة بالإيپوكسي. وقد حُقق التوازن الديناميكي للتجميع عن طريق إضافة آثار صغيرة من الايپوكسي في المواقع المشار إليها بواسطة وحدة اختبار التوازن. كان المحرك عادة من نوع فطيرة يقع في الجزء السفلي من الاسطوانة. كانت الوحدات المبكرة بطول مترين (تقريباً)، لكن التطورات اللاحقة زادت من الطول تدريجياً. يبلغ طول الجيل الحالي أكثر من 4 أمتار. المحامل عبارة عن أجهزة قائمة على الغاز، حيث لن تتمكن المحامل الميكانيكية من البقاء بسرعات التشغيل العادية للطاردات المركزية هذه.

سيتغذى قسم من الطاردات المركزية بتيار متردد متغير التردد من عاكس إلكتروني (ضخم)، والذي سيرفعها ببطء إلى السرعة المطلوبة، بشكل عام بما يزيد عن 50000 دورة في الدقيقة. كان أحد الاحتياطات هو تجاوز الترددات التي من المعروف أن الأسطوانة تعاني فيها من مشاكل في الرنين (الطنين) بسرعة. العاكس عبارة عن وحدة عالية التردد قادرة على العمل عند ترددات حوالي 1 كيلو هرتز. العملية برمتها صامتة عادة; إذا تم سماع ضوضاء قادمة من الطارد المركزي، فهذا تحذير من عطل (والذي يحدث عادة بسرعة كبيرة). يسمح تصميم السلسلة عادةً بفشل وحدة طرد مركزي واحدة على الأقل دون المساس بتشغيل السلسلة. عادةً ما تكون الوحدات موثوقة للغاية، حيث عملت الطرازات الأولية بشكل مستمر لأكثر من 30 عاماً.

زادت النماذج اللاحقة بشكل مطرد من سرعة دوران الطاردات المركزية، حيث أن سرعة جدار الطارد المركزي هي التي لها أكبر تأثير على كفاءة الفصل.

تتمثل إحدى ميزات النظام التعاقبي للطاردات المركزية في أنه من الممكن زيادة إنتاجية المصنع بشكل تدريجي، عن طريق إضافة "كتل" متتالية إلى التركيب الحالي في المواقع المناسبة، بدلاً من الاضطرار إلى تركيب خط جديد تماماً من الطاردات المركزية.

الطاردات المركزية المتزامنة وذات التيار المعاكس

أبسط الطاردات المركزية الغازية هي الطاردات المركزية المتزامنة، حيث يُنتج تأثير الفصل بواسطة تأثيرات الطرد المركزي لدوران الدوار. في أجهزة الطرد المركزي هذه ، يتم جمع الجزء الثقيل في محيط الدوار ، وجزء الضوء من أقرب محور الدوران.^[6]

يستخدم تحفيز تدفق التيار المعاكس مضاعفة التيار المعاكس لتعزيز التأثير الانفصالي. يُعد تيار دائري رأسي، مع تدفق الغاز محورياً على طول جدران الدوار في اتجاه واحد، وتدفق عودة أقرب إلى مركز الدوار. يستمر الفصل بالطرد المركزي كما كان من قبل (الجزيئات الأثقل تتحرك بشكل تفضيلي للخارج)، مما يعني أن تُجمع الجزيئات الأثقل عن طريق تدفق الجدار، والجزء الأخف يتجمع في الطرف الآخر. في طارد مركزي مع تدفق جدار لأسفل، تتجمع الجزيئات الأثقل في القاع. يتم بعد ذلك وضع مجارف 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 مساوياً للتغذية^[7]).

يمكن أن يحدث هذا التدفق المعاكس ميكانيكياً أو حرارياً، أو مزيجاً. في تدفق التيار المعاكس المستحث ميكانيكياً، يُستخدم ترتيب الصفائح (الثابتة) وهياكل الدوار الداخلي لتوليد التدفق.^[8]تتفاعل الصفائح مع الغاز عن طريق إبطائها، مما يميل إلى سحبها إلى مركز الدوار. تحفز الصفائح الموجودة في كل طرف تيارات معاكسة، لذلك يتم حماية مغرفة واحدة من التدفق بواسطة "حاجز": قرص مثقوب داخل الدوار يدور جنباً إلى جنب مع الغاز - في هذه النهاية من الدوار، يكون التدفق للخارج، باتجاه جدار الدوار. وهكذا، في الطارد المركزي ذي الصفيحة العلوية المهتزة، يكون تدفق الجدار إلى الأسفل، وحيث تُجمع الجزيئات الأثقل في الأسفل.

يمكن إنشاء تيارات الحمل الحراري المستحث حرارياً عن طريق تسخين الجزء السفلي من الطارد المركزي و/أو تبريد الطرف العلوي.

وحدات الشغل الفاصل

وحدة العمل المنفصلة (SWU) هي مقياس لمقدار العمل الذي يقوم به الطارد المركزي وله وحدات كتلة (عادةً وحدة عمل فصل بالكيلوغرام). العمل $W_{\mathrm {SWU} }$ ضروري لفصل كتلة $F$ لتغذية التجربة $x_{f}$ إلى كتلة $P$ لمقايسة المنتج $x_{p}$ ، وذيول الكتلة $T$ ويُعبَّر عن المقايسة $x_{t}$ من حيث عدد وحدات العمل المنفصلة المطلوبة، معطاة بالتعبير

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

حيث

V\left(x\right)

هي دالة القيمة، المعرّفة

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

التطبيق العملي للطرد المركزي

فصل اليورانيوم-235 عن اليورانيوم-238

يتطلب فصل اليورانيوم المادة بالصيغة الغازية; يستخدم سادس فلوريد اليورانيوم (UF₆) في تخصيب اليورانيوم. عند دخول أسطوانة الطرد المركزي، يدور غاز UF₆ بسرعة عالية. يخلق الدوران قوة طرد مركزي قوية تجذب المزيد من جزيئات الغاز الأثقل (التي تحتوي على U-238) نحو جدار الأسطوانة، بينما تميل جزيئات الغاز الأخف (التي تحتوي على U-235) إلى التجمع بالقرب من المركز. يُسحب التيار المخصب قليلاً في U-235 وإدخاله في المرحلة الأعلى التالية، بينما يعيد تدوير التيار المستنفد قليلاً إلى المرحلة الأدنى التالية.

فصل نظائر الزنك

بالنسبة لبعض الاستخدامات في التكنولوجيا النووية، يجب خفض محتوى زنك-64 في الزنك من أجل منع تكوين النظائر المشعة عن طريق التنشيط النيوتروني. يستخدم ثنائي إيثيل الزنك كوسيط تغذية غازي لسلسلة الطاردات المركزية. مثال على مادة ناتجة هو أكسيد الزنك المستنزف، المستخدم كمثبط للتآكل.

التاريخ

اقتُرحت عملية الطرد المركزي في عام 1919 بنجاح لأول مرة في عام 1934. طور العالم الأمريكي جيسي بيمز وفريقه في جامعة ڤرجينيا العملية عن طريق فصل نظيري الكلور من خلال طارد مركزي فائق التفريغ. كانت إحدى الوسائل الأولية للفصل النظيري المتبعة أثناء مشروع منهاتن، وبشكل أكثر تحديداً من قبل هارولد أوري و كارل كوهن، ولكن توقف البحث في عام 1944 حيث كان هناك شعور بأن الطريقة لن تؤدي إلى نتائج مع نهاية الحرب، وأن الوسائل الأخرى لتخصيب اليورانيوم (الانتشار الغازي وحظي الفصل الكهرومغناطيسي) بفرصة أفضل للنجاح على المدى القصير. واستُخدمت هذه الطريقة بنجاح في البرنامج النووي السوڤيتي، مما جعل الاتحاد السوڤيتي المورد الأكثر فاعلية لليورانيوم المخصب.

على المدى الطويل، خاصة مع تطوير طارد مركزي من النوع زيپ، أصبحت الطاردات المركزية الغازية طريقة فصل اقتصادية للغاية، باستخدام طاقة أقل بكثير من الطرق الأخرى ولها مزايا أخرى عديدة.

أجرى العالم الپاكستاني عبد القدير خان بحثاً في الأداء المادي لطاردات المركزية في السبعينيات والثمانينيات من القرن الماضي، باستخدام طرق التخلية لتعزيز دور الطاردات المركزية في تطوير الوقود النووي للقنبلة الذرية الپاكستانية.^[3] كان العديد من الباحثين النظريين العاملين مع خان غير متأكدين من إمكانية الحصول على اليورانيوم الغازي والمخصب في الوقت المحدد.^[9]وقد استذكر أحد العلماء: "لم يستخدم أحد في العالم طريقة الطرد المركزي [الغازي] لإنتاج يورانيوم من الدرجة العسكرية ... لم يكن هذا مجدياً. لقد كان ببساطة مضيعة للوقت."^[9]على الرغم من الشكوك حول البرنامج، سرعان ما أُثبتت جدوى البرنامج. استُخدم التخصيب عبر الطاردات المركزية في الفيزياء التجريبية، وهُرّبت الطريقة إلى ثلاث دول مختلفة على الأقل بحلول نهاية القرن العشرين.^[3]^[9]

انظر أيضاً

الهامش

^ Basics of Centrifuge - Cole Parmer
^ ^أ ^ب Khan, Abdul Qadeer; Atta, M. A.; Mirza, J. A. (1 September 1986). "Flow Induced Vibrations in Gas Tube Assembly of Centrifuge". Journal of Nuclear Science and Technology. 23 (9): 819–827. doi:10.1080/18811248.1986.9735059.
^ ^أ ^ب ^ت Gas Centrifuge Uranium Enrichment
^ What is a Gas Centrifuge? Archived 12 مايو 2003 at the Wayback Machine
^ ^أ ^ب Khan, A.Q.; Suleman, M.; Ashraf, M.; Khan, M. Zubair (1 November 1987). "Some Practical Aspects of Balancing an Ultra-Centrifuge Rotor". Journal of Nuclear Science and Technology. 24 (11): 951–959. doi:10.1080/18811248.1987.9733526.
^ Bogovalov, Sergey; Borman, Vladimir (2016). "Separative Power of an Optimised Concurrent Gas Centrifuge". Nuclear Engineering and Technology. Elsevier BV. 48 (3): 719–726. doi:10.1016/j.net.2016.01.024. ISSN 1738-5733.
^ van Wissen, Ralph; Golombok, Michael; Brouwers, J.J.H. (2005). "Separation of carbon dioxide and methane in continuous countercurrent gas centrifuges". Chemical Engineering Science. Elsevier BV. 60 (16): 4397–4407. doi:10.1016/j.ces.2005.03.010. ISSN 0009-2509.
^ "Engineering Considerations for Gas Centrifuges". Federation of American Scientists. Retrieved 13 January 2020.
^ ^أ ^ب ^ت Brigadier-General (retired) Feroz Hassan Khan (November 7, 2012). "Mastering the Uranium Enrichment" (google book). Eating grass: the making of the Pakistani bomb. Stanford, California: Stanford University Press. p. 151. ISBN 978-0804776011. Retrieved 8 January 2013.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

المراجع

"Basics of Centrifugation." Cole-Parmer Technical Lab. 14 Mar. 2008
"Gas Centrifuge Uranium Enrichment." Global Security.Org. 27 Apr. 2005. 13 Mar. 2008
"What is a Gas Centrifuge?" 2003. Institute for Science and International Security. 10 Oct. 2013

وصلات خارجية

[first-1] Basics of Centrifuge - Cole Parmer

[Journal_of_Nuclear_Science_and_Technology-2] أ ^ب Khan, Abdul Qadeer; Atta, M. A.; Mirza, J. A. (1 September 1986). "Flow Induced Vibrations in Gas Tube Assembly of Centrifuge". Journal of Nuclear Science and Technology. 23 (9): 819–827. doi:10.1080/18811248.1986.9735059.

[third-3] أ ^ب ^ت Gas Centrifuge Uranium Enrichment

[second-4] What is a Gas Centrifuge? Archived 12 مايو 2003 at the Wayback Machine

[JNSCT2-5] أ ^ب Khan, A.Q.; Suleman, M.; Ashraf, M.; Khan, M. Zubair (1 November 1987). "Some Practical Aspects of Balancing an Ultra-Centrifuge Rotor". Journal of Nuclear Science and Technology. 24 (11): 951–959. doi:10.1080/18811248.1987.9733526.

[6] Bogovalov, Sergey; Borman, Vladimir (2016). "Separative Power of an Optimised Concurrent Gas Centrifuge". Nuclear Engineering and Technology. Elsevier BV. 48 (3): 719–726. doi:10.1016/j.net.2016.01.024. ISSN 1738-5733.

[van_Wissen_Golombok_Brouwers_2005_pp._4397–4407-7] van Wissen, Ralph; Golombok, Michael; Brouwers, J.J.H. (2005). "Separation of carbon dioxide and methane in continuous countercurrent gas centrifuges". Chemical Engineering Science. Elsevier BV. 60 (16): 4397–4407. doi:10.1016/j.ces.2005.03.010. ISSN 0009-2509.

[8] "Engineering Considerations for Gas Centrifuges". Federation of American Scientists. Retrieved 13 January 2020.

[Stanford_University_Press-9] أ ^ب ^ت Brigadier-General (retired) Feroz Hassan Khan (November 7, 2012). "Mastering the Uranium Enrichment" (google book). Eating grass: the making of the Pakistani bomb. Stanford, California: Stanford University Press. p. 151. ISBN 978-0804776011. Retrieved 8 January 2013.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]