Центрифуга газовая для разделения изотопов

Численное исследование течения и диффузии в одиночной газовой центрифуге для разделения изотопов [c.197]

Рис. 9.2. Принципиальная схема газовой центрифуги для разделения изотопов урана

Несмотря на то, что первые лабораторные опыты Д. Бимса в 1936 г. по разделению изотопов в центробежном поле, подтвердившие теоретические соображения Линдеманна и Астона [1], проводились при разделении стабильных изотопов хлора [2], идея использования центрифуг для получения стабильных изотопов элементов не была практически реализована в течение почти 40 лет. Причина этого прежде всего в том, что создание работоспособной промышленной конструкции газовых центрифуг для разделения изотопов было ориентировано на разделение изотопов урана. Трудности создания такой конструкции центрифуг и технически более простая для реализации идея газодиффузионного разделения изотопов привели к тому, что только в 1953 г. в России появились первые образцы высокоскоростных центрифуг, пригодные для разделения изотопов урана. [c.155]

Газовая центрифуга для разделения изотопов представлена на рис., 1У-13. Ротор центрифуги изготовлен из прочного алюминиевого сплава. Вал ротора полый, что позволяет подавать через него газ. Ротор вращается электродвигателем мощностью 2,1 кет при л=60 000 об/мин. Наружный диаметр ротора равен 150 мм, толщина его стенки 8 мм, длина 7(Ю мм. Центрифуга испытана при разделении изотопов ксенона, криптона, селена и урана. Установлено, что высокой, степени разделения можно добиться, если в качестве питания одновременно подавать в центрифугу Смесь изотопов И водород. Присутствие водорода, имеющего [c.339]

На основании представления Министерства среднего машиностроения (МСМ) 8 июля 1952 года вышло Постановление Правительства СССР о возложении на ОКБ ЛКЗ задачи по созданию промышленной газовой центрифуги для разделения изотопов урана. [c.131]

Сама история создания первой в мире конструкции русской промышленной газовой центрифуги для разделения изотопов урана и промышленных газоцентрифужных разделительных заводов на её основе в настоящее время подробно освещена в книгах и публикациях участников этой работы [3-9. В период 40-50-х гг., когда была разработана и опробована конструкция газовой центрифуги, имелся большой опыт разработки машин с вращающимися роторами. В большинстве этих машин ротор вращался в защитном корпусе на жёстком валу, через который принципиально можно подавать внутрь ротора газ с исходной смесью концентраций и выводить разделённые фракции. О внешней привлекательности этого направления работ свидетельствует большое количество аналогичных конструкций центрифуг, запатентованных в Японии и ряде европейских стран в 60-70-е гг., в период начала разработок конструкций разделительных газовых центрифуг в этих странах. [c.156]

Разработка газовых центрифуг для разделения изотопов связана с исследованием и оптимизацией процессов, протекающих как внутри быстро-вращающегося ротора, так и в его оболочке. Под первыми понимаются течение и диффузия изотопной смеси во внутренней полости вращающегося цилиндра, под вторыми — анализ напряжений в роторе и его концевых элементах, а также проблемы, связанные с опорами и устойчивостью вращающегося ротора. История создания технологии разделения изотопов урана с помощью газовых центрифуг представляет собой уникальный пример успешного решения многочисленных научных задач экспериментаторами, теоретиками и производственниками в области материаловедения и механики, физики разделительных процессов и газодинамики и многих других направлений. [c.168]

Авторы сознательно подчёркивают общетехнический характер целого ряда задач, стоящих перед конструкторами газовых центрифуг для разделения изотопов. Существующий особый статус центрифуг среди других высокотехнологичных изделий связан с особым вниманием к ядерно-чувствительным технологиям, но это вопрос не уникальных особенностей центрифужной техники, а особенностей её использования. [c.182]

Опорные узлы, демпферы и электропривод роторов центрифуг. В отличие от большинства быстровращающихся изделий, например, роторов гироскопов, роторы газовых центрифуг для разделения изотопов могут вращаться на опорах, допускающих колебания оси вращения ротора по отношению к установочным осям деталей корпуса. Это упрощает конструкцию опор и снижает требования к балансировке, особенно для подкритических роторов. Если у ротора гироскопа подшипники жёстко закреплены на его оси, то у центрифуги опора может быть вынесена от нижней крышки на упругой игле [14], или ротор может быть подвешен в магнитном поле [15], что позволяет оси эллипсоида инерции ротора несколько отклоняться от осей [c.182]

Это не мешает российской разделительной промышленности оставаться одной из самых экономичных в мире. В экономической конкуренции газовые центрифуги для разделения изотопов выступают не поодиночке, а в составе предприятий ядерного топливного цикла, и экономика определяется суммарным совершенством всех его технических составляющих. [c.184]

Газовые центрифуги для разделения изотопов различных элементов, другие применения газовых центрифуг. В научных исследованиях, технике, медицине и самой атомной энергетике требуются подчас достаточно большие количества стабильных или радиоактивных изотопов, и высокая стоимость их получения подчас является преградой для повышения безопасности, мощности лазеров, использующих изотопы, улучшения диагностики и лечения. [c.193]

Общие представления, касающиеся газодинамического метода разделения изотопов урана, были известны давно. Из отчета, опубликованного в Харуэлле и рассекреченного в 1953 г. [5.1], следует, что еще во время второй мировой войны Дирак высказывал идею о принципиальной осуществимости разделительного механизма газовой центрифуги без использования движущихся частей (узлов) путем предоставления газу возможности истекать с большой скоростью в виде струи, имеющей искривленные линии тока. Однако проверка этого эффекта, выполненная в Великобритании на модельных газах, показала, что метод не может быть использован для разделения изотопов в больших масштабах [5.2]. [c.233]

Разделение изотопов в газовой центрифуге основано на том, что при термодинамическом равновесии в потенциальном поле центробежных сил устанавливается равновесное распределение молекул по Максвеллу— Больцману, существенно зависящее от молекулярной массы. Б равновесном состоянии концентрация легких молекул относительно выше вблизи оси, а концентрация тяжелых молекул — возле стенки ротора. Как и в методе газовой диффузии, исходная смесь изотопов для разделения в центрифуге должна быть газообразной (гексафторид урана). Метод газовых центрифуг называют также центробежным методом. [c.246]

Смесь газов удается разделить на компоненты в вертикальном цилиндре, вращающемся с большой угловой скоростью вокруг своей оси. Компонент с более высокой молекулярной массой концентрируется около стенки цилиндра. Движение потоков в противоточной газовой центрифуге показано на рис. 1У-12. Легкий поток движется вверх, вблизи оси, а тяжелый — вниз, у стенок цилиндра. Чем длиннее цилиндр, тем большее различие в составе газа можно наблюдать при прочих одинаковых условиях. Скорость и степень разделения двух компонентов в газовых центрифугах зависит от разности молекулярных масс, а не от корня квадратного нз нх отношения, как в диффузионных процессах. В газовых центрифугах лучше разделяются смеси изотопов тяжелых элементов, поэтому такие аппараты могут быть Достаточно экономичны при разделении изотопов урана (в крупных производствах). [c.339]

Кроме разделения изотопов урана, освоенного в ряде стран на промышленном уровне с использованием методов газовой диффузии и газовой центрифуги, в России большое развитие получило разделение стабильных изотопов более чем тридцати химических элементов центрифугированием. Параллельно проводятся работы по применению газовых центрифуг для обогащения радиоактивных изотопов и очистке рабочих веществ от газовых примесей. [c.127]

В связи с этим в данной главе рассматриваются два основных промышленных метода разделения изотопов метод газовой диффузии и метод газовой центрифуги, а также ряд проблем, сопутствующих процессу разделения изотопов. [c.127]

Выводы. Не следует ожидать, что в ближайшем будущем заводы для промышленного обогащения урана, использующие газовые центрифуги, столкнутся с альтернативной конкурентоспособной технологией разделения изотопов. [c.154]

Перед формулировкой проблем разработки конструкции газовых центрифуг для разделения стабильных изотопов необходимо напомнить о принципах работы газовых центрифуг и использованных принципиальных конструкторских решениях. [c.156]

Схема газовой ультрацентрифуги для разделения изотопов и газовых смесей (см. ниже рис. 5.6.1) в настоящее время достаточно хорошо известна, но её конструктивная разработка явилась результатом труда многих известных инженеров в течение длительного периода. Внешняя простота этой схемы — свидетельство её конструктивного совершенства. Следует пояснить смысл некоторых принципиальных идей газовой центрифуги, которые и обеспечили её успех. [c.156]

Развитие изотопных технологий в период гонки вооружений было связано, главным образом, с масштабным производством урана-235. В 1932 г. Г. Герц впервые в мире разделил смесь лёгких благородных газов путём пропускания её через каскад пористых перегородок. В 1949 г. в СССР было начато под руководством академика И. К. Кикоина промышленное производство урана-235 газодиффузионным методом. В этом же году под руководством академика Л. А. Арцимовича начал работать электромагнитный сепаратор. Активное участие в работах по центрифужной технологии принимал немецкий физик профессор М. Штеенбек. В 1961-62 гг. начато под руководством академика И. К. Кикоина промышленное производство урана-235 на газовых центрифугах. До настояш его времени этот метод является наиболее экономичным из всех суш,ествуюш их для разделения изотопов тяжёлых масс. [c.12]

За прошедшие 30 лет в России было разработано более 15 конструкций различных центрифуг для разделения стабильных изотопов, предназначенных для работы в различных диапазонах молекулярных масс рабочих газов [20]. Как видно из рис. 5.5.1, производительность их непрерывно возрастала, и одна из последних центрифуг имеет увеличение на порядок вблизи массы /X = 150 и обеспечивает практически постоянную производительность во всём диапазоне молекулярных масс рабочих газов. Это подтверждает вывод теории о том, что производительность газовой центрифуги должна зависеть только от разности молекулярных масс разделяемых изотопов. При [c.162]

С началом Второй мировой войны и развёртыванием национальных проектов по созданию атомного оружия разделение изотопов урана приобрело громадное значение. Экспериментальные работы по разработке различных типов газовых центрифуг для этой цели были продолжены в Германии и начаты в США в рамках Манхэттенского проекта. В это время другой нобелевский лауреат П. Дирак выполнил фундаментальные теоретические исследования процесса разделения изотопов в газовой центрифуге. К. Коэн с сотрудниками обобщили теорию Онзагера, разработанную для расчёта эффективности разделения в термодиффузионной колонне, на случай газовой центрифуги. Эти теоретические разработки позволили построить общую математическую теорию и определить пути оптимизации разделения изотопов на газовых центрифугах [3]. [c.169]

Принцип действия газовой центрифуги, основные соотношения. Центробежное поле сил вызывает частичное разделение компонентов газовой смеси вдоль радиуса ротора центрифуги. Гексафторид урана, используемый в качестве рабочего газа при разделении изотопов урана на газовых центрифугах, состоит практически только из смеси молекул и UF [c.170]

Следующим принципиальным решением для газовой центрифуги для разделения изотопов является идея самооткачки разделённых газовых фракций из центрифуги — за счёт применения различных молекулярных (турбомолекулярных) насосов цилиндрического и торцевого типа, которые закачивают газовые компоненты, попавшие в вакуумную камеру, внутрь ротора. Это обеспечивает поддержание уровня давления Рв в вакуумной камере без внешних вакуумных установок. До использования этого решения, даже в конструкциях газовых центрифуг 60-70-х гг. каждый корпус центрифуги был оснащён специальной вакуумной трассой откачки [10]. [c.157]

Центрифуги США. Министерство энергетики США (Department of Energy — DOE) потратило больше чем два десятилетия и около 3 млрд долларов на научные исследования по разработке и усовершенствованию метода газовой центрифуги для разделения изотопов урана. Интенсивно развернув [c.186]

Интерес к изучению течений газа со скоростями, значительно превосходящими скорость звука, обусловлен не только развитием авиационной, ракетной и космической техники, но и созданием газовых центрифуг для разделения изотопов (ГЦ). Как известно, в центробежных аппаратах для разделения изотопов реализуется особый класс искусственно созданных вращательных течений — сверхзвуковые вращательные потоки. Сверхзвуковые скорости вращения газа на периферии ротора, наличие сложного распределения температуры на его боковой стенке, втекающие в рабочую камеру потоки, скорость вращения которых отличается от скорости вращения основного потока, потеря сплошности среды в центральной части ротора делают задачу исследования течения, теплообмена и переноса компонентов изотопной смеси в ГЦ чрезвычайно сложной. Достаточно сказать, что в таких течениях числа Рейнольдса могут достигать значений Ре 10 числа Маха М 8, а числа Кнудсена изменяются в пределах Известно, что исследователи сталкива- [c.197]

В докладе по Манхэттэнскому проекту отмечалось, что возможность использования газовых центрифуг для разделения изотопов урана обсуждалась, но предпочтение было отдано методу газовой диффузии. [c.134]

Интерес к изучению течений газа со скоростями, значительно превосходящими скорость звука, обусловлен не только развитием авиационной, ракетной и космической техники, но и созданием газовых центрифуг для разделения изотопов (ГЦ). Как известно, в центробежных аппаратах для разделения изотопов реализуется особый класс искусственно созданных вращательных течений — сверхзвуковые вращательные потоки. Сверхзвуковые скорости вращения газа на периферии ротора, наличие сложного распределения температуры на его боковой стенке, втекающие в рабочую камеру потоки, скорость вращения которых отличается от скорости вращения основного потока, потеря сплошности среды в центральной части ротора делают задачу исследования течения, теплообмена и переноса компонентов изотопной смеси в ГЦ чрезвычайно сложной. Достаточно сказать, что в таких течениях числа Рейнольдса могут достигать значений Re 10 , числа Маха М 8, а числа Кнудсена изменяются в пределах 10 -10 . Известно, что исследователи сталкиваются со значительными трудностями при попытках получения численных решений уравнений движения газа при больших числах Рейнольдса, когда ламинарное течение переходит в турбулентное. Однако в случае ГЦ сильное центробежное поле является мощным фактором, стабилизирующим течение и препятствующим развитию турбулентности. [c.197]

Одно из главных достоинств центробежного метода — коэффициент разделения в этом процессе зависит от разности молекулярных масс двух изотопов, а не отношения АМ/М или АМ/М , как в некоторых других методах. Следовательно, он наиболее пригоден для разделения изотопов тяжелых элементов. Однако сооружение крупномасштабного завода для обогащения урана с использованием центробежного метода сопряжено с необходимостью решения множества новых и трудных задач, относящихся к машиностроению, технологии и экономике. В этой главе подобные проблемы не затрагиваются, а рассматриваются лишь теоретические вопросы газовой центрифуги. В разд. 4.1 кратко изложены основные понятия, касающиеся коэффициента разделения и. противоточного течения разд. 4.2 посвяшен гидродинамическому анализу, который проводят для определения поля скорости газа внутри ротора. В разд. 4.3 вычисленное поле скорости используют для анализа процесса разделения. Этот анализ позволяет определить иоле концентраций, устанавливающихся иод действием противоточной циркуляции газа и центробежной силы, ответственной за первичный эффект разделения. [c.180]

Создание промышленности обогащения урана методом центрифужной технологии. Первые работы по центрифужному разделению газовых смесей были начаты в СССР в середине 30-х годов в Харьковском физико-техническом институте эмигрировавшим из Германии профессором Ф. Ланге. В 1941-1942 годах на авиационном заводе в г. Уфе была изготовлена первая горизонтально расположенная центрифуга, с которой Ф. Ланге весной 1943 года прибыл в г. Свердловск для продолжения работ в лаборатории И. К. Кикоина. 5 ноября 1945 года на заседании технического совета ПГУ был рассмотрен доклад профессора Ф. Ланге О разделении изотопов методом центрифугирования . Было принято решение об организации лаборатории №4 и продолжении исследовательских работ. Но в 1951 году работы лаборатории № 4 были прекращены как бесперспективные. [c.131]

В начале 60-х годов академик И. К. Кикоин выступил инициатором использования газовых центрифуг для разделения стабильных изотопов химических элементов, имеющих подходящие летучие соединения. [c.134]

В апреле 1957 года я посетил международную конференцию в Амстердаме по разделению изотопов, организованную профессором Кистемакером. Я убедился в том, что развитие газовых центрифуг в Советском Союзе значительно превосходило представленные там достижения по разделению изотопов урана. Низкое энергопотребление по сравнению с газовой диффузией было поразительным преимуществом. Я решил не оставлять мои знания похороненными в Советском Союзе, а внедрить газовые центрифуги в технологию обогащения урана в западном мире. [c.151]

Введение. Гонка ядерных вооружений и развитие атомной энергетики требовали сотен, а затем и тысяч тонн обогащённого урана. Метод газовой диффузии чрезвычайно энергоёмок, и СССР, обладая существенно меньшими, чем LQA энергетическими возможностями, не мог обеспечить ядерный паритет с помощью газовой диффузии. Поэтому именно в СССР были приложены огромные усилия для разработки намного более экономичного метода разделения изотопов с помощью газовых центрифуг. [c.168]