Войти
Центрифуга типа Zippe - это газовая центрифуга, предназначенная для обогащения редкого делящегося изотопа урана-235 (U) из смеси изотопов, содержащихся в природных соединениях урана. разделение изотопов основано на небольшом различии масс изотопов. Конструкция Zippe была первоначально разработана в Советском Союзе группой во главе с 60 австрийскими и немецкими учеными и инженерами, захваченными после Второй мировой войны и работавшими в заключении. На Западе (а теперь и в целом) этот тип известен по имени человека, который воссоздал технологию после своего возвращения на Запад в 1956 году, основываясь на его воспоминаниях о своей работе в советской программе (и вкладе в нее) Гернот Циппе. В той мере, в какой она могла быть упомянута в советском / российском употреблении именем любого человека, она была известна (по крайней мере, на несколько более ранней стадии разработки) как центрифуга Каменева (после Евгения Каменева).
Естественные уран состоит из трех изотопов ; большую часть (99,274%) составляет U-238, в то время как приблизительно 0,72% составляет делящийся U-235, а оставшиеся 0,0055% составляют U-234. Если природный уран обогащен и содержит 3% U-235, его можно использовать в качестве топлива для легководных ядерных реакторов. Если он обогащен до 90% урана-235, его можно использовать для ядерного оружия.
Схема принципа газовой центрифуги типа Zippe с U-238, представленным темно-синим цветом, и U-235, представленным на светло-голубой. Обогащение урана затруднено, потому что изотопы практически идентичны по химическому составу и очень похожи по массе: U-235 всего на 1,26% легче, чем U-238. Эффективность разделения в центрифуге зависит от разницы в весе. Для разделения изотопов урана требуется центрифуга , которая может вращаться со скоростью 1500 оборотов в секунду (90 000 об / мин ). Если мы предположим, что диаметр ротора равен 20 см (фактический диаметр ротора, вероятно, будет меньше), это соответствует линейной скорости, превышающей 2 Маха (1 Маха ≈ 340 м / с на уровне моря). Для сравнения, автоматические стиральные машины работают со скоростью примерно от 12 до 25 оборотов в секунду (720-1500 об / мин) во время цикла отжима, в то время как турбины в автомобильных турбокомпрессорах могут работать примерно до 2500 оборотов в секунду. –3333 оборотов в секунду (150 000–200 000 об / мин).
Центрифуга типа Zippe имеет полый цилиндрический ротор, заполненный газообразным гексафторидом урана. Вращающееся магнитное поле в нижней части ротора, которое используется в электродвигателе, способно вращать его достаточно быстро, чтобы U-238 отбрасывался к краю. Зажигалка U-235 собирается ближе к центру. Нижняя часть газовой смеси нагревается, создавая конвекционные потоки, которые перемещают U-238 вниз. U-235 движется вверх, где его собирают совки. Каждая центрифуга имеет одну входную и две выходные линии (соответствующие тяжелой и легкой фракциям).
При высокой скорости вращения газ сжимается близко к стенке ротора. Ротор может иметь длину несколько метров (диаметр, вероятно, будет меньше 10 см), а температурный градиент 300 ° C между верхней и нижней частью ротора создает очень сильный конвекционный поток. Кроме того, очень сильные силы Кориолиса повышают эффективность разделения.
Для уменьшения трения ротор вращается в вакууме. Магнитный подшипник устойчиво удерживает верхнюю часть ротора, и единственный физический контакт - это конический подшипник драгоценного камня, на котором сидит ротор. Три газовые линии должны быть соосными с фиксированной осью, так как внешний обод вращается очень быстро, а уплотнение очень важно.
После того, как ученые были освобождены из советского плена в 1956 году, Гернот Циппе с удивлением обнаружил, что западные инженеры на годы отстали в своей технологии центрифуг. Он смог воспроизвести свой дизайн в Университете Вирджинии в Соединенных Штатах, опубликовав результаты, несмотря на то, что Советы конфисковали его записи. Зиппе покинул Соединенные Штаты, когда ему фактически запретили продолжать свои исследования: американцы классифицировали работу как секретную, потребовав от него либо стать американским гражданином (он отказался), либо вернуться в Европу, либо отказаться от своих исследований.. Он вернулся в Европу, где в 1960-х годах он и его коллеги сделали центрифугу более эффективной, изменив материал ротора с алюминия на мартенситностареющую сталь, сплав с более длительной усталостью. жизнь, которая позволила увеличить скорость. Эта усовершенствованная конструкция центрифуг используется коммерческой компанией Urenco для производства обогащенного уранового топлива для атомных электростанций.
Точные детали усовершенствованных центрифуг типа Zippe являются тщательно охраняемыми секретами, но эффективность Центрифуги были улучшены за счет увеличения их длины и увеличения скорости вращения. Для этого используются даже более прочные материалы, такие как армированные углеродным волокном композитные материалы ; и используются различные методы, чтобы избежать сил, вызывающих разрушительные вибрации, включая использование гибких «сильфонов», позволяющих контролируемое изгибание ротора, а также тщательный контроль скорости, чтобы гарантировать, что центрифуга не будет работать очень долго на скоростях резонанс это проблема.
Центрифугу типа Zippe сложно построить успешно, и для нее требуются тщательно обработанные детали. Однако по сравнению с другими методами обогащения он намного дешевле и более энергоэффективен и может использоваться в относительной секретности. Это делает его идеальным для тайных программ создания ядерного оружия и, возможно, увеличивает риск распространения ядерного оружия. Каскады центрифуг также содержат гораздо меньше материала, удерживаемого в машине в любое время, в отличие от газодиффузионных установок.
Программа атомной бомбы Пакистана разработала центрифуги P1 и P2; первые две центрифуги, которые Пакистан развернул в большом количестве. В центрифуге P1 используется алюминиевый ротор, а в центрифуге P2 используется ротор из мартенситностареющей стали, который прочнее, быстрее вращается и обогащает больше урана на машину, чем в центрифуге P1.
Российские и советские источники оспаривают отчет о разработке советских центрифуг, сделанный Гернотом Циппе. Они цитируют Макса Стенбека как немецкого ученого, отвечавшего за немецкую часть советских центрифужных работ, начатых немецким беженцем Фрицем Ланге в 1930-х годах. Советы считают, что Стенбек, Исаак Кикоин и Евгений Каменев создали различные ценные аспекты дизайна. Они заявляют, что Зиппе занимался созданием прототипов для этого проекта в течение двух лет с 1953 года. Поскольку проект центрифуги был совершенно секретным, Советы в то время не оспаривали ни одно из заявлений Зиппе.
