نگاهی به تکنولوژی سانتریفوژهای گازی جهت غنی سازی اورانیوم

بهینه سازی موفقیت آمیز عوامل متضاد  غنی سازی اورانیوم یکی از مراحل مهم چرخه تولید سوخت هسته یی است که روش های مختلفی برای این کار وجود دارد ولی یکی از عملیاتی ترین روش ها غنی سازی توسط سانتریفوژهای گازی است که در دنیا به طور عمده مورد استفاده قرار می گیرد. در عصر حاضر غنی سازی اورانیوم بخش قابل توجهی از هزینه تولید برق از رآکتورهای هسته یی امروزی (حدود 10 درصد) را تشکیل می دهد. اولین بار در پروژه منهتن امریکا، تولید صنعتی قابل ملاحظه اورانیوم غنی شده به صورت ایزوتوپ اورانیوم شکافت پذیر 235 انجام شد. در پروژه منهتن روش سانتریفوژ برای جدایی ایزوتوپ های اورانیوم 235 و 238 جواب خوبی داشت به طوری که میزان جداسازی با تئوری مطابقت داشت، البته بعدها روش جداسازی به طریق نفوذ گازی جایگزین آن شد. روش سانتریفوژ برای جداسازی ایزوتوپ های سنگین مانند اورانیوم بسیار مناسب است زیرا به اختلاف جرم های مولکولی دو ایزوتوپ بستگی دارد. بیش از 95 درصد صنعت هسته یی جهان از سانتریفوژ گازی و روش پخش گازی برای غنی سازی اورانیوم استفاده می کنند که در این مقاله به روش مهم سانتریفوژ گازی پرداخته می شود. سانتریفوژ دستگاهی استوانه یی شکل است که یک روتور در وسط آن می تواند دوران کند. این روتور به طور متوسط در هر ثانیه هزار دور می زند البته باید گفته شود این روتور یک تکه نیست زیرا در دورهای بالا، فرکانس های رزونانسی پیش می آید. این مساله را نیز باید مد نظر داشت که دستگاه های طویل در یک فرکانس بحرانی مشخص به صورت اریبی به نوسان درمی آیند. همچنین گفتن این نکته ضروری است که با پیشرفت تکنولوژی در ساخت موتورهای جدید و استفاده از موادی نظیر فولاد ماراژین و کامپوزیت ها، دو روتور در هر ثانیه به فراتر از 1500 می رسد که اکنون در کشورهای پیشرفته از تکنولوژی جدید استفاده می کنند. باید یادآور شد یک سانتریفوژ حدوداً از 200 قطعه تشکیل شده که حدود 90 قطعه آن جهت ساخت به تکنولوژی بالایی نیاز دارند به این دلیل که سرعت دوران در یک دستگاه بسیار بالا بوده و چون گاز UF6 خورنده است، از نظر طراحی و همچنین مواد استفاده شده در آنها از نظر متالورژیکی پیچیده است و دقت بالایی را طلب می کند. دور بالای روتور توسط یک موتور هیستریزیس سنکرون تامین می شود. برای کاهش اصطکاک روتور در این دور بالا داخل سانتریفوژ را توسط پمپ های روتوری و دیفیوژن خلأ می کنند که این خلأ حدود سه الی پنج torr است (هر torr برابر mmHg 1 است). بنابراین راه اندازی این پمپ ها و موتور هیستریزیس برق بالایی را مصرف می کند. جالب است بدانید از مگنت هم استفاده می شود. در واقع یک یاتاقان مغناطیسی قسمت بالای روتور را ثابت نگه می دارد و قسمت پایین روتور در تماس با یاتاقانی سوزنی است. این یاتاقان ها نقش بسیار مهمی در جلوگیری از ارتعاشات محوری روتور ایفا می کند. یاتاقان بالایی که متعادل کننده دستگاه است، از یک آهن ربای توخالی تشکیل شده است. تکنولوژی سانتریفوژهای فوق مربوط به سانتریفوژ نوع زیپه است که یک دانشمند آلمانی بود. گفته می شود نسخه سانتریفوژ اولیه زیپه به طول 30 تا 38 سانتیمتر و شعاع 81/3 سانتیمتر بوده است. از نظر تئوری سه تعریف مهم برای جداسازی اورانیوم وجود دارد. که اولین آن فاکتور جداسازی است که به صورت غلظت نسبی ایزوتوپ مورد نظر بعد از غنی سازی به غلظت نسبی آن قبل از غنی سازی گفته می شود. دومین تعریف مهم عبارت از توان جداسازی است که نشان دهنده سرعت جداسازی و واحد آن مول بر ثانیه است. بالاخره آخرین تعریف واحد کار جداسازی است که با SWU نشان داده می شود و به آن سو می گویند که معرف میزان جداسازی در یک واحد غنی سازی و تابعی از غلظت است. تئوری سانتریفوژ زمانی که روتور می چرخد، نیروی گریز از مرکز به گاز داخل آن اعمال می شود، به گونه یی که ایزوتوپ سنگین اورانیوم (238) به کناره ها و ایزوتوپ سبک تر اورانیوم (235) در مرکز جمع می شود. در ارتفاع سانتریفوژ هم یک گرادیان فشار وجود دارد. توزیع چگالی گاز در سانتریفوژ با استفاده از فرمول P(r)=P(0)exp( ) به دست می آید که در آن r (شعاع دوران)، w (سرعت زاویه یی) و R (ثابت عمومی) گاز و T (دما بر حسب کلوین) است. این توزیع چگالی بیانگر یک تعادل دینامیکی است. باید گفته شود سانتریفوژهای عملیاتی امروزی از نوع جریان متقابل است. در این نوع سانتریفوژ فاکتور جداسازی یک مرحله یی چند برابر می شود. در این نوع سانتریفوژ جریان سیال در دو جهت یکی در قسمت داخلی روتور و دیگری به طور معکوس در راستای دیوار روتور باعث ایجاد جریان متقابل محوری می شود که در نتیجه یک گرادیان غنامحوری ایجاد می شود.سانتریفوژهای P1 و P2 از نوع زیپه هستند. در سانتریفوژ P1 از روتور آلومینیومی استفاده می شود که چهار تکه است که به هم وصل شده اند. به دلیل اینکه از مدنوسانی روتور در دور بالا جلوگیری کرده و دور روتور قابل کنترل باشد، تعداد دور این روتور 60هزار در دقیقه است. سانتریفوژ نوع P1 حدود دو متر طول و قطر 150 تا 200 میلی متر دارد. سانتریفوژ نوع P2 تعداد دور آن فراتر از 90 هزار دور در دقیقه است و جنس روتور آن از نوع فولاد ماراژین بوده و دو تکه است. سانتریفوژ P2، یک متر طول و 145 میلی متر قطر دارد. SWU مربوط به P2 بیش از دو برابر P1 است در واقع سرعت جداسازی P2 بیشتر از P1 است. پس مقدار خوراک گاز UF6 تزریق شده به آن نسبت به P1 بیشتر است.حداکثر توان جداسازی یک سانتریفوژ با Z و توان چهارم V متناسب است که در آن Z طول سانتریفوژ و V سرعت محیطی است یعنی هر چه طول روتور افزایش یابد توان جداسازی بالا می رود، ولی مساله ارتعاش خمشی را داریم بنابراین پارامتری به نام نسبت طول به قطر سانتریفوژ مطرح می شود که محدودیت ایجاد می کند. سایت سانتریفوژ در مقیاس صنعتی جهت دستیابی به سرعت تولید محصول با درجه غنای مورد نیاز به تعداد زیادی سانتریفوژ نیاز است. سانتریفوژها در آبشار به صورت یک مجموعه سری و موازی قرار می گیرند. هر مجموعه از سانتریفوژها که به شکل موازی قرار داشته باشند و با خوراکی با غنای یکسان تغذیه شوند، یک مرحله را تشکیل می دهند. با این وجود یک فرآیند پیوسته یی حاصل می شود که در آن جریان گاز غنی شده و تهی شده حاصل از مراکز مختلف با یکدیگر ترکیب شده و جهت غنی سازی یا تهی سازی از سایر مراحل که به طور سری قرار دارند، عبور می کنند. در سایت سانتریفوژ ابتدا توسط اتوکلاو پودر UF6 تبدیل به گاز UF6 می شود سپس بعد از غنی سازی توسط تله سرد دوباره به پودر غنی شده تبدیل می شود. کارشناس ارشد مهندسی هسته ای گرایش رآکتور (رامین راوندی)