Центрифугирование

Идея использования гравитационного или центробежного поля для разделения смеси газов с различной молекулярной массой возникла давно: эксперименты с этой целью были выполнены Бредигом в Германии еще в 1895г. Первая попытка использования газовой центрифуги для разделения изотопов урана была предпринята в США во время второй мировой войны в рамках программы создания атомного оружия. Хотя отдельные центрифуги были разработаны, изготовлены и успешно функционировали, технологии изготовления высокоскоростных вращающихся машин соответствующего уровня в то время не было и в 1943 году от центробежного метода отказались в пользу газовой диффузии. Однако исследования продолжались, и первые машины появились к началу 60-х годов.

В газовом центробежном процессе, применяемом для обогащения урана, используется различие в поведении изотопов под действием интенсивного гравитационного поля. Такое поле создается внутри цилиндра, быстро вращающегося вокруг своей оси. Цилиндр заполняется газообразным гексафторидом урана, фактически представляющим собой бинарную смесь газов с различной молекулярной массой. Под действием центробежных сил тяжелая фракция перемещается преимущественно к периферии, создавая частичное разделение изотопов урана в радиальном направлении. Причем коэффициент разделения зависит от скорости вращения. Для центрифуги Грота, вращающейся со скоростью 350 м/с, =0,0682, при скорости 400 м/с – 0,0976, при 500 м/с – 0,152. В возможности получать столь высокие коэффициенты разделения и состоит важнейшая особенность центрифужного метода и его отличие от газовой диффузии ( = 0,0043 в идеальном случае). Элементарный эффект разделения может быть существенно увеличен наложением осевого противоточного движения на круговое движение газа внутри ротора. При наличии противотока отдельная центрифуга подобна миниатюрному каскаду, и благодаря этому достигается значительный эффект разделения в осевом направлении. Прогресс центрифужного метода сегодня определяется созданием высокопрочных материалов для высокоскоростных ультрацентрифуг.

Промышленное разделение изотопов урана центрифужным методом ведется сегодня такими странами как США, Германия, Великобритания, Нидерланды и Япония.