نگاهي به تکنولوژي سانتريفوژهاي گازي جهت غني سازي اورانيوم

[HR][/HR] غني سازي اورانيوم يکي از مراحل مهم چرخه توليد سوخت هسته يي است که روش هاي مختلفي براي اين کار وجود دارد ولي يکي از عملياتي ترين روش ها غني سازي توسط سانتريفوژهاي گازي است که در دنيا به طور عمده مورد استفاده قرار مي گيرد. در عصر حاضر غني سازي اورانيوم بخش قابل توجهي از هزينه توليد برق از رآکتورهاي هسته يي امروزي (حدود 10 درصد) را تشکيل مي دهد. اولين بار در پروژه منهتن امريکا، توليد صنعتي قابل ملاحظه اورانيوم غني شده به صورت ايزوتوپ اورانيوم شکافت پذير 235 انجام شد.

در پروژه منهتن روش سانتريفوژ براي جدايي ايزوتوپ هاي اورانيوم 235 و 238 جواب خوبي داشت به طوري که ميزان جداسازي با تئوري مطابقت داشت، البته بعدها روش جداسازي به طريق نفوذ گازي جايگزين آن شد.

روش سانتريفوژ براي جداسازي ايزوتوپ هاي سنگين مانند اورانيوم بسيار مناسب است زيرا به اختلاف جرم هاي مولکولي دو ايزوتوپ بستگي دارد. بيش از 95 درصد صنعت هسته يي جهان از سانتريفوژ گازي و روش پخش گازي براي غني سازي اورانيوم استفاده مي کنند که در اين مقاله به روش مهم سانتريفوژ گازي پرداخته مي شود. سانتريفوژ دستگاهي استوانه يي شکل است که يک روتور در وسط آن مي تواند دوران کند. اين روتور به طور متوسط در هر ثانيه هزار دور مي زند البته بايد گفته شود اين روتور يک تکه نيست زيرا در دورهاي بالا، فرکانس هاي رزونانسي پيش مي آيد. اين مساله را نيز بايد مد نظر داشت که دستگاه هاي طويل در يک فرکانس بحراني مشخص به صورت اريبي به نوسان درمي آيند. همچنين گفتن اين نکته ضروري است که با پيشرفت تکنولوژي در ساخت موتورهاي جديد و استفاده از موادي نظير فولاد ماراژين و کامپوزيت ها، دو روتور در هر ثانيه به فراتر از 1500 مي رسد که اکنون در کشورهاي پيشرفته از تکنولوژي جديد استفاده مي کنند. بايد يادآور شد يک سانتريفوژ حدوداً از 200 قطعه تشکيل شده که حدود 90 قطعه آن جهت ساخت به تکنولوژي بالايي نياز دارند به اين دليل که سرعت دوران در يک دستگاه بسيار بالا بوده و چون گاز UF6 خورنده است، از نظر طراحي و همچنين مواد استفاده شده در آنها از نظر متالورژيکي پيچيده است و دقت بالايي را طلب مي کند. دور بالاي روتور توسط يک موتور هيستريزيس سنکرون تامين مي شود.

براي کاهش اصطکاک روتور در اين دور بالا داخل سانتريفوژ را توسط پمپ هاي روتوري و ديفيوژن خلأ مي کنند که اين خلأ حدود سه الي پنج torr است (هر torr برابر mmHg 1 است). بنابراين راه اندازي اين پمپ ها و موتور هيستريزيس برق بالايي را مصرف مي کند. جالب است بدانيد از مگنت هم استفاده مي شود. در واقع يک ياتاقان مغناطيسي قسمت بالاي روتور را ثابت نگه مي دارد و قسمت پايين روتور در تماس با ياتاقاني سوزني است. اين ياتاقان ها نقش بسيار مهمي در جلوگيري از ارتعاشات محوري روتور ايفا مي کند. ياتاقان بالايي که متعادل کننده دستگاه است، از يک آهن رباي توخالي تشکيل شده است. تکنولوژي سانتريفوژهاي فوق مربوط به سانتريفوژ نوع زيپه است که يک دانشمند آلماني بود. گفته مي شود نسخه سانتريفوژ اوليه زيپه به طول 30 تا 38 سانتيمتر و شعاع 81/3 سانتيمتر بوده است. از نظر تئوري سه تعريف مهم براي جداسازي اورانيوم وجود دارد. که اولين آن فاکتور جداسازي است که به صورت غلظت نسبي ايزوتوپ مورد نظر بعد از غني سازي به غلظت نسبي آن قبل از غني سازي گفته مي شود. دومين تعريف مهم عبارت از توان جداسازي است که نشان دهنده سرعت جداسازي و واحد آن مول بر ثانيه است. بالاخره آخرين تعريف واحد کار جداسازي است که با SWU نشان داده مي شود و به آن سو مي گويند که معرف ميزان جداسازي در يک واحد غني سازي و تابعي از غلظت است.

تئوري سانتريفوژ

زماني که روتور مي چرخد، نيروي گريز از مرکز به گاز داخل آن اعمال مي شود، به گونه يي که ايزوتوپ سنگين اورانيوم (238) به کناره ها و ايزوتوپ سبک تر اورانيوم (235) در مرکز جمع مي شود. در ارتفاع سانتريفوژ هم يک گراديان فشار وجود دارد. توزيع چگالي گاز در سانتريفوژ با استفاده از فرمول

P®=P(0)exp( )

به دست مي آيد که در آن r (شعاع دوران)، w (سرعت زاويه يي) و R (ثابت عمومي) گاز و T (دما بر حسب کلوين) است. اين توزيع چگالي بيانگر يک تعادل ديناميکي است.

بايد گفته شود سانتريفوژهاي عملياتي امروزي از نوع جريان متقابل است. در اين نوع سانتريفوژ فاکتور جداسازي يک مرحله يي چند برابر مي شود. در اين نوع سانتريفوژ جريان سيال در دو جهت يکي در قسمت داخلي روتور و ديگري به طور معکوس در راستاي ديوار روتور باعث ايجاد جريان متقابل محوري مي شود که در نتيجه يک گراديان غنامحوري ايجاد مي شود.سانتريفوژهاي P1 و P2 از نوع زيپه هستند. در سانتريفوژ P1 از روتور آلومينيومي استفاده مي شود که چهار تکه است که به هم وصل شده اند. به دليل اينکه از مدنوساني روتور در دور بالا جلوگيري کرده و دور روتور قابل کنترل باشد، تعداد دور اين روتور 60هزار در دقيقه است. سانتريفوژ نوع P1 حدود دو متر طول و قطر 150 تا 200 ميلي متر دارد. سانتريفوژ نوع P2 تعداد دور آن فراتر از 90 هزار دور در دقيقه است و جنس روتور آن از نوع فولاد ماراژين بوده و دو تکه است. سانتريفوژ P2، يک متر طول و 145 ميلي متر قطر دارد. SWU مربوط به P2 بيش از دو برابر P1 است در واقع سرعت جداسازي P2 بيشتر از P1 است. پس مقدار خوراک گاز UF6 تزريق شده به آن نسبت به P1 بيشتر است.حداکثر توان جداسازي يک سانتريفوژ با Z و توان چهارم V متناسب است که در آن Z طول سانتريفوژ و V سرعت محيطي است يعني هر چه طول روتور افزايش يابد توان جداسازي بالا مي رود، ولي مساله ارتعاش خمشي را داريم بنابراين پارامتري به نام نسبت طول به قطر سانتريفوژ مطرح مي شود که محدوديت ايجاد مي کند.

سايت سانتريفوژ

در مقياس صنعتي جهت دستيابي به سرعت توليد محصول با درجه غناي مورد نياز به تعداد زيادي سانتريفوژ نياز است. سانتريفوژها در آبشار به صورت يک مجموعه سري و موازي قرار مي گيرند. هر مجموعه از سانتريفوژها که به شکل موازي قرار داشته باشند و با خوراکي با غناي يکسان تغذيه شوند، يک مرحله را تشکيل مي دهند. با اين وجود يک فرآيند پيوسته يي حاصل مي شود که در آن جريان گاز غني شده و تهي شده حاصل از مراکز مختلف با يکديگر ترکيب شده و جهت غني سازي يا تهي سازي از ساير مراحل که به طور سري قرار دارند، عبور مي کنند. در سايت سانتريفوژ ابتدا توسط اتوکلاو پودر UF6 تبديل به گاز UF6 مي شود سپس بعد از غني سازي توسط تله سرد دوباره به پودر غني شده تبديل مي شود.

پارامترهاي مهم توسعه در صنعت غني سازي با سانتريفوژ

هر سانتريفوژ بعد از نصب حدود 10 سال مي تواند بدون تعمير کار کند البته نبايد از مواد اوليه نامرغوب استفاده کرد و بازرسي هاي دوره يي انجام شود. هزينه تعويض هر دستگاه سانتريفوژ 10 درصد هزينه کل کار جداسازي است. هزينه مصرف برق 15 درصد SWU است. همچنين هزينه مديريت عملياتي، کارگر و مواد 10 درصد، بازگشت سرمايه ماشين سانتريفوژ 30 درصد و بازگشت سرمايه کارخانه سانتريفوژ 35 درصد کل SWU است. با توجه به مسائل فوق در بررسي راهکارهاي مختلف مربوط به افزايش ظرفيت ماشين، همواره بايد پس از ارزيابي، عوامل تعيين کننده، هزينه هاي دستگاه و واحد را به دقت بررسي کرد که آيا افزايش ظرفيت منجر به کاهش هزينه نهايي مي شود يا خير. در آينده با پيشرفت در طراحي سانتريفوژها، صرفه جويي قابل توجهي در هزينه ها حاصل خواهد شد اما در اين صنعت به مانند ساير پروژه هاي مهندسي حداکثر صرفه جويي، فقط از طريق بهينه سازي موفقيت آميز تعداد زيادي از عوامل متضاد نتيجه به دست خواهد داد. که آن هم جز استفاده از مديريت صحيح و استفاده از افراد خلاق و باانگيزه که با علوم روز دنيا آشنايي دارند حاصل نخواهد شد. هر چقدر در اين صنعت خطاي مهندسي را پايين آوريم يا در واقع دقت اندازه گيري را بالا ببريم،به صرفه جويي بالايي در اين صنعت از نظر اقتصادي دست خواهيم يافت.