ガス遠心分離機

ウランの同位体を分離するために使用される、向流式ガス遠心分離機の図。

ガス遠心分離機は、ガスの同位体分離を行う装置です。遠心分離機は、遠心力によって分子が加速される原理を利用しており、回転する容器の半径に沿って、異なる質量の粒子が勾配を描いて物理的に分離されます。

ガス遠心分離機の主な用途は、ウラン235（235 U）とウラン238（238 U）の分離です。ガス遠心分離機は、235 U抽出における気体拡散法の代替として開発されました。これらの同位体を高度に分離するには、多数の遠心分離機を直列に配置し、段階的に高濃度化を図る必要があります。このプロセスにより、気体拡散法に比べて大幅に少ないエネルギーで、 235 Uの高濃度が得られます。

歴史

1919年に提案された遠心分離法は、1934年に初めて成功裏に実施された。アメリカの科学者ジェシー・ビームズとバージニア大学のチームは、真空超遠心分離機で2つの塩素同位体を分離するこの方法を開発した。これは、マンハッタン計画中に、特にハロルド・ユーリーとカール・P・コーエンによって追求された初期の同位体分離手段の1つであったが、この方法では終戦までに成果が得られず、短期的には他のウラン濃縮手段（気体拡散法や電磁分離法）の方が成功する可能性が高いと判断され、1944年に研究は中止された。この方法はソビエトの核計画で効果的に使用され、ソ連は濃縮ウランの最も効率的な供給国となった。フランツ・シモン、ルドルフ・パイエルス、クラウス・フックス、ニコラス・クルティは遠心分離法に重要な貢献をした。

ポール・ディラックは第二次世界大戦中に遠心分離プロセスに重要な理論的貢献をしました。[ 1 ] [ 2 ]ディラックは、現代のウラン濃縮プラントの設計と分析の基礎となる分離プロセスの基礎理論を開発しました。[ 3 ]長期的には、特にジッペ型遠心分離機の開発により、ガス遠心分離機は非常に経済的な分離方法となり、他の方法よりも大幅に少ないエネルギーで分離でき、その他にも数多くの利点があります。

遠心分離機の物理的性能に関する研究は、1970年代から80年代にかけてパキスタンの科学者アブドゥル・カディール・カーンによって行われ、真空法を用いてパキスタンの原子爆弾用核燃料開発における遠心分離機の役割を発展させました。[ 4 ]カーンと共に研究していた理論家の多くは、気体ウランと濃縮ウランのどちらも予定通りに実現可能かどうか確信が持てませんでした。[ 5 ]ある科学者はこう回想しています。「世界中で誰も（気体）遠心分離法を使って軍用ウランを製造したことはありません。…これはうまくいきませんでした。彼は単に時間を無駄にしていたのです。」[ 5 ]懐疑的な見方にもかかわらず、このプログラムはすぐに実現可能であることが証明されました。遠心分離機による濃縮は実験物理学で使用されており、20世紀末までに少なくとも3カ国に密輸されました。[ 4 ] [ 5 ]

遠心分離プロセス

遠心分離機は、遠心加速度から生じる力を利用して分子を質量に応じて分離するもので、ほとんどの流体に適用できます。[ 6 ] [ 7 ]密度の高い（重い）分子は壁に向かって移動し、軽い分子は中心近くに留まります。遠心分離機は、全周期で高速回転する剛体ローターで構成されています。 [ 8 ]ローターの軸にある同心のガス管は、供給ガスをローターに導入し、分離された重いストリームと軽いストリームを抽出するために使用されます。[ 8 ] 235 U 製造の場合、重いストリームは廃棄物ストリームで、軽いストリームは製品ストリームです。最新のZippe 型遠心分離機は、垂直軸上で回転する背の高い円筒です。垂直温度勾配を適用して、遠心分離機の中心で上昇し周辺で下降する対流循環を作成できます。このような逆流は、濃縮された画分と減少した画分を取り出すスコップによって機械的に刺激されることもあります。これらの反対方向の流れの間の拡散は、逆流増幅の原理によって分離を強化します。

実際には、単一の遠心分離機の高さには限界があるため、複数の遠心分離機を直列に接続します。各遠心分離機は1本の入口ラインを受け取り、軽質分と重質分に対応する2本の出口ラインを生成します。各遠心分離機の入力は、前の遠心分離機の生成物ストリームです。これにより、最後の遠心分離機の生成物ストリームからほぼ純粋な軽質分が、最初の遠心分離機の廃棄物ストリームからほぼ純粋な重質分がそれぞれ生成されます。

ガス遠心分離プロセス

濃縮ウランの製造に使用されるガス遠心分離機のカスケード。1984年、オハイオ州パイケトンにある米国のガス遠心分離機試験場。各遠心分離機の高さは約40フィート（12メートル）です。（現在使用されている従来の遠心分離機ははるかに小さく、高さは5メートル（16フィート）未満です。）

ガス遠心分離プロセスでは、ガスが遠心分離機に絶えず流入および流出することができる独自の設計が採用されています。バッチ処理に依存するほとんどの遠心分離機とは異なり、ガス遠心分離機は連続処理を採用しており、複数の同一プロセスが連続して発生するカスケード処理が可能です。ガス遠心分離機は、円筒形のローター、ケーシング、電動モーター、および物質が移動する 3 本のラインで構成されています。ガス遠心分離機は、遠心分離機を完全に囲むケーシングを使用して設計されています。[ 4 ]円筒形のローターはケーシング内にあり、動作時にはほぼ摩擦のない回転を生み出すためにケーシングは空気が排出されています。モーターがローターを回転させ、円筒形のローターに入る成分に遠心力を発生させます。この力はガスの分子を分離するように作用し、重い分子はローターの壁に向かって、軽い分子は中心軸に向かって移動します。出力ラインは2つあり、1つは目的の同位体（ウラン分離では235 U）が濃縮された画分用、もう1つはその同位体が減少された画分用です。出力ラインはこれらの分離物を他の遠心分離機に送り、遠心分離プロセスを継続します。[ 9 ]このプロセスは、ローターが3段階でバランス調整されるところから始まります。[ 10 ]ガス遠心分離機に関する技術的詳細のほとんどは、「核の機密」に覆われているため、入手が困難です。[ 10 ]

英国で使用されていた初期のガス遠心分離機は、エポキシ含浸ガラス繊維で包まれた合金製の本体を使用していました。アセンブリの動的バランス調整は、バランス試験装置で示された位置に少量のエポキシを塗布することで行われました。モーターは通常、シリンダー底部に配置されたパンケーキ型でした。初期のユニットの長さは典型的には約2メートルでしたが、その後の開発により徐々に長くなり、現在の世代では4メートルを超えています。ベアリングはガスベースの装置です。これは、機械式ベアリングではこれらの遠心分離機の通常の運転速度に耐えられないためです。

遠心分離機の一部には、電子式（バルク）インバータから可変周波数の交流電流が供給され、このインバータによってゆっくりと必要な速度（一般に 50,000 rpm を超える）まで回転数が上げられます。1 つの予防策は、シリンダーで共振問題が発生することが知られている周波数を素早く通過することです。インバータは、約 1 キロヘルツの周波数で動作できる高周波ユニットです。プロセス全体は通常静かです。遠心分離機からノイズが聞こえた場合は、故障の警告です（故障は通常非常に急速に発生します）。カスケードの設計により、通常、少なくとも 1 つの遠心分離機ユニットが故障しても、カスケード全体の動作に影響はありません。ユニットは通常非常に信頼性が高く、初期モデルは 30 年以上連続して動作しています。

後期モデルでは、遠心分離機の回転速度が着実に向上しています。これは、分離効率に最も影響を与えるのは遠心分離機の壁面速度であるためです。カスケード式遠心分離機システムの特徴は、既存の設備に適切な位置にカスケード「ブロック」を追加することで、全く新しい遠心分離機ラインを設置するのではなく、プラントの処理能力を段階的に向上させることができることです。

並流遠心分離機と向流遠心分離機

最も単純なガス遠心分離機は並流遠心分離機であり、ローターの回転による遠心力によって分離効果が生じる。この遠心分離機では、重い成分はローターの周辺部に、軽い成分は回転軸に近い部分に集められる。[ 11 ]

向流を誘導することで、向流増幅を利用して分離効果を高めます。垂直循環流が設定され、ガスはローター壁に沿って軸方向に一方向に流れ、戻り流はローターの中心近くに進みます。遠心分離は前と同じように継続され（重い分子が優先的に外側に移動する）、重い分子は壁面流によって集められ、軽い分子は反対側に集まります。下向きの壁面流の遠心分離機では、重い分子は底部に集まります。次に、出口スクープをローターキャビティの両端に配置し、供給混合物をキャビティの軸に沿って注入します（理想的には、注入点はローター内の混合物が供給物と等しくなる点です[ 12 ]）。

この向流は、機械的、熱的、あるいはその組み合わせによって誘起されます。機械的に誘起される向流では、（固定された）スクープと内部ローター構造の配置によって流れが生成されます。[ 13 ]スクープはガスと相互作用して速度を低下させ、ローターの中心に引き寄せる傾向があります。両端のスクープは反対方向の流れを誘起するため、一方のスクープは「バッフル」によって流れから保護されます。バッフルとは、ローター内部に設けられ、ガスと共に回転する多孔板です。ローターのこの端では、流れは外向き、つまりローター壁に向かって流れます。したがって、バッフル付きの上部スクープを備えた遠心分離機では、壁面の流れは下向きになり、重い分子は下部に集まります。熱誘起対流は、遠心分離機の底部を加熱するか、上端を冷却することによって生成できます。

分離作業ユニット

分離仕事単位（SWU）は、遠心分離機によって行われる仕事量を表す尺度であり、質量単位（通常はキログラム分離仕事単位）で表されます。供給物質の質量（分析値）を生成物の質量（分析値）と、質量と分析値の残渣に分離するために必要な仕事は、必要な分離仕事単位の数で表され、以下の式で与えられます。WSWあなた{\displaystyle W_{\mathrm {SWU} }}F{\displaystyle F}×f{\displaystyle x_{f}}P{\displaystyle P}×p{\displaystyle x_{p}}T{\displaystyle T}×t{\displaystyle x_{t}}

WSWあなた＝P⋅V（×p）+T⋅V（×t）−F⋅V（×f）{\displaystyle W_{\mathrm {SWU} }=P\cdot V\left(x_{p}\right)+T\cdot V(x_{t})-F\cdot V(x_{f})}
ここで、 は価値関数であり、次のように定義される。V（×）{\displaystyle V\left(x\right)}
V（×）＝（1−2×）⋅ln⁡（1−××）{\displaystyle V(x)=(1-2x)\cdot \ln \left({\frac {1-x}{x}}\right)}

遠心分離の実用化

ウラン235とウラン238の分離

ウランの分離には、ガス状の物質が必要です。ウラン濃縮には六フッ化ウラン（UF 6）が使用されます。UF 6ガスは遠心分離機のシリンダーに入ると、高速で回転します。回転によって強い遠心力が生じ、重いガス分子（ウラン238を含む）はシリンダーの壁に向かって引き寄せられ、軽いガス分子（ウラン235を含む）は中心に集まる傾向があります。わずかにウラン235が濃縮されたガス流は取り出され、次の高次の段階に送られ、わずかにウランが減少されたガス流は次の低次の段階に再循環されます。

亜鉛同位体の分離

原子力技術における一部の用途では、中性子放射化による放射性同位元素の生成を防ぐため、亜鉛中の亜鉛64（64 Zn）含有量を低減する必要があります。ジエチル亜鉛は、遠心分離カスケードのガス供給媒体として使用されます。得られた物質の一例として、腐食防止剤として使用される劣化酸化亜鉛が挙げられます。

参照

注記

  1. ^オランダー、ドナルド・R. (1978). 「ガス遠心分離機」 . Scientific American . 239 (2): 37– 43. Bibcode : 1978SciAm.239b..37O . doi : 10.1038/scientificamerican0878-37 . ISSN  0036-8733 . JSTOR  24960352 .
  2. ^ Kemp, R. Scott (2009年6月26日). 「ガス遠心分離機の理論と開発：米国のプログラムのレビュー」 . Science & Global Security . 17 (1): 1– 19. Bibcode : 2009S&GS...17....1K . doi : 10.1080/08929880802335816 . ISSN 0892-9882 . 
  3. ^ギリンスキー、ビクター (2010). 「ディラックの思い出」 . Physics Today . 63 (5): 59. Bibcode : 2010PhT....63e..59G . doi : 10.1063/1.3431338 .
  4. ^ a b cガス遠心分離ウラン濃縮
  5. ^ a b c准将（退役）フェロス・ハッサン・カーン（2012年11月7日）「ウラン濃縮の極意」（Googleブックス）草を食べる：パキスタン爆弾の製造スタンフォード大学出版局、カリフォルニア州、151頁。ISBN 978-0804776011. 2013年1月8日閲覧。
  6. ^遠心分離機の基礎 - コール・パーマー
  7. ^ 「IEV番号395-08-07の詳細：「遠心プロセス」」.国際電気技術用語集（日本語） . 2025年9月11日閲覧。
  8. ^ a b Khan, Abdul Qadeer; Atta, MA; Mirza, JA (1986年9月1日). 「遠心分離機のガス管アセンブリにおける流体誘起振動」 . Journal of Nuclear Science and Technology . 23 (9): 819– 827. Bibcode : 1986JNST...23..819A . doi : 10.1080/18811248.1986.9735059 .
  9. ^ガス遠心分離機とは何か？ 2003年5月12日アーカイブ- Wayback Machine
  10. ^ a b Khan, AQ; Suleman, M.; Ashraf, M.; Khan, M. Zubair (1987年11月1日). 「超遠心分離機ローターのバランス調整に関する実用的側面」 . Journal of Nuclear Science and Technology . 24 (11): 951– 959. Bibcode : 1987JNST...24..951K . doi : 10.1080/18811248.1987.9733526 .
  11. ^ Bogovalov, Sergey; Borman, Vladimir (2016). 「最適化された並行ガス遠心分離機の分離能」 .原子力工学技術. 48 (3). Elsevier BV: 719– 726. arXiv : 1506.00823 . Bibcode : 2016NuEnT..48..719B . doi : 10.1016/j.net.2016.01.024 . ISSN 1738-5733 . 
  12. ^ van Wissen, Ralph; Golombok, Michael; Brouwers, JJH (2005). 「連続向流ガス遠心分離機による二酸化炭素とメタンの分離」.化学工学科学. 60 (16). Elsevier BV: 4397– 4407. Bibcode : 2005ChEnS..60.4397V . doi : 10.1016/j.ces.2005.03.010 . ISSN 0009-2509 . 
  13. ^ 「ガス遠心分離機に関する技術的考察」アメリカ科学者連盟。2020年1月13日閲覧。

参考文献

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