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 ۱۰ درصد) را تشکیل می دهد. اولین بار در پروژه منهتن امریکا، تولید صنعتی قابل ملاحظه اورانیوم غنی شده به صورت ایزوتوپ اورانیوم شکافت پذیر ۲۳۵ انجام شد.

در پروژه منهتن روش سانتریفوژ برای جدایی ایزوتوپ های اورانیوم ۲۳۵ و ۲۳۸ 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 ۹۵ 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 ۱۵۰۰ می رسد که اکنون در کشورهای پیشرفته از تکنولوژی جدید استفاده می کنند. باید یادآور شد یک سانتریفوژ حدوداً از ۲۰۰ قطعه تشکیل شده که حدود ۹۰ قطعه آن جهت ساخت به تکنولوژی بالایی نیاز دارند به این دلیل که سرعت دوران در یک دستگاه بسیار بالا بوده و چون گاز UF۶ 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 ۱ 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 ۳۰ تا ۳۸ سانتیمتر و شعاع ۸۱/۳ 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 (۲۳۸) به کناره ها و ایزوتوپ سبک تر اورانیوم (۲۳۵) 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(۰)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 P۱ و P۲ از نوع زیپه هستند. در سانتریفوژ P۱ 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 ۶۰هزار در دقیقه است. سانتریفوژ نوع P۱ حدود دو متر طول و قطر ۱۵۰ تا ۲۰۰ میلی متر دارد. سانتریفوژ نوع P۲ تعداد دور آن فراتر از ۹۰ هزار دور در دقیقه است و جنس روتور آن از نوع فولاد ماراژین بوده و دو تکه است. سانتریفوژ P۲، یک متر طول و ۱۴۵ میلی متر قطر دارد. SWU مربوط به P۲ بیش از دو برابر P۱ است در واقع سرعت جداسازی P۲ بیشتر از P۱ است. پس مقدار خوراک گاز UF۶ تزریق شده به آن نسبت به P۱ 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 UF۶ تبدیل به گاز UF۶ می شود سپس بعد از غنی سازی توسط تله سرد دوباره به پودر غنی شده تبدیل می شود.

● پارامترهای مهم توسعه در صنعت غنی سازی با سانتریفوژ

هر سانتریفوژ بعد از نصب حدود ۱۰ سال می تواند بدون تعمیر کار کند البته نباید از مواد اولیه نامرغوب استفاده کرد و بازرسی های دوره یی انجام شود. هزینه تعویض هر دستگاه سانتریفوژ ۱۰ درصد هزینه کل کار جداسازی است. هزینه مصرف برق ۱۵ درصد SWU است. همچنین هزینه مدیریت عملیاتی، کارگر و مواد ۱۰ درصد، بازگشت سرمایه ماشین سانتریفوژ ۳۰ درصد و بازگشت سرمایه کارخانه سانتریفوژ ۳۵ درصد کل SWU است. با توجه به مسائل فوق در بررسی راهکارهای مختلف مربوط به افزایش ظرفیت ماشین، همواره باید پس از ارزیابی، عوامل تعیین کننده، هزینه های دستگاه و واحد را به دقت بررسی کرد که آیا افزایش ظرفیت منجر به کاهش هزینه نهایی می شود یا خیر. در آینده با پیشرفت در طراحی سانتریفوژها، صرفه جویی قابل توجهی در هزینه ها حاصل خواهد شد اما در این صنعت به مانند سایر پروژه های مهندسی حداکثر صرفه جویی، فقط از طریق بهینه سازی موفقیت آمیز تعداد زیادی از عوامل متضاد نتیجه به دست خواهد داد. که آن هم جز استفاده از مدیریت صحیح و استفاده از افراد خلاق و باانگیزه که با علوم روز دنیا آشنایی دارند حاصل نخواهد شد. هر چقدر در این صنعت خطای مهندسی را پایین آوریم یا در واقع دقت اندازه گیری را بالا ببریم،به صرفه جویی بالایی در این صنعت از نظر اقتصادی دست خواهیم یافت.