氣體離心機(jī)的工作原理與過(guò)程
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氣體離心機(jī)是一種對(duì)氣體進(jìn)行同位素分離的設(shè)備。離心機(jī)依靠向心力加速分子的原理，使不同質(zhì)量的粒子沿旋轉(zhuǎn)容器的半徑以梯度物理分離。氣體離心機(jī)的主要用途是從鈾238(238U)中分離出鈾235(235U)。開發(fā)了氣體離心機(jī)來(lái)代替氣體擴(kuò)散鈾235的提取方法。這些同位素的高度分離依賴于使用許多以級(jí)聯(lián)方式排列的單獨(dú)離心機(jī)，這些離心機(jī)可以連續(xù)達(dá)到更高的濃度。與氣體擴(kuò)散過(guò)程相比，該過(guò)程產(chǎn)生更高濃度的鈾235，同時(shí)使用的能量顯著減少。
氣體離心過(guò)程采用獨(dú)特的設(shè)計(jì)，允許氣體不斷流入和流出離心機(jī)。與大多數(shù)依賴批處理的離心機(jī)不同，氣體離心機(jī)使用連續(xù)處理，允許級(jí)聯(lián)，其中多個(gè)相同的過(guò)程連續(xù)發(fā)生。氣體離心機(jī)由一個(gè)圓柱形轉(zhuǎn)子、一個(gè)外殼、一個(gè)電動(dòng)機(jī)和三個(gè)用于物料行進(jìn)的管路組成。氣體離心機(jī)設(shè)計(jì)有一個(gè)完全封閉離心機(jī)的外殼。[3]圓柱形轉(zhuǎn)子位于機(jī)殼內(nèi)部，抽真空所有空氣在操作時(shí)產(chǎn)生近乎無(wú)摩擦的旋轉(zhuǎn)。電機(jī)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子，在組件進(jìn)入圓柱形轉(zhuǎn)子時(shí)在組件上產(chǎn)生向心力。該力用于分離氣體分子，較重的分子向轉(zhuǎn)子壁移動(dòng)，較輕的分子向中心軸移動(dòng)。有兩條輸出線，一條用于富含所需同位素的餾分（在鈾分離中，這是U-235），另一條用于貧同位素。輸出線將這些分離物帶到其他離心機(jī)以繼續(xù)離心過(guò)程。當(dāng)轉(zhuǎn)子在三個(gè)階段平衡時(shí)，該過(guò)程開始。氣體離心機(jī)的大部分技術(shù)細(xì)節(jié)都很難獲得，因?yàn)樗鼈兓\罩在“核機(jī)密”之中。[5]
英國(guó)使用的早期離心機(jī)使用包裹在環(huán)氧樹脂浸漬玻璃纖維中的合金機(jī)身。通過(guò)在平衡測(cè)試單元指示的位置添加少量環(huán)氧樹脂來(lái)實(shí)現(xiàn)組件的動(dòng)態(tài)平衡。電機(jī)通常是位于氣缸底部的煎餅型。早期的單位通常長(zhǎng)約2米，但隨后的發(fā)展逐漸增加了長(zhǎng)度。目前這一代的長(zhǎng)度超過(guò)4米。軸承是基于氣體的設(shè)備，因?yàn)闄C(jī)械軸承無(wú)法在這些離心機(jī)的正常運(yùn)行速度下存活。
一部分離心機(jī)將由電子逆變器提供變頻交流電，這將緩慢地將它們提升到所需的速度，通常超過(guò)50,000rpm。一種預(yù)防措施是快速超過(guò)已知?dú)飧讜?huì)出現(xiàn)共振問(wèn)題的頻率。逆變器是一個(gè)高頻單元，能夠在1kHz左右的頻率下工作。整個(gè)過(guò)程通常是無(wú)聲的；如果聽到來(lái)自離心機(jī)的噪音，則表示故障警告（通常會(huì)很快發(fā)生）。級(jí)聯(lián)的設(shè)計(jì)通常允許至少一個(gè)離心機(jī)單元發(fā)生故障而不影響級(jí)聯(lián)的操作。這些裝置通常非常可靠，早期型號(hào)已連續(xù)運(yùn)行30多年。
后來(lái)的模型穩(wěn)步提高了離心機(jī)的轉(zhuǎn)速，因?yàn)殡x心機(jī)壁的速度對(duì)分離效率的影響較大。
離心機(jī)級(jí)聯(lián)系統(tǒng)的一個(gè)特點(diǎn)是可以通過(guò)在適當(dāng)位置向現(xiàn)有裝置添加級(jí)聯(lián)“塊”來(lái)逐步增加工廠產(chǎn)量，而不必安裝全新的離心機(jī)系列。
