تفاعلات الطرد المركزي الفائق Ultracentrifuge Process

ترجع فكرة فصل نظيري اليورانيوم المتواجدين كغاز UF₆ باستخدام تقنية الطرد المركزي إلى الأيام الأولى لبرنامج مانهاتن الأمريكي (برنامج تحضير أول قنبلة نووية في العلم أثناء الحرب العالمية الثانية). ولكن هذه التقنية لم تستخدم وذلك بسبب صعوبة الحصول على الدوران السريع الذي يبلغ 500,000 دورة/ دقيقة. واللازم لاستخدام هذه التقنية. ولكن مع بداية الستينات (1960) ومع تحن التقنيات فقد عاد الاهتمام بهذه التقنية. خصوصاً وأنه لوحظ ان عامل الفصل هنا يتراوح بين (1.01 إلى 1.04) بالمقارنة مع عامل الفصل الذي يبلغ حوالي 1.004 في حالة الانتشار الغازي. ومن ثم فإن عدد مراحل الفصل يقل كثيراً عن مثيله في حالة الانتثار الغازي. وعلى كل حال فإن انخفاض معدل التدفق في حالة الطرد المركزي عن مثيله الانتشار الغازي يجعلنا نحتاج إلى عدد كبير من المراحل المتصلة على التوازي مع بعضها البعض وذلك للحصول على نسبة تخصيب معقولة.

يبين الشكل (1) تصميم مرحلة طرد مركزي. تعتمد فكرة الطرد المركزي على إمكانية فصل نظيري اليورانيوم عندما يتحركان في مجال الطرد المركزي الذي يؤثر عليهما حسب كتل كل منهما. كما ويساعد تأثير دوران التيار المعاكس Countercurent المحوري الناشيء داخل الدوار على زيادة نسبة الفصل. تؤدي قوة الطرد المركزي إلى تحرك النظير الثقيل ₆UF²³⁸ نحو الجدار أما النظير الخفيف UF₆²³⁵ فيتحرك نحو المحور. ومن ثم ينشأ فصل جزيئي في اتجاه قطر الدوار. وتنتج نسبة بين محور الدوار وجدارة معتمدة على سرعة الأخير التي تتراوح بين (s/m 700 - 400). وذلك كما بالجدول (1).

ويعتمد عامل الفصل الابتدائي على سرعة الدوران وكذلك درجة الحرارة.

يدخل غاز سادس فلورد اليورانيوم (UF₆) إلى الدوار من خلال أنبوبة تمر بالقرب من المحور (كما بالشكل). ويتم استخلاص (UF₆) المخصب خلال أنبوب يقع بالقرب من الطرف العلوي للدوار وقريباً من الجدار أما (UF₆) المحتوى على نسبة عالية من U²³⁸ فيؤخذ من أنبوب مماثل يقع بالقرب من الطرف السفلي للدوار (كما بالشكل).

الشكل (1)

يتراوح عامل الفصل حالياً بين 1.2، 1.5 للحصول على نسبة تخصيب تساوي 3% من U²³⁵ يتم ربط 12 مرحلة فقط مع بعضها بعضاً.

تمتاز طريقة الفصل بالطرد المركزي عن طريقة الانتشار الغازي في أن تكاليف استهلاك الطاقة يتراوح بين KWh/Kg SWU 100 - 400. وهذا يمثل عشر تكاليف الطريقة الأخيرة. إلا أن الفصل بالطرد المركزي يحتاج إلى رأس مال أكبر من مثيلة الانتشار الغازي (SWU تمثل وحدة شعل الفصل Separative Work Unit).

ويبلغ طول وحدة الدوار حوالى m 1 وقطرها cm10. وتعطي نسبة النظير الخفيف بالعلاقة:

(1)................     

حيث N نسبة Fraction النظير الخفيف.

ω السرعة الزاوية للدوار.

r البعد عن محور الدوار.

R الثابت العالمي للغاز.

T درجة الحرارة (كلفن).

Δm الفرق في الأوزان الجزيئية للنظيرين.