Центрифуга для обогащения урана(UF6)
Ее важнейшим элементом является ротор — цилиндр, вращающийся с огромной скоростью в газовой среде с пониженным давлением. Здесь приведена схема так называемой подкритической центрифуги, что означает, что рабочая частота вращения ротора ниже его первой резонансной частоты. При увеличении оборотов ротор последовательно проходит частоты, на которых возникают резонансные колебания, обусловленные механическими свойствами вращающейся системы. Центрифуга, работающая на частоте вращения ротора выше резонансной, называется надкритической.
В пространстве между ротором и внешним кожухом центрифуги поддерживается вакуум, что необходимо для снижения сопротивления вращению, т.е. энергоемкости машины. Вакуум обеспечивается с помощью молекулярного насоса , представляющего собой спиральные канавки на внутренней поверхности кожуха.
Рабочим веществом, в котором собственно происходит разделение молекул с атомами разных изотопов, является гексафторид урана (UF6) -газообразное соединение природного урана, получаемое на предприятиях ядерного топливного цикла в результате операции химической конверсии природной закиси-окиси урана. Гексафторид при определенной температуре и давлении подается в центрифугу через трубопровод питания и поступает в роторное пространство возле оси ротора в его центральной части . Вследствие высокой скорости вращения ротора (линейная скорость на его периферии 600 и более м/сек) газ концентрируется у его стенки, где его давление может составлять десятки тысяч паскалей. Напротив, у оси ротора образуется так называемое «вакуумное ядро». Анализ физических процессов, происходящих в газовой центрифуге, показывает, что эффективное разделение компонентов смеси происходит только при наличии осевой циркуляции газа внутри ротора. Такая циркуляция (показанная на рисунке стрелками) обеспечивается, например, созданием осевого температурного градиента за счет внешнего источника тепла. При циркуляции наибольшая разность в концентрации легкого и тяжелого изотопов устанавливается в торцевых частях центрифуги, — нижней и верхней соответственно.
С целью отбора продуктов деления в центрифуге предусмотрены диафрагмы с отверстиями, вращающиеся вместе с ротором, и неподвижные газоотборники, представляющие собой тонкие изогнутые трубки.
Обогащенная легким изотопом фракция (продукт) выводится с помощью газоотборника в трубопровод. Тяжелая фракция — отвал (или хвост) отбирается и поступает в канал.
Кроме упомянутых выше, газовая центрифуга включает в себя еще целый ряд критических для ее работы устройств: нижняя опора ротора, магнитный подшипник, двигатель и др., каждое из которых представляет собой определенное ноу-хау.
Критическими для обеспечения разделительной способности центрифуги являются ее геометрические размеры (длина ротора), скорость вращения ротора, а также наличие циркуляции газа в осевом направлении, для обеспечения которой применяются специальные меры. Сочетание конструкции и всех тонко настраиваемых параметров центрифуги и обеспечивает эффективность процесса обогащения.
Характерные размеры российских подкритических газовых центрифуг: длина ротора около 1 м, диаметр около 0,5 метра. Машины компонуются в блоки по 20 центрифуг, соединенных параллельно, называемые агрегатами. Агрегаты монтируются на стеллажи — до 7 этажей высотой. Такая компоновка обеспечивает необходимую сейсмическую устойчивость при максимальном использовании объема цеха разделительного предприятия .
С агрегатами центрифуг связывается ряд внешних систем, обеспечивающих параметры их работы, параметры рабочего газа, температурные и другие необходимые условия. Важнейшую роль играют стабилизированные по частоте источники питания для электродвигателей, устройства автоматики для управления работой и автоматической остановки центрифуг и т.д.