Центрифуга для разделения изотопов.

[Alexu007]

Помогите разобраться:

Можно ли разделить изотопы U235 и U238, просто вращая газ (гексафторид урана) в центрифуге? То есть до какой скорости нужно раскрутить центрифугу (для простоты диаметром 1 метр), чтобы молекулы с U238 сконцентрировались у боковой стенки (там где максимальное ускорение), а U235 - ближе к оси центрифуги?

[photon]

Wikipedia писал(а):

Газовое центрифугирование

Впервые эта технология была разработана в Германии, во время второй мировой, но промышленно нигде не применялась до начала 50-х. Если газообразную смесь изотопов пропускать через высокоскоростные центрифуги, то центробежная сила разделит более легкие или тяжелые частицы на слои, где их и можно будет собрать. Большое преимущество центрифугирования состоит в зависимости коэффициента разделения от абсолютной разницы в массе, а не от отношения масс. Центрифуга одинаково хорошо работает и с легкими, и с тяжелыми элементами. Степень разделения пропорциональна квадрату отношения скорости вращения к скорости молекул в газе. Отсюда очень желательно как можно быстрее раскрутить центрифугу. Типичные линейные скорости вращающихся роторов — 250—350 м/с, и более 600 м/с в усовершенствованных центрифугах.

Типичный коэффициент сепарации — 1.01 — 1.1. По сравнению с газодиффузионными установками этот метод имеет уменьшенное энергопотребление, большую легкость в наращивании мощности. В настоящее время газовое центрифугирование — основной промышленный метод разделения изотопов в России.

-- Пт июл 01, 2011 10:13:15 --

И вот тут чуть подробнее

[Alexu007]

Там только общие слова.

Дело в том, что я утверждаю, что центробежная сила центрифуги не участвует в процессе разделения изотопов, поскольку слишком мала разница массы молекул гексафторида U235 и U238.

Разница в массе двух молекул составляет 3 массы нейтрона $ = 3\cdot10^{-27}$кг. Из-за разницы в массе на молекулы действует разная центробежная сила. Как сравнить это с тепловой энергией молекул? Для того, чтобы произошло разделение, нужно чтобы разница центробежных импульсов превзошла импульс теплового движения молекулы?

[photon]

Alexu007 в сообщении #463975 писал(а):

Разница в массе двух молекул составляет 3 массы нейтрона $ = 3\cdot10^{-27}$кг. Из-за разницы в массе на молекулы действует разная центробежная сила. Как сравнить это с тепловой энергией молекул? Для того, чтобы произошло разделение, нужно чтобы разница центробежных импульсов превзошла импульс теплового движения молекулы?

Думаю, что Вы не правы - разделятся. Просто разделение не очень эффективное - надо много раз его повторять и повторять, потому что фактически это разделение смеси на две другие смеси тех же компонент, только отличающиеся соотношением этих компонент.

[Alexu007]

Ну скажем так - они теоретически могут и при 1g разделиться: оставим емкость с газом в покое, и сверху 235-й, снизу 238-й. Пусть не полностью разделятся, но допустим снизу концентрация 238-го больше. Это не соответствует истине. А если увеличивать g - в случае центрифуги у её периферии - начнут разделяться? Или всё же нет? А если начнут, то при каких значениях g?

[Munin]

Alexu007 в сообщении #464113 писал(а):

Это не соответствует истине.

Это ссответствует (только не истине, а опыту). Просто для изотопов разница концентраций очень мала. Но то, что таким образом разделяются газы разного химического состава, с существенно разной молекулярной массой, демонстрируют даже на школьных уроках химии.

В центрифуге ускорения на порядки превышают $g,$ тогда эффект становится применимым на практике.

[Alexu007]

Нельзя ли подтвердить или опровергнуть это утверждение расчётами? Здравый смысл подсказывает, что с помощью ускорения разделяются только газы с большой разницей плотности (или массы?). Для U235 и U238 эта разница очень мала.

[nestoklon]

Alexu007 в сообщении #464201 писал(а):

Нельзя ли подтвердить или опровергнуть это утверждение расчётами?

Вы не в ФСБ часом работаете?

Alexu007 в сообщении #464201 писал(а):

Для U235 и U238 эта разница очень мала.

$1.01^{100}=2.7$ (если мой калькулятор не врёт)
А теперь давайте посчитаем центрифуги на картинке

[phys]

Есть в бауманке такая специальность - Ядерные реакторы и установки. Там с пятого курса можно выбрать направленность "Физика ядерного топливного цикла", я уверен что они эту штуку и рассматривают, и считают. Поищите какие нибудь бауманские книжки или методички по этому вопросу - может там и есть.

Цитата:

потому что фактически это разделение смеси на две другие смеси тех же компонент, только отличающиеся соотношением этих компонент.

По мне, так это похоже на правду, потому что U238 в чистом виде впринципе не нужен и врядли получаем, обогащенный уран в любом случае подразумевает смесь U235 и несколько процентов в нем U238 (для реакторов этот процент, ну может быть 5-10, для бомб - 9x).

(Оффтоп)

Такое чувство что вы велосипед там изобретаете, или готовите заявление аля - "мои расчеты показали - сие невозможно. так что в центрифугах на самом деле не центробежной силой разделяют газ, а маленькие зеленые человечки вручную перебирают молекулы".

[Alex-Yu]

Alexu007 в сообщении #464113 писал(а):

Пусть не полностью разделятся, но допустим снизу концентрация 238-го больше. Это не соответствует истине.

Это еще с какой радости "не соответствует истине"??? Возьмите распределение Больцмана и убедитесь, что именно соответствует. Разница концентраций будет очень маленькой, но будет. Легко посчитать какая именно.

[Alexu007]

phys в сообщении #464242 писал(а):

Такое чувство что вы велосипед там изобретаете, или готовите заявление аля - "мои расчеты показали - сие невозможно. так что в центрифугах на самом деле не центробежной силой разделяют газ, а маленькие зеленые человечки вручную перебирают молекулы".

Не, вас я грузить своими гениальными мыслями не собирался. Я на другом форуме это делаю, хотелось бы подкрепить свою позицию формулами.

Газ действительно не центробежной силой разделяют, это видно из конструкции центрифуги:

центробежная сила прижимает газ к стенке центрифуги, и если бы работала она - газ разделялся бы у самой стенки, там где ускорение максимально - оттуда нужно и забирать 238-й - например наделать в стенке мельчайших отверстий, откуда выходил бы газ под давлением, а в остатке (у оси) 235-й.
Вместо этого добиваются осевой циркуляции газа, которая перемешивает уже разделённое. К оси центрифуги непрерывно подают неразделённый газ, который тут же смешивался бы с уже обогащённым. Легкую фракцию забирают сверху, тяжёлую - снизу, против силы тяжести.

http://www.realeconomy.ru/215/3546/5010/index.shtml

[photon]

Alexu007 в сообщении #464784 писал(а):

Легкую фракцию забирают сверху, тяжёлую - снизу, против силы тяжести.

Это не существенно, сверху или снизу - вертикальное разделение за счет силы тяжести существенно слабее, чем обусловленное вращением. Существенным в данном случае является то, что тяжелую фракцию отбирают ближе к краю, а лёгкую - дальше от него. Картинка - схематическая (там не указаны реальные размеры), поэтому судить точно насколько близко к краю осуществляется отбор не представляется возможным по данной картинке.

[druggist]

(Оффтоп)

На сайте МИФИ выложены материалы, посвященные 65-летию советского атомного проекта. Как вы думаете какая самая ценная по мнению Курчатова информация, содержащая буквально несколько слов, была доставлена советсткой разведкой?

[ewert]

Alexu007 в сообщении #464201 писал(а):

Здравый смысл подсказывает, что с помощью ускорения разделяются только газы с большой разницей плотности (или массы?).

Здравый смысл, а также чтение прессы (даже и жёлтой) подсказывают, что центрифуги всегда каскадируют, см. картинку выше (/ниже).

[Alexu007]

При чём тут каскадирование?

Гексафторид урана-235 и урана-238 - это практически один и тот же газ, за исключением ничтожной разницы в массе. Картинка хоть и схематическая, но мозги включать нужно?

Допустим вы хотите очистить мутную воду - что вы делаете? Оставляете её на некоторое время в покое - и под действием силы тяжести грязь выпадает в осадок. А если использовать центрифугу? Тогда крутить некоторое время, но уже меньшее из-за более высокого g. В случае газа - то же самое. Не нужно никакой осевой циркуляции, которая только перемешает уже разделённые фракции - зачем? Не нужно непрерывно подавать в центрифугу новый газ - он тоже будет смешиваться с разделёнными фракциями - на мой взгляд не лучшая идея.

А что нужно сделать? Да наполнить центрифугу газом и покрутить какое-то время, а затем забрать разделённые фракции, после чего наполнить новым газом и т.д. Но ведь очевидно, что центрифуга работает не так, там нет никаких циклов, это непрерывный процесс. Газ непрерывно подаётся, непрерывно же забирается - более тяжёлый сверху, лёгкий снизу.

Где логика? Это всё же научный форум. Почитайте описания - там везде указана линейная скорость на периферии: 300-600 м/с, чем больше, тем лучше. Это даёт хоть какую-то информацию о величине центробежной силы? Нет - мы не знаем диаметра устройства. О, как, самый важный параметр, от которого зависит эффективность и скорость разделения - и забыли указать. Почему не написать, что центрифуги развивают ускорение в несколько тыс. g - коротко и ясно? Да просто потому, что эти тысячи g роли не играют, а играет роль только скорость не периферии - которую и указывают.