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ガス遠心分離機は、気体の同位体分離を行う装置です。遠心分離機は、遠心力によって分子を加速させ、回転する容器の半径に沿って質量の異なる粒子を物理的に分離する原理に基づいています。
ガス遠心分離機の主な用途の一つは、ウラン235（235U）とウラン238（238U ）の分離です。ガス遠心分離機は、235Uの抽出に用いられていた気体拡散法に代わるものとして開発されました。これらの同位体を高濃度に分離するには、複数の遠心分離機を直列に接続し、段階的に濃度を高めていく必要があります。この方法により、気体拡散法に比べてはるかに少ないエネルギーで、より高濃度の235Uを得ることができます。
1919年に提案された遠心分離法は、1934年に初めて成功裏に実施されました。アメリカの科学者ジェシー・ビームスとバージニア大学のチームは、真空超遠心分離機を用いて2つの塩素同位体を分離することでこの方法を開発しました。これは、マンハッタン計画中に特にハロルド・ユーリーとカール・P・コーエンによって追求された初期の同位体分離方法の1つでしたが、この方法は戦争終結までに成果を上げられないと考えられ、ウラン濃縮の他の方法（気体拡散法と電磁分離法）の方が短期的には成功する可能性が高いと判断されたため、1944年に研究は中止されました。この方法はソ連の核開発計画で成功裏に使用され、ソ連は濃縮ウランの最も効率的な供給国となりました。フランツ・シモン、ルドルフ・パイエルス、クラウス・フックス、ニコラス・クルティは遠心分離法に重要な貢献をしました。
ポール・ディラックは第二次世界大戦中に遠心分離プロセスに重要な理論的貢献をしました。[ 1 ] [ 2 ]ディラックは、現代のウラン濃縮プラントの設計と分析の基礎となる分離プロセスの基本理論を開発しました。[ 3 ]長期的には、特にジッペ型遠心分離機の開発により、ガス遠心分離機は他の方法よりもかなり少ないエネルギーを使用し、その他多くの利点を持つ非常に経済的な分離モードになりました。
1970年代から80年代にかけて、パキスタンの科学者アブドゥル・カディール・カーンは、パキスタンの原子爆弾用核燃料の開発における遠心分離機の役割を高めるために真空法を用いて、遠心分離機の物理的性能に関する研究を行った。[ 4 ]カーンと共に研究していた理論家の多くは、気体状ウランと濃縮ウランのどちらも予定通りに実現可能かどうか確信が持てなかった。[ 5 ]ある科学者は、「世界中で誰も（ガス）遠心分離機法を用いて軍事用ウランを生産したことはない。これはうまくいかないだろう。彼は単に時間を無駄にしているだけだ」と回想している。[ 5 ]懐疑的な見方にもかかわらず、この計画はすぐに実現可能であることが証明された。遠心分離機による濃縮は実験物理学で使用されており、この方法は20世紀末までに少なくとも3つの異なる国に密輸された。[ 4 ] [ 5 ]
遠心分離機は、遠心加速によって生じる力を利用して分子を質量に応じて分離し、ほとんどの流体に適用できます。[ 6 ] [ 7 ]密度の高い（重い）分子は壁に向かって移動し、軽い分子は中心付近にとどまります。遠心分離機は、全周期で高速回転する剛体ローターで構成されています。 [ 8 ]ローターの軸上に配置された同心円状のガス管は、ローターに供給ガスを導入し、分離された重い流れと軽い流れを取り出すために使用されます。[ 8 ] 235Uの製造では、重い流れは廃液の流れであり、軽い流れは製品の流れです。最新のジッペ型遠心分離機は、垂直軸を中心に回転する背の高い円筒です。垂直方向の温度勾配を適用することで、遠心分離機の中心で上昇し、周辺で下降する対流循環を作り出すことができます。このような対向流は、濃縮画分と枯渇画分を取り出すスクープによって機械的に刺激することもできます。これらの相反する流れ間の拡散は、対向流増幅の原理によって分離を増大させる。
実際には、単一の遠心分離機の高さには限界があるため、複数の遠心分離機を直列に接続して使用します。各遠心分離機は1つの入力ラインを受け取り、軽質成分と重質成分に対応する2つの出力ラインを生成します。各遠心分離機の入力は、前の遠心分離機の生成物ストリームです。これにより、最後の遠心分離機の生成物ストリームからほぼ純粋な軽質成分が、最初の遠心分離機の廃液ストリームからほぼ純粋な重質成分が得られます。
ガス遠心分離プロセスは、ガスが遠心分離機に出入りする独自の設計を採用しています。バッチ処理に依存するほとんどの遠心分離機とは異なり、ガス遠心分離機は連続処理を採用しており、複数の同一のプロセスが連続して実行されるカスケードが可能です。ガス遠心分離機は、円筒形ローター、ケーシング、電動モーター、および材料が移動する3本のラインで構成されています。ガス遠心分離機は、遠心分離機を完全に覆うケーシングで設計されています。[ 4 ]円筒形ローターはケーシング内にあり、運転時にほぼ摩擦のない回転を実現するためにケーシング内の空気はすべて除去されています。モーターがローターを回転させ、円筒形ローターに入るコンポーネントに遠心力を発生させます。この力はガスの分子を分離する働きをし、重い分子はローターの壁に向かって、軽い分子は中心軸に向かって移動します。出力ラインは 2 つあり、1 つは目的の同位体 (ウラン分離の場合は235 U) が濃縮された画分用、もう 1 つはその同位体が枯渇した画分用です。出力ラインはこれらの分離物を他の遠心分離機に送り、遠心分離プロセスを継続します。[ 9 ]このプロセスは、ローターが 3 段階でバランスが取られたときに始まります。[ 10 ]ガス遠心分離機の技術的な詳細のほとんどは、「核機密」に包まれているため入手が困難です。[ 10 ]
英国で初期に使用されたガス遠心分離機は、エポキシ樹脂を含浸させたガラス繊維で覆われた合金製の本体を使用していた。アセンブリの動的バランス調整は、バランス調整試験装置で指定された箇所に少量のエポキシ樹脂を塗布することで行われた。モーターは通常、円筒底部に設置されたパンケーキ型であった。初期のユニットは一般的に長さが約2メートルであったが、その後の開発により徐々に長さが長くなった。現在の世代は長さが4メートルを超えている。ベアリングはガス式で、機械式ベアリングではこれらの遠心分離機の通常の運転速度に耐えられない。
遠心分離機群には、電子式（バルク）インバータから可変周波数交流電流が供給され、回転速度は徐々に必要な速度（通常50,000rpm以上）まで上昇します。シリンダーが共振問題を起こしやすい周波数を速やかに通過させることが、一つの予防策でした。インバータは、約1キロヘルツの周波数で動作可能な高周波ユニットです。このプロセス全体は通常無音です。遠心分離機から異音が聞こえる場合は、故障の兆候です（通常、故障は非常に速やかに発生します）。カスケードの設計上、少なくとも1台の遠心分離機が故障しても、カスケード全体の動作に支障をきたすことはありません。これらのユニットは通常非常に信頼性が高く、初期のモデルは30年以上連続運転されています。
後期のモデルでは、遠心分離機の回転速度が着実に向上している。これは、分離効率に最も影響を与えるのは遠心分離機の壁面速度であるためである。カスケード式遠心分離機システムの特徴は、既存の設備に適切な場所にカスケード「ブロック」を追加することで、プラントの処理能力を段階的に向上させることが可能であり、全く新しい遠心分離機ラインを設置する必要がない点にある。
最も単純なガス遠心分離機は同時遠心分離機であり、分離効果はローターの回転による遠心効果によって生じる。これらの遠心分離機では、重い成分はローターの周辺部に、軽い成分は回転軸に近い部分から集められる。[ 11 ]
向流を誘起することで、向流増幅を利用して分離効果を高めます。垂直方向の循環流を設定し、ガスはローター壁に沿って軸方向に一方向に流れ、戻り流はローターの中心に近くなります。遠心分離は以前と同様に継続し（重い分子が優先的に外側へ移動する）、重い分子は壁流によって収集され、軽い画分は反対側に収集されます。下向きの壁流を持つ遠心分離機では、重い分子は底部に収集されます。次に、出口スクープをローターキャビティの両端に配置し、供給混合物をキャビティの軸に沿って注入します（理想的には、注入点はローター内の混合物が供給物と等しくなる点です[ 12 ]）。
この向流は、機械的または熱的に、あるいはその組み合わせによって誘起することができます。機械的に誘起される向流では、(固定された)スクープと内部ローター構造の配置によって流れが生成されます。[ 13 ]スクープはガスと相互作用してガスの速度を落とし、ガスをローターの中心に引き込む傾向があります。両端のスクープは反対方向の流れを誘起するため、一方のスクープは「バッフル」によって流れから保護されます。バッフルとは、ガスとともに回転するローター内の穴の開いたディスクです。ローターのこの端では、流れは外側、つまりローター壁に向かって流れます。したがって、バッフル付き上部スクープを備えた遠心分離機では、壁面の流れは下向きになり、重い分子は底部に集められます。熱的に誘起される対流は、遠心分離機の底部を加熱したり、上端を冷却したりすることによって生成できます。
分離作業単位（SWU）は、遠心分離機が行う仕事量の尺度であり、質量単位（通常はキログラム分離作業単位）を持つ。塊を分離するために必要分析の飼料塊に製品分析質量の尾部分析は、必要な分離作業単位の数で表され、次の式で与えられる。
ウランの分離には、ウランを気体状にする必要があります。ウラン濃縮には六フッ化ウラン（UF₆ ）が使用されます。遠心分離機のシリンダーに入ると、UF₆ガスは高速で回転します。この回転によって強い遠心力が生じ、より重いガス分子（²³⁸Uを含む）はシリンダーの壁に向かって引き寄せられ、より軽いガス分子（²³⁵Uを含む）は中心付近に集まります。²³⁵Uがわずかに濃縮された流れは取り出されて次の高段に送られ、わずかに減少した流れは次の低段にリサイクルされます。
原子力技術の一部の用途では、亜鉛金属中の亜鉛64（64Zn）の含有量を、中性子活性化による放射性同位体の生成を防ぐために低減する必要がある。遠心分離カスケードのガス供給媒体としてジエチル亜鉛が使用される。得られる物質の一例として、腐食抑制剤として使用される劣化酸化亜鉛がある。
