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気体拡散法は、気体状の六フッ化ウラン（UF 6 ）を微細孔膜に通すことで濃縮ウランを製造するために用いられた技術である。これにより、ウラン235（235U）とウラン238（238U ）を含む分子間にわずかな分離（濃縮係数1.0043）が生じる。多数の段階からなる大規模なカスケードを用いることで、高い分離率を達成できる。これは、工業的に有用な量の濃縮ウランを製造できる最初のプロセスとして開発されたが、現在ではより効率的なガス遠心分離法（濃縮係数1.05～1.2）に取って代わられ、時代遅れとみなされている。[ 1 ] [ 2 ]
気体拡散法は、1940年にクラレンドン研究所のフランシス・サイモンとニコラス・クルティによって考案された。彼らは、英国のチューブアロイズ計画のために爆弾を製造する目的で、ウラン235とウラン238を分離する方法を見つけるというMAUD委員会の任務を負っていた。気体拡散装置のプロトタイプ自体は、メトロポリタン・ヴィッカース（メトロヴィック）によってマンチェスターのトラフォード・パークで製造され、4台のユニットで15万ポンド（現在の価値で1000万～1100万ポンド相当）の費用がかかり、バレーのMS工場に納入された。この作業は、チューブアロイズ計画が後のマンハッタン計画に吸収された際に、後に米国に移管された。[ 3 ]
既知の放射性原始核種33種のうち、2種（235Uと238U）はウランの同位体である。これら2つの同位体は多くの点で似ているが、235Uだけが核分裂性（熱中性子による核分裂の連鎖反応を維持できる）である。実際、235Uは天然に存在する唯一の核分裂性原子核である。[ 4 ]天然ウランは質量比で約0.72%の235Uしか含まないため、通常の水を減速材として使用する場合、連続的な核連鎖反応を維持できるように、2～5%の濃度に濃縮する必要がある。 [ 5 ]この濃縮プロセスの生成物は濃縮ウランと呼ばれる。
気体拡散は、気体の拡散速度が分子量の平方根に反比例するというグラハムの法則に基づいています。例えば、2種類の気体の混合物が入った微多孔膜付きの箱では、細孔径が平均自由行程（分子流速）よりも小さい場合、軽い分子は重い分子よりも速く容器から排出されます。容器から排出される気体は軽い分子がやや濃縮され、残留する気体は軽い分子がやや減少します。気体拡散によって濃縮プロセスが行われる単一の容器は、拡散器と呼ばれます。
UF 6は、気体拡散プロセスに使用できるほど揮発性の高いウラン化合物です。幸いなことに、フッ素は単一の同位体19Fしか存在しないため、235UF 6と238UF 6の分子量の 1% の差は、ウラン同位体の重量の差のみによるものです。これらの理由から、UF 6は気体拡散プロセスの原料として唯一の選択肢となります。 [ 6 ]室温で固体であるUF 6 は、1 気圧で56.4 °C (133 °F) で昇華します。[ 7 ]三重点は64.05 °C、1.5 bar です。[ 8 ]グラハムの法則を適用すると次のようになります。
どこ：
これは、 235 UF 6分子の平均速度と238 UF 6分子の平均速度の 0.4% の差を説明するものです。[ 9 ]
UF 6は非常に腐食性の高い物質です。酸化剤[ 10 ]であり、フッ化物と結合できるルイス酸でもあります。例えば、アセトニトリル中でフッ化銅(II)と六フッ化ウランを反応させると、七フッ化ウラン酸銅(II)(VI)、Cu(UF 7 ) 2が生成されることが報告されています。[ 11 ]水と反応して固体化合物を形成し、工業規模での取り扱いが非常に困難です。[ 6 ]そのため、内部のガス経路はオーステナイト系ステンレス鋼やその他の耐熱金属で製造する必要があります。システム内のすべてのバルブとシールには、テフロンなどの非反応性フッ素ポリマーをコーティングとして塗布する必要があります。
ガス拡散プラントでは、通常、焼結ニッケルまたはアルミニウムで構成された凝集バリア（多孔質膜）を使用し、その細孔サイズは 10～25ナノメートルです（これはUF 6分子の平均自由行程の10 分の 1 未満です）。[ 4 ] [ 6 ]また、最初は非多孔質の媒体に細孔を開けて作られたフィルムタイプのバリアを使用することもあります。これを行う 1 つの方法は、合金中の 1 つの成分を除去することです。たとえば、塩化水素を使用して銀亜鉛 (Ag-Zn) から亜鉛を除去したり、水酸化ナトリウムを使用して Ni-Al 合金からアルミニウムを除去したりします。
235 UF 6と238 UF 6の分子量はほぼ等しいため、バリアを 1 回通過するだけ、つまり 1 つの拡散器内では235 U と238 U の分離はほとんど起こりません。そのため、多数の拡散器を一連のステージに接続し、前のステージの出力を次のステージの入力として使用する必要があります。このような一連のステージはカスケードと呼ばれます。実際には、拡散カスケードは、必要な濃縮レベルに応じて、数千のステージを必要とします。[ 6 ]
拡散プラントのすべての構成要素は、UF 6 が気相にとどまるように、適切な温度と圧力に維持されなければなりません。拡散器全体で圧力が失われるため、各段階でガスを圧縮する必要があります。これによりガスが圧縮加熱され、拡散器に入る前に冷却する必要があります。ポンプと冷却の要件により、拡散プラントは膨大な電力を消費します。このため、ガス拡散は最近まで濃縮ウランの製造に使用された最も高価な方法でした。[ 12 ]
テネシー州オークリッジのマンハッタン計画に従事していたスタッフは、ウラン同位体の分離にいくつかの異なる方法を開発した。これらの方法のうち3つが、オークリッジの3つの異なる工場で順次使用され、 「リトルボーイ」やその他の初期の核兵器用の235Uが製造された。最初の段階では、S-50ウラン濃縮施設で熱拡散法を用いてウランを0.7%から約2%の235Uまで濃縮した。この生成物は、 K-25工場の気体拡散法に供給され、そこで約23%の235Uが得られた。最後に、この物質はY-12のカルトロンに供給された。これらの装置（質量分析計の一種）は電磁同位体分離法を用いて、最終的な235U濃度を約84%まで高めた。
K-25ガス拡散プラント用のUF6原料の準備は、商業生産されたフッ素の最初の応用例であり、フッ素とUF6の両方の取り扱いにおいて大きな障害に直面した。例えば、K-25ガス拡散プラントを建設する前に、UF6ガス（非常に反応性が高く腐食性のある物質）と接触する表面のコーティング、潤滑剤、ガスケットとして使用できる非反応性化合物を開発する必要があった。マンハッタン計画の科学者たちは、有機フッ素化学の専門知識を持つコーネル大学の有機化学教授であるウィリアム・T・ミラーを招き、そのような材料の合成と開発を依頼した。ミラーと彼のチームは、この用途で使用されるいくつかの新しい非反応性クロロフルオロカーボンポリマーを開発した。 [ 13 ]
カルトロンは非効率的で、建設と運用に費用がかかりました。気体拡散法によって生じた技術的な障害が克服され、1945年にオークリッジで気体拡散カスケードが稼働を開始するとすぐに、すべてのカルトロンは停止されました。その後、気体拡散法が濃縮ウランを製造するための好ましい技術となりました。[ 4 ]
1940年代初頭に建設された当時、ガス拡散プラントは史上最大級の建造物の一つでした。大規模なガス拡散プラントは、米国、ソビエト連邦（現在カザフスタンにあるプラントを含む）、英国、フランス、中国によって建設されました。これらのほとんどは、より新しい濃縮技術との経済的な競争に耐えられず、現在閉鎖されているか、閉鎖される予定です。ポンプや膜に使用されている技術の一部は、依然として極秘扱いとなっています。使用されている材料の一部は、核拡散防止のための継続的な取り組みの一環として、輸出規制の対象となっています。
2008年時点で、米国とフランスのガス拡散法による濃縮ウラン製造施設は、世界の濃縮ウラン生産量の33％を占めていた。[ 12 ]しかし、フランスの工場（Eurodifのジョルジュ・ベッセ工場）は2012年6月に完全に閉鎖され、[ 14 ]ケンタッキー州のパデューカガス拡散工場（米国濃縮公社（USEC）が運営）（米国でガス拡散プロセスを採用する最後の完全に機能するウラン濃縮施設[ 5 ] [ 15 ]）は2013年に濃縮を停止した。[ 16 ]米国で他に唯一の同様の施設であるオハイオ州のポーツマスガス拡散工場は2001年に濃縮活動を停止した。[ 5 ] [ 17 ] [ 18 ] 2010年以降、オハイオ州の施設は主にフランスの複合企業AREVAによって劣化UF 6を酸化ウランに変換するために使用されている。[ 19 ] [ 20 ]
既存のガス拡散プラントが老朽化するにつれて、それらは第2世代のガス遠心分離技術に置き換えられました。この技術は、同量の分離ウランを生産するのに必要な電力がはるかに少なくて済みます。AREVAは、ジョルジュ・ベッセガス拡散プラントをジョルジュ・ベッセII遠心分離プラントに置き換えました。[ 21 ]
ウラン濃縮活動は2013年に停止した。
