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ジッペ型遠心分離機は、天然ウラン化合物に含まれる同位体混合物から、希少な核分裂性同位体であるウラン235（235U ）を濃縮するために設計されたガス遠心分離機である。同位体分離は、同位体の質量のわずかな違いに基づいている。ジッペの設計は、第二次世界大戦終結後に捕虜となったオーストリアとドイツの科学者および技術者60名からなるチームによって、ソビエト連邦で拘留中に開発された。
西側諸国、そして現在では一般的に、このタイプの遠心分離機は、1956年に西側諸国に帰国後、ソ連の計画における自身の貢献を回想してこの技術を再現したゲルノット・ジッペという人物の名で知られている。ソ連/ロシア語で特定の人物の名前で呼ばれる可能性があるとすれば、開発の初期段階ではエフゲニー・カメネフにちなんでカメネフ遠心分離機として知られていた。[ 1 ] [ 2 ]
天然ウランは3つの同位体から構成されており、大部分（99.274%）はウラン238、約0.72%は熱中性子によって核分裂するウラン235、残りの0.0055%はウラン234です。天然ウランをウラン235の濃度が3%まで濃縮すれば、軽水炉の燃料として使用できます。ウラン235の濃度が90%まで濃縮すれば、核兵器に使用できます。
ウランの濃縮は、同位体の化学組成が実質的に同一で、重量も非常に似ているため困難です。U-235 は U-238 よりわずか 1.26% 軽いだけです (これはウラン金属にのみ適用されます)。遠心分離機は固体ではなく流体を扱う必要があり、このプロセスでは気体の六フッ化ウランが使用されました。235 UF 6と238 UF 6の相対質量差は0.86% 未満です。遠心分離機での分離効率は絶対質量差に依存します。ウラン同位体の分離には、毎秒1,500 回転(90,000 rpm )で回転できる遠心分離機が必要です。ローターの直径を 20 cm と仮定すると (一部の最新の遠心分離機と同様[ 3 ] )、これは約 900,000 xg [ 4 ]の求心加速度(標準的な実験室用卓上マイクロ遠心分離機の最大速度の約 42 倍[ 5 ]、標準的な実験室用超遠心分離機の最大速度の 0.9 ～ 9 倍[ 6 ] ) または空気中でのマッハ 2 を超える線速度(マッハ1 = 音速、空気中では約 340 m/s)、UF 6ではそれよりもはるかに大きい速度になります。比較のために、自動洗濯機は脱水サイクル中に毎秒約 12 ～ 25 回転 (720 ～ 1500 rpm) でしか動作しませんが、自動車用ターボチャージャーのタービンは毎秒約 2500 ～ 3333 回転 (150,000 ～ 200,000 rpm) まで回転できます。[ 7 ] [ 8 ]
ジッペ型遠心分離機[ 9 ]は、ガス状六フッ化ウラン(UF6 )が充填された中空の円筒形ローターを備えています。電動モーターで使用されるようなローター底部の回転磁場により、 UF6が外壁に向かって投げ出されるほど高速回転させることができ、最外層には238UF6が濃縮され、その層の内側には235UF6が濃縮されます。遠心力によって圧力勾配が生じます。遠心分離機の軸上は実質的に真空状態であるため、ガスの入口と出口に機械的なフィードスルーやシールは必要ありません。壁の近くではUF6が飽和圧力に達し、凝縮を避ける必要があるため、回転速度が制限されます。いわゆる向流遠心分離機では、ガス混合物の底部を加熱して対流を発生させることができます。しかし、通常、向流は濃縮された画分を収集するスクープによって機械的に刺激されます。このようにして、各水平層での濃縮は、カラム蒸留と同様に、次の層で繰り返され（したがって増幅されます） 。 1 つのスクープは、遠心分離機とともに回転する穴あきバッフルの後ろにあり、235 UF 6に富む画分を収集します。もう 1 つのスクープにはバッフルがありません。ガスの回転を遅くして内側に向かって圧力を上昇させるため、ポンプを使用せずに235 UF 6に富む画分も収集できます。[ 1 ] [ 9 ]各遠心分離機には、軸上に 1 つの入口と 2 つの出力ラインがあり、1 つは底部でガスを収集し、もう 1 つは上部でガスを収集します。
定量的に、半径方向の圧力（または密度）分布は[ 9 ]で与えられる。
ここで、pは圧力、r は可変半径、R はその最大値、M は分子量、ω は角速度、k はボルツマン定数、T は温度です。（この式は気圧の式に似ています。）この式を両方の同位体について書き、割ると、（r に依存する）同位体比が得られます。指数には Δ M（相対質量差 Δ M/Mではない）のみが含まれます。半径方向濃縮係数は、初期同位体比で割ることによって得られます。高さHの向流遠心分離機での全濃縮を計算するには、指数にH /( R √2)の係数を追加する必要があります。
グレイザー[ 3 ]によると、初期の遠心分離機はローターの直径が7.4～15cm 、長さが0.3～3.2mで、周速は350～500m/sだった。ウレンコ社 の最新の遠心分離機TC-21は直径20cm 、長さが5m以上で、770m /sで回転する。セントラス社（旧USEC）は、直径60cm、高さ12m、周速900m/sの遠心分離機を計画している。
ガスの向流は、機械的に、または（好ましくないが）ローターの上部と下部の間の温度勾配によって促進される。向流と供給量の比率が4の場合、Glaser [ 3 ]は、高さ5mのTC-21遠心分離機の分離係数を1.74と計算している。この比率を下げる（供給量を増やす）と分離係数は低下するが、処理量が増加し、生産性が向上する。
摩擦を減らすため、ローターは真空中で回転します。近くのハウジングと一体化したローターの一部は分子ポンプとして機能し、真空を維持します。磁気ベアリングがローターの上部を安定させ、唯一の物理的な接触（起動時のみ必要）は、ローターが乗っている円錐形の宝石ベアリングです。 [ 1 ] [ 9 ] 両方のベアリングには振動を減衰させるための対策が施されています。3本のガスラインはローターの軸から入ります。
1956年に科学者たちがソ連の捕虜から解放された後、[ 1 ]ゲルノット・ジッペは西側の技術者たちが遠心分離機技術で何年も遅れていることに驚いた。ソ連が彼のメモを没収していたにもかかわらず、彼はアメリカのバージニア大学で自分の設計を再現し、その結果を発表することができた。ジッペは事実上研究を続けることを禁じられたため、アメリカを離れた。アメリカは彼の研究を秘密扱いとし、彼にアメリカ市民になる（彼は拒否した）、ヨーロッパに戻る、または研究を断念するかのいずれかを要求した。[ 1 ]彼はヨーロッパに戻り、1960年代に同僚たちと共に、ローターの材質をアルミニウムからマルエージング鋼に 変更することで遠心分離機の効率を向上させた。マルエージング鋼は疲労寿命が長く、破断長も長い合金で、より高速回転が可能だった。この改良された遠心分離機の設計は、長年にわたり商業会社ウレンコによって原子力発電所用の濃縮ウラン燃料の製造に使用された。[ 1 ]最近では、（例えばTC-21モデルでは）炭素繊維強化壁を使用している。[ 3 ]
高度なジッペ型遠心分離機の正確な詳細は厳重に秘密にされている。例えば、遠心分離機の効率は回転速度を上げることで向上する。そのためには、炭素繊維強化複合材料などのより強力な材料が使用されるが、材料の詳細や化学攻撃に対する保護方法は秘密にされている。破壊的な（曲げ）振動を引き起こす力を回避するために使用されるさまざまな技術も同様である。（向流）遠心分離機を長くすると、濃縮が指数関数的に向上する。[ 9 ]しかし、機械的共振の振動周波数も低下するため、起動時に壊滅的な故障が発生する危険性が高まる（イランのStuxnet事件で発生したように）。柔軟なベローズで円筒形ローターを遮断することで低周波振動を制御し、起動時の慎重な速度制御により、共振が問題となる速度で遠心分離機が長時間稼働しないようにする。しかし、さらに秘密の対策が必要である。そのため、ロシアは「亜臨界」遠心分離機（つまり、長さが0.5～1メートル程度の小型のもの）を使い続けているのに対し、ウレンコ社の遠心分離機は長さが最大10メートルにも及ぶ。
ジッペ型遠心分離機は、うまく製造するのが難しく、精密に加工された部品が必要です。しかし、他の濃縮方法と比較すると、はるかに安価で、セットアップも速く、エネルギー消費量もはるかに少なく、プラントに必要な面積も小さいです。そのため、比較的秘密裏に製造できます。このため、秘密の核兵器計画に最適であり、核拡散のリスクを高めます。[ 3 ]また、遠心分離カスケードは、ガス拡散プラントよりも、機械内に保持される物質の量がはるかに少ないです。
パキスタンの原子爆弾計画では、ウレンコの初期設計に基づいて P1 および P2 遠心分離機が開発されました。[ 3 ]パキスタンが最初に大量に配備した 2 基の遠心分離機ですが、臨界質量計算の改訂後に大幅に削減されました。P1 遠心分離機はアルミニウム製のローターを使用し、P2 遠心分離機はマルエージング鋼製のローターを使用しています。 [ 3 ]これは P1 よりも強度が高く、回転速度が速く、1 台あたりのウラン濃縮量も多くなります。パキスタンでは、ジッペ型遠心分離機は現地で「セントリフュージ・カーン」（アブドゥル・カディール・カーンにちなんで）と呼ばれていました。: 151 [ 10 ]
ロシアの情報源は、ゲルノット・ジッペによるソ連の遠心分離機開発の説明に異議を唱えている。彼らは、1930年代にドイツ人亡命者フリッツ・ランゲによって始められたソ連の遠心分離機開発事業のドイツ側の責任者はマックス・スティーンベックだったと述べている。ソ連は、設計のさまざまな重要な側面を考案したのはスティーンベック、イサーク・キコイン、エフゲニー・カメネフだとしている。彼らは、ジッペは1953年から2年間、このプロジェクトの試作機の製作に携わっていたと述べている。遠心分離機プロジェクトは極秘だったため、ソ連は当時ジッペの主張に異議を唱えなかった。[ 2 ]
