ジップ型遠心分離機

ジッペ型遠心分離機は、天然のウラン化合物に含まれる同位体の混合物から希少な核分裂性同位体ウラン235（²³⁵ U）を濃縮するように設計されたガス遠心分離機です。同位体の分離は、同位体の質量のわずかな違いに基づいています。ジッペの設計はもともと、第二次世界大戦後に捕虜となり、拘留下で働いていた60人のオーストリア人とドイツ人の科学者と技術者が率いるチームによってソ連で開発されました。西側諸国では（そして現在では一般的にも）、このタイプの遠心分離機は、1956年に西側諸国に帰国した後、ソ連のプログラムでの自身の仕事（および貢献）の記憶に基づいてこの技術を再現した人物、ゲルノト・ジッペの名前で知られています。ソ連/ロシア語では、この遠心分離機を特定の人物の名前で呼ぶ場合、（少なくとも開発の初期段階では）カメネフ遠心分離機（エフゲニー・カメネフにちなんで）として知られていました。^{[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で、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の含有量が3%まで濃縮すると、軽水炉の燃料として使用できます。ウラン235の含有量が90%まで濃縮すると、核兵器に使用できます。

ウラン濃縮は、同位体が化学的に実質的に同一であり、重量が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液体で動作する必要があり、このプロセスではガス状の六フッ化ウランを使用しました^。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、1 秒あたり 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（最近の遠心分離機の一部^[3]のように）、これは約 900,000 xg ^{[4] （標準的な研究室用卓上型マイクロ遠心分離機[5]}の最大速度の約 42 倍、標準的な研究室用超遠心分離機^[6]の最大速度の 0.9 ～ 9 倍）の求心加速度、または空気中ではマッハ 2 を超える線速度（マッハ 1 は音速、空気中では約 340 m/s）、UF ₆中ではそれよりはるかに高速になります。比較すると、全自動洗濯機は脱水サイクル中に1 秒あたり約 12 ～ 25 回転（720 ～ 1500 rpm）で動作しますが、自動車のターボチャージャーのタービンは 1 秒あたり約 2500 ～ 3333 回転（150,000 ～ 200,000 rpm）で動作します。^{[7] [8]}     

ジッペ型遠心分離機^[9]は、ガス状の 六フッ化ウラン(UF ₆ )が充填された中空の円筒形ローターを備えています。ローターの底部にある、電気モーターで使用されているような回転磁界により、UF _{6 が}外壁に向かって投げ出され、最外層では²³⁸ UF _{6が濃縮され、この層の内側では}²³⁵ UF ₆が濃縮されます。遠心力により圧力勾配が生成されます。遠心分離機の軸上は実質的に真空であるため、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、UF ₆が飽和圧力に達し、凝縮を回避する必要があるため、回転速度が制限されます。いわゆる向流遠心分離機では、ガス混合物の底部が加熱され、対流が発生します。しかし、逆流は通常、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、各水平層の濃縮は、カラム蒸留の場合と同様に、次の層で繰り返され（したがって倍増され）、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、²³⁸ 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。これによりガスの回転が遅くなり、内側に向かって圧力が増加するため、²³⁵ UF ₆に富む画分もポンプなしで収集できます。^{[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つは下部でガスを収集し、もう1つは上部でガスを収集します。

^{定量的には、半径方向の圧力（または密度）分布は[9]}で与えられる。${\displaystyle p(r)=p(R)\exp(-(M\omega ^{2}/2kT)(R^{2}-r^{2}))}$

ここで、pは圧力、rは可変半径とその最大値、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依存の)同位体比が得られます。指数には Δ Mのみが含まれます(相対質量差 Δ M/Mは含まれません)。その後、初期同位体比で割ることで、半径方向の濃縮係数が得られます。高さHの向流遠心分離機での総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]}によれば、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、周速が350～500m/sであった。ウレンコ社の最新の遠心分離機TC-21は直径が20cm、長さが5m以上あり、回転速度は770m/sである。セントラス社（旧ユーセック社）は直径60cm、高さ12m、周速900m/sの遠心分離機を計画している。

ガスの逆流は機械的に、または（あまり好ましくないが）ローターの上部と下部の間の温度勾配によって刺激される。逆流対供給比が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。この比率を下げると（供給を増やすことで）、分離係数は減少するが、スループットが増加し、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。ローターの一部は近くのハウジングとともに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しっかりと保持し、唯一の物理的接触は（起動時にのみ必要）ローターが置かれ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するための手段が含まれています。3本のガスラインはその軸に沿ってローターに入ります。

1956年に科学者たちがソ連の監禁から解放された後、^[1] ゲルノト・ジッペは西側諸国の技術者が遠心分離機の技術で何年も遅れていることに驚きました。ソ連が彼のノートを押収したにもかかわらず、彼は米国のバージニア大学で自分の設計を再現し、その結果を発表しました。ジッペは、事実上研究の継続を禁じられたため米国を離れました。米国人はこの研究を極秘扱いにし、米国市民になるか（彼は拒否しました）、ヨーロッパに戻るか、研究を放棄するかのいずれかを迫りました。^[1] 彼はヨーロッパに戻り、1960年代に同僚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高めました。マルエージング鋼は疲労寿命が長く、破断長が長い合金で、これにより速度を上げることができました。この改良された遠心分離機の設計は、民間企業ウレンコによって原子力発電所用の濃縮ウラン燃料を生産するために長く使用されました。^[1]最近では、（例えばモデルTC-21では）炭素繊維強化壁が使用されています。^[3]

先進的なジッペ型遠心分離機の詳細は厳重に守られた秘密である。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、材料の詳細と化学攻撃に対する保護は特許権に帰属する。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度が飛躍的に向上する。^[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（イランでのスタックスネット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と低周波振動が制御され、起動時に注意深く速度を制御すると、共振が問題となる速度で遠心分離機が長時間動作することがなくなる。しかし、より多くの（特許権に帰属する）対策が必要であると思われる。そのため、ロシアは「亜臨界」遠心分離機（つまり、長さが約 0.5～1 メートルの短いもの）を使い続けたが、ウレンコの遠心分離機は長さが最大 ​​10 メートルである。

ジッペ型遠心分離機は、うまく製造するのが難しく、慎重に機械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、設置も速く、消費エネルギーもはるかに少なく、プラントに必要な面積も小さいです。したがって、比較的秘密裏に製造できます。これは、秘密の核兵器プログラムに最適であり、核拡散のリスクを高めます。^[3] 遠心分離カスケードでは、ガス拡散プラントよりも、常に機械内に保持される物質がはるかに少ないです。

パキスタンの原爆計画では、ウレンコの初期設計に基づいてP1およびP2遠心分離機を開発した。^[3]パキスタンが最初に配備した2台の遠心分離機は大量に配備されたが、1981年以降は臨界質量に必要な推定値に基づいて配備数を減らした。P1遠心分離機はアルミニウム製ローターを使用し、P2遠心分離機はマルエージング鋼製ローターを使用している。^[3]後者は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が多い。パキスタンでは、ジッペ型遠心分離機は現地の呼称があり、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）と呼ばれていた。^{: 151  [10]}

ロシアの情報源は、ゲルノト・ツィ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年代にドイツ人難民のフリッツ・ランゲによって開始されたソ連の遠心分離機開発のドイツ側を担当したドイツ人科学者としてマックス・ステーンベックを挙げている。ソ連は、ステーンベック、イサーク・キコイン、エフゲニー・カメネフが設計のさまざまな価値ある側面を考案したとしている。彼らは、ツィッペが1953年から2年間、プロジェクトのプロトタイプの構築に携わったと述べている。遠心分離機プロジェクトは極秘であったため、ソ連は当時ツィッペの主張に一切異議を唱えなかった。^[2]

• パキスタンのカーン研究所
• 米国のロスアラモス国立研究所の国立濃縮施設
• 英国、オランダ、ドイツのウレンコグループ
• ロシア（カメネフ遠心分離機と呼ばれる）

• ガス遠心分離機
• 超遠心分離機
• 磁気浮上
• スラストベアリング
• ドイツの核兵器計画
• ドイツと大量破壊兵器
• パキスタンと大量破壊兵器
• オランダと大量破壊兵器
• ソ連におけるドイツ人の強制労働
• ロシア語のAlsos
• スタックスネット

• ジッペ タイプ - 貧乏人の爆弾、BBC ラジオ 4、2004年 5 月 19 日
• 技術の追跡、Nuclear Engineering International、2004 年 8 月 31 日
• スリムでエレガント、それが爆弾の燃料、ニューヨークタイムズ、2004年3月23日
• ガス遠心分離機と核拡散、マーヴィン・ミラー、2004 年 10 月 22 日
• ガス遠心分離機と核兵器の拡散、ヒューストン・G・ウッド、アレクサンダー・グレイザー、R・スコット・ケンプ、Physics Today 40 ページ、2008 年 9 月
• 米国の長期的エネルギー安全保障上の利益：経済安定化に関する議会小委員会での公聴会、1990 年 12 月 11 日、140 ページ、大西洋評議会副議長のジョン E. グレイが、経済安定化小委員会 (米国下院銀行・金融・都市問題委員会)での証言中に、核燃料の記事「トロイカがやってくる」を引用