गैसीय प्रसार

यूरेनियम को समृद्ध करने के लिए गैसीय विसरण सूक्ष्म झिल्लियों का उपयोग करता है

गैसीय विसरण एक ऐसी तकनीक है जिसका उपयोग सूक्ष्म झिल्लियों के माध्यम से गैसीय यूरेनियम हेक्साफ्लोराइड (UF₆) को विवश करके समृद्ध यूरेनियम का उत्पादन करने के लिए किया गया था। यह यूरेनियम-235 (²³⁵U) और यूरेनियम-238 (²³⁸U) युक्त अणुओं के बीच साधारण पृथक्करण (संवर्धन कारक 1.0043) उत्पन्न करते है। कई चरणों के बड़े सोपानी (रासायनिक अभियांत्रिकी) के उपयोग से उच्च पृथक्करण प्राप्त किया जा सकता है। यह विकसित की जाने वाली पहली प्रक्रिया थी जो औद्योगिक रूप से उपयोगी मात्रा में समृद्ध यूरेनियम का उत्पादन करने में सक्षम थी, परन्तु आजकल इसे अप्रचलित माना जाता है, जिसे अधिक कुशल गैस अपकेंद्रित्र प्रक्रिया द्वारा हटा दिया गया है।

1940 में क्लेरेंडन प्रयोगशाला में फ्रांसिस साइमन और निकोलस कुर्ती द्वारा गैसीय विसरण को तैयार किया गया था, जिसे ब्रिटिश ट्यूब एलाय परियोजना के लिए बम बनाने के लिए यूरेनियम -238 से यूरेनियम -235 को अलग करने के लिए विधि खोजने के लिए एमएयूडी समिति द्वारा कार्य सौंपा गया था। प्रतिमान गैसीय विसरण उपकरण का निर्माण महानगर-विकर्स (मेट्रोविक) द्वारा ट्रैफर्ड पार्क, मैनचेस्टर में, एम के लिए, चार इकाइयों के लिए £ 150,000 की लागत से, किया गया था। यह काम बाद में संयुक्त राज्य अमेरिका में स्थानांतरित कर दिया गया था जब बाद में मैनहट्टन परियोजना द्वारा ट्यूब एलाय परियोजना को सम्मिलित किया गया था।

पृष्ठभूमि

33 ज्ञात ज्ञात रेडियोधर्मी मौलिक न्यूक्लाइड्स में से दो (²³⁵U और ²³⁸U) यूरेनियम के समस्थानिक हैं। ये दो समस्थानिक कई स्थितियों में समान हैं, अतिरिक्त इसके कि मात्र ²³⁵U विखंडनीय है (तापीय न्यूट्रॉन के साथ परमाणु विखंडन की परमाणु श्रृंखला अभिक्रिया को बनाए रखने में सक्षम)। वस्तुतः, ²³⁵U प्राकृतिक रूप से पाया जाने वाला एकमात्र विखंडनीय नाभिक है। क्योंकि प्राकृतिक यूरेनियम द्रव्यमान के अनुसार से मात्र 0.72% ²³⁵U है, इसे 2-5% की एकाग्रता में समृद्ध किया जाना चाहिए ताकि सामान्य पानी को विमंदक के रूप में उपयोग किए जाने पर निरंतर परमाणु श्रृंखला प्रतिक्रिया का समर्थन करने में सक्षम हो सके। इस संवर्धन प्रक्रिया के उत्पाद को समृद्ध यूरेनियम कहा जाता है।

प्रौद्योगिकी

वैज्ञानिक आधार

गैसीय विसरण ग्राहम के नियम पर आधारित है, जिसमें कहा गया है कि गैस के बहाव की दर उसके आणविक द्रव्यमान के वर्गमूल के व्युत्क्रमानुपाती होती है। उदाहरण के लिए, दो गैसों के मिश्रण वाली सूक्ष्म झिल्ली वाले कोष्ठ में, हल्के अणु भारी अणुओं की तुलना में अधिक तीव्रता से पात्र से बाहर निकलेंगे, यदि रंध्र व्यास औसत मुक्त पथ लंबाई (आणविक प्रवाह) से छोटा है। पात्र छोड़ने वाली गैस हल्के अणुओं में कुछ समृद्ध होती है, जबकि अवशिष्ट गैस कुछ कम हो जाती है। एकल पात्र जिसमें गैसीय विसरण के माध्यम से संवर्धन प्रक्रिया होती है, उसे विसारक (ऊष्मागतिकी) कहा जाता है।

यूरेनियम हेक्साफ्लोराइड

UF₆ गैसीय विसरण प्रक्रिया में उपयोग किए जाने वाले यूरेनियम का एकमात्र यौगिक पर्याप्त वाष्पशीलता (रसायन विज्ञान) है। सौभाग्य से, फ्लोरीन में मात्र एक समस्थानिक ¹⁹F होता है, जिससे कि ²³⁵UF₆ और ²³⁸UF₆ के बीच आणविक भार में 1% का अंतर मात्र यूरेनियम समस्थानिकों के भार में अंतर के कारण होते है। इन्हीं कारणों से, गैसीय विसरण प्रक्रिया के लिए कच्चे माल के रूप में UF₆ एकमात्र विकल्प है। UF₆, कक्ष के तापमान पर ठोस, 1 वातावरण में 56.5 °C (133 °F) पर उर्ध्वपातित (चरण संक्रमण) होता है। तिहरा बिंदु 64.05 डिग्री सेल्सियस और 1.5 बार पर है। यूरेनियम हेक्साफ्लोराइड पर ग्राहम के नियम को लागू करना:

${{\mbox{Rate}}_{1} \over {\mbox{Rate}}_{2}}={\sqrt {M_{2} \over M_{1}}}={\sqrt {352.041206 \over 349.034348}}=1.004298...$

जहाँ:

दर₁²³⁵UF₆ के बहाव की दर है।

दर₂ ²³⁸UF₆ के बहाव की दर है।

M₁ ²³⁵UF₆ = 235.043930 + 6 × 18.998403 = 349.034348 ग्राम मोल^-1 का मोलर द्रव्यमान है

M₂ ²³⁸UF₆ = 238.050788 + 6 × 18.998403 = 352.041206 ग्राम मोल^-1 का मोलर द्रव्यमान है

यह ²³⁸UF₆ अणुओं की तुलना में ²³⁵UF₆ अणुओं के औसत वेग में 0.4% अंतर की व्याख्या करते है।

UF₆ अत्यधिक संक्षारक पदार्थ है। यह एक अपचायक है और एक लुईस अम्ल और क्षार जो फ्लोराइड को बाँधने में सक्षम है, उदाहरण के लिए एसिटोनिट्राइल में यूरेनियम हेक्साफ्लोराइड के साथ कॉपर (II)कॉपर (द्वितीय) फ्लोराइड की अभिक्रिया शीलता (रसायन विज्ञान) कॉपर (II) हेप्टाफ्लोरोरानेट (VI), Cu (UF₇)₂ बनाने की सूचना है। यह ठोस यौगिक बनाने के लिए पानी के साथ अभिक्रिया करते है, और औद्योगिक पैमाने पर इसे संभालना बहुत जटिल है। परिणामस्वरूप, आंतरिक गैसीय मार्ग को ऑस्टेनिटिक स्टेनलेस स्टील और अन्य ऑसपायन धातुओं से निर्मित किया जाना चाहिए। जैसे गैर-अभिक्रिया शील फ्लोरोपॉलीमर जैसे कि पॉलीटेट्राफ्लोरोएथिलीन को प्रणाली में सभी वाल्वों और मुहरों (यांत्रिक) के लिए कलई के रूप में लागू किया जाना चाहिए।

अवरोध पदार्थ

गैसीय विसरण संयंत्र सामान्यतः 10-25 नैनोमीटर के रंध्र आकार के साथ निसादित निकल या अल्युमीनियम से निर्मित कुल अवरोधों (छिद्रपूर्ण झिल्लियों) का उपयोग करते हैं (यह UF₆ अणु के औसत मुक्त पथ के एक-दसवें से कम है)। वे फिल्म-प्रकार के अवरोधों का भी उपयोग कर सकते हैं, जो प्रारंभिक रूप से गैर-छिद्रपूर्ण माध्यम से छिद्रों को खोदकर बनाए जाते हैं। इसे करने की विधि यह है कि किसी मिश्रधातु में एक घटक को हटा दिया जाए, उदाहरण के लिए सिल्वर- जस्ता (Ag-Zn) से जिंक को हटाने के लिए हाइड्रोजन क्लोराइड का उपयोग किया जाए या Ni-Al मिश्र धातु से एल्यूमीनियम को हटाने के लिए सोडियम हाइड्रॉक्साइड का उपयोग किया जाए।

ऊर्जा की आवश्यकताएं

क्योंकि ²³⁵UF₆ और ²³⁸UF₆ के आणविक भार लगभग बराबर हैं, ²³⁵U और ²³⁸U का बहुत कम पृथकत्व अवरोध के माध्यम से निकट में होते है, अर्थात एक विसारक में। इसलिए अगले चरण के निवेश के रूप में पूर्ववर्ती चरण के निर्गम का उपयोग करके चरणों के अनुक्रम में एक साथ कई विसारकों को एक साथ जोड़ना आवश्यक है। चरणों के ऐसे क्रम को सोपानी कहा जाता है। व्यवहार में, संवर्धन के वांछित स्तर के आधार पर विसरण सोपानी को हजारों चरणों की आवश्यकता होती है।

एक विसरण रासायनिक संयंत्र के सभी घटकों को उचित तापमान और दाब पर बनाए रखा जाना चाहिए ताकि यह सुनिश्चित किया जा सके कि UF₆ गैसीय अवस्था में रहता है। विसारक में दाब में कमी के लिए गैस को प्रत्येक अवस्था में संपीड़ित किया जाना चाहिए। इससे गैस का रुद्धोष्म प्रक्रिया होती है, जिसे विसारक में प्रवेश करने से पहले शीत किया जाना चाहिए। पंपन और शीतलन की आवश्यकताएं विसरण संयंत्रों को विद्युत शक्ति का विशाल उपभोक्ता बनाती हैं। इस कारण से, समृद्ध यूरेनियम के उत्पादन के लिए वर्तमान तक गैसीय विसरण सबसे बहुमूल्य विधि थी।

इतिहास

ओक रिज, टेनेसी में मैनहट्टन परियोजना पर काम कर रहे श्रमिकों ने यूरेनियम के समस्थानिक पृथक्करण के लिए कई अलग-अलग विधियों का विकास किया। "लिटिल बॉय" और अन्य गन-टाइप विखंडन आयुध के लिए ²³⁵U का उत्पादन करने के लिए इनमें से तीन विधियों का क्रमिक रूप से ओक रिज में तीन अलग-अलग संयंत्रों में उपयोग किया गया था। पहले चरण में, S-50 (मैनहट्टन परियोजना) यूरेनियम संवर्धन सुविधा ने यूरेनियम को 0.7% से लगभग 2% ²³⁵U तक समृद्ध करने के लिए तापीय विसरण प्रक्रिया का उपयोग किया। इस उत्पाद को K-25 संयंत्र में गैसीय विसरण प्रक्रिया में डाला गया, जिसका उत्पाद लगभग 23% ²³⁵U था। अंत में, इस पदार्थ को Y-12 राष्ट्रीय सुरक्षा परिसर में कैल्यूट्रॉन में डाला गया। इन मशीनों (द्रव्यमान स्पेक्ट्रममिति का एक प्रकार) ने अंतिम ²³⁵U सांद्रता को लगभग 84% तक बढ़ाने के लिए विद्युत चुम्बकीय समस्थानिक पृथक्करण को नियोजित किया।

गैसीय विसरण संयंत्र के लिए UF₆ K-25 कच्चे माल की तैयारी व्यावसायिक रूप से उत्पादित फ्लोरीन के लिए पहला अनुप्रयोग था, और फ्लोरीन और UF₆ दोनों के संचालन में महत्वपूर्ण अवरोधों का सामना करना पड़ा। उदाहरण के लिए, K-25 गैसीय विसरण संयंत्र के निर्माण से पहले, पहले गैर-प्रतिक्रियाशील रासायनिक यौगिकों को विकसित करना आवश्यक था, जिनका उपयोग सतहों के लिए लेपन, स्नेहक और गास्केट के रूप में किया जा सकता है जो UF₆ गैस (एक अत्यधिक अभिक्रिया शील और संक्षारक पदार्थ) के संपर्क में आएंगे। मैनहट्टन परियोजना के वैज्ञानिकों ने ऑर्गनोफ्लोरीन रसायन विज्ञान में अपनी विशेषज्ञता के कारण रासायनिक संश्लेषण और ऐसी सामग्रियों को विकसित करने के लिए कॉर्नेल विश्वविद्यालय में कार्बनिक रसायन विज्ञान के प्रोफेसर विलियम टी. मिलर को भर्ती किया। मिलर और उनके समूह ने इस अनुप्रयोग में उपयोग किए गए कई उपन्यास गैर-अभिक्रिया शील क्लोरोफ्लोरोकार्बन पॉलीमर विकसित किए।

कैलुट्रॉन निर्माण और संचालन के लिए अक्षम और मूल्यवान थे। जैसे ही गैसीय विसरण प्रक्रिया द्वारा उत्पन्न इंजीनियरिंग अवरोधों को दूर किया गया और 1945 में ओक रिज पर गैसीय विसरण सोपानी का संचालन प्रारम्भ हुआ, सभी कैलुट्रॉन संवृत हो गए। समृद्ध यूरेनियम के उत्पादन के लिए गैसीय विसरण तकनीक तब मुख्य तकनीक बन गई।

1940 के दशक की प्रारम्भ में उनके निर्माण के समय, गैसीय विसरण संयंत्र अब तक निर्मित सबसे बड़े भवनों में से कुछ थे। बड़े गैसीय विसरण संयंत्रों का निर्माण संयुक्त राज्य अमेरिका, सोवियत संघ (एक संयंत्र सहित जो अब कजाखस्तान में है), यूनाइटेड किंगडम, फ्रांस और चीन द्वारा किया गया था। इनमें से अधिकांश अब संवृत हो गए हैं या संवृत होने की अपेक्षा है, नवीन संवर्धन तकनीकों के साथ आर्थिक रूप से प्रतिस्पर्धा करने में असमर्थ हैं। यद्यपि पंपों और झिल्लियों में उपयोग की जाने वाली कुछ तकनीक अभी भी शीर्ष परमगुप्त बने हुए है, और उपयोग की जाने वाली कुछ पदार्थ परमाणु विसरण को नियंत्रित करने के निरंतर प्रयास के एक भाग के रूप में निर्यात नियंत्रण के अधीन रहती है।

वर्तमान स्थिति

2008 में, संयुक्त राज्य अमेरिका और फ्रांस में गैसीय विसरण संयंत्र अभी भी संसार के समृद्ध यूरेनियम का 33% उत्पन्न करते हैं। यद्यपि, मई 2012 में फ्रांसीसी संयंत्र निश्चित रूप से मई 2012 में संवृत हो गया, और संयुक्त राज्य संवर्धन निगम (यूएसईसी) (गैसीय प्रसार प्रक्रिया को नियोजित करने के लिए संयुक्त राज्य अमेरिका में अंतिम पूर्ण रूप से कार्यरत यूरेनियम संवर्धन सुविधा) द्वारा संचालित केंटकी में पादुकाह गैसीय विसरण संयंत्र ने 2013 में संवर्धन संवृत कर दिया। संयुक्त राज्य अमेरिका में इस प्रकार की एकमात्र अन्य सुविधा, ओहियो में पोर्ट्समाउथ गैसीय विसरण संयंत्र, 2001 में समृद्ध गतिविधियों को संवृत कर दिया। 2010 के बाद से, ओहियो स्थल अब मुख्य रूप से अरेवा द्वारा किया जाता है, जो कि एक फ्रांसीसी समूह (कंपनी) है, जो कि यूरेनियम ऑक्साइड में घटे हुए UF₆ के रूपांतरण के लिए है।

जैसा कि वर्तमान गैसीय विसरण संयंत्र अप्रचलित हो गए थे, उन्हें ज़िप-प्रकार अपकेंद्रित्र प्रौद्योगिकी द्वारा प्रतिस्थापित किया गया था, जिसके लिए पृथक यूरेनियम के बराबर मात्रा में उत्पादन करने के लिए बहुत कम विद्युत शक्ति की आवश्यकता होती है। अरेवा ने जॉर्जेस बेसे II सेंट्रीफ्यूज संयंत्र के साथ अपने जॉर्जेस बेसे गैसीय विसरण संयंत्र को बदल दिया।

यह भी देखें

• कैपेनहर्स्ट
• फिक के विसरण के नियम
• K-25
• लान्चो
• मारकौले
• आणविक विसरण
• परमाणु ईंधन चक्र
• थॉमस ग्राहम (रसायनज्ञ)
• टॉम्स्क

बाहरी संबंध

• Annotated references on gaseous diffusion from the Alsos Library