गैसीय प्रसार

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

गैसीय प्रसार 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 एक मामूली अलगाव (संवर्धन कारक 1.0043) उत्पन्न करता है । कई चरणों के एक 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।[1]

1940 में क्लेरेंडन प्रयोगशाला में फ्रांसिस साइमन और निकोलस कुर्ती द्वारा गैसीय प्रसार 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 एक विधि खोजने के लिए एमएयूडी समिति द्वारा कार्य सौंपा गया था। प्रतिमान गैसीय प्रसार 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।[2]


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।[3] क्योंकि प्राकृतिक यूरेनियम द्रव्यमान के अनुसार से मात्र 0.72% 235U है, इसे 2-5% की एकाग्रता में समृद्ध किया जाना चाहिए[4] 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 प्रसार 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 एक 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 प्रसार के माध्यम से संवर्धन प्रक्रिया होती है, उसे विसारक ( ऊष्मागतिकी) कहा जाता है।

यूरेनियम हेक्साफ्लोराइड

UF6 गैसीय प्रसार 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 होता है। इन्हीं कारणों से, गैसीय प्रसार प्रक्रिया के लिए कच्चे माल के रूप में UF6 एकमात्र विकल्प है।[5] UF6, कक्ष के तापमान पर एक ठोस, 1 वातावरण में 56.5 °C (133 °F) पर उर्ध्वपातित (चरण संक्रमण) होता है।[6] तिहरा बिंदु 64.05 डिग्री सेल्सियस और 1.5 बार पर है।[7] यूरेनियम हेक्साफ्लोराइड पर ग्राहम के नियम को लागू करना:

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 करता है।[8]

UF6 अत्यधिक संक्षारक पदार्थ है। यह एक अपचायक है[9] 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।[10] यह ठोस यौगिक बनाने के लिए पानी के साथ अभिक्रिया करता है, और औद्योगिक पैमाने पर इसे संभालना बहुत जटिल है।[5] 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 प्रसार 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)।[3][5] 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 एक अवरोध के माध्यम से निकट में होता 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 प्रसार सोपानी को हजारों चरणों की आवश्यकता होती है।[5]

एक प्रसार रासायनिक संयंत्र के सभी घटकों को उचित तापमान और दाब पर बनाए रखा जाना चाहिए ताकियह 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 प्रसार संयंत्रों को विद्युत शक्ति का विशाल उपभोक्ता बनाती हैं। इस कारण से, समृद्ध यूरेनियम के उत्पादन के लिए वर्तमान तक गैसीय प्रसार सबसे बहुमूल्य विधि थी।[11]


इतिहास

ओक रिज, टेनेसी में मैनहट्टन प्रोजेक्ट पर काम कर रहे श्रमिकों ने यूरेनियम के समस्थानिक पृथक्करण के लिए कई अलग-अलग तरीकों का विकास किया। इन विधियों में से तीन का उत्पादन करने के लिए ओक रिज में तीन अलग-अलग संयंत्रों में क्रमिक रूप से उपयोग किया गया था 235यू छोटा लड़का और अन्य गन-टाइप विखंडन हथियार के लिए। पहले चरण में, S-50 (मैनहट्टन प्रोजेक्ट)|S-50 यूरेनियम संवर्धन सुविधा ने यूरेनियम को 0.7% से लगभग 2% तक समृद्ध करने के लिए समृद्ध यूरेनियम#थर्मल प्रसार प्रक्रिया का उपयोग किया 235यू. इस उत्पाद को K-25 संयंत्र में गैसीय प्रसार प्रक्रिया में डाला गया, जिसका उत्पाद लगभग 23% था 235यू. अंत में, इस पदार्थ को Y-12 राष्ट्रीय सुरक्षा परिसर|Y-12 में calutroon में डाला गया। इन मशीनों (मास स्पेक्ट्रोमीटर का एक प्रकार) ने अंतिम को बढ़ावा देने के लिए समृद्ध यूरेनियम#विद्युत चुम्बकीय समस्थानिक पृथक्करण का उपयोग किया। 235यू एकाग्रता लगभग 84%।

UF की तैयारी6 K-25 गैसीय प्रसार संयंत्र के लिए फीडस्टॉक व्यावसायिक रूप से उत्पादित फ्लोरीन के लिए पहला अनुप्रयोग था, और फ्लोरीन और UF दोनों के संचालन में महत्वपूर्ण अवरोधों का सामना करना पड़ा।6. उदाहरण के लिए, K-25 गैसीय प्रसार संयंत्र का निर्माण करने से पहले, पहले गैर-अभिक्रिया शील रासायनिक यौगिकों को विकसित करना आवश्यक था, जिनका उपयोग सतहों के लिए कोटिंग्स, स्नेहक और पाल बांधने की रस्सी के रूप में किया जा सकता है जो UF के संपर्क में आएंगे।6 गैस (एक अत्यधिक अभिक्रिया शील और संक्षारक पदार्थ)। मैनहट्टन प्रोजेक्ट 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 उनकी टीम ने इस एप्लिकेशन में उपयोग किए गए कई उपन्यास गैर-अभिक्रिया शील क्लोरोफ्लोरोकार्बन पॉलीमर विकसित किए।[12]

Calutrons निर्माण और संचालन के लिए अक्षम और महंगे थे। जैसे ही गैसीय प्रसार प्रक्रिया द्वारा उत्पन्न इंजीनियरिंग अवरोधों को दूर किया गया और 1945 में ओक रिज पर गैसीय प्रसार सोपानी का संचालन शुरू हुआ, सभी कैलुट्रॉन बंद हो गए। समृद्ध यूरेनियम के उत्पादन के लिए गैसीय प्रसार तकनीक तब पसंदीदा तकनीक बन गई।[3]

1940 के दशक की शुरुआत में उनके निर्माण के समय, गैसीय प्रसार संयंत्र अब तक निर्मित सबसे बड़ी इमारतों में से कुछ थे।[citation needed] बड़े गैसीय प्रसार 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 बंद हो गए हैं या बंद होने की उम्मीद है, नई 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 रहस्य बनी हुई है, और उपयोग की जाने वाली कुछ पदार्थ परमाणु प्रसार को नियंत्रित करने के निरंतर प्रयास के एक हिस्से के रूप में निर्यात नियंत्रण के अधीन रहती है।

वर्तमान स्थिति

2008 में, संयुक्त राज्य अमेरिका और फ्रांस में गैसीय प्रसार संयंत्र अभी भी दुनिया के समृद्ध यूरेनियम का 33% उत्पन्न करते हैं।[11]यद्यपि, मई 2012 में फ्रांसीसी संयंत्र निश्चित रूप से बंद हो गया,[13] और संयुक्त राज्य संवर्धन निगम (यूएसईसी) द्वारा संचालित केंटकी में पादुकाह गैसीय प्रसार संयंत्र (गैसीय प्रसार प्रक्रिया को नियोजित करने के लिए संयुक्त राज्य अमेरिका में अंतिम पूरी तरह से कार्यरत यूरेनियम संवर्धन सुविधा)[4][1]) 2013 में संवर्धन बंद कर दिया।[14] संयुक्त राज्य अमेरिका में इस तरह की एकमात्र अन्य सुविधा, ओहियो में पोर्ट्समाउथ गैसीय प्रसार संयंत्र, 2001 में समृद्ध गतिविधियों को बंद कर दिया।[4][15][16]2010 के बाद से, ओहियो साइट अब मुख्य रूप से अरेवा, एक फ्रांसीसी समूह (कंपनी) द्वारा उपयोग की जाती है, जो कि घटे हुए UF के रूपांतरण के लिए है।6 यूरेनियम ऑक्साइड को[17][18]

जैसा कि मौजूदा गैसीय प्रसार 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। AREVA ने जॉर्जेस बेसे II सेंट्रीफ्यूज प्लांट के साथ अपने जॉर्जेस बेसे गैसीय प्रसार संयंत्र को बदल दिया।[2]

यह भी देखें

संदर्भ

  1. ↑ "यूरेनियम संवर्धन". US Nuclear Regulatory Commission. Retrieved 17 July 2020.
  2. ↑ Colin Barber. "ट्यूब मिश्र परियोजना". Rhydymwyn Valley History Society.
  3. ↑ 3.0 3.1 3.2 Cotton S (2006). "Uranium hexafluoride and isotope separation". Lanthanide and actinide chemistry (1st ed.). Chichester, West Sussex, England: John Wiley and Sons, Ltd. pp. 163–5. ISBN 978-0-470-01006-8. Retrieved 2010-11-20.
  4. ↑ 4.0 4.1 4.2 U.S. Nuclear Regulatory Commission (2009). "Fact Sheet on Gaseous Diffusion". Washington, DC: U.S. Nuclear Regulatory Commission. Retrieved 2010-11-20.
  5. ↑ 5.0 5.1 5.2 5.3 Beaton L (1962). "The slow-down in nuclear explosive production". New Scientist. 16 (309): 141–3. Retrieved 2010-11-20.
  6. ↑ http://nuclearweaponarchive.org/Library/Glossary
  7. ↑ "Uranium Hexafluoride: Source: Appendix A of the PEIS (DOE/EIS-0269): Physical Properties". Archived from the original on 2016-03-29. Retrieved 2010-11-18.
  8. ↑ "गैसीय प्रसार यूरेनियम संवर्धन". GlobalSecurity.org. April 27, 2005. Retrieved November 21, 2010.
  9. ↑ Olah GH, Welch J (1978). "Synthetic methods and reactions. 46. Oxidation of organic compounds with uranium hexafluoride in haloalkane solutions". Journal of the American Chemical Society. 100 (17): 5396–402. doi:10.1021/ja00485a024.
  10. ↑ Berry JA, Poole RT, Prescott A, Sharp DW, Winfield JM (1976). "The oxidising and fluoride ion acceptor properties of uranium hexafluoride in acetonitrile". Journal of the Chemical Society, Dalton Transactions (3): 272–4. doi:10.1039/DT9760000272.
  11. ↑ 11.0 11.1 Michael Goldsworthy (2008). "Lodge Partners Mid-Cap Conference" (PDF). Lucas Heights, New South Wales, Australia: Silex Ltd. Retrieved 2010-11-20.
  12. ↑ Blaine P. Friedlander Jr. (3 December 1998). "William T. Miller, Manhattan Project scientist and Cornell professor of chemistry, dies at 87". Cornell News. Ithaca, New York: Cornell University. Retrieved 2010-11-20.
  13. ↑ Aravea : Tricastin site: the Georges Besse II enrichment plant Gaseous diffusion, which was used by AREVA at the Georges Besse plant until May 2012
  14. ↑ U.S. DOE Gaseous Diffusion Plant Operation of the GDP by USEC ceased operation in 2013
  15. ↑ United States Enrichment Corporation (2009). "Overview: Portsmouth Gaseous Diffusion Plant". Gaseous Diffusion Plants. Bethesda, Maryland: USEC, Inc. Archived from the original on 2010-11-24. Retrieved 2010-11-20.
  16. ↑ United States Enrichment Corporation (2009). "History: Paducah Gaseous Diffusion Plant". Gaseous Diffusion Plants. Bethesda, Maryland: USEC, Inc. Archived from the original on 2011-01-02. Retrieved 2010-11-20.
  17. ↑ Tom Lamar (September 10, 2010). "AREVA Starts Operations at the Portsmouth Facility". Nuclear Power Industry News. Waynesboro, Virginia: Nuclear Street. Retrieved 2010-11-20.
  18. ↑ AREVA, Inc. (2010). "DOE Gives AREVA Joint Venture Permission to Begin Operational Testing of New Ohio Facility" (PDF). Press Release. Bethesda, Maryland: AREVA, Inc. Retrieved 2010-11-20.[permanent dead link]


बाहरी संबंध

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