गैसीय प्रसार

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।

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।

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 केवल ²³⁵यू विखंडनीय है (एक चेन रिएक्शन को बनाए रखने में सक्षम #न्यूट्रॉन तापमान #थर्मल न्यूट्रॉन के साथ परमाणु विखंडन की परमाणु श्रृंखला प्रतिक्रिया)। वास्तव में, ²³⁵U प्राकृतिक रूप से पाया जाने वाला एकमात्र विखंडनीय नाभिक है।क्योंकि प्राकृतिक यूरेनियम केवल 0.72% है ²³⁵द्रव्यमान के अनुसार U, निरंतर परमाणु श्रृंखला प्रतिक्रिया का समर्थन करने में सक्षम होने के लिए इसे 2–5% की सांद्रता तक समृद्ध किया जाना चाहिएजब सामान्य पानी का उपयोग मॉडरेटर के रूप में किया जाता है। 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 बॉक्स में, हल्के अणु भारी अणुओं की तुलना में अधिक तेजी से कंटेनर से बाहर निकलेंगे, यदि ताकना व्यास औसत मुक्त पथ लंबाई (आणविक प्रवाह) से छोटा है। कंटेनर छोड़ने वाली गैस हल्के अणुओं में कुछ समृद्ध होती है, जबकि अवशिष्ट गैस कुछ कम हो जाती है। एक एकल कंटेनर जिसमें गैसीय प्रसार के माध्यम से संवर्धन प्रक्रिया होती है, उसे डिफ्यूज़र (थर्मोडायनामिक्स) 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, एक अधातु तत्त्व में केवल एक आइसोटोप होता है ¹⁹एफ, ताकि बीच आणविक भार में 1% का अंतर हो ²³⁵UF₆ और ²³⁸UF₆ यह केवल यूरेनियम समस्थानिकों के भार में अंतर के कारण होता है। इन्हीं कारणों से यू.एफ₆ गैसीय प्रसार प्रक्रिया के लिए कच्चे माल के रूप में एकमात्र विकल्प है।UF₆, कमरे के तापमान पर एक ठोस, उच्च बनाने की क्रिया (चरण संक्रमण) 56.5 °C (133 °F) पर 1 वातावरण में। तिहरा बिंदु 64.05 डिग्री सेल्सियस और 1.5 बार पर है। यूरेनियम हेक्साफ्लोराइड पर ग्राहम के नियम को लागू करना:

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

कहाँ:

दर₁के बहाव की दर है ²³⁵UF₆.

दर₂के बहाव की दर है ²³⁸UF₆.

एम₁का मोलर द्रव्यमान है ²³⁵UF₆ = 235.043930 + 6 × 18.998403 = 349.034348 ग्राम मोल^-1

एम₂का मोलर द्रव्यमान है ²³⁸UF₆ = 238.050788 + 6 × 18.998403 = 352.041206 ग्राम मोल^-1

यह के औसत वेग में 0.4% अंतर की व्याख्या करता है ²³⁵UF₆ उस पर अणु ²³⁸UF₆ अणु। UF₆ अत्यधिक संक्षारक पदार्थ है। यह एक ऑक्सीडेंट हैऔर एक लुईस एसिड और क्षार जो फ्लोराइड को बाँधने में सक्षम है, उदाहरण के लिए acetonitrile में यूरेनियम हेक्साफ्लोराइड के साथ कॉपर (IIकॉपर (द्वितीय) फ्लोराइड की प्रतिक्रियाशीलता (रसायन विज्ञान) को कॉपर (II) हेप्टाफ्लोरोरानेट (VI), Cu (UF) बनाने की सूचना है।₇)₂.यह ठोस यौगिक बनाने के लिए पानी के साथ प्रतिक्रिया करता है, और औद्योगिक पैमाने पर इसे संभालना बहुत मुश्किल है।परिणामस्वरूप, आंतरिक गैसीय रास्ते ऑस्टेनिटिक स्टेनलेस स्टील और अन्य आस्टेंपरिंग|गर्मी-स्थिर धातुओं से निर्मित होने चाहिए। [[पॉलीटेट्राफ्लोरोएथिलीन]] जैसे गैर-प्रतिक्रियाशील फ्लोरोपॉलीमर को सिस्टम में सभी वाल्व और मुहर (यांत्रिक) के लिए एक कलई करना के रूप में लागू किया जाना चाहिए।

बाधा सामग्री गैसीय प्रसार संयंत्र आमतौर पर 10-25 नैनोमीटर के ताकना आकार के साथ सिंटरिंग निकल या अल्युमीनियम से निर्मित कुल बाधाओं (छिद्रपूर्ण झिल्लियों) का उपयोग करते हैं (यह UF के औसत मुक्त पथ के दसवें हिस्से से कम है)₆ अणु)।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 का एक तरीका 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 का आणविक भार ²³⁵UF₆ और ²³⁸UF₆ के लगभग बराबर, बहुत कम जुदाई कर रहे हैं ²³⁵यू और ²³⁸यू एक बाधा के माध्यम से एक ही पास में होता है, यानी एक विसारक में। इसलिए अगले चरण के इनपुट के रूप में पूर्ववर्ती चरण के आउटपुट 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।

एक प्रसार रासायनिक संयंत्र के सभी घटकों को उचित तापमान और दबाव पर बनाए रखा जाना चाहिए ताकि UF सुनिश्चित किया जा सके₆ गैसीय अवस्था में रहता है। विसारक में दबाव में कमी के लिए गैस को प्रत्येक चरण में संपीड़ित किया जाना चाहिए। इससे रुद्धोष्म प्रक्रिया # रुद्धोष्म ताप और गैस का ठंडा होना होता है, जिसे विसारक में प्रवेश करने से पहले ठंडा किया जाना चाहिए। पम्पिंग और कूलिंग की आवश्यकताएं प्रसार संयंत्रों को विद्युत शक्ति का विशाल उपभोक्ता बनाती हैं। इस वजह से, समृद्ध यूरेनियम के उत्पादन के लिए हाल तक गैसीय प्रसार सबसे महंगी विधि थी।

इतिहास

ओक रिज, टेनेसी में मैनहट्टन प्रोजेक्ट पर काम कर रहे श्रमिकों ने यूरेनियम के आइसोटोप 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 सामग्री 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 बाधाओं का सामना करना पड़ा।₆. उदाहरण के लिए, K-25 गैसीय प्रसार संयंत्र का निर्माण करने से पहले, पहले गैर-प्रतिक्रियाशील 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 प्रतिक्रियाशील 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-प्रतिक्रियाशील क्लोरोफ्लोरोकार्बन पॉलीमर विकसित किए।

Calutrons निर्माण और संचालन के लिए अक्षम और महंगे थे। जैसे ही गैसीय प्रसार प्रक्रिया द्वारा उत्पन्न इंजीनियरिंग बाधाओं 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।

1940 के दशक की शुरुआत में उनके निर्माण के समय, गैसीय प्रसार संयंत्र अब तक निर्मित सबसे बड़ी इमारतों में से कुछ थे। 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। हालांकि पंपों और झिल्लियों में उपयोग की जाने वाली कुछ तकनीक अभी भी शीर्ष रहस्य बनी हुई है, और उपयोग की जाने वाली कुछ सामग्री 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।हालांकि, मई 2012 में फ्रांसीसी संयंत्र निश्चित रूप से बंद हो गया, 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)) 2013 में संवर्धन बंद कर दिया। संयुक्त राज्य अमेरिका में इस तरह की एकमात्र अन्य सुविधा, ओहियो में पोर्ट्समाउथ गैसीय प्रसार संयंत्र, 2001 में समृद्ध गतिविधियों को बंद कर दिया।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

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।

यह भी देखें

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

बाहरी संबंध

• Annotated references on gaseous diffusion from the Alsos Library