Sentrifus tipe Zippe adalah Pemusing gas yang dirancang untuk memperkaya isotop fisil langka uranium-235 dari campuran isotop yang ditemukan dalam senyawa uranium yang terjadi secara alami. Pemisahan isotop didasarkan pada sedikit perbedaan massa isotop. Desain Zippe awalnya dikembangkan di Uni Soviet oleh tim yang dipimpin oleh 60 ilmuwan dan insinyur Austria dan Jerman yang ditawan setelah Perang Dunia II, bekerja dalam penahanan. Di Barat dan sekarang secara umum, jenis ini dikenal dengan nama orang yang menciptakan kembali teknologi tersebut setelah ia kembali ke Barat pada tahun 1956, berdasarkan ingatannya tentang kontribusinya dalam program Soviet, Gernot Zippe. Sejauh ia mungkin disebut dalam penggunaan Soviet/Rusia dengan nama satu orang, pada tahap awal pengembangan ia dikenal sebagai Pemusing Kamenev, diambil dari nama Evgeni Kamenev.[1][2]
Latar Belakang
Uranium alami terdiri dari tiga isotop; mayoritas (99,274%) adalah U-238, sementara sekitar 0,72% adalah U-235, yang dapat difisikan oleh neutron termal, dan sisanya 0,0055% adalah U-234. Jika uranium alami diperkaya menjadi 3% U-235, ia dapat digunakan sebagai bahan bakar untuk reaktor nuklirair ringan. Jika diperkaya hingga 90% uranium-235, ia dapat digunakan untuk senjata nuklir.
Pemusingan Pengayaan Uranium
Memperkaya uranium sulit dilakukan karena isotop-isotopnya secara kimiawi hampir identik dan bobotnya sangat mirip: U-235 hanya 1,26% lebih ringan daripada U-238 (perhatikan ini hanya berlaku untuk logam uranium). Sentrifus perlu bekerja dengan fluida daripada benda padat, dan proses ini menggunakan gas uranium heksafluorida. Perbedaan massa relatif antara 235 UF6 dan 238 UF6 kurang dari 0,86%. Efisiensi pemisahan dalam pemusing bergantung pada perbedaan massa absolut. Pemisahan isotop uranium membutuhkan Pemusing yang dapat berputar pada 1.500 putaran per detik (90.000 rpm). Jika kita mengasumsikan diameter rotor 20cm (seperti pada beberapa pemusing modern[3]), ini akan sesuai dengan percepatan sentripetal sekitar 900.000 x g[4] (sekitar 42 kali kecepatan maksimum mikrosentrifus standar, benchtop lab[5] dan antara 0,9 hingga 9 kali kecepatan maksimum pemusinh ultra (ultrasentrifus) lab standar[6] atau kecepatan linier lebih besar dari Mach 2 di udara (Mach 1 = kecepatan suara, di udara kira-kira 340m/s) dan jauh lebih besar dalam UF6. Sebagai perbandingan, mesin cuci otomatis beroperasi hanya sekitar 12 hingga 25 putaran per detik (720–1500 rpm) selama siklus putaran, sementara turbin pada turbocharger otomotif dapat berputar hingga sekitar 2500–3333 putaran per detik (150.000–200.000 rpm).[7][8]
Diagram prinsip sentrifus gas tipe Zippe dengan U-238 diwakili dengan biru tua dan U-235 diwakili dengan biru muda.
Countercurrent Gas centrifuge for uranium enrichment. At full speed there is practically vacuum near the axis, so that there is no leak at the feed-through and that the UF6 feed can easily flow in. The lower scoop, collecting the light fraction, also slows down the speed of the gas and thus reduces the radial pressure gradient. This facilitates exchange with the inner gas layer and stimulates the countercurrent.
Dalam pemusin yang disebut arus balik (countercurrent), bagian bawah campuran gas dapat dipanaskan, menghasilkan arus konveksi. Namun, arus balik biasanya dirangsang secara mekanis oleh sendok yang mengumpulkan fraksi yang diperkaya. Dengan cara sedemikian, pengayaan di setiap lapisan horizontal diulang (dan dengan demikian dilipatgandakan) di lapisan berikutnya, serupa dengan Kolom distilasi. Satu sendok berada di belakang penyekat berlubang (perforated baffle) yang berputar bersama pemusing; ia mengumpulkan fraksi yang kaya 235 UF6. Sendok lainnya tanpa penyekat. Ia memperlambat putaran gas dan dengan demikian meningkatkan tekanan ke bagian dalam, sehingga fraksi yang kaya 235 UF6 juga dapat dikumpulkan tanpa pemompaan.[1]
di mana p adalah tekanan, r radius variabel dan R maksimumnya, M massa molekul, omega kecepatan sudut, k konstanta Boltzmann dan T suhu. (Persamaan ini mirip dengan rumus barometrik.) Menulis persamaan ini untuk kedua isotop dan membaginya, memberikan rasio isotop (tergantung r). Ia hanya mengandung Delta M (bukan perbedaan massa relatif $\Delta M/M) pada eksponen. Faktor pengayaan radial kemudian dihasilkan dengan membagi dengan rasio isotop awal. Untuk menghitung total pengayaan dalam sentrifus arus balik dengan ketinggian H, seseorang harus menambahkan faktor H/(R\sqrt{2}) pada eksponen.
Sumber-sumber Rusia membantah laporan pengembangan sentrifus Soviet yang diberikan oleh Gernot Zippe. Mereka menyebut Max Steenbeck sebagai ilmuwan Jerman yang bertanggung jawab atas bagian Jerman dari upaya sentrifus Soviet, yang dimulai oleh pengungsi Jerman Fritz Lange[ru] pada tahun 1930-an. Soviet memuji Steenbeck, Isaac Kikoin dan Evgeni Kamenev[ru] karena telah menciptakan berbagai aspek berharga dari desain tersebut. Mereka menyatakan Zippe terlibat dalam pembangunan prototipe untuk proyek tersebut selama dua tahun mulai tahun 1953. Karena proyek sentrifus adalah rahasia besar, Soviet tidak menantang klaim Zippe pada saat itu.[2]
↑memiliki rotor berongga silindris yang diisi dengan gasuranium heksafluorida (UF6). Medan magnet berputar di bagian bawah rotor, seperti yang digunakan pada motor listrik, mampu memutarnya cukup cepat sehingga UF6 terlempar ke dinding luar, dengan 238 UF6 diperkaya di lapisan paling luar dan 235 UF6 diperkaya di bagian dalam lapisan ini. Gaya sentrifugal menciptakan gradien tekanan: Pada sumbu pemusing hampir terjadi vakum, sehingga tidak diperlukan feedthrough atau segel mekanis untuk saluran masuk dan keluar gas; di dekat dinding, UF6 mencapai tekanan saturasi, yang pada gilirannya membatasi kecepatan putaran, karena kondensasi harus dihindari.
<ref>How A Turbo Works
