مقدمة

إن علم المواد هو دافع بالغ الأهمية في كثير من الأحيان وراء أداء وسلامة الطاردات المركزية للإثراء، وهذه الآلات، التي تفصل بين النظائر اليورانيومية والوقود النووي وغيره من التطبيقات، تعمل تحت ضغوط ميكانيكية وبيئية شديدة، ويحدّد اختيار المواد بشكل مباشر سرعة التناوب، والعمر التشغيلي، ومقاومة الضرر الإشعاعي، والكفاءة العامة في التخصيب، وقد أدى ذلك على مدى العقود العديدة الماضية إلى حدوث تقدم تدريجي في جميع المحاورات، والمركبات، والتكس، والتكدسات، والتركيب،

أساسيات إثراء الغاز

(أ) أن الطاردات المركزية تستغل الفرق الكتلي الصغير بين النظائر اليورانيوم عن طريق تشغيل دوار يحتوي على سادس فلوريد اليورانيوم ألفا (UF6) بسرعة عالية جداً، عادة ما يكون في نطاق يتراوح بين 000 50 و000 100 ثورة في الدقيقة، وتخلق القوة الطاردية المركزية درجة ضغط مشع، مع ارتفاع (238) [FopeT:1]

"الزبيب سنترفورج" و "ليجاما"

وقد تطورت القدرة على إحداث تغير في الغازات الحديثة في التصميم الذي كان رائدا في جيرنو زيبي في الخمسينات، حيث استخدمت الآلة الأصلية دوارة للألومنيوم الخفيفة في الإبرة التي تحمل في مسكن فراغي، وفي حين أن مادة الألومنيوم كانت توفر نسبة مفضلة من القوة إلى الوزن، فقد عانت من الجيل المخيف والشديد في نهاية المطاف من سرعة عالية ودرجات حرارة أعلى.

الاحتياجات من المواد اللازمة لبناء روتور

والدوار هو أكثر العناصر احتياجا في الطرد المركزي الغازي، ويجب أن يفي في الوقت نفسه بمجموعة صارمة من المتطلبات:

  • High specific strength] — a high strength-to- weight ratio (ultimate tensile strength divided by density) allows faster rotation for a given stress.
  • High fatigue resistance] — rotors operate continuously for years, subject to cyclical centrifugal loads and start-stop cycles; low-cycle and high-cycle fatigue properties must be excellent.
  • Creep resistance - prolonged exposure to high stress at elevated temperatures (often 40 - 70°C) can cause slow plastic deformation, leading to rotor imbalance or failure.
  • Corrosion resistance — UF6 gas is chemically aggressive, and small amounts of hydrogen fluoride formed by hydrolysis can attack many metals and alloys.
  • Radiation resistance] – although centrifuge rotors are not exposed to intense neutron flux (the enrichment process uses unirradiated uranium), gamma radiation from decay products and the alpha particle bombardment inside the rotor can induces defects in plastic lattices, causing hardening and embrittlement over time.
  • Low density] - lighter rotors require less energy to accelerate and impose lower loads on bearings and damping systems.

ولا توجد مادة واحدة تفي بكل هذه المعايير تماماً، بل إن المهندسين يقومون بالمقايضة، وكثيراً ما يستخدمون مواد مختلفة لمختلف أجزاء جمعية الروتات: الأنبوب الرئيسي، والقسائم النهائية، والبافل، والعناصر ذات الصلة.

السبيكة العالية الارتداد: الصلب المرتجف وسوبرالوي

ومن بين أكثر المواد رواسب الإثراء المستخدمة في أجهزة الطرد المركزي الحديثة المطابقة ، وهذه السبيكات ذات الصبغة المنخفضة الكربون والثروة النيكلية (التي تتراوح بين 18 و25 في المائة، مع إضافة الكوبالت والمولود) تحقق قوة متشابكة في نهاية المطاف قوامها 800 إلى 400 2 من القوة القصوى للزراعة بعد معالجة حرارية كبيرة.

فالخطوط الخارقة التي ترتكز على النيكل، مثل Inconel 718 و René 41، توفر مقاومة أعلى درجة من الحرارة العالية من الزحف والأكسدة مقارنة بزراعة الفولاذ، وكثيرا ما تستخدم في المناطق الأكثر حرارة من الدوار، مثل عنصر التدفئة المستخدم لمراقبة درجة الحرارة الحاد، وارتفاع سعر هذه السكك الحديدية، وحفزها على تحمل درجة التقلب المطلوبة لتحقيق التوازن والتوازن.

المواد المركبة: Carbon Fiber#8217؛s Ascent

وقد برزت البوليمرات المعززة من الألياف الكربونية كمواد تحولية للأجهزة الطاردة المركزية، حيث يمكن أن يتجاوز قوتها وثباتها المحددين أفضل السبيكات الفلزية، وكثافة هذه المركبات (التي تتراوح بين 1.6 و1.8 غ/سم3) أقل من ربع كميات الفولاذ (7.8 غ/سم3)، مما يسمح للدوارين بأن يولدوا توتراً عالياً في الوقت الذي يقل فيه.

غير أن هذه القيود محدودة، فهي من قبيل الأنيسوتروبيك - وتتركز قوتها على طول اتجاه الألياف، ولذلك يلزم الحرص على إدارة الإجهادات المتحركة (التي تعالج عادة بالألياف التفضيلية) والضغوط الطويلة الأجل، ويمكن أن تؤدي مصفوفة البوليمر (التسمين بالتبريد الاصطناعي) إلى تدهور التعرض المطول للإشعاع، مما يؤدي إلى حدوث تسارع في التعقب الميكروفي، وفقدان لقوى المضافية.

السيراميكات والسيرميتات

وقد تم التحقيق في السيراميات ذات الأداء العالي مثل كاربيد السيليكون والألومينا (Al2O3) من أجل تطبيقات الطرد المركزي بسبب شدّتها الشديدة، واستقرارها في درجة الحرارة العالية، ومقاومة الإشعاع المتأصلة، غير أن ازدهارها وحساسيتها للأعياب يجعلانها غير ملائمة لأنبوب الدوارة الأحادية - وهو معطف صغير يمكن أن يؤدي إلى حدوث اختلالات أكثر.

التكليف والعلاج السطحي

ونظراً لعدم وجود مادة واحدة يمكن أن توفر القوة السوائبة ومقاومة الكيماويات/الأشعة المثالية، فإن المعاطف تؤدي دوراً حاسماً في طول فترة الطرد المركزي، وتشمل النهج المشتركة ما يلي:

  • Nanostructured coatings – using techniques such as physical vapor deposition (PVD) ortom layer deposition (ALD), little layers of titanium nitride, chromium nitride, or diamonds-like carbon (DLC) are applied to the interior rotor depositings reduce corrosioni paras.
  • Electroless nickel‐phosphorus plating] - a uniform, hard, and corrosion-resistant coating applied to steel components. This has been a standard for decades in many centrifuge designs.
  • Ceramic thermal barrier coatings - applied to manage localized heating from the axial temperature gradient or from friction in the bearings.

إن نوعية التصفيق هي ذات أهمية من حيث تكوينه، إذ يمكن أن يؤدي العيب في الحفرة أو الإنزال إلى إفطار المعدن الأساسي إلى سادس فلوريد اليورانيوم، مما يؤدي في نهاية المطاف إلى فشل متناوب، كما أن مراقبة العمليات المتقدمة، بما في ذلك المطياف البصري للانبعاثات أثناء الترسيب، تساعد على ضمان سلامة التغليف.

السلف في مجال التصنيع ومراقبة الجودة

ولا يُعد اختيار المواد إلا نصف المعركة؛ فالصناعة وضمان الجودة لهما نفس القدر من الأهمية؛ ويجب أن يكون الأنبوب الدوار، سواء أُطلق من رعي الفولاذ أو من طراز CFRP، متوازناً إلى درجة عالية من التسامح (في كثير من الأحيان في بضعة مليغرامات) لمنع الإهتزازات التي يمكن أن تدمر بسرعة العلامات والدوار نفسه.

وبالنسبة للأجهزة التي تعمل بالشبكة، فإن أجهزة الريح المتحركة ذات التوترات التي تخضع للمراقبة الحاسوبية، وتركيب الزوايا، تنتج بنية ثابتة للألياف، وتستخدم أجهزة التفتيش الصوتية الآلية والتصوير الأشعة السينية في كشف الفراغات أو الإساءات الألياف أو التحلل، وهذه الأساليب غير التدميرية ضرورية لأن حتى العيوب الداخلية الصغيرة يمكن أن تنمو إلى آثار أمنية مشتعلة.

وبالإضافة إلى ذلك، فإن العلاجات اللاحقة للصناعة مثل التبول بالرصاص (للمعدن) أو التفكيك (تشديد الضغط على رواد فولاذي لحفز الضغوط المضغوطة المفيدة في الملل) يمكن أن تزيد كثيرا من الحياة البشعة، وقد أتاح الجمع بين المواد المتقدمة وعمليات التصنيع المتطورة تشغيل أجهزة الطرد المركزي لمدة 15 إلى 25 سنة مع الحد الأدنى من الصيانة، مقارنة بسنوات قليلة فقط للتصميمات المبكرة.

الأثر على الكفاءة، والحياة، والسلامة

ويظهر الأثر التراكمي للتحسينات المادية في كل قياس رئيسي من قياسات الأداء للطرد المركزي للإثراء، ويمكن للدوار الذي يُصنع من الفولاذ المرتجف أن يحافظ على سرعة الارتفاع المائي بعدة مئات متر في الثانية أسرع من متر واحد مصنوع من الألومنيوم، ويضاعف تقريباً عامل الفصل، وعندما يُستعاض عن نفس الدوار بتصميم لبرمجيات التغيُّر، فإنَّت الزيادة السريعة تؤدي إلى الحدّ من استهلاك الطاقة لكل وحدة من وحدات الصيانة المتفرقة.

وقد امتدت مدة أطول من ذلك إلى 20 سنة أو أكثر، مما يقلل من تواتر عمليات إغلاق المنشآت لاستبدالها بالزوارق، وهي عمليات مكلفة على حد سواء، وتثير مواطن ضعف في الانتشار (حيث يمكن تعطيل عمليات تبادل المواد النووية).

كما أن فوائد السلامة كبيرة، حيث أن من المرجح أن تندلع من زورق سريع حرج أو من الإهدار المادي، وإذا حدث فشل - مثلاً حدوث تحطم في الدوار - فإن مادة الدوار القوية ستنكسر إلى شظايا أقل وأكثر توتراً، وتحسن الاحتواء، بالإضافة إلى أن المواد الميكانيكية التي تقاوم التآكل تخفف من خطر تسرب المعاطف من سادس فلوريد اليورانيوم، مما قد يتسبب في حدوث ضرر كيميائي، وفي حالات متطرف.

الاتجاهات المستقبلية في علوم المواد للطاردات المركزية

وما زالت البحوث تدفع حدود أداء أجهزة الطرد المركزي، إذ يمكن للصناعة المضافة (الطباعة 3D) من السواحل الخارقة بل وحتى المركّبات الخزفية المحتوية على المطاط أن تتيح إجراء عمليات قياس رواسب جديدة تُفضي إلى تدفق الإجهاد والوزن إلى الحد الأمثل، كما أن من المستحيل إنتاج الجيولوجيا بواسطة الذكاء التقليدي، وعلى سبيل المثال، فإن الهياكل الداخلية المقوى قد تقلل وزنها أكثر مع الحفاظ على قوة الهوائية.

ويمكن أن تصلح المواد ذاتية التسخين، التي لا تزال تجريبية إلى حد كبير، المايكروكات التي تسببها الإرهاق أو الإشعاع، ويشمل أحد المفاهيم دمج الكبسولات المحتوية على عامل شفاء في مصفوفة المركب؛ وتمزق الكبسولات، وتخليص الوكيل من ملء الألياف وربطها، وتتمثل فرصة أخرى في تطوير تركيبات منخفضة الكثافة، وهي تركيبات الفلزات العالية التقويم.

وأخيرا، فإن التقدم المحرز في ]الإطار المالي[ ]الإطار المالي[[ ]الإطار المالي[[ ]الإطار المالي الدولي[[ - الهياكل الهندسية التي لا توجد فيها ممتلكات في طبيعتها - قد يؤدي إلى طاردات مركزية مع تقلص نشاطها المصمم، أو إلى السلوك الحراري، أو حتى التستر الصوتي لتقليل التوقيع على عمليات الإثراء، وفي حين أن هذه المواد بعيدة عن الانتشار، فإنها تبرز كيف لا تزال العلوم المادية تشكل أساس التطور في الطرد المركزي.

خاتمة

إن العلم المادي هو الشريك الصامت في السنوات العشر التي تطول فيها عمليات الحرق المركزي، إذ أن من أوائل دوارات الألومنيوم إلى تصميمات الألياف الصناعية الحديثة، وكل قفزة في الأداء، قد ارتكزت على فهم أعمق لكيفية تصرف المواد تحت حمولة حرارية عالية، وضد التآكل الشديد، والإشعاع، وقد وسعت التكنولوجيات الملتوية مدى الحياة، بينما تضمن الصناعة المتقدمة ومراقبة الجودة أن تضيف الممتلكات المادية.