מבוא

מדע חומרי הוא נהג ביקורתי לעתים קרובות מאחורי הביצועים והבטיחות של חומרי ההעשרה של מכונות אלה, אשר חלקיקים אורניום נפרדים עבור דלק גרעיני ויישומים אחרים, לפעול תחת לחץ מכני וסביבתי קיצוני.הבחירה של חומרים באופן ישיר קובע את המהירות הסבבית שלהם, חיי תפעוליים, התנגדות לנזקי דלק, ויעילות ההעשרה הכללית.

מקורות הגז Centrifuge Enrichment

(ג) צנטריפוגות מנצלות את ההבדל ההמוני הקטן בין אורניום על ידי סיבוב המכיל אורניום hexafluoride (UF6) במהירויות גבוהות מאוד, בדרך כלל בטווח של 50,000 עד 100,000 מהפכנים לדקה.הכוח הצנטריפוגג יוצר מהירות קורנת ⁇ חומר ⁇ , עם ה-FLT:0238Fevolver קרוב ל-Ricrererererererererererererererererererepoal 500 ו-235F2:

ה- Zippe Centrifuge ו-The Legacy

הגז המודרני צנטריפוגה הוא אבולוציה של העיצוב חלוצי על ידי גרנו Zippe בשנות החמישים. Zippe ’ המכונה המקורית השתמש רוטטור אלומיניום קל משקל מסתובב על מחט הנושאת דיור ריק. בעוד אלומיניום הציע יחס נוח למשקל משקל, הוא סבל מצמרר ועייפות במהירויות גבוהות הנדרשת וטמפרטורות.

דרישות חומריות עבור רוטור בנייה

הרוטטור הוא המרכיב התובעני ביותר של גז צנטריפוגה.הוא חייב לעמוד בו זמנית במערך דרישות מחמיר:

  • (FLT:0) גבוה כוח ספציפי עוצמה (FLT:1) - יחס חזק גבוה למשקל (כוח רב-עוצמה מחולק על ידי צפיפות) מאפשר סיבוב מהיר יותר עבור מתח נתון.
  • (FLT:0) עמידות לעייפות גבוהה FLT:1 - רוטורים פועלים ברציפות במשך שנים, בכפוף לעומסי צנטריפוגה מחזוריים ומחזורי התחלה-stop; מחזור נמוך ותכונות עייפות מחזוריות גבוהות חייב להיות מצוין.
  • (FLT:0Creep ResistanceFLT:1) - חשיפה ממושכת ללחץ גבוה בטמפרטורות גבוהות (לעתים קרובות 40-70 מעלות צלזיוס) עלולה לגרום לעיוות פלסטי איטי, המוביל לחוסר איזון או כשלון.
  • (FLT:0Corrosion ResistanceFLT:1) - גז UF6 הוא אגרסיבי מבחינה כימית, כמויות קטנות של פלואוריד מימן שנוצר על ידי הידרוליזה יכול לתקוף מתכות רבות ⁇ .
  • (FLT:0)Radiation ResistanceFLT:1 - למרות שרוטורים צנטריפוג אינם חשופים לשטף נויטרונים אינטנסיבי (תהליך ההעשרה משתמש אורניום בלתי מרוסן), קרינה מגמא ממוצרים מתפוררים והפגזה אלפא בתוך הרוטור יכול לגרום פגמים בלחיצות גבישיים, גרימת קשיחות וריקנות לאורך זמן.
  • (ב) ⁇ 0) ,(Low צפיפותFLT:1) - סוררים קלים דורשים פחות אנרגיה כדי להאיץ ולהטיל עומסים נמוכים יותר על נושאים ומערכות לחות.

שום חומר יחיד לא מספק את כל הקריטריונים האלה באופן מושלם.במקום, מהנדסים עושים סחרחורת, לעתים קרובות משתמשים בחומרים שונים עבור חלקים שונים של ההרכבה הרוטור: הצינור הראשי, נקודות קצה, baffles, ורכיבי נושא.

Alloys: Maraging Steel ו Superalloys

אחד החומרים המסתובבים הנפוצים ביותר ב- Modern העשרה צנטריפוגות הוא (FLT:0maraging SteelFLT:1 ⁇ s אלה פחמן נמוך, ניקל עשיר ⁇ (בדרך כלל 18-25% ניקל, עם תוספת cobalt ו molybdenum צורך) להשיג חוזקות מסיביות מסיביות גבוהות של 1,2,400 MPa לאחר טיפול ההזדקנות שלהם הוא יתרון גבוה כוח מיידי (Ric) עם עמידות גבוהה יותר פלדה חזק יותר מאשר שברים קשים יותר מאשר פלדה חזק יותר מאשר פלדה חזק יותר מאשר פלדה חזק יותר.

Superalloys מבוסס ניקל, כגון Inconel 718 ו-René 41, מציעים גבוה עתיר רוח זחילה גבוהה יותר עמידות חמצון בהשוואה לגירודות ממרינג.הם משמשים לעתים קרובות באזורים החמים ביותר של הרוטור, כגון ליד אלמנט החימום המשמש לשלוט בטמפרטורה אקסקלית.

חומרים Composite: Carbon Fiber ’s Ascent

סיבים פחמן מחזקים פולימרים (CFRPs) הופיעו כחומר טרנספורמטיבי עבור סטריפוגה רוטורס.החוזק הספציפי שלהם ונוקשות יכול לעלות על זה של ⁇ המתכת הטובה ביותר, ואת צפיפותם (בדרך כלל 1.6-1.8 g /3) הוא פחות מרבע זה של פלדה (7.8 g / 3) זה מאפשר לרקב כדי להשיג מהירויות גבוהות יותר היקפי, תוך צמצום הלחץ על פני כדוריות על פני פחמן או ציפוי פחמן חזק, לעתים קרובות, 000 חזק, 000 חזק, 000 חזק, 000 חזק, 000 חזק, 000 חזק, 000 חזק, 000 חזק, 000 חזק, 000 חזק, 000 חזק, 000 חזק, 000 חזק, 000 חזק, 000 000 000 000 חזק יותר, 000 חזק, 000 חזק, 000 חזק, 000 חזק יותר של פחמן חזק, 000 חזק, 000 חזק, 000 חזק, 000 חזק, 000 חזק, 000 000 000 000 000 000 000.

עם זאת, CFRPs יש מגבלות.הם אנטרופיים - הכוח שלהם מרוכז לאורך כיוון הסיבים, ולכן טיפול הוא הכרחי בתכנון כדי לנהל מתחי ה-Hoop (בדרך כלל מטופלים על ידי סיבים מקיפים) ולחצים ארוכי טווח.הפטרימריצה פולימרית (בעיקר epoxy) יכול לגרוע תחת חשיפה ממושכת לקרינה, מה שגורם להפחתה של מיקרו-cracking ואובדן של מערכות כוח בין-lamicreams, כמו אלה הן צמיגים מתקדמים, אך הן כיום, אך הן יעילות גבוהה יותר, כמו טמפרטורות סטנדרטיותרפיותרפיותרפיותרפיותרפיותרפיותרפיותרפיותרפיות (Rics-Daniות (Ric) או TERRic) אך הן יעילות, אך הן יעילות, אך הן יעילות יותר, כמו TERRics-D.

Ceramics ו- Cermets

קרמיקה בעלת ביצועים גבוהים כגון סיליקון carbide (SiC) ואלומיניום (Al2O3) נחקרו עבור יישומי צנטריפוגה בגלל הקשידות הקיצונית שלהם, יציבות עתירה גבוהה, והתנגדות קרינה טבועה. עם זאת, את הגמישות שלהם ואת הרגישות כדי פגמים להפוך אותם ללא מתאימים צינורות מרוטאות מונוליטיות - קטן יכול להפיץ באופן קטסטרופלי יותר גישה מעשית לשימוש ברקמות ספורטיביות, למשל, כגון סיליקון, סיליקון, או סיליקון, כגון סיליקון, קרמיקה, סיליקון, סיליקון, סיליקון, סיליקון, סיליקון, או קרמיקה (למשל, סיליקון) סיליקון) עלול לגרום פגמים, קרמיקה, סיליקון קרמיקה (מדומים).

טיפול פנים וכיסויים

מכיוון שאף חומר יחיד אינו יכול לספק כוח רב עוצמה והתנגדות כימית / רדיציה מושלמת, הציפויים ממלאים תפקיד קריטי בארוכותיות הצנטריפוגה.

  • (FLT:0) Nanostructured ציפויים ממבנה 1 (FLT:1), באמצעות טכניקות כגון מחיקה פיזית (PVD) או שכבת אטומית (ALD), שכבות דקות של טייטניום ניטריד, כרום nitride, או פחמן דמוי יהלום (DLC) מוחלים על משטחים רוטורים פנימיים.
  • (FLT:0) ניקל-זרחן בשפע (FLT) 1:1 - ציפוי אחיד, קשה, וקורוזיון-resistant המופעל על רכיבי פלדה.זה היה תקן במשך עשרות שנים בעיצובים רבים של צנטריפוגה.
  • (ב) ,0) ציפוי מחסום תרמיים קדמוניים (FLT:1) - החל לנהל חימום מקומי מטמפרטורה צירית או מחיכוך בכפות הידיים.

איכות הציפוי חשובה כמו ההרכב שלה. פגם של שפך או דלמנט יכול לחשוף את המתכת הבסיסית UF6, תוך מתן corrosion שבסופו של דבר מוביל לכשל רוטר.

התקדמות בייצור ובבקרת איכות

בחירה חומרית היא רק חצי הקרב; ייצור ואבטחת איכות הם חיוני באותה מידה.השחת הרוטור, בין אם עשוי ממריגה פלדה או CFRP, חייב להיות מאוזנת לסובלנות הדוקה מאוד (לעתים קרובות בתוך כמה מיליגרם) כדי למנוע רטט שיכול להרוס במהירות את הכפשות ואת רוטן עצמו.

עבור cRP רוטורס, מכונות משב רוח עם מתח מבוקר מחשב וזווית מנוחה לייצר אדריכלות סיבים עקביים. פיקוח קולי אוטומטי ו X-ray coputed tomography משמשים כדי לזהות ריקות, סיבים לא נכון, או דלמנט. אלה לא הרס הערכה בלתי הרסנית (NDE) שיטות חיוניות כי אפילו פגם פנימי זעיר יכול לגדול לתוך a-faure, עם השלכות ברורות.

בנוסף, טיפול לאחר-מניפסט כגון הצצה (עבור מתכות) או autofrettage (מעל לדיכוי של פלדה רוטטור כדי לגרום ללחץ דחוס מועיל בשעמו) יכול להגדיל באופן משמעותי את חיי העייפות.שילוב של חומרים מתקדמים ותהליכי ייצור מתוחכמים אפשר צנטריפוגות לרוץ במשך 15-25 שנים עם תחזוקה מינימלית, בהשוואה רק כמה שנים עבור עיצובים מוקדמים.

השפעה על יעילות, תוחלת חיים ובטיחות

ההשפעה המצטברת של שיפורים חומריים גלויה בכל מדד ביצועי מפתח של צנטריפוגות העשרה. A רוטטור עשוי ממריגה פלדה יכול לקיים מהירות היקפית כמה מאות מטרים לשנייה מהר יותר מאשר אחד עשוי אלומיניום, בערך להכפיל את הגורם ההפרדה. כאשר אותו רוטטור מוחלף מוחלף על ידי עיצוב CFRP, מהירות עלייה נוספת, ואת צריכת האנרגיה ליחידת עבודה שברירית (SW) טיפות פחות או ירידה של צריכת גזים.

לונגווינס קשורה ישירות לעמידות החומרית.ציפויים מודרניים ו ⁇ עמידים בפני קורוזיה הרחיבו את חיי השירות של צנטריפוגות ל-20 שנים או יותר.זה מקטין את תדירות הסגת הצמח להחלפה של רוטטור, שהוא גם יקר וגם מציב פרצות התפשטות (חילופים של חומרים גרעיניים יכולים לשבש את ההתפתחות של חומרים שמנוגדים לקרינה מוגברת עוד יותר בעשורים.

היתרונות הבטיחותיים הם גם משמעותיים. Stronger, רוטורים קשים יותר צפויים להתפוצץ מטיול מהיר קריטי או עייפות חומרית.אם כישלון מתרחש - למשל, התרסקות רוטטור - חומר רוטר חזק יישבר לתוך פחות, פחות מבריקים אנרגטיים, שיפור הנפח.בנוסף, חומרים המתנגדים לשחיתות להפחית את הסיכון של דליפות UF6, אשר עלול לגרום נזק כימי, ובמקרים קיצוניים, אם הם מופיעים במקרים מסוימים של תצורה של זיהום כימי, עלולים, אם הוא לעתים קרובות, אופליאה, עלולים, עלולים להיות בעל השפעה מזיקה, או יותר, אם הוא עשוי להיות בעל השפעה מזיקה של זיהום מגנטית, אם הוא עשוי להיות בעל השפעה מזיקה של כלי תצורה מסוימת של זיהום מגנטית, הוא עשוי להיות בעל השפעה מזיקה של דלקת.

כיוונים עתידיים במדעי החומר עבור Centrifuges

המחקר ממשיך לדחוף את הגבולות של ביצועים צנטריפוגה.ייצור אדרטיבי (3D הדפסה) של superalloys ואפילו מאטריקס קרמיקה יכול לאפשר חידוש של ג'ממטות כי אופטימיזציה של מתח ומשקל, גיאמטריה בלתי אפשרי לייצר על ידי מאצ'ינג קונבנציונלי. לדוגמה, מבנים פנימיים של lattice-reinforced עשוי להפחית משקל נוסף תוך שמירה על כוח.

חומרי השמדה עצמית, עדיין ניסיוניים במידה רבה, יכולים לתקן באופן אוטונומי מיקרו-קracks הנגרמים על ידי עייפות או קרינה. רעיון אחד כרוך בהטמעת capillaries המכיל סוכן ריפוי לתוך מאטריקס של מקר; סדק קרע את הכנפיים, שחרור הסוכן כדי למלא ולחבר את הסדקים, הזדמנות נוספת טמונה בפיתוח של נחיתות נמוכה, גבוה מתכתי מתכת גבוהה ממתכת גבוהה עם חלקיקים מורכבים או צינורות פחמן קרמיקה יכול להיות מטבוליים אלה.

לבסוף, ההתקדמות ב- (FLT:0)metamaterialsFreaLT:1 ; מבנים ממונדסים עם תכונות שלא נמצאו בטבע - עשויים להניב צנטריפוגות עם רטט מותאם אישית לחות, מוליכות תרמית, או אפילו גלימה אקוסטית כדי להפחית את החתימה של פעולות העשרה. בעוד חומרים כאלה הם רחוק מפריסה, הם מדגישים כיצד מדע החומרי ממשיך להיות הבסיס של אבולוציה של .

מסקנה

מדע חומרי היה השותף השקט בעיצובים של עשרות שנים של העשרה של צנטריפוגות.ממטווחי האלומיניום המוקדמים ועד היום של פלדה מתמרנים ופחמי פחמן, כל קפיצה בביצועים נחה על הבנה עמוקה יותר של איך חומרים מתנהגים תחת עומס צנטריפוגאלי גבוה, אפילו חומרים קריפטוגרטיביים יותר של UF6, וטכנולוגיות של קטיפה יש עוד תקופות חיים, תוך בקרה מתקדמות ולהבטיח כי תכונות אמינות של ניתוח עצמי, כמו גם חומרים אוטונומיים, כמו גם על ידי פיתוח עצמי, כמו גם חומרים מתקדמים, כמו גם חומרים חזקים יותר, הדורשים, כמו גם חומרים מתקדמים, ובטיחים, כמו גם על ידי אבטחה גבוהה יותר, כמו גם על ידי אבטחה גבוהה יותר, ובטיחים, ובטיחים, ובטיחים, ובטיחים, ובטיחים, וטכנולוגיות אבטחה גבוהה יותר, כמו גם על ידי פיתוח עצמיים, וטכנולוגיות אבטחה גבוהה יותר, ובטיחים, כמו גם על ידי פיתוח עצמיים, כמו גם על ידי פיתוח עצמיים, וקרינה.