LUẬN văn sư PHẠM vật lý các PHƯƠNG PHÁP làm GIÀU URANIUM

TRƢỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA SƢ PHẠM
BỘ MÔN SƢ PHẠM VẬT LÍ

CÁC PHƢƠNG PHÁP LÀM GIÀU URANIUM

Luận văn tốt nghiệp
Ngành : SƢ PHẠM VẬT LÍ

Giảng viên hƣớng dẫn :

Sinh viên thực hiện :

ThS. GVC. Hoàng Xuân Dinh

Nguyễn Thế Hoàng
MSSV : 1090204
Lớp : Sƣ phạm Vật Lí
Khóa : 35

Cần Thơ, năm 2013


MỤC LỤC
PHẦN MỞ ĐẦU ............................................................................................................. 1
1. Lí do chọn đề tài .......................................................................................................... 1
2. Mục đích của đề tài ...................................................................................................... 1
3. Giới hạn của đề tài ....................................................................................................... 1
4. Phƣơng pháp và phƣơng tiện thực hiện ........................................................................ 1
5. Các bƣớc thực hiện ...................................................................................................... 1
PHẦN NỘI DUNG .......................................................................................................... 2

Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ URANIUM....................................................................... 2
1.1. Lịch sử phát hiện ....................................................................................................... 2
1.2. Tính chất ................................................................................................................... 3
1.3. Nghiên cứu phân hạch ............................................................................................... 4
Chƣơng 2 : CÁC PHƢƠNG PHÁP LÀM GIÀU URANIUM .......................................... 6
2.1. Khái niệm ................................................................................................................. 6
2.2. Lịch sử làm giàu uranium .......................................................................................... 6
2.3. Quy trình làm giàu chung .......................................................................................... 6
2.4. Các phƣơng pháp tách đồng vị Uranium.................................................................. 15
2.4.1. Phƣơng pháp li tâm khí ........................................................................................ 15
2.4.1.1. Lịch sử phát triển............................................................................................... 15
2.4.1.2. Cấu tạo .............................................................................................................. 18
2.4.1.3. Nguyên tắc hoạt động ........................................................................................ 24
2.4.1.4. Các lí thuyết hoạt động ...................................................................................... 25
2.4.1.5. Ƣu điểm của máy li tâm khí .............................................................................. 36
2.4.2. Phƣơng pháp khuếch tán khí ................................................................................ 36
2.4.2.1. Lịch sử phát triển............................................................................................... 36
2.4.2.2. Cấu tạo .............................................................................................................. 37
2.4.2.3. Nguyên tắc hoạt động ........................................................................................ 38
2.4.2.4. Lí thuyết hoạt động ........................................................................................... 39
2.4.2.5. Ƣu điểm và hạn chế của phƣơng pháp khuếch tán khí ....................................... 44
2.4.3. Phƣơng pháp khuếch tán nhiệt .............................................................................. 44
2.4.3.1. Lịch sử phát triển............................................................................................... 44
2.4.3.2. Nguyên tắc hoạt động ........................................................................................ 45
2.4.3.3. Lí thuyết hoạt động ........................................................................................... 46
2.4.3.4. Ƣu điểm và hạn chế của phƣơng pháp khuếch tán nhiệt..................................... 50
2.4.4. Phƣơng pháp tách đồng vị điện từ ........................................................................ 50
2.4.4.1. Lịch sử phát triển............................................................................................... 50
2.4.4.2. Cấu tạo .............................................................................................................. 59
2.4.4.3. Nguyên tắc hoạt động ........................................................................................ 61

2.4.4.4. Ƣu điểm và hạn chế ........................................................................................... 65
2.4.5. Phƣơng pháp tách động vị Laze ............................................................................ 65
2.4.5.1. Lịch sử phát triển............................................................................................... 65
2.4.5.2. Nguyên lí chung của tách đồng vị Laze ............................................................. 65
2.4.5.3. Các điều kiện chung cần thiết cho tách đồng vị Laze ......................................... 66
2.4.5.4. Ƣu điểm của việc sử dụng Laze để tách đồng vị ................................................ 66
2.4.5.5. Tách đồng vị Laze hơi nguyên tử (AVLIS)........................................................ 67
2.4.5.5.1. Khái niệm ....................................................................................................... 67


2.4.5.5.2. Thiết bị và các thành phần đã đƣợc thiết kế đặc biệt và chuẩn bị cho AVLIS
nhƣ sau .......................................................................................................................... 67
2.4.5.5.3. Nguyên lí hoạt động ....................................................................................... 71
2.4.5.5.4. Các bƣớc cơ bản trong quá trình AVLIS......................................................... 72
2.4.5.5.5. Lợi ích của AVLIS ......................................................................................... 76
2.4.5.6. Tách đồng vị Laze phân tử (MLIS) .................................................................... 76
2.4.6. Phƣơng pháp tách đồng vị Plasma ........................................................................ 79
2.4.6.1. Phƣơng pháp cộng hƣởng ion cyclotron: (Ion cyclotron resonance .................... 79
2.4.6.1.1. Lịch sử phát triển............................................................................................ 79
2.4.6.1.2. Cấu tạo ........................................................................................................... 80
2.4.6.1.3.Nguyên lí tách ................................................................................................. 81
2.4.6.2. Phƣơng pháp li tâm Plasma ............................................................................... 83
2.4.6.2.1. Cấu tạo ........................................................................................................... 83
2.4.6.2.2. Nguyên lí hoạt động ....................................................................................... 83
2.4.6.2.3. Ƣu điểm và hạn chế của phƣơng pháp li tâm plasma ...................................... 84
2.4.7. Phƣơng pháp khí động học ................................................................................... 84
2.4.7.1. Lịch sử phát triển............................................................................................... 84
2.4.7.2. Cấu tạo .............................................................................................................. 84
2.4.7.3. Nguyên tắc hoạt động ........................................................................................ 85
2.4.7.4. Ƣu điểm và hạn chế ........................................................................................... 86

PHẦN KẾT LUẬN ........................................................................................................ 88
PHỤ LỤC 1 ................................................................................................................... 89
PHỤ LỤC 2 ................................................................................................................... 91
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................. 92


Luận văn tốt nghiệp

SVTH : Nguyễn Thế Hoàng

Phần MỞ ĐẦU
1. LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Từ thời xa xưa con người luôn luôn tìm tòi và khám phá thế giới vật chất tự nhiên.
Con người ngày càng tiến hóa thì nhu cầu tìm tòi khám phá thế giới cũng tăng theo để
đáp ứng kịp thời nhu cầu về vật chất và tinh thần. Nhờ sự thông minh thì con người ngày
càng khám phá thế giới nhiều hơn. Do đó, các nguyên tố hóa học cấu thành nên thế giới
vật chất cũng dần được phát hiện.
Kết quả là cuối thế kỉ XVIII, một nguyên tố mới được tìm ra đó là Uranium. Sau
đó nó được chú ý hơn khi tính phóng xạ và phân hạch được phát hiện. Thế giới đã sử
dụng tính chất đó giống như một công cụ giúp cho con người tìm kiếm nguồn năng lượng
mới phục vụ cho đời sống và chế tạo vũ khí hạt nhân theo đuổi tham vọng chiến tranh,
phá hoại hòa bình thế giới. Qua đó cũng thúc đẩy sự tìm tòi của con người về Uranium.
Để thực hiện được những điều đó thì một số phương pháp mới được ra đời để làm giàu
Uranium.
Cũng vì thế nhiều phương pháp làm giàu để tăng độ tinh khiết cho đồng vị 235U đã
được đề xuất và thử nghiệm ngày càng hoàn thiện và phát triển. Đây luôn là vấn đề nóng
bỏng của thế giới từ trước tới nay. Vì vậy tôi chọn đề tài này để làm rõ hơn về một tri
thức thời hiện đại này.

2. MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI

Tìm hiểu các phương pháp làm giàu Uranium

3. GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI
Đề tài chỉ nghiên cứu lí thuyết về các phương pháp làm giàu Uranium và không
đi vào các cơ sở thực tế.

4. PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN THỰC HIỆN
- Nghiên cứu lí thuyết : tìm tòi, sưu tầm các tài liệu, đọc và phân tích, tổng hợp để có cơ
sở lí thuyết cho đề tài
- Sử dụng các sách tham khảo, giáo trình, luận văn, tạp chí khoa học, báo chí, Internet,…

5. CÁC BƯỚC THỰC HIỆN
- Nhận đề tài
- Thu thập tài liệu liên quan
- Phân tích để viết đề cương
- Tiến hành viết đề tài và trao đổi với GVHD
- Nộp đề tài cho GVHD để tham khảo ý kiến và chỉnh sửa, hoàn thành đề tài
- Báo cáo đề tài

GVHD : ThS. Hoàng Xuân Dinh

1


Luận văn tốt nghiệp

SVTH : Nguyễn Thế Hoàng

Phần NỘI DUNG
Chương 1 : TỔNG QUAN VỀ URANIUM

1.1. LỊCH SỬ PHÁT HIỆN
Việc sử dụng urani ở dạng ôxit tự nhiên được xác định vào khoảng năm 79 TCN,
khi đó nó được dùng để tạo màu vàng cho men gốm. Năm 1912, ông R. T. Gunther thuộc
Trường Đại học Oxford đã tìm thấy thủy tinh màu vàng có hàm lượng 1% urani ôxit
trong một biệt thự La Mã ở mũi Posillipo, Vịnh Napoli, Ý. Từ cuối thời Trung cổ, uranit
được tách từ các mỏ bạc Habsburg ở Joachimsthal, Bohemia (nay là Jáchymov thuộc
Cộng hòa Séc) và được dùng làm chất tạo màu trong công nghiệp chế tạo thủy tinh ở địa
phương. Vào đầu thế kỷ 19, đây là các mỏ quặng urani duy nhất được biết đến trên thế
giới.
Việc phát hiện ra nguyên tố này được nhà hóa học Đức Martin Heinrich Klaproth
tìm ra trong khi đang làm các thí nghiệm trong phòng ở Berlin năm 1789. Klaproth đã tạo
ra hợp chất kết tủa màu vàng (giống natri diuranat) bằng cách hòa tan pitchblend (còn
được gọi là Uraninite, là một khoáng chất uranium giàu. Khoáng chất này tạo thành một
trong các loại quặng chính của uranium) trong axit nitric và sau đó trung hòa dung dịch
bằng natri hydroxit. Klaproth cho rằng chất màu vàng đó là ôxit của một nguyên tố chưa
được phát hiện và nung nó với than gỗ để thu một loại bột màu đen mà ông nghĩ rằng nó
là một kim loại mới được phát hiện (nhưng thực chất là bột của một ôxit urani). Ông đặt
tên nguyên tố mới theo tên hành tinh Uranus, một hành tinh vừa được William Herschel
phát hiện trước đó 8 năm.
Năm 1841, Eugène-Melchior Péligot, giáo sư hóa phân tích thuộc Trường Kỹ Nghệ
Quốc gia Pháp (Conservatoire National des Arts et Métiers) ở Paris đã tách được mẫu
urani kim loại đầu tiên bằng cách nung urani tetraclorua với kali.
Đặc biệt là Antoine Henri Becquerel phát hiện ra tính phóng xạ là một đặc tính rất
quan trọng khi sử dụng urani vào năm 1896. Becquerel phát hiện ra tính chất này tại Paris
bằng cách cho một mẫu muối urani K2UO2(SO4)2 trên một tấm phim để trong ngăn kéo
và sau đó ông thấy tấm phim bị mờ giống như bị phủ sương mù (hình 1.1). Ông cho rằng
có một dạng ánh sáng không nhìn thấy được hoặc các tia phát ra từ urani tiếp xúc với tấm
phim. Sau đó, Marie Curie cùng chồng (Pierre Curie) và người thầy của mình (Henry
Becquerel) đã được trao tặng Giải Nobel Vật lý năm 1903.

Hình 1.1: Tính phóng xạ của uranium được thể hiện trên phim
GVHD : ThS. Hoàng Xuân Dinh

2


Luận văn tốt nghiệp

SVTH : Nguyễn Thế Hoàng

Nhưng quan trọng nhất và có ý nghĩa nhất đối với Urani là tính chất phân hạch của 235U,
được các nhà khoa học lỗi lạc E. Fermi (Ý), O. Hahn và Ph. Strassman (Đức) phát hiện
vào những năm 30 của thế kỷ trước.
Dưới tác dụng của nơtron, hạt nhân 235U (actino uran) bị phân ra hai mảnh và tạo ra
sản phẩm không bền là 236U. Vì không bền nên sẽ phân thành hai phần với những số khối
khác nhau và đồng thời giải phóng 2-3 neutron mới và toả ra một năng lượng lớn 200
MeV.

Hình 1.2: Phân hạch hạt nhân: Những hạt nơtron bắn vào hạt nhân Uranium khiến
cho hạt nhân Uranium vỡ ra thành nhiều hạt nhân nhỏ hơn và phóng thích một
nguồn năng lượng cực kỳ lớn
Trong những sản phẩm của sự phân chia hạt nhân Uran người ta tìm thấy gần 300
đồng vị của 36 nguyên tố khác nhau với số thứ tự từ 30 (Zn) - 65 (Tb).
Vì trong quá trình phân chia hạt nhân giải phóng ra những nơtron và những nơtron
với những điều kiện thích hợp lại tiếp tục bắn phá những nguyên tử khác tạo thành phản
ứng dây chuyền, nên phản ứng phân chia hạt nhân là một nguồn năng lượng rất lớn đồng
thời cũng là nguồn cung cấp những đồng vị sản phẩm của phản ứng.
Có 2 loại phản ứng phân hạch hạt nhân : phản ứng hạt nhân dây chuyền có điều
khiển và phản ứng dây chuyền tự phát.

1.2. TÍNH CHẤT
- Trạng thái vật chất : tồn tại ở thể rắn
- Khối lượng riêng ở nhiệt độ phòng 19.1 g/cm³
- Khối lượng riêng ở t nc 17,3 g/cm³
- Điểm nóng chảy :1405.3 K, 1132.2 oC, 2070 oF
- Điểm sôi : 4404 K, 4131oC, 7468 oF
- Nhiệt nóng chảy 9.14 kJ/mol
- Nhiệt bay hơi 417.1 kJ/mol
- Nhiêt dung riêng 27.665 J/(kg.K)
Urani là nguyên tố hóa học kim loại màu trắng thuộc nhóm Actini, có số nguyên
tử là 92 trong bảng tuần hoàn, được kí hiệu là U. Trong một thời gian dài, Urani là
nguyên tố cuối cùng của bảng tuần hoàn. Các đồng vị phóng xạ của urani có số neutron
GVHD : ThS. Hoàng Xuân Dinh

3


Luận văn tốt nghiệp

SVTH : Nguyễn Thế Hoàng
238

235

từ 144 đến 146 nhưng phổ biến nhất là các đồng vị U, U và 239U. Tất cả đồng vị của
urani đều không bền và có tính phóng xạ yếu. Urani có khối lượng nguyên tử nặng thứ 2
trong các nguyên tố tự nhiên, xếp sau plutoni-244. Mật độ của urani lớn hơn mật độ của
chì khoảng 70%, nhưng không đặc bằng vàng hay wolfram. Urani có mặt trong tự nhiên
với nồng độ thấp khoảng vài ppm( parts per million – một phần triệu) trong đất, đá, nước
và được sản xuất thương mại từ các khoáng sản chứa urani như uraninit.

Khi được tách ra, urani là kim loại có màu trắng bạc, phóng xạ yếu, mềm hơn thép
một chút, độ dương điện mạnh và độ dẫn diện kém. Nó dẻo, dễ uốn và có tính thuận từ.
Kim loại urani có mật độ rất lớn, đặc hơn chì khoảng 70%, nhưng nhẹ hơn vàng.
Trong tự nhiên, urani được tìm thấy ở dạng 238U (99.284%), 235U (0.711%) và một
lượng rất nhỏ 234U (0.0058%). Urani phân rã rất chậm phát ra hạt anpha. Chu kỳ bán rã
của 238U là khoảng 4.47 tỉ năm và của 235U là 704 triệu năm, do đó nó được sử dụng để
xác định tuổi của Trái Đất.
Urani kim loại phản ứng với hầu hết các nguyên tố phi kim và các hợp chất phi
kim với mức phản ứng tăng theo nhiệt độ. Axit clohidric và axit nitric hòa tan urani,
nhưng các axit không có khả năng ôxy hóa phản ứng với nguyên tố này rất chậm. Khi
chia nhỏ, urani có thể phản ứng với nước lạnh; khi tiếp xúc với không khí, kim loại urani
bị phủ một lớp ôxit urani màu đen. Urani trong quặng được tách bằng phương pháp hóa
học và chuyển đổi thành urani ôxit hoặc các dạng khác có thể dùng trong công nghiệp.
Kim loại urani có 3 dạng thù hình:
α (trực thoi) bền với nhiệt độ lên đến 660 oC
β (tứ giác) bền ở nhiệt độ từ 660 oC đến 760 oC
γ (lập phương tâm khối) bền từ 760 oC đến điểm nóng chảy đây là trạng thái
dẻo và dễ uốn nhất.

1.3. NGHIÊN CỨU PHÂN HẠCH
Enrico Fermi và các cộng sự tạo ra phản ứng dây chuyền tự duy trì đầu tiên
(1942).
Năm 1934 một nhóm nghiên cứu do Enrico Fermi lãnh đạo đã phát hiện thấy việc
bắn phá urani bằng neutron sẽ sản sinh ra các tia beta (electron hoặc positron sinh ra từ
các nguyên tố). Các sản phẩm phân hạch đầu tiên bị nhầm lẫn là các nguyên tố mới có số
nguyên tử là 93 và 94. Theo đó, trưởng khoa Rome, ông Orso Mario Corbino tin rằng đó
là ausoni và hesperi. Các thí nghiệm của Otto Hahn và Fritz Strassmann đã đưa đến việc
phát hiện ra khả năng mà urani phân hạch thành các nguyên tố nhẹ hơn và giải phóng
năng lượng liên kết, trong phòng thí nghiệm của Hahn ở Berlin. Tháng 2-1939, Lise
Meitner cùng người cháu là nhà vật lý Otto Robert Frisch đã công bố các giải thích về

mặt vật lý, đồng thời đặt tên quá trình này là 'phản ứng phân hạch hạt nhân'. Không lâu
sau đó, Fermi giả thuyết rằng sự phân hạch của urani có thể giải phóng đủ số neutron để
duy trì một phản ứng phân hạch. Năm 1939, giả thuyết này được xác nhận, và nghiên cứu
sau đó phát hiện rằng trung bình có khoảng 2,5 neutron được giải phóng từ mỗi lần phân
hạch của đồng vị hiếm của urani là 235U. Nghiên cứu tiếp theo phát hiện rằng đồng vị phổ
biến hơn là 238U có thể bị chuyển đổi thành plutoni và đồng vị này, giống như 235U, cũng
có khả năng phân hạch bằng các nơtron nhiệt. Các phát hiện này đã thúc đẩy việc chế tạo
vũ khí hạt nhân và điện hạt nhân ở một số quốc gia.
Ngày 2 tháng 12 năm 1942, một nhóm nghiên cứu thuộc dự án Manhattan do
Enrico Fermi lãnh đạo đã có thể bắt đầu thực hiện phản ứng hạt nhân dây chuyền nhân
tạo đầu tiên tại lò phản ứng Chicago Pile-1. Tiến hành nghiên cứu trong phòng thí
nghiệm dưới sự phụ trách của Stagg Field ở Đại học Chicago, nhóm này đã tạo ra những
GVHD : ThS. Hoàng Xuân Dinh

4


Luận văn tốt nghiệp

SVTH : Nguyễn Thế Hoàng

điều kiện cần thiết để một phản ứng xảy ra bằng cách lấp 360 tấn than thỏi, 53 tấn urani
ôxit và 5.5 tấn urani kim loại.

GVHD : ThS. Hoàng Xuân Dinh

5


Luận văn tốt nghiệp

SVTH : Nguyễn Thế Hoàng

Chương 2 : CÁC PHƯƠNG PHÁP LÀM GIÀU URANIUM
2.1. KHÁI NIỆM
Các phương pháp làm giàu Uranium là phương pháp làm tăng độ tinh khiết của
đồng vị 235U trong hỗn hợp các đồng vị của Uranium.

2.2. LỊCH SỬ LÀM GIÀU URANIUM
Quá trình làm giàu uranium lần đầu tiên được phát triển trong những năm 1940
như là một phần của Dự án Manhattan ở Oak Ridge do Fermi lãnh đạo để phục vụ cho
việc làm nhiên liệu cho các lò phản ứng hạt nhân lúc bấy giờ. Từ đó bắt đầu hình thành
nên các phương pháp để làm giàu Uranium.

2.3. QUY TRÌNH LÀM GIÀU CHUNG
Làm giàu urani (urani enrichment) là một công đoạn khó khăn và tốn kém trong
chu trình nhiên liệu hạt nhân. Ước tính công đoạn này chiếm 31% trong giá thành nhiên
liệu dùng trong lò phản ứng hạt nhân.

Hình 2.1: Chu trình sản xuất nhiên liệu hạt nhân
Trước khi làm giàu urani, quặng urani sau khi qua nhiều giai đoạn thao tác biến
thành một chất bột nhão màu vàng gọi là “bánh vàng” (yellow cake).
Chất này chủ yếu là oxit urani, do urani là một kim loại bị oxi hóa rất nhanh khi tiếp xúc
với oxi của không khí, biến thành oxit urani. Trước hết, urani oxit cần phải được loại bỏ
hết tạp chất qua nhiều giai đoạn làm tinh khiết. Sau khi đã đạt độ tinh khiết rất cao, oxit
urani được chuyển hoá thành tetrafluorua urani (UF4), sau đó lại được biến thành urani
hexafluorua (UF6), chất này có đặc tính là tồn tại ở thể khí bắt đầu từ 56oC.

GVHD : ThS. Hoàng Xuân Dinh

6


Luận văn tốt nghiệp

SVTH : Nguyễn Thế Hoàng

Hình 2.2: Bánh vàng
 Uranium hexafluoride (UF6)
Uranium hexafluoride (UF6) là một hợp chất hóa học bao gồm một nguyên tử
uranium kết hợp với 6 nguyên tử flo. Đây là hợp chất uranium được sử dụng trong quá
trình làm giàu uranium sản xuất nhiên liệu cho các lò phản ứng hạt nhân và các vũ khí hạt
nhân. Nó tạo thành các tinh thể rắn màu xám ở nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn, có độc tính
cao, phản ứng mãnh liệt với nước và ăn mòn hầu hết các kim loại. Nó phản ứng nhẹ với
nhôm, tạo thành một lớp bề mặt mỏng AlF3.

Hình 2.3: Biểu đồ pha của UF6
Nó được sử dụng trong cả hai các phương pháp làm giàu uranium chính là khuếch
tán khí và các phương pháp li tâm khí, bởi vì nó có một điểm ba tại 64oC (147oF, 337 K)
và cao hơn một chút so với áp suất khí quyển. Ngoài ra, Flo chỉ có duy nhất đồng vị tự
nhiên ổn định, vì vậy các đồng vị của UF6 khác nhau về trọng lượng phân tử của chúng
chỉ dựa vào uranium.

GVHD : ThS. Hoàng Xuân Dinh

7


Luận văn tốt nghiệp

SVTH : Nguyễn Thế Hoàng

Hình 2.4: Tinh thể UF6
Lưu trữ lâu dài của DUF6 trong môi trường có thể ảnh hưởng đến sức khỏe và các
rủi ro an toàn vì tính hóa học không ổn định của nó. UF6 không dễ cháy, không nổ và trơ
trong không khí khô. Tuy nhiên, khi UF6 được tiếp xúc với không khí ẩm, nó phản ứng
với nước trong không khí tạo ra UO2F2 (uranyl fluoride) và HF (hydrogen fluoride) cả hai
đều có tính hòa tan cao và độc hại. Xi lanh lưu trữ phải được thường xuyên kiểm tra các
dấu hiệu ăn mòn và rò rỉ.
Tất cả các công nghệ làm giàu được sử dụng trên quy mô công nghiệp đòi hỏi
một môi trường xử lí khí an toàn. Uranium hexafluoride (UF6) là hợp chất hóa học thích
hợp bởi vì nó có đủ áp suất hơi cao ở nhiệt độ phòng.
UF6 là một vật liệu màu trắng rắn ở nhiệt độ phòng, được vận chuyển bằng bình
chứa và trong quá trình vận chuyển áp lực bên trong các thùng chứa nhỏ hơn áp suất khí
quyển bên ngoài.
Đồng vị 235U và 238U có tính chất hóa học giống hệt nhau, nhưng khác nhau về
tính chất vật lý, đáng chú ý là khối lượng của chúng. Hạt nhân nguyên tử 235U có chứa 92
proton và 143 nơtron. Hạt nhân 238U cũng có 92 proton, nhưng có 146 nơtron nhiều hơn
235
U ba nơtron.
 Có ba loại kỹ thuật tách đồng vị
- Trực tiếp dựa trên trọng lượng nguyên tử của đồng vị.
- Dựa trên sự khác biệt nhỏ trong tốc độ phản ứng hóa học được tạo ra bởi các trọng
lượng nguyên tử khác nhau.
- Dựa trên thuộc tính không trực tiếp kết nối với trọng lượng nguyên tử, chẳng hạn như
cộng hưởng hạt nhân.
- Dựa vào sự khác biệt về khối lượng giữa 235U và 238U cho phép các đồng vị được tách ra
và làm cho nó có thể tăng hoặc “làm giàu” tỷ lệ phần trăm của 235U. Tất cả các quá trình
làm giàu hiện nay, trực tiếp hoặc gián tiếp đều sử dụng sự khác biệt này.
Quá trình làm giàu uranium thực hiện được ở một dạng khí với nhiệt độ tương đối

thấp, do đó uranium oxide từ mỏ được chuyển đổi thành uranium hexafluoride trong một
quá trình sơ bộ tại một nhà máy chuyển đổi riêng biệt.

GVHD : ThS. Hoàng Xuân Dinh

8


Luận văn tốt nghiệp

SVTH : Nguyễn Thế Hoàng

Uranium rời khỏi mỏ là một oxit được gọi là U3O8 hoặc là một peroxide. Nó vẫn
còn chứa một số tạp chất và trước khi làm giàu có để được tiếp tục tinh chế trước khi
được chuyển đổi thành uranium hexafluoride (UF6).
 Quy trình chuyển đổi hóa học
Trong quá trình khô, uranium oxide đậm đặc đầu tiên được nung (nung nóng mạnh
mẽ) để tách một số tạp chất, sau đó được đóng bánh và nghiền nát.
Đối với quá trình ướt, uranium oxide được hòa tan trong axit nitric. Các giải pháp của
uranyl nitrat UO2(NO3 )2.6H2O được đưa vào quá trình chiết dung môi ngược, sử dụng
tributyl phosphate hoà tan trong dầu hỏa hoặc dodecane (còn được gọi
là dihexyl , bihexyl , adakane
12
duodecane )
là
một
chất
lỏng ankan hydrocarbon với công thức hóa học là CH3(CH2)10CH3 (hoặc C12 H26 ) là một
chất lỏng dầu parafin. Uranium được thu bởi tách chiết xuất hữu cơ, mà từ đó nó có thể
được làm sạch bằng dung dịch axit nitric loãng và sau đó thu bằng cách bay hơi. Giải

pháp này sau đó được nung trong lò phản ứng tầng sôi sản xuất UO3 (hoặc UO2 nếu nước
đủ nóng).
U3O8 được tinh khiết từ quá trình khô và làm tinh khiết UO3 từ quá trình ướt sau đó được
khử trong một lò nung bằng hydro thành UO2 :
U3O8 + 2H2  3UO2 + 2H2O,

H = -109 kJ / mol

hoặc
UO3 + H2  UO2 + H2O,

H = -109 kJ / mol

UO2 sau đó được phản ứng trong lò khác với khí hydro florua (HF) để tạo thành
tetrafluoride uranium (UF4 ), mặc dù ở một số nơi được thực hiện với dung dịch HF bởi
một quá trình ướt :
UO2 + 4HF  UF4 + 2H2O,

 H = -176 kJ / mol

Uranium Tetrafluoride sau đó được đưa vào một lò phản ứng tầng sôi hoặc lungvới flo ở
dạng khí để sản xuất uranium hexafluoride . Sau đó UF6 được ngưng tụ và lưu trữ.
UF4 + F2  UF6
Quá trình loại bỏ tạp chất diễn ra ở từng bước.
Đặc biệt UF6 ẩm và có tính ăn mòn cao. Khi nóng nó là một chất khí, thích hợp
cho sử dụng trong quá trình làm giàu. Ở nhiệt độ thấp hơn và chịu áp lực vừa phải, UF6
có thể được hóa lỏng và vận chuyển vào xi lanh được thiết kế đặc biệt bằng thép dày bao
quanh và cân nặng trên 15 tấn khi đầy. Khi lạnh đi, UF6 lỏng trong xi lanh trở thành một
chất rắn kết tinh màu. Sau đó UF6 được làm nguyên liệu cho quá trình vật lí tách đồng vị
riêng biệt 235U và 238U với nhiều phương pháp khác nhau.

 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình làm giàu
 Đơn vị phân tách : (Separative work unit – SWU) được đo bằng kg SWU
Định nghĩa :
GVHD : ThS. Hoàng Xuân Dinh

9


Luận văn tốt nghiệp

SVTH : Nguyễn Thế Hoàng

Đơn vị phân tách (SWU) là một đơn vị phức tạp đó là một hàm lượng uranium xử
lý và mức độ mà nó được làm giàu, tức là mức độ gia tăng nồng độ của đồng vị 235U
tương đối so với phần còn lại. Lượng phân tách, cần thiết cho chương trình làm giàu
uranium được đo bằng đơn vị đặc biệt được gọi là đơn vị phân tách (SWU). SWU là một
thước đo của số lượng công việc được thực hiện trong quá trình của các đồng vị tách.
Chúng thường được thể hiện trong các đơn vị SWUs kg, hoặc SWUs tấn. Một SWU sẽ
đòi hỏi một lượng năng lượng khác nhau tùy thuộc vào quá trình làm giàu được sử dụng.
Các yếu tố tách lý thuyết được giảm đi bởi hiệu suất trong dòng chảy đối lưu và
dòng nguyên liệu đầu vào và hệ thống. Nó cung cấp cho các chương trình làm giàu rời
rạc trong một bước làm giàu. Để có được một ước tính tổng số các máy li tâm cần thiết
để có được một mức độ nhất định làm giàu, người ta sử dụng khái niệm đơn vị phân tách.
Nó phụ thuộc vào sản phẩm làm giàu và làm nghèo của các đồng vị, cũng như khối lượng
của khí khi xử lý. Đơn vị phân tách (SWU) có thứ nguyên là khối lượng, kể từ khi các
yếu tố làm giàu và sự làm nghèo không là thứ nguyên thì việc làm giàu sử dụng đơn vị kg
phân tách.

Hình 2.5: Sơ đồ minh họa cho một đơn vị phân tách
Làm giàu U trong UF6 là một quá trình khó khăn. Khi cả hai đồng vị 235U và

238
U có cùng số proton và electron, phương pháp tách hóa học không thể áp dụng được và
phải sử dụng kĩ thuật đặc biệt để tách chúng, dựa vào sự khác biệt về khối lượng là 2%
của hai đồng vị.
235

Product
Feed
Mf, xf

Enrichment
plant

Mp, xp

Tails

Mt, xt

Hình 2.6 - Sơ đồ dòng chảy cơ bản trong một nhà máy làm giàu
GVHD : ThS. Hoàng Xuân Dinh

10


Luận văn tốt nghiệp

SVTH : Nguyễn Thế Hoàng

Trong quá trình tách có ba loại khối lượng. Mf là khối lượng của nguyên liệu đầu

vào trong quá trình tách (nguyên liệu thức ăn). Mp là khối lượng của sản phẩm, Mt là khối
lượng của phế phẩm. Giả sử không có vật liệu bị mất trong quá trình này, ta có thể viết:
M f = Mp + M t
1)
235
Chúng ta có thể viết về tổng cộng vật chất của U là : xfMf = xpMp + xtMt
Trong đó xf, xp, xt là nồng độ của 235U trong hỗn hợp đồng vị.
 x p  xt 
.M
Mf 
x x  p
t
 f

2)

Từ phương trình này, chúng ta có thể tính toán số lượng Uranium tự nhiên cần
thiết trong quá trình tách dự kiến làm giàu uranium. Đối với lò phản ứng hạt nhân yêu
cầu 50 tấn uranium với xp = 0.043. Do đó, chúng tôi phải cung cấp 430 tấn uranium tự
nhiên, giả sử xt = 0.0024, xf = 0.00711.
Kể từ khi quá trình tách tiêu hao năng lượng, chúng ta đưa ra một đơn vị đặc biệt gọi là
đơn vị phân tách công việc (SWU). Khái niệm này được dựa trên các định luật của nhiệt
động lực học, có các nguyên tử tách riêng trước pha trộn. SWU được tính từ hàm giá trị:
1 x 

 x 

V (x) = (1- 2x) . ln

Hình 2.7: Đồ thị hàm giá trị của hàm V(x)

Trong đồ thị hàm V(x) là thứ nguyên. Trong điều kiện của SWU chúng ta viết:
SWU = MpV(xp) +MtV(xt) - MfV(xf )
Và
Mf - Mp = Mt, Vì thế chúng ta có thể loại bỏ khối lượng của phế phẩm (Mt).
SWU = Mp[V(xp) -V(xt)] - Mf [V(xf ) -V(xt)]
3)
 Các yếu tố tách đồng vị
Yếu tố tách là khả năng của một quá trình tách đồng vị riêng biệt. Nó được định
nghĩa là :
 xp
  
1 x p


/



 xt

 1  xt





4)

Trong trường hợp này tử số là tỉ lệ phân tử của các dòng sản phẩm và mẫu số là tỉ
lệ phân tử dòng phế phẩm. Chúng ta có thể thể hiện các dòng sản phẩm và phế phẩm xp

và xt theo :
GVHD : ThS. Hoàng Xuân Dinh

11


Luận văn tốt nghiệp

SVTH : Nguyễn Thế Hoàng

R 

xp
1 xp

,

x
1
R t

1  xt

5)

Trong đó R = xf/(1-xf).Hai dòng không phân chia bằng nhau. Một yếu tố giữa 0 và
1, còn được gọi là yếu tố cắt giảm  , chia tách các dòng đầu vào là  và 1-  là đầu ra
tương ứng. Dòng khí xp, được định nghĩa là số phân tử trên mỗi đơn vị thời gian(1/s) và
được viết như sau :
6)

 xp+ (1-  )xt = xf
Từ hai phương trình trên, ta suy ra :
 R
1   R /   R

1  R /   1  R
1  R

 

( R  1)
(  1)( R  1)

7)

 Giới thiệu về thác
Trong quá trình làm giàu, một yếu tố tách duy nhất là không đủ để sản xuất làm
giàu với cấp độ mong muốn. Vì lý do này, các máy tách được kết nối song song với
nhau được gọi là giai đoạn để sản xuất ra số lượng sản phẩm lớn hơn. Các giai đoạn
sau đó được kết nối trong một chuỗi để đạt được mức độ làm giàu cao hơn. Các cấu
hình như vậy được gọi là thác.

Hình 2.8: Sơ đồ một giai đoạn làm giàu
Sau khi giảm áp lực của van điều khiển, UF6 được đưa vào thác. Thác bao
gồm nhiều máy tách kết nối với nhau bằng các đường ống. Bên trong thác, dòng khí được
lưu thông thành hai dòng. Dòng được làm giàu 235U và dòng làm nghèo 235U.
UF6 khí ở áp suất rất thấp được rút ra từ thác máy nén tăng áp lực của khí. Nó
được đưa ra đường ống để vận chuyển trong hộp làm mát là nơi UF6 lưu trữ.
Hiệu quả tách dòng thác được thể hiện trong các đơn vị phân tách được tính bằng
một công thức tiêu chuẩn. Công việc tách được định nghĩa như là một biện pháp cần thiết

trong một cơ sở làm giàu uranium riêng biệt để tách thành 2 thành phần với một tỉ lệ
phần trăm cao hơn và một tỉ lệ thấp hơn của 235U. Đơn vị phân tách là kg SWU. Vật chất
GVHD : ThS. Hoàng Xuân Dinh

12


Luận văn tốt nghiệp

SVTH : Nguyễn Thế Hoàng

ban đầu được gọi là “nguyên liệu đầu vào”. Phần nhỏ với một tỷ lệ cao hơn của 235U
được gọi là “sản phẩm”, phần khác được gọi là “phế phẩm”.
- Thác có hai loại kết nối cơ bản :
+ Kết nối nối tiếp: Đầu ra của một máy tách kết nối trực tiếp vào đầu vào của máy li tâm
thứ hai. Loại kết nối này rõ ràng là không có hiệu quả, kể từ khi các yếu tố làm giàu và
rất nhiều uranium bị mất. Đối với một thác của 10 máy li tâm được kết nối nối tiếp và
đầu vào là 10000 kg với 0.711%, làm giàu 8,81% và tổng khối lượng 2.66 kg. Rõ ràng
không phải là cách tốt nhất để thực hiện.
+ Trong trường hợp kết nối song song các kết quả đầu ra của 10 máy tách được kết nối,
mỗi buồng có nguồn cấp dữ liệu riêng của mình. Một lần nữa một thác 10 máy tách với
một đầu vào của 10000 kg và làm giàu là 0.711%, chúng ta nhận được trong sản phẩm
dòng việc làm giàu thêm 0.92% và khối lượng tổng cộng 4.362 kg. Mà về cơ bản giống
như cho vào cùng một dòng đầu vào thành 20 máy tách.
output
input

output
A

input

B
BBB

A

B
B

A

waste
waste
waste
waste
Kết nối nối tiếp
Kết nối song song
Hình 2.9: Sơ đồ hai loại kết nối của thác
Rõ ràng là chúng ta lãng phí uranium quá nhiều trong quá trình này. Do đó một
thác lí tưởng được thiết kế. Trong trường hợp này, thực hiện một xấp xỉ đơn giản.
Phương trình trên được viết lại với   1


1

,1 
 1
 1

 không còn là một hàm tập trung đầu vào. Trong một thác như thế này các chất thải từ

một máy tách được đưa trở lại vào các máy tách trước để được tái chế.
Sơ đồ sau đây đã được xây dựng với giả định được đưa ra bởi phương trình trình
trên.



1 

1

2

  23



2



3

Tails
product
Product

 2

 2

3

1  

2

23

input
Hình 2.10: Thác lí tưởng đối xứng
GVHD : ThS. Hoàng Xuân Dinh

13


Luận văn tốt nghiệp

SVTH : Nguyễn Thế Hoàng

Chúng ta bắt đầu ở cạnh bên sản phẩm và đảo ngược phương pháp làm giàu. Máy
tách tận cùng bên trái chia tách dòng nguyên liệu đầu vào :
1
F 1 F 1
1 
  1F  T   (  1)  T  
 1

F  1 

Sau đó, công việc này được lặp đi lặp lại cho đến khi chúng đến các dòng đầu ra. Quá
trình ngược lại sau đó một lần nữa được sử dụng từ phía đầu phế phẩm của thác lí tưởng.
Yếu tố làm giàu sau đó là  N , trong đó N là số giai đoạn.
Thác loại này thường không đối xứng có nghĩa là các nhánh sản phẩm dài hơn nhánh phế
phẩm. Thiết kế thác là một hình thức nghệ thuật riêng của chính nó và thác thường được
thiết kế để phù hợp với nhu cầu của từng công việc.
Câu hỏi đặt ra là : có bao nhiêu giai đoạn chúng ta cần cho mỗi cạnh ? Bây giờ chúng ta
giới thiệu các giai đoạn, kể từ khi chúng ta có thể có nhiều hơn một máy tách trong từng
giai đoạn, có nghĩa là chúng được kết nối song song. Đối với sản phẩm ở cạnh bên chúng
ta viết :
xf
1 xf

N 

xp
1 xp

 N

 xp
xf
ln 
/
1  x 1  x
 xp   x f 
p
f
 /

  NP  

1  x  1  x 
ln  
p  
f 







8)

Đối với cạnh phế phẩm :
 xf
x
ln 
/ t
1 x 1 x
f
t
NT  
ln  




 1

9)

Chúng ta xét một bài toán:
Ta bắt đầu làm giàu Uranium với nồng độ thức ăn là xf = 0.00711, làm giàu thấp với
xp=0.043 và xt=0.0028. Sau khi tính được  ta suy ra Np=9, NT=5. Khi chuỗi thức ăn
chính đã được trừ từ số lượng chuỗi phế phẩm.
Câu hỏi đặt ra cần bao nhiêu kg U tạo ra được 50 kg HEU (93%). Sử dụng công thức (2)
chúng ta cần có 11038 kg thức ăn là hỗn hợp đồng vị U để sản xuất ra 1153 kg LEU.
Sử dụng công thức (3) để tính ra đơn vị tách cần để sản xuất 50 kg HEU là 10382 SWU.
Để sản xuất ra 1025 kg LEU cần 7096 SWU.
Rõ ràng rằng nếu chúng ta bắt đầu làm giàu từ LEU đến HEU, chúng ta chỉ cần 3286
SWU.
Một máy li tâm tiêu chuẩn có thể sản xuất khoảng 2.5 SWU/ năm (số lượng thay đổi).
Sản xuất số lượng của LEU trong một năm sẽ yêu cầu 2800 máy tách hoặc ba năm với
khoảng 900 máy tách.
Trong một thác lí tưởng, phải liên tục nuôi nguyên liệu vào thác. Ta biết số lượng của các
giai đoạn cần thiết để đạt được mong muốn làm giàu, nhưng có bao nhiêu máy tách trong
từng giai đoạn?
Kể từ khi thiết kế và xây dựng máy tách đồng vị là một quá trình tốn kém, các
máy thường giống nhau và được xây dựng trên quy mô lớn. Vì vậy tất cả các máy trong
một thác lí tưởng hoạt động tốt nhất khi chúng có cùng một dòng ở đầu vào.
GVHD : ThS. Hoàng Xuân Dinh

14


Luận văn tốt nghiệp

SVTH : Nguyễn Thế Hoàng

Số lượng máy tách là một hàm của  , kể từ khi tất cả các máy sẽ sản xuất một dòng sản
phẩm  Lin = Lp và dòng chất thải (  -1) Lin = Lt Tuy nhiên  cũng là một hàm của 
như phương trình (7).
Từ đó ta có phương trình :
N i Liin  N i1 Lip1  N i1 Lit1

10)

Trong đó
Ni là số lượng máy li tâm trong giai đoạn thứ i
Lin số dòng đầu vào
Lp là số dòng đầu ra sản phẩm
Lt là số dòng đầu ra phế phẩm
Tiếp theo là 1   i Liin  Lt

Lit
i
1   i 1

Liin 

Lit1 

Và

i 1

Lip1


Thế phương trình (11) vào phương trình (10) ta được :
N i Liin  N i 1 Lip1 

Cuối cùng thay Liin 

Lip



i



1   i 1 i 1 i 1
N Lp
 i 1

11)

12)



i
i i
và Lt  1 Lin ta được :

N

i

Lip

i

 N i 1 Lip1 

1   i 1 i 1 i 1
N Lp
 i 1

13)

2.4. CÁC PHƯƠNG PHÁP TÁCH ĐỒNG VỊ URANIUM
2.4.1. Phương pháp li tâm khí
2.4.1.1. Lịch sử phát triển
Việc sử dụng máy li tâm để tách đồng vị lần đầu tiên được đề xuất bởi các nhà
khoa học Anh là Lindeman và Aston vào năm 1919, ngay sau khi sự tồn tại của các đồng
vị đã được thực nghiệm xác nhận. Trong những năm sau, máy li tâm nguyên thủy đã
được thử nghiệm bởi một số nhóm, nhưng các thí nghiệm của họ đã chứng minh không
thành công, quá mức truyền nhiệt qua vách của rotor máy li tâm tạo ra dòng đối lưu trộn
lẫn khí, phủ nhận tác dụng phân tách của máy li tâm.
Năm 1934, Jesse Beams tại Đại học Virginia đã có cái nhìn sâu sắc về cô lập nhiệt
các rotor li tâm bằng cách đặt nó bên trong chân không và đã tách thành công các đồng vị
của Clo. Thiết kế ban đầu bao gồm rotor hình ống kết nối đồng trục với rotor gắn kết
trong lực đẩy vòng bi bên ngoài vỏ chân không. Một tuyến dầu nặng cho vào khoảng
cách giữa trục và vỏ. Việc thiết kế về chức năng là cơ bản, nhưng ma sát trong vòng bi và
xung quanh các tuyến dầu tiêu thụ khá nhiều năng lượng, do đó làm nóng khí, làm giảm
khả năng phân tách, tăng chi phí điều hành và làm giảm tuổi thọ của thiết bị.

Khi Dự án Manhattan đã bắt đầu, máy li tâm kiểu này được coi là như là một công
nghệ ứng cử cho tập trung 235U cho các lò sản xuất vũ khí hạt nhân đầu tiên. Beam đã
được yêu cầu giám sát dự án máy li tâm và dẫn một đội ngũ thiết kế tại Đại học Virginia.
Phòng thí nghiệm nghiên cứu Westinghouse được giao nhiệm vụ xây dựng các máy sản
xuất đầu tiên và thử nghiệm đã được thực hiện tại Công ty Phát triển Standard Oil ở
GVHD : ThS. Hoàng Xuân Dinh

15


Luận văn tốt nghiệp

SVTH : Nguyễn Thế Hoàng

Bayway, New Jersey. Nhóm nghiên cứu tại Đại học Virginia đã thiết kế một máy siêu tới
hạn với 7.35 inch đường kính và 136 inch dài, hoạt động với tốc độ 270 m /s trong một
chế độ bốn dòng.
Westinghouse xây dựng một phiên bản nhỏ hơn một chút với 7.2 inch đường
kính, 132 inch dài hoặc 7.2 inch đường kính và 42 inch dài. Quá trình kiểm tra tách bắt
đầu với các đơn vị dưới tới hạn trong tháng 8 năm 1943 và tiếp tục với 93 ngày trong 99
ngày trước khi các tuyến dầu phát triển một sự rò rỉ gây ra cho các máy li tâm sụp đổ với
215 m/s vào tháng 12 năm 1943. Chương trình được chấm dứt và quản lý dự án làm giàu
Harold Urey một vài tuần sau đó ủng hộ phương pháp khí khuếch tán.
Sau chiến tranh thế giới thứ hai, các nhóm khác nhau trên khắp thế giới đã làm
việc để giảm vấn đề ma sát trong một nỗ lực để làm cho máy li tâm cạnh tranh với
khuếch tán khí.
Tiến bộ hơn với vòng bi lực đẩy được sản xuất tại Đức và tại Viện Franklin ở
Philadelphia. Sau đó một thời gian ngắn đã thử nghiệm với hệ thống treo từ tính như là
một sự thay thế. Tuy nhiên, Ủy ban Năng lượng nguyên tử Mỹ (AEC) cuối cùng đã quyết
định không theo đuổi công nghệ máy li tâm. Năm 1951, Ủy ban về tách đồng vị của

Phòng Nghiên cứu đã mạnh mẽ khuyến cáo chống lại một sự phục hồi sau chiến tranh,
lưu ý rằng máy li tâm có thể không cạnh tranh kinh tế với công nghệ hiện có là khuếch
tán khí. Đó sẽ thay đổi vào năm 1953 khi nhóm của Đức dẫn đầu bởi Wilhelm Groth và
Konrad Beyerle và một nhóm Hà Lan do Jacob Kistemaker, bắt đầu khẳng định rằng máy
li tâm của họ sẽ sớm có nhiều kinh tế hơn so khuếch tán kiểu Mỹ.
Lo ngại sự mất độc quyền làm giàu uranium của họ, Ủy ban Năng lượng nguyên tử Mỹ
quyết định phục hồi nghiên cứu máy li tâm trong tháng 9 năm 1954. Tuy nhiên, sự phục
hồi là rời rạc: không có máy này được xây dựng vì AEC tin tưởng rằng nó sẽ có thể truy
cập vào công nghệ của Đức và tại thời gian tiên tiến nhất ở phương Tây. Nhiệm vụ quan
trọng nhất thực hiện là một nghiên cứu vật liệu có độ bền cao và rotor siêu tới hạn.
Nhiệm vụ Arthur R. Kuhlthau tại Đại học Virginia vào tháng 8/1956.
Máy li tâm Zippe tại Đại học Virginia
Trong mùa hè năm 1956, Liên Xô bắt đầu cho hồi hương các nhà khoa học Đức bị
giam cầm đã làm việc về chương trình làm giàu uranium tại Viện A và G tại Sukhumi
trên Biển Đen. Oswald Francis ("Mike") Schuette của Văn phòng Tình báo Hải quân Hoa
Kỳ có nhiệm vụ xét hỏi các nhà khoa học Đức trở về. Bởi cơ hội, một trong các đối tượng
của mình là Gernot nhà khoa học Áo là Zippe, bị thương ở Đức chỉ vì anh không thể đủ
khả năng giá vé đường sắt đến quê hương Áo. Zippe đã trở thành một người hướng dẫn
bay cho không quân Đức sau khi ông đã hoàn thành bằng tiến sĩ của mình. Ông đã bị bắt
bởi lực lượng Xô Viết và gửi đến trại giam Krasnogorsk, nhưng khi đến Liên Xô đã học
được kỹ thuật của mình nên ông bị chuyển đến Viện A, nơi ông đã được đặt phụ trách cơ
khí phát triển cho chương trình máy li tâm của Liên Xô.
Báo cáo hoạt động Zippe Schutte thu hút sự quan tâm của tình báo Phòng của Ủy ban
Năng lượng nguyên tử của Mỹ. Họ sắp xếp để mang Zippe đến Hoa Kỳ vào năm 1957
theo một hộ chiếu giả và giả định tên của "Tiến sĩ Schubert ". Nhà khoa học và quan chức
tình báo thẩm vấn Zippe trong một phiên họp cả ngày tại khách sạn Shoreham ở
Washington, DC. Tiếp theo đó là một cuộc trao đổi vài ngày sau đó tại Đại họcVirginia.
Zippe tiết lộ rằng anh và Liên Xô đã làm việc hoàn thành thiết kế mới lạ đã bỏ đi các
vòng bi lực đẩy và tuyến dầu có vấn đề trong máy li tâm Mỹ. AEC sắp xếp để Zippe trở
về Hoa Kỳ về hợp đồng Đại học Virginia, nơi ông nhân rộng các máy Liên Xô với số

GVHD : ThS. Hoàng Xuân Dinh

16


Luận văn tốt nghiệp

SVTH : Nguyễn Thế Hoàng

lương $10.000 trong tháng 8/1958, Zippe trở về Virginia và chưa đầy một năm sau đó,
ông đã sản xuất một bản sao làm việc của máy li tâm Liên Xô.
Trong chương trình Hoa Kỳ mở rộng Karl Cohen có đóng góp lý thuyết xuất hiện sau này
trong bài viết đã được yêu cầu đánh giá công việc của Ủy ban Năng lượng nguyên tử của
Zippe.
Ông khuyên Ủy ban mở rộng những nỗ lực li tâm của nó theo hướng của thiết kế của
Liên Xô. Tháng 4/1960, Phòng Nghiên cứu thông qua một chương trình được đặt tại nhà
máy Oak Ridge khuếch tán khí dưới sự quản lý của Tổng công ty Union Carbide, Sư
đoàn hạt nhân. Làm việc được bắt đầu từ ngày 1/11/1960 bao gồm việc xây dựng một
thác dựa trên thiết kế của Liên Xô, cũng như cải tiến lý thuyết li tâm và tiếp tục nghiên
cứu về vật liệu mới. Các máy ban đầu là 3 inch đường kính rotor nhôm được sao chép từ
các bản sao Zippe. Chương trình được phát triển hơn với vật liệu có độ bền cao hơn, bao
gồm sợi thủy tinh bọc nhôm và composite. Chương trình cũng chuyển từ 6 inch đường
kính và sau đó đến 10, 14, 19, 20, 24 inch đường kính.
Trọng tâm trong những năm 1960 là nâng cao hiệu quả hoạt động của máy móc.
Công việc đã được phân chia giữa Union Carbide ở Oak Ridge và Công ty Sản xuất
AirResearch tại Torrance, California. Chỉ mất hai năm cho chương trình để di chuyển từ
mô hình Zippe ban đầu để một máy với hơn 2 SWU/ năm và bảy năm để đạt được một
máy với 30 SWU/ năm. Đến cuối những năm 1960, công nghệ được coi là trưởng thành,
đủ để xem xét thử nghiệm độ tin cậy lâu dài. Vì thế, máy li tâm thế hệ I bắt đầu thử

nghiệm độ tin cậy với các thiết bị mới được xây dựng. Cơ sở thử nghiệm trong năm 1972
và tiếp tục cho đến ít nhất là 1977. Máy sản xuất kỹ thuật đã được nghiên cứu tại phòng
thí nghiệm chuẩn bị hợp phần ở Oak Ridge và Torrence bắt đầu vào năm 1974. Ngoài
thiết lập thử nghiệm, cơ bản máy thiết kế tiếp tục, dẫn đến sự phát triển bổ sung. Kiểm tra
độ tin cậy cho thế hệ II bắt đầu vào năm 1974, và thiết đặt III trong năm 1977. Thiết lập
cuối cùng đã được thử nghiệm trên quy mô lớn với 50,000 SWU/ năm ở cơ sở thử
nghiệm tại Oak Ridge.
Trong cuối những năm 1970, Bộ Năng lượng Mỹ dự đoán rằng nhu cầu điện hạt
nhân tăng và do đó làm giàu uranium sẽ tăng trưởng đáng kể trong thập kỷ tới. Nhà máy
khuếch tán khí có thể bị tạm ngưng, DOE đề xuất một cơ sở máy li tâm thương mại quy
mô để đáp ứng nhu cầu làm giàu trong tương lai. Năm 1977, Quốc hội cho phép 8.8 triệu
SWU/năm ở nhà máy Portsmouth, Ohio. Các giai đoạn đầu tiên của nhà máy đã được dựa
trên thiết kế thứ III của máy li tâm : 24 inch đường kính, dài 40 feet, 200 SWU/năm cho
mỗi máy. Tuy nhiên, nó trở nên rõ ràng rằng nhu cầu làm giàu uranium không tăng như
dự đoán, cạnh tranh mở rộng các chương trình về chi phí với nhà máy khuếch tán khí bị
phòng ngừa cần thiết cho một nhà máy mới và tuyên bố kinh tế quản lý yếu kém cản các
chương trình máy li tâm. Toàn bộ các nỗ lực máy li tâm bị hủy bỏ vào ngày 5 tháng 6
năm 1985. Chỉ có 3000 máy đã được đặt tại cơ sở Portsmouth với tổng chi phí là 2.6 tỷ
USD.

GVHD : ThS. Hoàng Xuân Dinh

17


Luận văn tốt nghiệp

SVTH : Nguyễn Thế Hoàng

2.4.1.2. Cấu tạo

Hình 2.11: Cấu tạo của máy li tâm khí
Chú thích :
- Motor stator : động cơ điện
- Needle bearing : kim chịu lực
- Armature : bộ phận cảm ứng điện
- Bottom scoop : đầu thu dưới
- Rotating baffle : bộ giảm tốc
- Vacuum case : vỏ bọc chân không
- Vacuum : chân không
- Rotating bowl : bộ phận quay
- Molecular pump : máy bơm phân tử
- Top scoop : đầu thu trên
- Magnetic bearing : vòng bi từ
- Block valve : van khóa
Thiết lập một chương trình máy li tâm bắt đầu với việc phát triển chuyên môn kỹ
thuật và có được hoặc tạo ra các thiết kế kỹ thuật máy li tâm. Một khi điều này đã đạt
được, giai đoạn xây dựng bao gồm có các vật liệu, sản xuất các thành phần máy li tâm,
lắp ráp và cân bằng máy. Các máy này sau đó được thử nghiệm và tăng tốc đến tốc độ
hoạt động tối đa. Khi một máy li tâm đang hoạt động, các biến điều khiển của máy phải
GVHD : ThS. Hoàng Xuân Dinh

18


Luận văn tốt nghiệp

SVTH : Nguyễn Thế Hoàng

được tối ưu hóa để tối đa hóa khả năng phân tách của nó. Cuối cùng, máy độc lập được

nối chung một đường ống trong thác và nó được thiết kế để làm giàu đặc biệt.
Thách thức đầu tiên trong việc phát triển một chương trình máy li tâm khí là có
được các vật liệu để sản xuất các bộ phận cần thiết. Độ bền cao, vật liệu chống ăn mòn
cho rotor, vách, nam châm từ và các vòng bi.
Độ bền kéo và mật độ vật liệu là đặc tính quan trọng nhất của các thành phần máy li tâm
quay và đặc biệt là rotor. Độ bền kéo tối đa đặc trưng cho ứng suất tối đa mà vật liệu có
thể chịu đựng trước khi nó bị vỡ. Tỷ lệ của độ bền kéo σ và mật độ ρ của vật liệu xác
định tốc độ tối đa của thiết bị ngoại vi của rotor.

v

Max






Lưu ý rằng tốc độ thiết bị ngoại vi không phải là tốc độ quay, nhưng là tần số quay nhân
với chu vi của rotor. Một bán kính lớn và một tốc độ quay thấp có thể có cùng một tốc độ
ngoại vi như là một bán kính nhỏ và tốc độ quay cao.
Bảng 2.1: Một vài thông số vật liệu làm rotor

Module đàn hồi ( xu hướng làm biến dạng đàn hồi dưới áp lực) là một phép đo độ cứng
của vật liệu và tương quan chặt chẽ với độ bền kéo. Điều quan trọng là trong việc xem
xét các vật liệu rotor bởi vì nó quyết định sự cộng hưởng uốn của hình trụ quay (được
thảo luận chi tiết hơn trong phần dưới đây), nó quyết định tốc độ quan trọng của rotor.
Máy li tâm được trang bị để quay liên tục trong thời gian dài. Tính chất vật liệu
như độ biến dạng và độ bền được coi là để dự đoán các thành phần và độ mài mòn bởi
ứng suất định kỳ. Điều đó gây ra hư hại ngay lập tức.

Khối lượng và độ cứng của vật liệu ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ tối đa của máy
li tâm. Đổi lại, hiệu suất tách tổng thể rất nhạy với tốc độ tối đa. Về mặt lý thuyết, mức
độ tách tối đa của của máy li tâm là tỷ lệ thuận với mũ bốn của tốc độ ngoại vi. Vì vậy,
một sự gia tăng 10% trong vận tốc thiết bị ngoại vi sẽ dẫn đến một sự gia tăng 46% trong
việc tách tối đa. Trong thực tế, sự cân bằng kỹ thuật và không hiệu quả không thể tránh
khỏi trong máy làm cho sự gia tăng hơn đáng kể, với một số người cho rằng việc tách tỷ
lệ thuận với bình phương tốc độ .

GVHD : ThS. Hoàng Xuân Dinh

19


Luận văn tốt nghiệp

SVTH : Nguyễn Thế Hoàng

Đầu tiên máy li tâm được sử dụng rotor được làm từ hợp kim nhôm có độ bền
cao. Thiết kế cao cấp hơn sử dụng vật liệu bền kéo cao hơn, chẳng hạn như thép
maraging, titan hoặc thủy tinh hoặc sợi carbon, dẫn đến sự gia tăng đáng kể trong tốc
độ. Giá trị nằm trong khoảng từ 400 m /s cho hợp kim nhôm, 440 m/s cho titan, 500 m/s
cho maraging thép, 522 m/s cho các sợi thủy tinh, và 720 m/s sợi carbon.
Lưu ý uranium hexafluoride (UF6) là một chất khí có tính ăn mòn, các bề mặt bên trong
của các máy li tâm cần phải có khả năng chống xâm nhập của vật liệu hữu cơ, chẳng hạn
như dầu, mỡ hydrocarbon từ vòng bi,... Điều này bao gồm không chỉ các thành phần quay
như rotor, mà còn nguyên liệu đầu vào và hệ thống đường ống cũng gây ra ảnh hưởng.
Một số vật liệu cơ bản trơ đối với UF6 bởi vì một màng mỏng của các florua kim
loại, chúng bảo vệ số lượng lớn vật liệu không bị ăn mòn. Theo danh sách của IAEA,
thép không gỉ, nhôm, niken và hợp kim có chứa nhiều hơn 60% niken chống ăn mòn và
được giám sát. Đồng và hợp kim đồng cũng chống ăn mòn cao, nhưng không phải là sự

lựa chọn tốt nhất cho rotor máy li tâm do mật độ vật liệu của chúng tương đối cao.
Kim loại đôi khi được phủ một lớp oxit hóa, đó là trước khi bị oxy hóa, để cải
thiện khả năng chống ăn mòn. Điều này thường được thực hiện dùng rotor thép mactensit
hóa già bằng cách sử dụng lò bầu không khí điều khiển bằng cách sử dụng một hỗn hợp
của không khí và hơi nước để kiểm soát quá trình oxy hóa.
 Các bộ phận chính của máy li tâm
- Động cơ điện
Gồm lõi sắt và cuộn dây từ tính điều khiển hoạt động quay của rotor.
Động cơ AC được sử dụng, chúng cung cấp một tốc độ máy li tâm tỷ lệ với tần số của
dòng điện cung cấp. Với tần số 50 Hz hoặc 60 Hz từ lưới điện và cung cấp một đầu ra
AC ở một tần số cao hơn nhiều (thường là 600 Hz hoặc hơn). Các nguồn cung cấp năng
lượng máy li tâm phải hoạt động với hiệu suất cao và cung cấp điều khiển chính xác cho
các tần số đầu ra.
- Rotor : Gồm một ống hình trụ quay trong xi lanh kín

Hình 2.12: Cấu tạo của rotor
Chú thích :
GVHD : ThS. Hoàng Xuân Dinh

20


Luận văn tốt nghiệp
-

SVTH : Nguyễn Thế Hoàng

Top endcap : nắp trên
Baffle : tấm ngăn
Rotor tube section : đoạn ống rotor

Bellows : bệ
Bottom endcap : nắp dưới

Xây dựng một rotor máy li tâm phải cân bằng hoàn toàn, có nghĩa là rotor phải có
các trục hình học và trục khối lượng phải trùng nhau nhưng thực tế không thể. Sự khác
biệt giữa hai trục tạo ra để quay tải xuyên tâm - một hợp lực mà hai bên rotor sang hai
bên. Khối lượng mất cân bằng trong một mặt phẳng có thể được phát hiện khi rotor
quay. Khối lượng cũng có thể mất cân bằng tại các điểm khác nhau dọc theo chiều dài
của rotor, tạo ra những lực gây ra rung động của trục quay được gọi là mất cân bằng
động năng, vì nó không thể được phát hiện mà không cần quay rotor. Ở tốc độ cao, lực
không cân bằng có thể tác động đến vòng bi từ trong rotor của nó tạo ra các rung động.
Mất cân bằng lực có thể tạo ra xoáy không đồng bộ tác động đến trục được hình
thành bởi các vòng bi xảy ra ở tần số tương tự như vòng quay rotor.
Một rotor cứng hoạt động có một khối lượng hiệu quả và được hỗ trợ bởi các vòng
bi vì được cung cấp một lực đàn hồi như lò xo. Bất kì hệ thống với một khối lượng quán
tính và lực phục hồi hay cứng sẽ có tần số tự nhiên. Khi có một lực bên ngoài xuất hiện,
chẳng hạn như mất cân bằng lực và nó có cùng một tần số là một trong các tần số tự
nhiên, cộng hưởng được tạo ra. Trong máy li tâm, các cộng hưởng này được gọi là tốc độ
cộng hưởng.
Nếu chúng ta bỏ qua sự đàn hồi của rotor và chỉ cần xem xét khối lượng rotor và
độ cứng của các vòng bi, các tần số quan trọng được gọi là tốc độ cứng. Có hai loại tốc
độ cứng do hai loại xoáy: xoáy li tâm và xoáy dọc theo chiều dài xi lanh được đưa ra
tương ứng bởi các phương trình dưới đây :
1 

2S
M

2 Sl 2
2 

I  P 

Trong đó :
S là độ cứng của các vòng bi,
M là khối lượng của rotor,
l là bán kính xi lanh,
I là lực quán tính li tâm và P là lực hướng tâm.
Rotor có thể cân bằng và có thể làm giảm mất cân bằng lực nhưng không thể loại
bỏ nó hoàn toàn. Rung động có thể được giảm nhẹ bằng cách thiết kế một hệ thống trục
mang linh hoạt cho các rotor để xác định vị trí và quay tự do xung quanh trung tâm của
lực hấp dẫn. Giảm độ cứng chịu lực cũng làm giảm tần số tự nhiên cộng hưởng xảy ra ở
tốc độ thấp hơn và giảm tổng trọng tải vì trọng tải liên quan đến thời gian tốc độ chuyển
động.

GVHD : ThS. Hoàng Xuân Dinh

21


Luận văn tốt nghiệp

SVTH : Nguyễn Thế Hoàng

Tỷ lệ giữa quán tính cực với chiều dài tăng và tốc độ giới hạn hình nón là giảm.
Do đó, đối với rotor, vượt qua giới hạn của vật rắn trở nên tầm thường.Tuy nhiên, một
rotor dài hơn gặp tốc độ uốn tới hạn, chúng xảy ra ở tần số cao hơn.Trong trường hợp
như giới hạn vật rắn phụ thuộc vào sự rung động trong các vòng bi, các tần số uốn tự
nhiên do rung động theo chiều dọc của chính rotor, chúng phụ thuộc vào các module đàn
hồi E và mật độ vật chất ρ của nó. Ở tốc độ nhất định, tần số quay bằng tần số tự nhiên và
cộng hưởng xảy ra. Trong quá trình cộng hưởng, rotor sẽ uốn cong theo những chuyển

động. Tần số uốn ω được cho bởi phương trình dưới đây, trong đó L là chiều dài của
rotor, r là bán kính của nó, E là môđun đàn hồi và ρ là mật độ chất cấu tạo nên rotor, λ là
một hằng số riêng tương ứng với i là số chế độ :
 i  i

E a
2  L2

Có hai loại li tâm: dưới tới hạn và siêu tới hạn. Rotor là dưới tới hạn khi nó hoạt
động ở một tần số quay ít hơn so với tần số cộng hưởng thấp nhất khi rung và siêu tới hạn
khi hoạt động trên ở mức độ cao hơn. Các điều kiện quan trọng uốn có thể được thể hiện
về tỉ lệ giữa chiều dài của rotor và bán kính của nó. Vì vậy, biết kích thước của rotor và
vật liệu của nó, chúng ta có thể xác định cho dù đó là dưới tới hạn hoặc siêu tới
hạn. Rotor có nhiều tần số cộng hưởng và tạo ra nguy cơ cơ học cho các máy li tâm. Mục
đích là để tối đa hóa khả năng phân tách, trước khi lên tần số cao hơn tiếp theo. Do đó,
máy li tâm thường được thiết kế để hoạt động dưới một tần số nhất định.
Vượt qua tốc độ rung là trở ngại lớn trong việc máy li tâm siêu tới hạn quay ở tốc
độ tối ưu. Có hai cách để làm điều này: tăng tốc nhanh được thông qua tốc độ quan trọng,
tối ưu hóa các giảm xóc trên các vòng bi.
Nhanh chóng đẩy nhanh tốc độ rotor thông qua tốc độ quan trọng, sẽ không có
thời gian để biên độ đạt được mức phá vỡ. Phương pháp này được sử dụng với các máy li
tâm siêu tới hạn của Manhattan tại Đại học Virginia trong những năm 1940. Một động cơ
mạnh là cần thiết để điều khiển rotor máy li tâm cho tùy chọn này. Đối với các mục đích
công nghiệp, một phương pháp tiết kiệm năng lượng để tối ưu hóa bộ giảm chấn, mà
không phải là một nhiệm vụ đơn giản. Các vấn đề của giảm xóc rung động là một trong
những lý do máy li tâm khí đốt đã bị bỏ rơi của Hoa Kỳ trong cuộc chiến tranh thế giới
thứ II của Dự án Manhattan.
Tốc độ tối đa của rotor phụ thuộc vào độ bền vật lý của vật liệu ống vì hầu hết ứng
suất của rotor đến từ sức nặng của nó, vật liệu ống phải có độ bền cao tỉ lệ trọng lượng.
Vật liệu phù hợp rotor bao gồm hợp kim nhôm (hợp kim có chứa kẽm, magiê và đồng)

hoặc titan, thép maraging hoặc vật liệu tổng hợp được tăng cường bởi một số sợi thủy
tinh, aramid hoặc carbon. Với maraging thép, tường rotor có tốc độ tối đa khoảng 500
m/s, trong khi nhựa composite sợi carbon cho phép tốc độ trong khoảng 700-800 m/s.
Các hợp kim nhôm được sử dụng vào đầu tiên cho máy li tâm cho phép tốc độ tối đa
khoảng 350 m/s. Thép Maraging là khó khăn hơn nhiều để làm việc so với nhôm. Hiện
nay, máy sản xuất sợi carbon-nhựa composite là vượt quá khả năng kỹ thuật của các quốc
gia quan tâm phổ biến vũ khí.
Tải trên các vòng bi của một ống li tâm quay có thể được giảm bằng cách giữ cho
trọng lượng của nó thấp như thực tế có thể, đòi hỏi rằng các bức tường của rotor mỏng
nhất có thể, thường là 1 milimét.
GVHD : ThS. Hoàng Xuân Dinh

22