Pemusing tipe-Zippe

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.\Oleg Bukharin, Oleg. (http://www.partnershipforglobalsecurity-archive.org/Documents/bukharinrussianenrichmentcomplexjan2004.pdf) Russia’s Gaseous Centrifuge Technology and Uranium Enrichment Complex] 

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 nuklir air 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 20 cm (seperti pada beberapa pemusing modern), ini akan sesuai dengan percepatan sentripetal sekitar 900.000 x g\ (sekitar 42 kali kecepatan maksimum mikrosentrifus standar, benchtop lab\ dan antara 0,9 hingga 9 kali kecepatan maksimum pemusinh ultra (ultrasentrifus) lab standar\ atau kecepatan linier lebih besar dari Mach 2 di udara (Mach 1 = kecepatan suara, di udara kira-kira 340 m/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).(http://forcedairresearch.tripod.com/id4.html) How A Turbo Works]\(http://auto.howstuffworks.com/turbo.htm/printable) HowStuffWorks "How Turbochargers Work"]\


Pemusing tipe Zippe <ref name=":1">memiliki rotor berongga silindris yang diisi dengan gas uranium 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.

How A Turbo WorksHowStuffWorks "How Turbochargers Work"

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.<ref name="nyt2004"><ref name=":1">Setiap sentrifus memiliki satu saluran masuk pada sumbu dan dua saluran keluar, satu mengumpulkan gas di bagian bawah dan satu di bagian atas.

Secara kuantitatif, distribusi tekanan (atau kerapatan) radial dapat diberikan olehWolfang Ehrfeld, Ursula Ehrfeld, Anreicherung von Uran-235,Gmelin Handbuch der Anorganischen Chemie. 8.Aufl.System-Nr.55: U-Uran. Erg.Bd.A2: Isotope. By C. Keller. Ed.: K.-C. Buschbeck, C. Keller. Berlin, Heidelberg, New York: Springer 1980\

p(r)= p(R)\exp\left(-\frac{M\omega^2}{2kT}(R^2-r^2)\right)

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.

Menurut Glaser,<ref name=":0">pemusing awal memiliki diameter rotor 7,4 hingga 15 cm dan panjang 0,3 hingga 3,2 m, dan kecepatan periferal adalah 350 hingga 500 m/s. Sentrifus modern TC-21 dari Urenco Group memiliki diameter 20 cm dan panjang lebih dari 5 m, berputar dengan kecepatan 770 m/s. Centrus (sebelumnya USEC) merencanakan sentrifus dengan diameter 60 cm, tinggi 12 m, dan kecepatan periferal 900 m/s.

Arus balik gas dirangsang secara mekanis atau (kurang disukai) oleh gradien suhu antara bagian atas dan bawah rotor. Dengan rasio arus balik terhadap pasokan sebesar 4, Glaser<ref name=":0">menghitung faktor pemisahan 1,74 untuk sentrifus TC-21 setinggi 5 m. Menurunkan rasio ini (dengan meningkatkan *pasokan*) mengurangi faktor pemisahan tetapi meningkatkan *hasil* dan dengan demikian produktivitas.

Untuk mengurangi gesekan, rotor berputar dalam vakum. Bagian dari rotor dengan rumah terdekat bertindak sebagai pompa molekul, yang mempertahankan vakum. Sebuah bantalan magnetik menahan bagian atas rotor agar stabil, dan satu-satunya kontak fisik (yang hanya diperlukan selama penyalaan) adalah bantalan permata kerucut tempat rotor bertumpu.<ref name="nyt2004"><ref name=":1">Kedua bantalan tersebut mengandung langkah-langkah untuk meredam getaran. Tiga saluran gas masuk ke rotor pada sumbunya.

Setelah para ilmuwan dibebaskan dari tawanan Soviet pada tahun 1956,<ref name="nyt2004">Gernot Zippe terkejut menemukan bahwa para insinyur di Barat tertinggal bertahun-tahun dalam teknologi sentrifus mereka. Ia mampu mereproduksi desainnya di University of Virginia di Amerika Serikat, mempublikasikan hasilnya, meskipun Soviet telah menyita catatannya. Zippe meninggalkan Amerika Serikat ketika ia secara efektif dilarang melanjutkan penelitiannya: Orang Amerika mengklasifikasikan pekerjaan itu sebagai rahasia, mengharuskannya untuk menjadi warga negara A.S. (ia menolak), kembali ke Eropa, atau meninggalkan penelitiannya.<ref name="nyt2004">Ia kembali ke Eropa di mana, selama tahun 1960-an, ia dan rekan-rekannya membuat sentrifus lebih efisien dengan mengubah bahan rotor dari aluminium menjadi baja maraging, sebuah paduan dengan umur lelah yang lebih lama dan panjang pecah yang lebih panjang, yang memungkinkan kecepatan lebih tinggi. Desain pemusing yang ditingkatkan ini telah lama digunakan oleh perusahaan komersial Urenco untuk memproduksi bahan bakar uranium yang diperkaya untuk pembangkit listrik tenaga nuklir.<ref name="nyt2004">Baru-baru ini, mereka menggunakan (misalnya pada model TC-21 mereka) dinding yang diperkuat dengan serat karbon (dinding karbon yang dioerkuat serat).<ref name=":0">

Rincian pasti dari pemusing/sentrifus tipe Zippe yang canggih dijaga kerahasiaannya. Misalnya, efisiensi sentrifus ditingkatkan dengan meningkatkan kecepatan putarannya. Untuk melakukannya, digunakan bahan yang lebih kuat, seperti bahan komposit yang diperkuat serat karbon; tetapi rincian bahan dan perlindungannya terhadap serangan kimia adalah rahasia dagang. Demikian pula berbagai teknik yang digunakan untuk menghindari gaya yang menyebabkan getaran (tekukan) yang merusak: Memperpanjang sentrifus (arus balik) meningkatkan pengayaan secara eksponensial.<ref name=":1">Tetapi itu juga mengurangi frekuensi getaran dari resonansi mekanis, yang meningkatkan bahaya kegagalan katastrofik selama penyalaan (start-up) (seperti yang terjadi selama insiden Stuxnet di Iran). Menginterupsi rotor silindris dengan sambunhan karet fleksibel mengontrol getaran frekuensi rendah, dan kontrol kecepatan yang hati-hati selama penyalaan membantu memastikan bahwa sentrifus tidak beroperasi terlalu lama pada kecepatan di mana resonansi menjadi masalah. Namun, langkah-langkah (rahasia dagang) yang lebih banyak tampaknya diperlukan. Oleh karena itu, Rusia bertahan dengan sentrifus "subkritis" (yaitu, dengan panjang kecil sekitar 0,5–1 m), sedangkan sentrifus Urenco memiliki panjang hingga 10 m.

Pemusing tipe Zippe sulit untuk dibangun dengan sukses dan membutuhkan suku cadang yang dikerjakan dengan hati-hati. Namun, dibandingkan dengan metode pengayaan lainnya, ia jauh lebih murah dan lebih cepat untuk dipasang, mengonsumsi energi jauh lebih sedikit dan membutuhkan area kecil untuk pabrik. Oleh karena itu, ia dapat dibangun secara relatif rahasia. Hal ini membuatnya ideal untuk program senjata nuklir tersembunyi dan meningkatkan risiko Proliferasi nuklir.<ref name=":0">Kaskade sentrifus juga menahan bahan yang jauh lebih sedikit di dalam mesin pada waktu tertentu daripada pabrik difusi gas.

Penggunaan Global

Program bom atom Pakistan mengembangkan sentrifus P1 dan P2 berdasarkan desain awal Urenco;<ref name=":0" >dua sentrifus pertama yang dikerahkan Pakistan dalam jumlah besar. Sentrifus P1 menggunakan rotor aluminium, dan sentrifus P2 menggunakan rotor baja maraging,<ref name=":0" >yang lebih kuat, berputar lebih cepat, dan memperkaya lebih banyak uranium per mesin daripada P1. Di Pakistan, sentrifus tipe Zippe memiliki sebutan lokal dan dikenal sebagai Sentrifus Khan (diambil dari nama Abdul Qadeer Khan).\

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  pada tahun 1930-an. Soviet memuji Steenbeck, Isaac Kikoin dan  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.

Fasilitas Pemusing Tipe Zippe

 Khan Research Laboratories di Pakistan
 National Enrichment Facility di Los Alamos National Laboratory di Amerika Serikat
 Urenco Group di Britania Raya, Belanda, dan Jerman
 Rusia (di mana ia disebut sentrifus Kamenev)

Lihat Juga

 Pemusing gas
 Pemusing ultra
 Pelayangan magnetis
 Thrust bearing
 Russian Alsos
 Stuxnet

Referensi

Kategori:Uranium
Kategori:Nuklir
Kategori:Tenaga nuklir
Kategori:Fasilitas nuklir
Kategori:Pemisahan isotop
Uranium, Enriched