Az ultracentrifuga megértéséhez érdemes megismerni a háztartásokban található centrifuga. Utána az uráncentrifuga működése könnyebben érthető lesz, s az a kérdést is meg fogjuk tudni könnyedén válaszolni, érdemes-e beszerezni egy ultracentrifugát otthonra.
Miként működik a centrifuga?
A háztartásokban használt centrifuga működésének lényeg, hogy a vizes ruhát egy kőr alakú hengerbe teszünk, aminek lukacsos falán a ruhából a víz egy része távozik.
A forgómozgás fenntartásához egy erőre van szükség, mely a forgatás sebességével négyzetesen arányos, az anyag tömegével pedig lineárisan. Magyarán ha kétszer gyorsabban forog a dob, a mozgás fenntartásához négyszer akkora erőre van szükség. Ez pontosan ugyan az az erő, amit a kanyarodó járművön is érzékelünk.
A centripetális erő hatása
A gyakorlatban a ruháinknak van egy fix szerkezete, amitől egyben marad (szövet és varrás), a közte lévő víz viszont könnyebben tud áramolni. A ruhák szálai között megmaradó vízre csak részben hat a forgódob által kifejtett erő, ezért a dob fala felé fognak vándorolni a vízcseppek vándorolni. Mivel a dob fala lyukacsos, a vízcseppek, elérve a fogódob falát, a lyukakon keresztül távoznak.
Persze a centrifugából kivett ruha nedves marad, mert a víz egy része a ruha felületén megkötődik (az adhéziónak nevezett kölcsönhatás miatt).
Szárítás
Az adhézió révén a szálakhoz kötött víz eltávolítását nevezzük szárításnak. Ez történhet géppel, amikor a nedves ruhát száraz és meleg levegőben forgatjuk; vagy mehet hagyományosan, kiteregetéssel, de a lényeg ugyan az.
Mind a két esetben a száraz (még vízgőzzel nem telített) levegőtől a szálak között megkötött víz eltávozik. Gyakran a száradás elősegítéséhez fűteni szoktak, mely a száradást két módon segíti.
Egyrészt többlet energiát szolgáltat a vízmolekulák leszakadásához a textilről, másrészt a levegő vízpára felvevő képessége is megnő (azaz a maximális vízgőz koncentráció).
A centrifuga kiegyensúlyozása
Visszatérve a centrifuga működésére, ha a forgódobban a tömeg nem egyenletesen van elosztva, akkor a középső tengelyt egy irányban nagyobb erő fogja húzni, mint a többibe. Miközben a dob forog, ez az irány is folyamatosan fog változni, ezért fog ugrálni a centrifuga.
A régi típusú centrifugáknál ezt úgy lehetett megelőzni, hogy a betöltésnél először a nagyobb darabok (például a törölközők) került be, s csak utána a kisebbek (póló, fehérnemű).
Ezen a félautomata mosógépek sem tudtak változtatni, de a hirtelen elinduló centrifugálás néha felért egy hangrobbanással. Ilyenkor jobb híján az ember ráült, hogy ne ugráljon annyira.
Ez néhány gyerek nagy bulinak élik meg, de jó tudni, hogy ez megviseli a mosógép forgó tengelyét, csökkentve annak élettartamát. Ilyenkor érdemes esetleg a mosógépet leállítani és újra elindítani, mert ez gyakran segít megoldani a problémát.
Nagymamám régi keverőtárcsás Hajdú mosógépe még ma is működik, a félautomata mosógépe már réges-régen az enyészeté lett.
A fokozatos felpörgetés oka
A modern, automata mosógépek az egy oldalra való húzást úgy küszöbölik ki, hogy az elején csak kicsit és lassan pörögnek fel, amivel a könnyen eltávolítható víz eltávozik, s a már némileg vízmentesítettebb (könnyebb) ruhát kezdi el centrifugálni.
A felpörgések között a ruhát pár lassú körbeforgatással fel is lazítja, amivel sokkal ritkábban fordul elő, hogy a forgódobban levő ruha egy irányba való összegyűlése. Ezzel próbálják a mosógép élettartamát megnövelni.
Az urán centrifugálása
Az urán alapvetően fémes tulajdonságú anyag, amelynek sói szinte mindenütt megtalálhatóak. A természetben megtalálható homok általában nagyon kevés urán-oxidot is tartalmaz, mely a szárazföldek egyik leggyakoribb ásványi anyaga.
Ha a homokkőben feldúsul az urán-oxid, akkor beszélünk urán-ércről. Valójában uránszurokércet (urán-oxid rögöket) tartalmazó homokkövet szokás bányászni. A bányászás során ezeket különítik el a homokkőből, többnyire mechanikusan (rostálják a kibányászott homokkövet, mint ahogy a növénnyel szennyezett homokot az építő iparban).
A centrifugálásra való előkészítés
- A bányászat során kinyert urán-oxid rögöket átalakítják urán-hexafluoriddá, ami egy gáz halmazállapotú anyag.
- A következő lépésben a gázrészecskéket ionizálják, s a kialakult töltések révén viszonylag egységes sebességű gáznyalábot hoznak létre az urán-hexafluoridból.
- A keletkezett ionizált részecskéket egy vákuumban kialakított mágneses térbe vezetik be.
- A mágneses tér körpályára kényszeríti a repülő gázrészecskéket. Ez teszi lehetővé a különböző részecskék elválasztását.
Mitől más az uráncentrifuga működése?
Az uráncentrifuga működésének elve nagyon hasonló, mint a hagyományos centrifugának. Van egy erő, mely körpályára kényszeríti a gáz részecskéit, s ez fogja majd az elválasztást is lehetővé tenni.
Minél nagyobb egy gázrészecske sebessége és tömege, annál nagyobb ívet fog leírni. Az elválasztás alapja, hogy mindegyik részecskére azonos erő hat, ez az erő az eltérő sebesség és tömegből adódóan eltérő köríveket fog befutni. Tehát nem a körbeforgás sebessége lesz azonos.
A tömeg szerinti elválasztás
Az uráncentrifuga elválasztási képessége nagyon kicsi, mert a különböző tömegszámú uránból készített részecskék tömege csak nagyon kis mértékben tér el.
Azért vannak a gázsugárban eltérő tömegű molekulák, mert az uránnak két fő izotópja van. Az izotópokban azonos a protonszám, s eltér a neutronszám. Van az uránnak egy 235-ös és a 238-as izotópja, ahol a jelölő szám a neutronok és protonok együttes számát adja meg (ezt nevezik tömegszámnak is).
Az uráncentrifuga használatának célja, hogy a könnyebb, 235-ös uránizotóp arányát megnöveljük. Ez azt jelenti, hogy a természetes 0,7 % tartalmat kell megnövelni néhány százalékra, mert csak ekkor használható fel az urán az atomerőművekben hatékonyan.
Miért nem hatékony az uráncentrifuga?
Két azonos energiájú molekula közül a nagyobb tömegű atomok fognak nagyobb ívet leírni, míg a kisebbek kisebbet. De ez az elválasztás a nagyban szóródó gázmolekula sebességek miatt nem igazán hatékony.
Ezért ezt az eljárást sokszor kell elvégezni. Ezzel magyarázható, hogy egy ilyen gyárban rengeteg, több száz, vagy akár néhány ezer ilyen centrifugát is használnak.
Akkor most legyen otthon uráncentrifugám, vagy sem?
Ugyan a két fajta centrifuga működésének alapja azonos, de az urán centrifuga egy viszonylag anyagmentes térbe (vákuumba) bevezetett ionizált gázt használ, s az elválasztást a mindennapi életben alkalmazott mágneseknél sokkal erősebb mágnes hozza létre.
Ennek megvalósításához szükséges egy nyomásálló berendezés, és az egész folyamatot vezérlő összetett elektronika, ami a gázt is megfelelően kezeli, mert a „hatékony” elválasztás csak egy szűk gázsebesség tartománynál lehetséges.
Egy ilyen berendezés ára nagyon sok pénzbe kerül, s a hatékony elválasztáshoz több száz ilyen berendezést használnak. Ezek együttes ára viszont akkora, hogy Magyarországon soha nem készítettek ilyet, s nem is tervezték.
Már csak azért sem, mert az uráncentrifuga működtetése nukleáris tevékenységnek minősül, amelyet egy nemzetközi szerződés (az Atomsorompó egyezmény) szabályoz. Magyarország számára ez a megállapodás, igazodva a realitásokhoz, az urándúsítást nem engedélyezi.
Összefoglalva:
- Macerás a működéshez beszerezni az alapanyagot.
- Hatalmas technikai háttér kell hozzá.
- Rengeteg energiát fogyaszt.
- Nagy tisztaságú kémiai labor kell hozzá.
- Eggyel túl sok mindenre nem jut az ember.
- Nagyon drága berendezés, önmagában csak pénzkidobás.
- És még a nemzetközi megállapodások is korlátozzák ezek használatát.
Hogy szerintem ne erőltessük…