가스 원심분리기

"오늘의AI위키"는 AI 기술로 일관성 있고 체계적인 최신 지식을 제공하는 혁신 플랫폼입니다.
"오늘의AI위키"의 AI를 통해 더욱 풍부하고 폭넓은 지식 경험을 누리세요.

1. 개요
2. 역사
3. 작동 원리
- 3.1. 가스 원심분리 공정
- 3.2. 분리 작업 단위 (SWU)
4. 응용
- 4.1. 우라늄 농축
- 4.2. 아연 동위원소 분리
5. 국가별 개발 현황
- 5.1. 북한
- 5.2. 이란
6. 원심분리기 성능 비교
참조

1. 개요

가스 원심분리기는 원심력을 이용하여 가스 혼합물에서 무거운 원자나 분자를 분리하는 기술이다. 1934년 최초로 성공했으며, 우라늄 동위원소 분리에 주로 사용된다. 고속으로 회전하는 원통 내에서 원심력에 의해 질량 차이에 따라 분자들이 분리되며, 특히 우라늄-235 농축에 활용된다. 가스 원심분리 공정은 여러 개의 원심분리기를 직렬로 연결한 캐스케이드 형태로 이루어지며, 분리 작업 단위(SWU)를 사용하여 효율을 측정한다. 북한, 이란 등 여러 국가에서 핵 개발을 위해 사용되며, 원심분리기의 성능은 재료 및 기술 발전에 따라 향상되어 왔다.

더 읽어볼만한 페이지

원심분리기 - 세탁기
세탁기는 의류 등 섬유 제품의 때를 제거하는 기계로, 초기 수동식 형태에서 기계적 동력을 거쳐 전기 자동 세탁기로 발전했으며, 현대에는 다양한 방식으로 분류되고 환경적 영향도 고려해야 한다.
원심분리기 - 원심 추출기
원심 추출기는 밀도 차이를 이용해 액체 혼합물을 분리하는 장치로, 광물 용매 추출, 식물성 기름 정제, 핵 폐기물 처리 등 다양한 분야에 활용되며, 단단 및 다단 원심 추출기로 분류되어 혼합액 분리 외 추출, 세정 공정에도 사용된다.
동위 원소 분리 - 농축 우라늄
농축 우라늄은 핵분열 연쇄 반응을 위해 우라늄-235의 비율을 높인 우라늄으로, 물리적 방법을 통해 분리하며, 우라늄-235 비율에 따라 용도가 구분된다.
동위 원소 분리 - 캘루트론
캘루트론은 어니스트 로렌스가 고안한 전자기적 동위원소 분리 장치로, 자기장 내에서 우라늄 입자의 궤적을 휘어지게 하여 우라늄-235와 우라늄-238을 분리하는 방식으로 맨해튼 계획에서 우라늄 농축에 사용되었으며, 경제성 문제로 다른 기술에 밀려났지만 원자 폭탄 제조에 기여했다.
핵확산 - 넌-루가 협력적 위협 감소
넌-루가 협력적 위협 감소 프로그램은 미국 주도로 구소련 지역 대량살상무기 확산 방지 및 해체를 지원하는 국제 협력 프로그램으로, 핵 물질 통제, 과학자 연구 전환, WMD 운반 시스템 제거를 목표로 파괴·해체, 안전·보안, 비무장화·국방 전환의 세 영역에서 추진되었으며, 핵 비확산에 기여했다.
핵확산 - 라파엘 그로시
라파엘 그로시는 아르헨티나 출신의 외교관이자 국제 공무원으로, 2019년부터 국제 원자력 기구(IAEA) 사무총장으로 활동하며 국제적인 핵 관련 문제에 관여하고 있다.

가스 원심분리기
기본 정보
가스 원심분리기의 단면도
유형	동적 원심분리기
용도	동위 원소 분리
세부 정보
공급 기체	육플루오린화 우라늄(UF6)
방사성 물질	우라늄
농축	핵연료 등급 우라늄(3~5% U-235)
관련 항목
관련 항목	원심 분리 프로젝트 Y 핵무기

2. 역사

1919년에 원심분리 개념이 제안되었고, 1934년에 미국의 과학자 제시 빔스가 버지니아 대학교 연구팀에서 진공 초원심분리기를 통해 두 개의 염소 동위 원소를 분리하면서 처음으로 성공적으로 실현되었다.^[13] 이는 맨해튼 계획에서 추구된 초기 동위 원소 분리 방법 중 하나였지만, 1944년에 다른 농축 우라늄 방법 (기체 확산 및 전자기 분리)이 단기적으로 성공 가능성이 더 높다고 판단되어 연구가 중단되었다. 그러나 이 방법은 소련 핵 프로그램에서 성공적으로 사용되어, 소련은 농축 우라늄의 가장 효과적인 공급자가 되었다. 프란츠 시몬, 루돌프 파이얼스, 클라우스 푸흐스 및 니컬러스 쿠르티는 원심 분리 과정에 중요한 기여를 했다.

폴 디랙은 제2차 세계 대전 동안 원심분리 과정에 대한 중요한 이론적 기여를 했다.^[1]^[2] 디랙은 현대 우라늄 농축 공장 설계 및 분석의 기초가 되는 분리 과정의 기본 이론을 개발했다.^[3] 특히 지페형 원심분리기의 개발과 함께 가스 원심분리기는 다른 방법에 비해 훨씬 적은 에너지를 사용하는 등 여러 장점을 가지는 경제적인 분리 방식이 되었다.

1970~80년대에는 파키스탄 과학자 아브둘 카디르 칸이 진공 기술을 이용하여 원심분리기의 성능을 발전시켜 파키스탄 원자 폭탄 개발을 위한 핵 연료에서 원심분리기의 역할을 발전시켰다.^[7] 초기에는 회의적인 시각도 있었으나, 이 프로그램은 빠르게 실행 가능성을 입증하였다. 원심분리를 통한 농축은 실험 물리학에 사용되었으며, 20세기 말까지 최소 악의 축에 속하는 세 나라로 밀수되었다.^[7]^[4]

3. 작동 원리

원심분리기는 고속 회전을 통해 발생하는 원심력을 이용하여 질량 차이에 따라 기체 분자를 분리한다. 무거운 분자는 원심분리기 벽 쪽으로, 가벼운 분자는 중심 축 쪽으로 이동한다.^[5]

현대적인 지페형 원심분리기는 수직축을 중심으로 회전하는 원통형 로터를 사용한다.^[6] 수직 온도 구배를 적용하거나 스쿠프(scoop)를 이용하여 역류(countercurrent flow)를 생성하고, 역류 증폭 원리를 통해 분리 효율을 높인다.^[6]

단일 원심분리기의 높이에는 제한이 있기 때문에, 여러 개의 원심분리기를 직렬로 연결하여 사용한다. 각 원심분리기는 하나의 입력과 두 개의 출력 라인(생성물, 폐기물)을 가진다. 이전 원심분리기의 생성물 흐름을 입력으로 받아, 마지막 원심분리기에서는 거의 순수한 가벼운 분획을, 첫 번째 원심분리기에서는 거의 순수한 무거운 분획을 얻는다.

3. 1. 가스 원심분리 공정

가스 원심분리 공정은 원심분리기 안팎으로 가스가 끊임없이 흐르도록 하는 독특한 설계를 사용한다. 배치 처리가 아닌 연속 공정을 사용하여 여러 개의 동일한 공정이 연속적으로 발생하는 캐스케이딩(cascading)을 가능하게 한다.^[7] 가스 원심분리기는 원통형 회전자, 케이스, 전기 모터 및 물질 이동을 위한 세 개의 라인으로 구성된다. 원심분리기는 이를 완전히 둘러싸는 케이스로 설계된다.^[7] 원통형 회전자는 케이스 내부에 위치하며, 작동 시 마찰이 거의 없는 회전을 위해 모든 공기가 진공으로 배출된다. 모터는 회전자를 회전시켜 원심력을 생성한다. 이 힘은 가스 분자를 분리하며, 더 무거운 분자는 회전자의 벽 쪽으로, 더 가벼운 분자는 중심 축 쪽으로 이동한다. 원하는 동위 원소(우라늄 분리에서는 ²³⁵U)가 농축된 분획과 해당 동위 원소가 고갈된 분획의 두 개의 출력 라인이 있다. 이 출력 라인들은 분리를 다른 원심분리기로 가져가 공정을 계속한다.^[8]

가스 원심분리기 구성 요소
구성 요소	설명
원통형 회전자	케이스 내부에 위치하며, 모터에 의해 회전하여 원심력을 발생시킨다.
케이스	원심분리기를 완전히 둘러싸는 외부 구조물.
전기 모터	회전자를 회전시키는 동력을 제공한다.
세 개의 라인	물질 이동을 위한 라인으로, 공급 라인, 농축 분획 출력 라인, 고갈 분획 출력 라인이 있다.

초기 가스 원심분리기는 에폭시 함침 유리 섬유로 감싼 합금 몸체를 사용했다. 초기 장치는 일반적으로 길이가 약 2미터였지만, 후속 개발을 통해 점차적으로 길이가 증가했다. 현재 세대는 길이가 4미터가 넘는다.

3. 2. 분리 작업 단위 (SWU)

분리 작업 단위(SWU, Separative Work Unit)는 원심분리기의 성능을 나타내는 지표로, 특정 농도의 공급 물질을 원하는 농도의 생성 물질과 고갈 물질로 분리하는 데 필요한 작업량을 의미한다. SWU는 킬로그램 단위로 표현되며, 벨만 방정식을 통해 계산된다.

분리 작업량

W_\mathrm{SWU}

는 다음 식으로 나타낸다.

:

W_\mathrm{SWU} = P \cdot V\left(x_{p}\right)+T \cdot V(x_{t})-F \cdot V(x_{f})

여기서,

$P$ : 생성 물질 질량
$V\left(x_{p}\right)$ : 생성 물질 농도 $x_{p}$ 에 대한 가치 함수
$T$ : 고갈 물질(꼬리 물질) 질량
$V(x_{t})$ : 고갈 물질 농도 $x_{t}$ 에 대한 가치 함수
$F$ : 공급 물질 질량
$V(x_{f})$ : 공급 물질 농도 $x_{f}$ 에 대한 가치 함수

가치 함수

V\left(x\right)

는 다음과 같이 정의된다.

:

V(x) = (1 - 2x) \cdot \ln\left(\frac{1 - x}{x}\right)

4. 응용

가스 원심분리기는 우라늄-235를 분리하는 데 사용된다.^[13] 가스 원심분리 공정은 원심분리기 안팎으로 가스가 끊임없이 흐르도록 하는 독특한 설계를 사용하며, 배치 처리가 아닌 연속 공정을 사용한다.^[7]

가스 원심분리기는 원통형 회전자, 케이스, 전기 모터 및 물질 이동을 위한 세 개의 라인으로 구성된다. 원심분리기는 케이스로 완전히 둘러싸여 있으며,^[7] 원통형 회전자는 케이스 내부에 위치한다. 작동 시 마찰을 줄이기 위해 모든 공기는 진공 상태로 배출된다. 모터는 회전자를 회전시켜 원심력을 생성하고, 이 힘으로 가스 분자를 분리한다. 더 무거운 분자는 회전자 벽 쪽으로, 가벼운 분자는 중심 축 쪽으로 이동한다. 두 개의 출력 라인은 분리된 분획을 다른 원심분리기로 보내 공정을 계속한다.^[8]

육불화 우라늄(UF₆)은 우라늄 농축에 사용된다. UF₆ 가스가 고속으로 회전하면 더 무거운 분자(²³⁸U 포함)는 실린더 벽 쪽으로, 가벼운 분자(²³⁵U 포함)는 중앙으로 모인다. ²³⁵U가 약간 농축된 기체는 추출되어 다음 단계로, 약간 고갈된 기체는 다음 하위 단계로 재순환된다.

핵 기술의 일부 용도에서 아연 금속 내 아연-64의 함량을 낮춰야 한다. 다이에틸 아연은 기체 공급 매체로 원심분리기 캐스케이드에 사용된다. 고갈된 산화 아연은 부식 방지제로 사용된다.

4. 1. 우라늄 농축

우라늄-235를 분리하는 데 가스 원심분리기가 사용된다.^[13] 가스 원심분리 공정은 원심분리기 안팎으로 가스가 끊임없이 흐르도록 하는 독특한 설계를 사용한다.^[7] 배치 처리에 의존하는 대부분의 원심분리기와 달리, 가스 원심분리기는 연속 공정을 사용하여 여러 개의 동일한 공정이 연속적으로 발생하는 캐스케이딩을 가능하게 한다.

가스 원심분리기는 원통형 회전자, 케이스, 전기 모터 및 물질이 이동하는 세 개의 라인으로 구성된다. 원심분리기는 원심분리기를 완전히 둘러싸는 케이스로 설계되었다.^[7] 원통형 회전자는 케이스 내부에 위치하며, 작동 시 마찰이 거의 없는 회전을 생성하기 위해 모든 공기를 진공으로 배출한다. 모터는 회전자를 회전시켜 원통형 회전자에 들어갈 때 구성 요소에 원심력을 생성한다. 이 힘은 가스 분자를 분리하는 작용을 하며, 더 무거운 분자는 회전자의 벽 쪽으로, 더 가벼운 분자는 중심 축 쪽으로 이동한다. 원하는 동위 원소(우라늄 분리에서는 ²³⁵U)가 농축된 분획과 해당 동위 원소가 고갈된 분획의 두 개의 출력 라인이 있다. 출력 라인은 이러한 분리를 다른 원심분리기로 가져가 원심분리 공정을 계속한다.^[8]

육불화 우라늄(UF₆)이 우라늄 농축에 사용된다. 원심분리기 실린더에 들어가면 UF₆ 가스가 고속으로 회전한다. 회전은 더 무거운 가스 분자(²³⁸U 포함)를 실린더 벽쪽으로 더 많이 끌어당기는 강력한 원심력을 생성하는 반면, 더 가벼운 가스 분자(²³⁵U 포함)는 중앙에 더 가깝게 모이는 경향이 있다. ²³⁵U이 약간 농축된 기체 흐름은 추출되어 다음 상위 단계로 공급되는 반면, 약간 고갈된 기체 흐름은 다음 하위 단계로 재순환된다.

4. 2. 아연 동위원소 분리

핵 기술의 일부 용도에서, 아연 금속 내 아연-64의 함량을 중성자 활성화에 의한 방사성 동위원소 형성을 막기 위해 낮춰야 한다. 다이에틸 아연은 기체 공급 매체로 원심분리기 캐스케이드에 사용된다. 고갈된 산화 아연은 결과 물질의 예시로, 부식 방지제로 사용된다.

5. 국가별 개발 현황

고속으로 원통을 회전시키면, 원심력에 의해 가스 안에 있는 무거운 원자는 밖으로 밀려난다. 가스 원심분리기는 우라늄-235를 분리하는데 사용된다.

북한과 이란은 가스 원심분리기를 개발하여 핵무기 개발에 이용하고 있다는 의혹을 받고 있다.

5. 1. 북한

윤덕민 전 국립외교원장은 플루토늄 생산에는 원자로 시설이 필수적이어서 시설을 쉽게 파악할 수 있지만, 고농축 우라늄은 지하에서 은밀하게 제조가 가능하며, 원심분리기 수천 개를 가동하더라도 200~300평 정도의 비교적 작은 공간만 있으면 충분하다고 말했다. 국제원자력기구(IAEA)가 1993년 남아공을 사찰했을 때 놀이공원 내 간이 건물 지하에서 숨겨진 원심분리기를 발견하기도 했다.^[13]

북한 영변 핵시설의 원심분리기는 2010년 미국에 공개했으며, 북한은 8000Kg SWU/년의 속도라고 밝혔다. 미국은 북한이 대량의 머레이징강을 수입했다는 정보를 수집했다. 머레이징강을 사용하는 파키스탄 최신형 P-4 원심분리기의 속도는 21 SWU/년인데, 이란은 2014년에 비슷한 속도의 IR-8을 개발했다.

2차 북핵위기가 발생하면서 KEDO 사업이 중단됐다. 북한이 탄도미사일 기술을 이란에 넘기고 우라늄 농축 기술을 대가로 받았다는 추측이 있다.^[14]

5. 2. 이란

이란은 2010년 이후 여러 세대의 원심분리기를 개발하고 가동하고 있다고 발표했다.^[14] 2010년 4월 9일, 기존보다 6배 빠른 3세대 원심분리기 개발을 완료하고 대량 설치하여 가동을 시작했다고 발표했다. 2012년 2월 15일에는 4세대 원심분리기(IR-4) 개발에 성공했으며, 기존 모델보다 3배 빨라졌다고 주장하며 대량 설치 및 가동을 시작했다고 발표했다.

2014년 12월에는 최신형 IR-8 원심분리기 개발에 성공했다고 발표했다. 2017년 1월 29일, 이란은 IR-8 원심분리기를 시험 가동하기 시작했으며, 속도는 20 SWU/년으로 알려졌다.

6. 원심분리기 성능 비교

명칭	개발 시기	재질	성능 (SWU/년)
지페	1940년대	알루미늄	0.44
P-1	1960년대	알루미늄	2-3
P-2	1960년대	머레이징강	5-6
P-3	1980년대	머레이징강	12
P-4	1980년대	머레이징강	21
TC-11	1980년대	합성섬유	?
TC-12	1990년대	합성섬유	40
TC-21	2000년대	합성섬유	100
AC100	2000년대	합성섬유	330

초기 알루미늄 재질의 원심분리기(지페형, P-1)는 낮은 SWU 값을 가졌다. 파키스탄의 P-4 원심분리기는 머레이징강을 사용하여 21 SWU/년의 성능을 보였다. 독일, 미국 등은 합성섬유를 사용하여 더 높은 성능의 원심분리기를 개발했다.

참조

_[1] 논문 The Gas Centrifuge https://www.jstor.or[...] 1978
_[2] 논문 Gas Centrifuge Theory and Development: A Review of U.S. Programs 2009-06-26
_[3] 논문 Remembrances of Dirac https://pubs.aip.org[...] 2010
_[4] 서적 Eating grass: the making of the Pakistani bomb Stanford University Press 2013-01-08
_[5] 웹사이트 Basics of Centrifuge - Cole Parmer http://www.coleparme[...]
_[6] 논문 Flow Induced Vibrations in Gas Tube Assembly of Centrifuge 1986-09-01
_[7] 웹사이트 Gas Centrifuge Uranium Enrichment http://www.globalsec[...]
_[8] 웹사이트 What is a Gas Centrifuge? http://www.exportcon[...]
_[9] 논문 Some Practical Aspects of Balancing an Ultra-Centrifuge Rotor 1987-11-01
_[10] 논문 Separative Power of an Optimised Concurrent Gas Centrifuge Elsevier BV
_[11] 논문 Separation of carbon dioxide and methane in continuous countercurrent gas centrifuges Elsevier BV
_[12] 웹사이트 Engineering Considerations for Gas Centrifuges https://fas.org/issu[...] 2020-01-13
_[13] 뉴스 北의 자진신고·전면 공개가 비핵화 키 조선일보 2018-05-07
_[14] 간행물 IAEA 고위직 출신 김병구 박사가 본 CVID 신동아 2018-06-24

본 사이트는 AI가 위키백과와 뉴스 기사,정부 간행물,학술 논문등을 바탕으로 정보를 가공하여 제공하는 백과사전형 서비스입니다.
모든 문서는 AI에 의해 자동 생성되며, CC BY-SA 4.0 라이선스에 따라 이용할 수 있습니다.
하지만, 위키백과나 뉴스 기사 자체에 오류, 부정확한 정보, 또는 가짜 뉴스가 포함될 수 있으며, AI는 이러한 내용을 완벽하게 걸러내지 못할 수 있습니다.
따라서 제공되는 정보에 일부 오류나 편향이 있을 수 있으므로, 중요한 정보는 반드시 다른 출처를 통해 교차 검증하시기 바랍니다.

문의하기 : help@durumis.com