Обогащение урана - Беккер Е.
Скачать (прямая ссылка):
Рнс. 3.1. Газоднффузионная ступень: — ком-
прессор продиффунднровавшего потока; С2 — компрессор обедненного потока; D — делитель; Е — теплообменник (на входе в делитель); F — ввод питания в каскад; V — регулирующий клапан (на обедненном потоке)
Пожалуй, раньше всего газовая диффузия ¦ через пористую перегородку была применена для разделения компонентов газовой смеси Рамзаем [3.4], когда он открыл гелий земного происхождения в образце газа, извлеченном из уранового минерала клевеита и подвергнутом очистке повторным пропусканием через глиняную трубку.
Разделительный элемент в этой технологии представляет собой диффузионную ячейку, разграниченную на два отделения пористой перегородкой (рис. 3.1). Между ее двумя сторонами создается разность давлений. Газ, продиффундировавший через перегородку, обогащается легким компонентом, а непродиффундировавший газ обедняется им. Диффузионная ячейка имеет по меньшей мере один вход для питания в отделении высокого давления и два выхода в обоих отделениях для обогащенного и обедненного потоков. Поскольку в отдельном разделительном элементе достигается лишь ограниченное разделение, процесс необходимо повторять многократно в каскаде. Простейшая разделительная ступень содержит одну диффузионную ячейку. На входе в ячейку компрессоры поддерживают давление на постоянном уровне, а теплообменник отводит теплоту сжатия технологического газа. На выходе обедненной фракции находится регулирующий клапан, с помощью которого устанавливается поток.
Разделение изотопов методом газовой диффузии в лабораторном масштабе впервые проводили Линдеман и Астон [3.5], чтобы получить изотопные смеси, обогащенные малораспространенными изотопами, для определения масс изотопов и для изучения атомных и молекулярных спектров. Первые результаты по изотопному обогащению методом газовой диффузии получили Астон для изотопов неона [3.6] и Харкинс для изотопов хлора [3.7] и ртути [3.8]. Герц [3.9], применив вместо повторений элементарного процесса каскад из 24 ступеней, сумел улучшить обогащение 22Ne.
52
Вслед за тем каскады с числом ступеней от 34 до 48 были применены для обогащения неона 22Ne [3.10], водорода 2Н [3.11], азота 15N [3.12] и метана — 13С [3.13].
Во время второй мировой войны газодиффузионная технология была разработана для крупномасштабного производства урана, высокообогащенного изотопом 235U, в рамках Манхэттенского проекта США [3.14—3.21] и Британского проекта Управления по трубным сплавам [3.22, 3.23]. Объединенные англо-американские исследования после 1942 г. привели к строительству первого газодиффузионного завода США в Ок-Ридже (1945 г.). Изотопной смесью для процесса разделения служил гексафторид урана, так как это единственное соединение урана с моноизотопным элементом (фтором), обладающее достаточно высокой упругостью пара при комнатной температуре.
С 1956 г. уран, обогащенный методом газовой диффузии, начал поставляться для мирных целей США [3.24]. Основные газодиффузионные заводы для промышленного разделения изотопов урана сегодня действуют или строятся: в США (Ок-Ридж, Падьюка, Портсмут), СССР (Урал), Англии (Кейпенхёрст), Китае (вблизи Ланьчжоу) и Франции (Пьерлатт, Трикастеп).
В следующих разделах мы рассмотрим физику прохождения газовых смесей через пористые перегородки (фильтры) (разд. 3.1), свойства потока в разделительной ступени (разд. 3.2) и физикохимические свойства гексафторида урана (разд. 3.3). Далее мы обсудим технологические аспекты газодиффузионного завода (разд. 3.4), методы оптимизации (разд. 3.5) и имеющуюся информацию о существующих промышленных заводах (разд. 3.6).
3.1. РАЗДЕЛИТЕЛЬНАЯ ПЕРЕГОРОДКА (ФИЛЬТР)
В газодиффузионном методе разделения к наиболее важным физическим характеристикам пористой перегородки (фильтра) относятся проницаемость и разделительная эффективность; этими двумя величинами вместе определяется общая площадь фильтров и число разделительных ступеней, необходимых для получения продукта заданного обогащения. В этом разделе мы рассмотрим зависимость этих характеристик от физики течения газа с помощью основных моделей, предложенных для описания структуры пористых тел.
3.1.1. Принцип разделения. Молекулярная диффузия
через отверстие
Самая простая модель пористой перегородки — отверстие, т. е. маленькая дырка в стенке закрытого сосуда. Когда давление газа Р; в тепловом равновесии внутри сосуда (входное давление) и внешнее давление Рь (выходное давление) будут настолько низкими, что внутри капилляра или около его торцов столкновения молекул друг с другом практически не происходят, то молекулы
53
будут диффундировать через капилляр независимо (рис. 3.2). Если на обеих сторонах капилляра поддерживаются различные низкие давления Pf>Pt, при одинаковой температуре, то результирующий эффузионный поток i-го компонен-. та газовой смеси через отверстие в установившемся состоянии определяется разностью чисел молекул, ударяющих о площадь отверстия s0 с противоположных сторон, т. е. если предполагать справедливость законов идеального газа,
Jals0 = (PiSoH){nif — nlb) = [ViS0f(4RT)](Plf—Pl6). (3.1)
