Газовая диффузия

редактировать
В газовой диффузии используются полупроницаемые мембраны для разделения обогащенного урана

Газовая диффузия - это используемая технология для производства обогащенного урана путем пропускания газообразного гексафторида урана (UF 6) через полупроницаемые мембраны. Это дает небольшое разделение между молекулами, содержащими уран-235 (U) и уран-238 (U). За счет использования большого каскада из многих ступеней может быть достигнуто высокое разделение. Это был первый процесс, который был разработан, который позволил производить обогащенный уран в промышленных количествах, но в настоящее время считается устаревшим, поскольку его заменил более эффективный процесс газовой центрифуги.

Газовая диффузия была изобретена Фрэнсис Саймон и Николас Курти в Лаборатории Кларендона в 1940 г., Комитет MAUD получил задание найти метод отделения урана-235 от уран-238 для создания бомбы для британского проекта Tube Alloys. Сам прототип газодиффузионного оборудования был изготовлен Metropolitan-Vickers (MetroVick) в Trafford Park, Манчестер, по цене 150 000 фунтов стерлингов за четыре единицы для M. С. Фабрика, Долина. Эта работа была позже перенесена в США, когда проект Tube Alloys стал частью более позднего Манхэттенского проекта.

Содержание

  • 1 Предпосылки
  • 2 Технологии
  • 3 История
  • 4 Текущее состояние
  • 5 См. Также
  • 6 Ссылки
  • 7 Внешние ссылки

Предпосылки

Из 33 известных радиоактивных первичных нуклидов два (U и U) являются изотопы урана. Эти два изотопа во многом схожи, за исключением того, что только U является делящимся (способен выдерживать цепную ядерную реакцию деление ядра с тепловыми нейтронами ). Фактически, U - единственное делящееся ядро, встречающееся в природе. Поскольку природный уран составляет всего около 0,72% U по массе, он должен быть обогащен до концентрации 2–5%, чтобы иметь возможность поддерживать непрерывную ядерную цепную реакцию, когда обычная вода используется в качестве замедлителя. Продукт этого процесса обогащения называется обогащенным ураном.

Технология

Научная основа

Газовая диффузия основана на законе Грэма, который гласит, что скорость излияния газа обратно пропорциональна квадратный корень из его молекулярной массы. Например, в контейнере с полупроницаемой мембраной, содержащей смесь двух газов, более легкие молекулы будут выходить из контейнера быстрее, чем более тяжелые молекулы. Газ, покидающий контейнер, несколько обогащен более легкими молекулами, а остаточный газ несколько обеднен. Единичный контейнер, в котором процесс обогащения происходит посредством газовой диффузии, называется диффузором.

гексафторид урана

UF6, это единственное соединение урана, летучее в достаточной степени для использования в процессе газовой диффузии. К счастью, фтор состоит только из одного изотопа F, так что разница в молекулярной массе в 1% между UF 6 и UF 6 обусловлена ​​только разницей в весах изотопов урана. По этим причинам UF 6 является единственным выбором в качестве исходного сырья для процесса газовой диффузии. UF 6, твердое вещество при комнатной температуре, сублимируется при 56,5 ° C (133 ° F) при 1 атмосфере. Тройная точка находится при 64,05 ° C и 1,5 бар. Применение закона Грэма к гексафториду урана:

Скорость 1 Скорость 2 = M 2 M 1 = 352,041206 349,034348 = 1,004298... {\ displaystyle {{\ t_dv {Rate}} _ {1} \ over {\ t_dv {Rate} } _ {2}} = {\ sqrt {M_ {2} \ over M_ {1}}} = {\ sqrt {352.041206 \ over 349.034348}} = 1.004298...}{\ t_dv {Rate} _1 \ over \ t_dv {Rate} _2} = \ sqrt {M_2 \ over M_1} = \ sqrt {352.041206 \ over 349.034348} = 1.004298...

где:

Rate 1 - скорость истечения UF 6.
Скорость 2 - скорость излияния UF 6.
M1- молярная масса UF 6 = 235,043930 + 6 × 18,998403 = 349,034348 г · моль
M2- молярная масса UF 6 = 238,050788 + 6 × 18,998403 = 352,041206 г · моль

Этим объясняется разница в 0,4% по средней скорости молекул UF 6 над скоростью молекул UF 6.

UF6является сильно коррозионным веществом. Это окислитель и кислота Льюиса, которая способна связываться с фторидом, например, в реакции реакции меди ( II) фторид с гексафторидом урана в ацетонитриле, как сообщается, образует гептафторуранат (VI) меди (II), Cu (UF 7)2. Он реагирует с водой с образованием твердого соединения и очень трудно обрабатывать в промышленных масштабах. Как следствие, внутренние газовые пути должны быть изготовлены из аустенитной нержавеющей стали и других термостабилизированных металлов. Нереакционные фторполимеры, например, тефлон, необходимо нанести в качестве покрытия на все клапаны и уплотнения в системе.

Барьерные материалы

В газодиффузионных установках обычно используются агрегатные барьеры (пористые мембраны), изготовленные из спеченного никеля или алюминия, с размером пор 10–25 нанометров (это меньше чем одна десятая средней длины свободного пробега молекулы UF 6). Они также могут использовать барьеры пленочного типа, которые ch образуются путем просверливания пор через изначально непористую среду. Один из способов сделать это - удалить одну составляющую из сплава, например, использовать хлористый водород для удаления цинка из серебра-цинка (Ag-Zn).

Потребность в энергии

Поскольку молекулярные массы UF 6 и UF 6 почти равны, очень небольшое разделение U и U осуществляется за один проход через барьер, то есть в одном диффузоре. Следовательно, необходимо соединить большое количество диффузоров вместе в последовательность этапов, используя выходы предыдущей ступени в качестве входов для следующей ступени. Такая последовательность этапов называется каскадом. На практике для диффузионных каскадов требуются тысячи ступеней в зависимости от желаемого уровня обогащения.

Все компоненты диффузионного завода должны поддерживаться при соответствующей температуре и давлении, чтобы гарантировать, что УФ 6 остается в газовой фазе. Газ должен сжиматься на каждой ступени, чтобы компенсировать потерю давления в диффузоре. Это приводит к компрессионному нагреву газа, который затем необходимо охладить перед входом в диффузор. Требования к насосам и охлаждению делают диффузионные установки огромными потребителями электроэнергии. Из-за этого газовая диффузия - самый дорогой метод, используемый в настоящее время для производства обогащенного урана.

История

Рабочие, работающие над Манхэттенским проектом в Ок-Ридже, Теннесси, разработали несколько различных методов разделения изотопов урана. Три из этих методов использовались последовательно на трех разных заводах в Ок-Ридже для производства U для «Little Boy » и другого раннего ядерного оружия. На первом этапе установка по обогащению урана S-50 использовала процесс термодиффузии для обогащения урана от 0,7% до почти 2% U. Затем этот продукт подавали в процесс газовой диффузии на установке K-25, продукт которого содержал около 23% U. Наконец, этот материал подавали в калютроны на Y-12. Эти устройства (тип масс-спектрометра ) использовали электромагнитное разделение изотопов для повышения конечной концентрации U примерно до 84%.

Подготовка исходного сырья UF 6 для газодиффузионной установки К-25 была первым в истории применением промышленного фтора, и возникли значительные препятствия при обращении как с фтором, так и с UF 6. Например, до того, как могла быть построена газодиффузионная установка К-25, сначала необходимо было разработать нереактивные химические соединения, которые можно было бы использовать в качестве покрытий, смазочных материалов и прокладки для поверхностей, которые могут контактировать с газом UF 6 (высокореактивным и коррозионно-активным веществом). Ученые Манхэттенского проекта наняли Уильяма Т. Миллера, профессора органической химии из Корнельского университета, для синтеза и разработки таких материалов., поскольку он разбирается в химии фторорганических соединений. Миллер и его команда разработали несколько новых нереактивных хлорфторуглеродов полимеров, которые использовались в этом приложении.

Калютроны были неэффективны и дороги в изготовлении и эксплуатации. Как только технические препятствия, создаваемые процессом газовой диффузии, были преодолены и газодиффузионные каскады начали работать в Ок-Ридже в 1945 году, все калютроны были остановлены. Затем газодиффузионный метод стал предпочтительным методом для производства обогащенного урана.

Во время их строительства в начале 1940-х годов газодиффузионные заводы были одними из самых больших зданий, когда-либо построенных. Крупные газодиффузионные установки были построены в Соединенных Штатах, Советском Союзе (включая завод, который сейчас находится в Казахстане ), Соединенном Королевстве, Франция и Китай. Большинство из них в настоящее время закрыто или, как ожидается, закроются, поскольку не в состоянии экономически конкурировать с более новыми методами обогащения. Однако некоторые технологии, используемые в насосах и мембранах, по-прежнему остаются совершенно секретными, а некоторые из использованных материалов по-прежнему подлежат экспортному контролю в рамках продолжающихся усилий по контролю распространение ядерного оружия.

Текущее состояние

В 2008 году газодиффузионные заводы в США и Франции по-прежнему производили 33% обогащенного урана в мире. Однако французский завод окончательно закрылся в мае 2012 года, а газодиффузионный завод Падука в Кентукки, управляемый United States Enrichment Corporation (USEC) (последний полностью функционирующий завод по обогащению урана в США для использования процесса газовой диффузии) прекратили обогащение в 2013 году. Единственное подобное предприятие в Соединенных Штатах, Портсмутский газодиффузионный завод в Огайо, прекратило деятельность по обогащению в 2001 году. С 2010 года штат Огайо Сайт в настоящее время используется в основном AREVA, французским конгломератом, для преобразования обедненного UF 6 в оксид урана.

В качестве существующей газовой диффузии устарели, их заменила технология газовых центрифуг второго поколения, которая требует гораздо меньше электроэнергии для производства эквивалентных количеств отделенного урана. AREVA заменила газодиффузионную установку Georges Besse на центрифугу Georges Besse II.

См. Также

Ссылки

Внешние ссылки

Последняя правка сделана 2021-05-21 12:46:09
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте