stringtranslate.com

Газовая диффузия

Газодиффузионный метод использует микропористые мембраны для обогащения урана.

Газовая диффузия — это технология, которая использовалась для производства обогащенного урана путем пропускания газообразного гексафторида урана (UF 6 ) через микропористые мембраны. Это приводит к небольшому разделению (коэффициент обогащения 1,0043) между молекулами, содержащими уран-235 ( 235 U) и уран-238 ( 238 U). За счет использования большого каскада из многих ступеней можно достичь высокого разделения. Это был первый разработанный процесс, позволяющий производить обогащенный уран в промышленно полезных количествах, но в настоящее время он считается устаревшим, поскольку его заменил более эффективный процесс газовой центрифуги (коэффициент обогащения от 1,05 до 1,2). [1] [2]

Газовая диффузия была разработана Фрэнсисом Саймоном и Николасом Курти в лаборатории Кларендона в 1940 году, когда комитет MAUD поручил им найти метод отделения урана-235 от урана-238 для производства бомбы для проекта British Tube Alloys . Сам прототип газодиффузионного оборудования был изготовлен компанией Metropolitan-Vickers (MetroVick) в Траффорд-Парке , Манчестер, по цене 150 000 фунтов стерлингов за четыре единицы для завода MS Factory, Valley . Эта работа была позже передана в Соединенные Штаты, когда проект Tube Alloys стал частью более позднего Манхэттенского проекта . [3]

Фон

Из 33 известных радиоактивных первичных нуклидов два ( 235 U и 238 U) являются изотопами урана . Эти два изотопа во многом схожи, за исключением того, что только 235 U является делящимся (способным поддерживать цепную ядерную реакцию деления ядер с тепловыми нейтронами ). Фактически, 235 U — единственное делящееся ядро, встречающееся в природе. [4] Поскольку природный уран содержит всего около 0,72% 235 U по массе, его необходимо обогащать до концентрации 2–5%, чтобы поддерживать непрерывную цепную ядерную реакцию [5] , когда в качестве замедлителя используется обычная вода. Продукт этого процесса обогащения называется обогащенным ураном.

Технологии

Научная основа

Газовая диффузия основана на законе Грэма , который гласит, что скорость истечения газа обратно пропорциональна квадратному корню из его молекулярной массы . Например, в ящике с микропористой мембраной, содержащей смесь двух газов, более легкие молекулы будут выходить из контейнера быстрее, чем более тяжелые, если диаметр пор меньше средней длины свободного пробега ( молекулярного потока ). Газ, выходящий из контейнера, несколько обогащен более легкими молекулами, а остаточный газ несколько обеднен. Одиночный контейнер, в котором процесс обогащения происходит посредством газовой диффузии, называется диффузором .

Гексафторид урана

UF 6 — единственное соединение урана, достаточно летучее для использования в процессе газовой диффузии. К счастью, фтор состоит только из одного изотопа 19 F, так что разница в 1% молекулярных масс между 235 UF 6 и 238 UF 6 обусловлена ​​только разницей в массах изотопов урана. По этим причинам UF 6 является единственным выбором в качестве сырья для процесса газовой диффузии. [6] UF 6 , твердое вещество при комнатной температуре, сублимируется при 56,4 °C (133 °F) и давлении 1 атмосфера. [7] Тройная точка находится при 64,05 °C и давлении 1,5 бар. [8] Применение закона Грэма дает:

где:

Скорость 1 представляет собой скорость выпота 235 UF 6 .
Скорость 2 представляет собой скорость выпота 238 UF 6 .
М 1 — молярная масса 235 UF 6 = 235,043930 + 6 × 18,998403 = 349,034348 г·моль −1.
М 2 – молярная масса 238 UF 6 = 238,050788 + 6 × 18,998403 = 352,041206 г·моль −1.

Этим объясняется разница в средних скоростях молекул 235 UF 6 на 0,4% по сравнению со скоростью молекул 238 UF 6 . [9]

UF 6 является сильнокоррозионным веществом . Это окислитель [10] и кислота Льюиса , которая способна связываться с фторидом , например, сообщается, что реакция фторида меди (II) с гексафторидом урана в ацетонитриле приводит к образованию гептафторураната меди (II) (VI), Cu (UF). 7 ) 2 . [11] Он реагирует с водой с образованием твердого соединения, и с ним очень сложно обращаться в промышленных масштабах. [6] Как следствие, внутренние газовые пути должны быть изготовлены из аустенитной нержавеющей стали и других термостабилизированных металлов. Нереактивные фторполимеры , такие как тефлон , необходимо наносить в качестве покрытия на все клапаны и уплотнения системы.

Барьерные материалы

В газодиффузионных установках обычно используются агрегатные барьеры (пористые мембраны), изготовленные из спеченного никеля или алюминия , с размером пор 10–25 нанометров (это менее одной десятой длины свободного пробега молекулы UF 6 ). [4] [6] Они также могут использовать барьеры пленочного типа, которые создаются путем просверливания пор в изначально непористой среде. Один из способов сделать это — удалить один компонент из сплава, например, используя хлористый водород для удаления цинка из серебро-цинка (Ag-Zn) или гидроксид натрия для удаления алюминия из сплава Ni-Al.

Энергетические требования

Поскольку молекулярные массы 235 UF 6 и 238 UF 6 почти равны, за один проход через барьер, то есть в один диффузор, происходит очень незначительное разделение 235 U и 238 U. Поэтому необходимо последовательно соединить большое количество диффузоров, используя выходы предыдущего этапа в качестве входов для следующего этапа. Такая последовательность этапов называется каскадом . На практике диффузионные каскады требуют тысяч стадий, в зависимости от желаемого уровня обогащения. [6]

Все компоненты диффузионной установки должны поддерживаться при соответствующей температуре и давлении, чтобы гарантировать, что UF 6 остается в газообразной фазе. Газ необходимо сжимать на каждой стадии, чтобы компенсировать потерю давления в диффузоре. Это приводит к компрессионному нагреву газа, который затем необходимо охладить перед входом в диффузор. Требования к перекачке и охлаждению делают диффузионные установки огромными потребителями электроэнергии . По этой причине газодиффузия до недавнего времени была самым дорогим методом получения обогащенного урана. [12]

История

Работники Манхэттенского проекта в Ок-Ридже, штат Теннесси , разработали несколько различных методов разделения изотопов урана. Три из этих методов использовались последовательно на трех разных заводах в Ок-Ридже для производства 235 U для « Маленького мальчика » и других первых ядерных вооружений . На первом этапе установка по обогащению урана С-50 использовала процесс термодиффузии для обогащения урана с 0,7% до почти 2% 235 U. Затем этот продукт подавался в процесс газодиффузионного процесса на заводе К-25 , продукт которого составлял около 23% 235 U. Наконец, этот материал был подан в калютроны на Y-12 . Эти машины (тип масс-спектрометра ) использовали электромагнитное разделение изотопов , чтобы повысить конечную концентрацию 235 U примерно до 84%.

Подготовка сырья UF 6 для газодиффузионной установки К-25 была первым в истории применением фтора, производимого в промышленных масштабах, и при этом возникли значительные препятствия при обращении как с фтором, так и с UF 6 . Например, прежде чем можно было построить газодиффузионную установку К-25, сначала необходимо было разработать нереакционноспособные химические соединения , которые можно было бы использовать в качестве покрытий, смазок и прокладок для поверхностей, которые будут контактировать с газом UF 6 ( высокореактивное и коррозионное вещество). Ученые Манхэттенского проекта наняли Уильяма Т. Миллера , профессора органической химии Корнелльского университета , для синтеза и разработки таких материалов, благодаря его опыту в области фторорганической химии . Миллер и его команда разработали несколько новых нереакционноспособных хлорфторуглеродных полимеров , которые использовались в этом приложении. [13]

Калутроны были неэффективны и дороги в изготовлении и эксплуатации. Как только в 1945 году инженерные препятствия, создаваемые процессом газовой диффузии, были преодолены и газодиффузионные каскады начали работать в Ок-Ридже, все калютроны были остановлены. Затем метод газовой диффузии стал предпочтительным методом производства обогащенного урана. [4]

На момент постройки в начале 1940-х годов газодиффузионные заводы были одними из крупнейших когда-либо построенных зданий. [ нужна цитация ] Крупные газодиффузионные заводы были построены Соединенными Штатами, Советским Союзом (включая завод, который сейчас находится в Казахстане ), Великобританией , Францией и Китаем . Большинство из них уже закрылись или, как ожидается, закроются, поскольку не могут экономически конкурировать с новыми технологиями обогащения. Некоторые технологии, используемые в насосах и мембранах, остаются совершенно секретными. Некоторые из использованных материалов по-прежнему подлежат экспортному контролю в рамках продолжающихся усилий по контролю за распространением ядерного оружия .

Текущее состояние

В 2008 году газодиффузионные заводы в США и Франции по-прежнему производили 33% мирового обогащенного урана. [12] Однако французский завод ( завод Eurodif Georges-Besse) окончательно закрылся в июне 2012 года, [14] и газодиффузионный завод в Падьюке в Кентукки, которым управляет Корпорация по обогащению урана США (USEC) (последний полностью функционирующий завод по обогащению урана). [ 15] Единственный другой подобный объект в США, Портсмутский газодиффузионный завод в Огайо, прекратил деятельность по обогащению в 2001 году . [ 5] [16] [17] С 2010 года площадка в Огайо в настоящее время используется в основном французским конгломератом AREVA для переработки обедненного UF 6 в оксид урана . [18] [19]

Поскольку существующие газодиффузионные установки устарели, на смену им пришла технология газовых центрифуг второго поколения , которая требует гораздо меньше электроэнергии для производства эквивалентного количества выделенного урана. AREVA заменила свою газодиффузионную установку Georges Besse на центрифужную установку Georges Besse II. [2]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ https://www.nrc.gov/docs/ML1204/ML12045A055.pdf [ пустой URL-адрес PDF ]
  2. ^ «Обогащение урана». Комиссия по ядерному регулированию США . Проверено 17 июля 2020 г.
  3. ^ Колин Барбер. «Проект трубных сплавов». Историческое общество долины Ридимвин.
  4. ^ abc Коттон S (2006). «Гексафторид урана и разделение изотопов». Химия лантаноидов и актинидов (1-е изд.). Чичестер, Западный Суссекс, Англия: John Wiley and Sons, Ltd., стр. 163–5. ISBN 978-0-470-01006-8. Проверено 20 ноября 2010 г.
  5. ^ abc Комиссия по ядерному регулированию США (2009). «Информационный бюллетень по газовой диффузии». Вашингтон, округ Колумбия: Комиссия по ядерному регулированию США . Проверено 20 ноября 2010 г.
  6. ^ abcd Битон Л (1962). «Замедление производства ядерных взрывных устройств». Новый учёный . 16 (309): 141–3 . Проверено 20 ноября 2010 г.
  7. ^ ДеВитт, Р. (1960). Гексафторид урана: обзор физико-химических свойств. п. 102. дои : 10.2172/4025868.
  8. ^ «Гексафторид урана: Источник: Приложение A к PEIS (DOE/EIS-0269): Физические свойства» . Архивировано из оригинала 29 марта 2016 г. Проверено 18 ноября 2010 г.
  9. ^ «Газодиффузионное обогащение урана». GlobalSecurity.org. 27 апреля 2005 года . Проверено 21 ноября 2010 г.
  10. ^ Ола Г.Х., Уэлч Дж. (1978). «Синтетические методы и реакции. 46. Окисление органических соединений гексафторидом урана в растворах галогеналканов». Журнал Американского химического общества . 100 (17): 5396–402. дои : 10.1021/ja00485a024.
  11. ^ Берри Дж.А., Пул РТ, Прескотт А., Шарп Д.В., Уинфилд Дж.М. (1976). «Окислительные и акцепторные свойства фторид-ионов гексафторида урана в ацетонитриле». Журнал Химического общества, Dalton Transactions (3): 272–4. дои : 10.1039/DT9760000272.
  12. ^ AB Майкл Голдсуорси (2008). «Конференция Lodge Partners по средней капитализации» (PDF) . Лукас-Хайтс, Новый Южный Уэльс, Австралия: Silex Ltd. Проверено 20 ноября 2010 г.
  13. ↑ Блейн П. Фридлендер-младший (3 декабря 1998 г.). «Уильям Т. Миллер, ученый Манхэттенского проекта и профессор химии Корнелла, умер в возрасте 87 лет». Корнеллские новости . Итака, Нью-Йорк: Корнельский университет . Проверено 20 ноября 2010 г.
  14. ^ "Жорж Бесс окончательно истощен" . Мировые ядерные новости . 8 июня 2012 г.
  15. ^ "ГАЗОДИФФУЗИОННЫЙ ЗАВОД ПАДУКА (USDOE)" . Деятельность по обогащению урана прекращена в 2013 году.
  16. ^ Корпорация США по обогащению (2009). «Обзор: Портсмутский газодиффузионный завод». Газодиффузионные установки . Бетесда, Мэриленд: USEC, Inc. Архивировано из оригинала 24 ноября 2010 г. Проверено 20 ноября 2010 г.
  17. ^ Корпорация США по обогащению (2009). «История: Газодиффузионный завод в Падуке». Газодиффузионные установки . Бетесда, Мэриленд: USEC, Inc. Архивировано из оригинала 2 января 2011 г. Проверено 20 ноября 2010 г.
  18. ↑ Том Ламар (10 сентября 2010 г.). «AREVA начинает работу на объекте в Портсмуте» . Новости атомной энергетики . Уэйнсборо, Вирджиния: Ядерная улица . Проверено 20 ноября 2010 г.
  19. ^ AREVA, Inc. (2010). «Министерство энергетики дает совместному предприятию AREVA разрешение начать эксплуатационные испытания нового объекта в Огайо» (PDF) . Пресс-релиз . Бетесда, Мэриленд: AREVA, Inc. Проверено 20 ноября 2010 г.[ постоянная мертвая ссылка ]

Внешние ссылки