stringtranslate.com

Газовая диффузия

Газовая диффузия использует микропористые мембраны для обогащения урана

Газовая диффузия — это технология, которая использовалась для производства обогащенного урана путем продавливания газообразного гексафторида урана (UF 6 ) через микропористые мембраны. Это обеспечивает небольшое разделение (коэффициент обогащения 1,0043) между молекулами, содержащими уран-235 ( 235 U) и уран-238 ( 238 U). Используя большой каскад из многих стадий, можно достичь высокого разделения. Это был первый разработанный процесс, который был способен производить обогащенный уран в промышленно полезных количествах, но в настоящее время считается устаревшим, будучи замененным более эффективным процессом 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 разделения урана-235 от урана-238 для производства бомбы для проекта British Tube Alloys . Прототип газодиффузионного оборудования был изготовлен Metropolitan-Vickers (MetroVick) в Траффорд-парке , Манчестер, по цене 150 000 фунтов стерлингов за четыре единицы для завода MS в Вэлли . Эта работа была позже перенесена в Соединенные Штаты, когда проект Tube Alloys был включен в более поздний проект Manhattan . [3]

Фон

Из 33 известных первичных радиоактивных нуклидов два ( 235 U и 238 U) являются изотопами урана . Эти два изотопа во многом похожи, за исключением того, что только 235 U является делящимся (способным поддерживать цепную ядерную реакцию деления ядер с тепловыми нейтронами ). Фактически, 235 U является единственным естественным делящимся ядром. [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 коробке с микропористой мембраной, содержащей смесь двух газов, более легкие молекулы будут выходить из контейнера быстрее, чем более тяжелые молекулы, если диаметр пор меньше средней длины свободного пробега ( молекулярного потока ). Газ, выходящий из контейнера, несколько обогащается более легкими молекулами, в то время как остаточный газ несколько обедняется. Отдельный контейнер, в котором процесс обогащения происходит посредством газовой диффузии, называется диффузором .

Гексафторид урана

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

где:

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

Это объясняет разницу в 0,4% в средних скоростях 235 молекул UF 6 по сравнению с 238 молекулами UF 6. [9]

UF 6 является высококоррозионным 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 (VI) меди (II), Cu(UF 7 ) 2 . [11] Он реагирует с водой, образуя твердое соединение, и его очень трудно обрабатывать 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, должны применяться в качестве покрытия для всех клапанов и уплотнений в системе.

Барьерные материалы

Газодиффузионные установки обычно используют агрегатные барьеры (пористые мембраны), изготовленные из спеченного никеля или алюминия , с размером пор 10–25 нанометров (это менее одной десятой средней длины свободного пробега молекулы UF 6 ). [4] [6] Они также могут использовать пленочные барьеры, которые изготавливаются путем сверления пор в изначально непористой среде. Одним из способов сделать это является удаление одного компонента в сплаве, например, с помощью хлористого водорода для удаления цинка из сплава серебра и цинка (Ag-Zn) или гидроксида натрия для удаления алюминия из сплава Ni-Al.

Потребность в энергии

Поскольку молекулярные веса 235 UF 6 и 238 UF 6 почти равны, очень небольшое разделение 235 U и 238 U происходит за один проход через барьер, то есть в одном диффузоре. Поэтому необходимо соединить большое количество диффузоров вместе в последовательность стадий, используя выходы предыдущей стадии в качестве входов для следующей стадии. Такая последовательность стадий 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 должен сжиматься на каждой стадии, чтобы компенсировать потерю давления через диффузор. Это приводит к компрессионному нагреву газа, который затем должен быть охлажден перед поступлением в диффузор. Требования к откачке и охлаждению делают диффузионные установки огромными потребителями электроэнергии . Из-за этого газовая диффузия была самым дорогим методом, использовавшимся до недавнего времени для производства обогащенного урана. [12]

История

Рабочие, работавшие над Манхэттенским проектом в Оук-Ридже, штат Теннесси , разработали несколько различных методов разделения изотопов урана. Три из этих методов использовались последовательно на трех различных заводах в Оук-Ридже для производства 235 U для « Little Boy » и других ранних образцов ядерного оружия . На первом этапе установка по обогащению урана S-50 использовала процесс термодиффузии для обогащения урана с 0,7% до почти 2% 235 U. Затем этот продукт подавался в процесс газовой диффузии на заводе K-25 , продуктом которого было около 23% 235 U. Наконец, этот материал подавался в калютроны на Y-12 . Эти машины (тип масс-спектрометра ) использовали электромагнитное разделение изотопов для повышения конечной концентрации 235 U примерно до 84%.

Подготовка сырья UF 6 для газодиффузионной установки K-25 была первым применением для коммерчески производимого фтора, и при обращении как с фтором, так и с UF 6 возникли значительные препятствия . Например, до того, как газодиффузионная установка K-25 могла быть построена, сначала необходимо было разработать нереактивные химические соединения , которые можно было бы использовать в качестве покрытий, смазок и прокладок для поверхностей, которые будут контактировать с газом UF 6 (высокореактивным и едким веществом). Ученые Манхэттенского проекта наняли Уильяма Т. Миллера , профессора органической химии в Корнелльском университете , для синтеза и разработки таких материалов, поскольку он был экспертом в области фторорганической химии . Миллер и его команда разработали несколько новых нереактивных хлорфторуглеродных полимеров , которые использовались в этом применении. [13]

Калутроны были неэффективны и дороги в строительстве и эксплуатации. Как только были преодолены технические препятствия, вызванные газодиффузионным процессом, и газодиффузионные каскады начали работать в Ок-Ридже в 1945 году, все калютроны были закрыты. Газодиффузионный метод стал предпочтительным методом производства обогащенного урана. [4]

На момент их строительства в начале 1940-х годов газодиффузионные заводы были одними из самых больших зданий, когда-либо построенных. [ требуется ссылка ] Крупные газодиффузионные заводы были построены Соединенными Штатами, Советским Союзом (включая завод, который сейчас находится в Казахстане ), Соединенным Королевством , Францией и Китаем . Большинство из них в настоящее время закрыты или, как ожидается, закроются, неспособные экономически конкурировать с новыми методами обогащения. Часть технологий, используемых в насосах и мембранах, остается совершенно секретной. Некоторые из используемых материалов остаются под контролем экспорта в рамках продолжающихся усилий по контролю за распространением ядерного оружия .

Текущий статус

В 2008 году газодиффузионные заводы в США и Франции по-прежнему производили 33% мирового обогащенного урана. [12] Однако французский завод ( завод Жорж-Бесс компании Eurodif ) окончательно закрылся в июне 2012 года, [14] а газодиффузионный завод Падука в Кентукки, эксплуатируемый Корпорацией по обогащению Соединенных Штатов (USEC) (последний полностью функционирующий завод по обогащению урана в США, на котором использовался процесс газодиффузии [5] [1] ), прекратил обогащение в 2013 году. [15] Единственный другой такой завод в США, газодиффузионный завод в Портсмуте 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 преобразования обедненного UF6 в оксид урана . [18] [19]

Поскольку существующие газодиффузионные установки устарели, их заменили на технологию газовых центрифуг второго поколения , которая требует гораздо меньше электроэнергии для производства эквивалентных количеств отделенного урана. AREVA заменила свою газодиффузионную установку Georges Besse на центрифужную установку Georges Besse II. [2]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ "Module 4.0: Gas Centrifuge" (PDF) . USNRC Technical Training Center . Получено 20 сентября 2024 г. .
  2. ^ "Обогащение урана". Комиссия по ядерному регулированию США . Получено 17 июля 2020 г.
  3. ^ Колин Барбер. «Проект трубных сплавов». Историческое общество долины Ридимвин.
  4. ^ abc Cotton S (2006). "Гексафторид урана и разделение изотопов". Лантаноидная и актиноидная химия (1-е изд.). Чичестер, Западный Сассекс, Англия: John Wiley and Sons, Ltd. стр. 163–5. ISBN 978-0-470-01006-8. Получено 20 ноября 2010 г. .
  5. ^ abc Комиссия по ядерному регулированию США (2009). «Информационный листок по газовой диффузии». Вашингтон, округ Колумбия: Комиссия по ядерному регулированию США . Получено 20 ноября 2010 г.
  6. ^ abcd Beaton L (1962). «Замедление производства ядерных взрывчатых веществ». New Scientist . 16 (309): 141–3 . Получено 20 ноября 2010 г.[ постоянная мертвая ссылка ]
  7. ^ ДеВитт, Р. (1960). Гексафторид урана: обзор физико-химических свойств. стр. 102. doi :10.2172/4025868.
  8. ^ "Гексафторид урана: Источник: Приложение A PEIS (DOE/EIS-0269): Физические свойства". Архивировано из оригинала 29 марта 2016 г. Получено 18 ноября 2010 г.
  9. ^ "Газодиффузионное обогащение урана". GlobalSecurity.org. 27 апреля 2005 г. Получено 21 ноября 2010 г.
  10. ^ Olah GH, Welch J (1978). «Синтетические методы и реакции. 46. Окисление органических соединений гексафторидом урана в растворах галогеналканов». Журнал Американского химического общества . 100 (17): 5396–402. doi :10.1021/ja00485a024.
  11. ^ Berry JA, Poole RT, Prescott A, Sharp DW, Winfield JM (1976). «Окислительные и акцепторные свойства гексафторида урана в ацетонитриле как фторида». Журнал химического общества, Dalton Transactions (3): 272–4. doi :10.1039/DT9760000272.
  12. ^ ab Michael Goldsworthy (2008). "Lodge Partners Mid-Cap Conference" (PDF) . Lucas Heights, Новый Южный Уэльс, Австралия: Silex Ltd . Получено 20 ноября 2010 г. .
  13. Блейн П. Фридлендер-младший (3 декабря 1998 г.). «Уильям Т. Миллер, ученый Манхэттенского проекта и профессор химии Корнеллского университета, умер в возрасте 87 лет». Cornell News . Итака, Нью-Йорк: Корнеллский университет . Получено 20 ноября 2010 г.
  14. ^ "Жорж Бесс окончательно истощился". World Nuclear News . 8 июня 2012 г.
  15. ^ "PADUCAH GASEOUS DIFFUSION PLANT (USDOE)". Деятельность по обогащению урана прекращена в 2013 году.
  16. ^ United States Enrichment Corporation (2009). "Обзор: Портсмутский газодиффузионный завод". Газодиффузионные заводы . Бетесда, Мэриленд: USEC, Inc. Архивировано из оригинала 24 ноября 2010 г. Получено 20 ноября 2010 г.
  17. ^ United States Enrichment Corporation (2009). "История: Газодиффузионный завод в Падуке". Газодиффузионные заводы . Бетесда, Мэриленд: USEC, Inc. Архивировано из оригинала 2 января 2011 г. Получено 20 ноября 2010 г.
  18. ^ Том Ламар (10 сентября 2010 г.). «AREVA начинает работу на предприятии в Портсмуте». Новости ядерной энергетики . Уэйнсборо, Вирджиния: Nuclear Street . Получено 20 ноября 2010 г.
  19. ^ AREVA, Inc. (2010). «DOE Gives AREVA Joint Venture Permission to Begin Operational Testing of New Ohio Facility» (PDF) . Пресс-релиз . Бетесда, Мэриленд: AREVA, Inc . Получено 20 ноября 2010 г. .[ постоянная мертвая ссылка ]

Внешние ссылки