Газовая диффузия

Старый метод обогащения урана

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:

${\displaystyle {{\mbox{Rate}}_{1} \over {\mbox{Rate}}_{2}}={\sqrt {M_{2} \over M_{1}}}={\sqrt {352.041206 \over 349.034348}}=1.004298...}$

где:

Скорость ₁ — это скорость истечения ²³⁵ UF ₆ .

Скорость ₂ – это скорость истечения ²³⁸ UF ₆ .

M ₁ — молярная 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

• Кейпенхерст
• Законы диффузии Фика
• К-25
• Ланьчжоу
• Маркуль
• Молекулярная диффузия
• Ядерный топливный цикл
• Томас Грэм (химик)
• Томск

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. 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. 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. 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. 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

• Аннотированные ссылки по газовой диффузии из библиотеки Алсос