WikiDer > Газовая диффузия

Gaseous diffusion
В газовой диффузии используются полупроницаемые мембраны для разделения обогащенного урана.

Газовая диффузия это технология, используемая для производства обогащенный уран путем нагнетания газообразных гексафторид урана (УФ6) через полупроницаемые мембраны. Это дает небольшое разделение между молекулами, содержащими уран-235 (235U) и уран-238 (238U). Используя большой каскад многих стадий может быть достигнуто высокое разделение. Это был первый разработанный процесс, который позволил производить обогащенный уран в промышленных количествах, но в настоящее время считается устаревшим, поскольку его заменил более эффективный процесс газовой центрифуги.[1]

Газовая диффузия была изобретена Фрэнсис Саймон и Николас Курти на Лаборатория Кларендона в 1940 г. по заданию Комитет MAUD с поиском метода отделения урана-235 от урана-238 с целью создания бомбы для британцев. Трубные сплавы проект. Сам прототип газодиффузионного оборудования был изготовлен Метрополитен-Виккерс (MetroVick) в Траффорд Парк, Манчестер, по цене 150 000 фунтов стерлингов за четыре единицы, за Завод М.С., Долина. Эта работа была позже перенесена в Соединенные Штаты, когда проект Tube Alloys был передан более позднему Манхэттенский проект.[2]

Фон

Из 33 известных радиоактивные первичные нуклиды, два (235U и 238Ты изотопы урана. Эти двое изотопы во многом похожи, за исключением того, что только 235U - это делящийся (способный выдержать ядерная цепная реакция из ядерное деление с тепловые нейтроны). По факту, 235U - единственное делящееся ядро, встречающееся в природе.[3] Потому что природный уран составляет всего около 0,72% 235U по массе, он должен быть обогащен до концентрации 2–5%, чтобы поддерживать непрерывную ядерную цепную реакцию.[4] когда в качестве замедлителя используется обычная вода. Продукт этого процесса обогащения называется обогащенным ураном.

Технологии

Научная база

Газодиффузия основана на Закон Грэма, в котором говорится, что скорость излияние газа обратно пропорционально квадратному корню из его молекулярная масса. Например, в ящике с полупроницаемой мембраной, содержащей смесь двух газов, более легкие молекулы будут выходить из контейнера быстрее, чем более тяжелые. Газ, покидающий контейнер, несколько обогащен более легкими молекулами, а остаточный газ несколько обеднен. Единый контейнер, в котором процесс обогащения происходит за счет газовой диффузии, называется диффузор.

Гексафторид урана

UF6 единственное соединение урана в достаточной степени летучий для использования в процессе газовой диффузии. К счастью, фтор состоит только из одного изотопа 19F, так что разница в молекулярном весе в 1% между 235UF6 и 238UF6 происходит только из-за разницы в весе изотопов урана. По этим причинам UF6 единственный выбор в качестве сырье для процесса газовой диффузии.[5] UF6, твердое при комнатной температуре, возвышенный при 56,5 ° C (133 ° F) при 1 атмосфере.[6] В тройная точка составляет 64,05 ° C и 1,5 бар.[7] Применение закона Грэма к гексафториду урана:

куда:

Показатель1 скорость излияния 235UF6.
Показатель2 скорость излияния 238UF6.
M1 это молярная масса из 235UF6 = 235,043930 + 6 × 18,998403 = 349,034348 г · моль−1
M2 это молярная масса 238UF6 = 238,050788 + 6 × 18,998403 = 352,041206 г · моль−1

Этим объясняется разница в 0,4% средних скоростей 235UF6 молекул над 238UF6 молекулы.[8]

UF6 очень коррозионное вещество. Это окислитель[9] и Кислота Льюиса который может связываться с фторид, например реакция из фторид меди (II) с гексафторидом урана в ацетонитрил как сообщается, образует гептафторуранат (VI) меди (II), Cu (UF7)2.[10] Он реагирует с водой с образованием твердого вещества, с которым очень трудно работать в промышленных масштабах.[5] Как следствие, внутренние газовые пути должны быть изготовлены из аустенитная нержавеющая сталь и другие термостабилизированный металлы. Нереактивный фторполимеры такие как Тефлон должен применяться как покрытие все клапаны и уплотнения в системе.

Барьерные материалы

Газодиффузионные установки обычно используют агрегатные барьеры (пористые мембраны), построенные из спеченный никель или алюминий, с размером пор 10–25 нанометры (это меньше одной десятой длина свободного пробега УФ6 молекула).[3][5] Они также могут использовать барьеры пленочного типа, которые создаются путем просверливания пор через изначально непористую среду. Один из способов сделать это - удалить одну составляющую из сплава, например, используя хлористый водород убрать цинк из серебра и цинка (Ag-Zn).

Энергетические требования

Поскольку молекулярная масса 235UF6 и 238UF6 почти равны, очень небольшое разделение 235U и 238U осуществляется за один проход через преграду, то есть в один диффузор. Следовательно, необходимо соединить большое количество диффузоров вместе в последовательности этапов, используя выходы предыдущего этапа в качестве входов для следующего этапа. Такая последовательность этапов называется каскад. На практике для диффузионных каскадов требуются тысячи ступеней в зависимости от желаемого уровня обогащения.[5]

Все составляющие диффузии завод должны поддерживаться при соответствующей температуре и давлении, чтобы гарантировать, что UF6 остается в газовой фазе. Газ должен сжиматься на каждой ступени, чтобы компенсировать потерю давления в диффузоре. Это ведет к компрессионный нагрев газа, который затем необходимо охладить перед подачей в диффузор. Требования к насосу и охлаждению делают диффузионные установки огромными потребителями электроэнергия. По этой причине газовая диффузия является наиболее дорогостоящим методом, используемым в настоящее время для производства обогащенного урана.[11]

История

Рабочие, работающие над Манхэттенским проектом в Ок-Ридж, Теннесси, разработали несколько различных методов для разделение изотопов урана. Три из этих методов использовались последовательно на трех разных заводах в Ок-Ридже для получения 235U для "Маленький мальчик" и другие раннее ядерное оружие. На первом этапе С-50 установка по обогащению урана использовала термодиффузия процесс обогащения урана от 0,7% до почти 2% 235U. Этот продукт затем подавали в процесс газовой диффузии на К-25 завод, продукция которого составляла около 23% 235U. Наконец, этот материал был загружен в калютроны на Y-12. Эти машины (тип масс-спектрометр) занятые электромагнитное разделение изотопов поднять финал 235Концентрация U примерно до 84%.

Приготовление УФ6 сырье для газодиффузионной установки К-25 было первым в истории применением для промышленного производства фтора, и при обращении как с фтором, так и с UF возникли значительные препятствия.6. Например, до того, как можно было построить газодиффузионный завод К-25, сначала необходимо было разработать нереактивный химические соединения которые можно использовать в качестве покрытий, смазочные материалы и прокладки для поверхностей, которые будут контактировать с УФ6 газ (высокореактивное и едкое вещество). Ученые Манхэттенского проекта набраны Уильям Т. Миллер, профессор органическая химия в Корнелл Университет, чтобы синтезировать и разрабатывать такие материалы, благодаря его опыту в фторорганическая химия. Миллер и его команда разработали несколько новых нереактивных хлорфторуглерод полимеры которые использовались в этом приложении.[12]

Калютроны были неэффективными и дорогими в строительстве 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 метод газовой диффузии стал предпочтительным методом производства обогащенного урана.[3]

На момент строительства в начале 1940-х годов газодиффузионные заводы были одними из самых больших зданий, когда-либо построенных.[нужна цитата] Крупные газодиффузионные установки были построены в США, Советский союз (включая завод, который сейчас Казахстан), объединенное Королевство, Франция, и Китай. Большинство из них сейчас закрыто или, как ожидается, закроются, так как не в состоянии экономически конкурировать с более новыми технологиями обогащения. Однако некоторые технологии, используемые в насосах и мембранах, по-прежнему остаются совершенно секретными, а некоторые из использованных материалов остаются предметом экспортного контроля в рамках продолжающихся усилий по контролю распространение ядерного оружия.

Текущее состояние

В 2008 году газодиффузионные заводы в США и Франции по-прежнему производили 33% мирового обогащенного урана.[11] Однако французский завод окончательно закрылся в мае 2012 года.[13] и Газодиффузионная установка Падука в Кентукки управляется Корпорация США по обогащению (USEC) (последняя полностью функционирующая установка по обогащению урана в Соединенных Штатах, использующая процесс газовой диффузии[4][1]) прекратил обогащение в 2013 году.[14] Единственный другой подобный объект в Соединенных Штатах, Портсмутский газодиффузионный завод в Огайо прекратил деятельность по обогащению в 2001 году.[4][15][16] С 2010 года сайт Огайо в настоящее время используется в основном АРЕВА, французский конгломерат, для преобразования обедненного UF6 к оксид урана.[17][18]

Поскольку существующие газодиффузионные установки устарели, они были заменены на газовая центрифуга второго поколения технология, которая требует гораздо меньше электроэнергии для производства эквивалентного количества выделенного урана. Компания AREVA заменила газодиффузионную установку Georges Besse на центрифугу Georges Besse II.[2]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «Обогащение урана». Комиссия по ядерному регулированию США. Получено 17 июля 2020.
  2. ^ Колин Барбер. «Проект трубных сплавов». Общество истории долины Райдимвин.
  3. ^ а б c Хлопок 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. Получено 2010-11-20.
  4. ^ а б c Комиссия по ядерному регулированию США (2009). "Информационный бюллетень по газовой диффузии". Вашингтон, округ Колумбия: Комиссия по ядерному регулированию США. Получено 2010-11-20.
  5. ^ а б c d Битон Л. (1962). «Замедление производства ядерных взрывчатых веществ». Новый ученый. 16 (309): 141–3. Получено 2010-11-20.
  6. ^ http://nuclearweaponarchive.org/Library/Glossary
  7. ^ «Гексафторид урана: Источник: Приложение А к PEIS (DOE / EIS-0269): Физические свойства». Архивировано из оригинал на 2016-03-29. Получено 2010-11-18.
  8. ^ «Газодиффузионное обогащение урана». GlobalSecurity.org. 27 апреля 2005 г.. Получено Двадцать первое ноября, 2010.
  9. ^ Олах 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.
  10. ^ Берри Дж. А., Пул Р. Т., Прескотт А., Шарп Д. В., Уинфилд Дж. М. (1976). «Окислительные и акцепторные свойства фторид-иона гексафторида урана в ацетонитриле». Журнал химического общества, Dalton Transactions (3): 272–4. Дои:10.1039 / DT9760000272.
  11. ^ а б Майкл Голдсуорси (2008). «Конференция Lodge Partners Mid-Cap» (PDF). Лукас Хайтс, Новый Южный Уэльс, Австралия: Silex Ltd. Получено 2010-11-20.
  12. ^ Блейн П. Фридлендер-младший (3 декабря 1998 г.). «Уильям Т. Миллер, ученый Манхэттенского проекта и профессор химии Корнелла, умер в возрасте 87 лет». Корнельские новости. Итака, Нью-Йорк: Корнельский университет. Получено 2010-11-20.
  13. ^ Аравеа: объект Tricastin: обогатительный завод им. Жоржа Бесса II Газодиффузия, которая использовалась AREVA на заводе Georges Besse до мая 2012 г.
  14. ^ Газодиффузионный завод Министерства энергетики США Операция с ВВП компанией USEC прекратила свою деятельность в 2013 г.
  15. ^ Корпорация США по обогащению (2009). "Обзор: Портсмутский газодиффузионный завод". Газодиффузионные установки. Бетесда, Мэриленд: USEC, Inc. Архивировано из оригинал в 2010-11-24. Получено 2010-11-20.
  16. ^ Корпорация обогащения США (2009 г.). "История: Газодиффузионный завод Падука". Газодиффузионные установки. Бетесда, Мэриленд: USEC, Inc. Архивировано из оригинал на 2011-01-02. Получено 2010-11-20.
  17. ^ Том Ламар (10 сентября 2010 г.). «AREVA начинает работу на заводе в Портсмуте». Новости атомной энергетики. Уэйнсборо, Вирджиния: Ядерная улица. Получено 2010-11-20.
  18. ^ AREVA, Inc. (2010). «Министерство энергетики США дает совместному предприятию AREVA разрешение начать эксплуатационные испытания нового объекта в Огайо» (PDF). Пресс-релиз. Бетесда, Мэриленд: AREVA, Inc.. Получено 2010-11-20.[постоянная мертвая ссылка]

внешняя ссылка