Pasilidad ng laboratoryo para sa paghihiwalay ng mga isotope system. Paghihiwalay ng uranium isotopes

Paghihiwalay ng isotope

Paghihiwalay ng isotope- isang teknolohikal na proseso kung saan ang mga indibidwal na isotopes ng elementong ito ay nakahiwalay sa isang materyal na binubuo ng pinaghalong iba't ibang isotopes ng isang elemento ng kemikal. Ang pangunahing aplikasyon ng proseso ng paghihiwalay ng isotope ay ang paggawa ng nuclear fuel, mga armas-grade radioactive na materyales, at iba pang mga aplikasyon na kinasasangkutan ng paggamit ng mga radioactive substance. Sa ganitong mga kaso, ang paghihiwalay ay karaniwang naglalayong payamanin o ubusin ang materyal gamit ang ilang radioactive isotopes.

Pangkalahatang mga prinsipyo

Ang paghihiwalay ng mga isotopes (halimbawa, ang pagkuha ng , 235 U , ) ay palaging nauugnay sa mga makabuluhang kahirapan, dahil ang mga isotopes, na mga pagkakaiba-iba ng isang elemento na may kaunting pagkakaiba sa masa, ay kumikilos sa kemikal sa halos parehong paraan. Ngunit - ang rate ng pagpasa ng ilang mga reaksyon ay naiiba depende sa isotope ng elemento, bilang karagdagan, maaari mong gamitin ang pagkakaiba sa kanilang mga pisikal na katangian - halimbawa, sa masa.

Ang pagganap ng naturang sistema ng cascade ay apektado ng dalawang salik: ang antas ng pagpapayaman sa bawat yugto at ang pagkawala ng nais na isotope sa daloy ng basura.

Ipaliwanag natin ang pangalawang salik. Sa bawat yugto ng pagpapayaman, ang daloy ay nahahati sa dalawang bahagi - pinayaman at naubos sa nais na isotope. Dahil ang antas ng pagpapayaman ay napakababa, ang kabuuang masa ng isotope sa ginugol na bato ay madaling lumampas sa masa nito sa enriched na bahagi. Upang maiwasan ang naturang pagkawala ng mahahalagang hilaw na materyales, ang naubos na daloy ng bawat kasunod na yugto ay muling ipapakain sa input ng nauna.

Ang pinagmulang materyal ay hindi pumapasok sa unang yugto ng kaskad. Ito ay ipinakilala kaagad sa system sa ilang, n-th stage. Dahil dito, ang materyal na lubos na naubos sa pangunahing isotope ay tinanggal mula sa unang yugto.

Mga pangunahing pamamaraan na ginagamit para sa paghihiwalay ng isotope

electromagnetic na paghihiwalay
Pagsasabog ng gas
Liquid thermal diffusion
Gas centrifugation
Aerodynamic na paghihiwalay
Laser isotope paghihiwalay
Pagpapayaman ng kemikal
Paghihiwalay ng photochemical

Sa anumang kaso, ang halaga ng enriched na materyal na ginawa ay depende sa nais na antas ng pagpapayaman at leanness ng mga stream ng output. Kung ang paunang sangkap ay magagamit sa maraming dami at mura, kung gayon ang pagganap ng kaskad ay maaaring tumaas sa pamamagitan ng pagtatapon kasama ang basura ng isang malaking halaga ng hindi nakuha na kapaki-pakinabang na elemento (halimbawa, ang paggawa ng deuterium mula sa ordinaryong tubig). Kung kinakailangan, ang isang mataas na antas ng pagkuha ng isotope mula sa hilaw na materyal ay nakamit (halimbawa, kapag pinayaman ang uranium o plutonium).

electromagnetic na paghihiwalay

Ang pamamaraang ito ay nagpapahintulot sa iyo na paghiwalayin ang anumang kumbinasyon ng mga isotopes, ay may napakataas na antas ng paghihiwalay. Ang dalawang pass ay karaniwang sapat upang makakuha ng pagpapayaman sa itaas ng 80% mula sa isang mahinang materyal (na may paunang nilalaman ng nais na isotope na mas mababa sa 1%). Gayunpaman, ang electromagnetic separation ay hindi angkop para sa pang-industriyang produksyon: karamihan sa mga sangkap ay idineposito sa loob ng calutron, upang ito ay pana-panahong ihinto para sa pagpapanatili. Ang iba pang mga disadvantages ay mataas na pagkonsumo ng kuryente, pagiging kumplikado at mataas na gastos ng pagpapanatili, mababang produktibidad. Ang pangunahing saklaw ng pamamaraan ay ang paggawa ng maliliit na halaga ng purong isotopes para sa paggamit ng laboratoryo. Gayunpaman, sa panahon ng Ikalawang Digmaang Pandaigdig, ang pag-install ng Y-12 ay itinayo, na, mula Enero 1945, umabot sa kapasidad na 204 gramo ng 80% U-235 bawat araw.

Pagsasabog ng gas

Ginagamit ng pamamaraang ito ang pagkakaiba sa bilis ng paggalaw ng mga molekula ng gas ng iba't ibang masa. Ito ay malinaw na ito ay magiging angkop lamang para sa mga sangkap sa gas na estado.

Para sa ilang mga magaan na elemento, ang antas ng paghihiwalay ay maaaring masyadong malaki, ngunit para sa uranium ito ay 1.00429 lamang (ang output stream ng bawat yugto ay pinayaman ng isang kadahilanan na 1.00429). Samakatuwid, ang gas diffusion enrichment enterprise ay cyclopean sa laki, na binubuo ng libu-libong yugto ng enrichment.

Liquid thermal diffusion

Gas centrifugation

Ang teknolohiyang ito ay unang binuo sa Germany noong Ikalawang Digmaang Pandaigdig, ngunit hindi ginamit sa industriya kahit saan hanggang sa unang bahagi ng 50s. Kung ang isang gas na halo ng mga isotopes ay dumaan sa mga high-speed gas centrifuges, kung gayon ang puwersa ng sentripugal ay maghihiwalay ng mas magaan o mas mabibigat na mga particle sa mga layer, kung saan maaari silang kolektahin. Ang mahusay na bentahe ng centrifugation ay ang kadahilanan ng paghihiwalay ay nakasalalay sa ganap na pagkakaiba sa masa, at hindi sa ratio ng masa. Ang centrifuge ay gumagana nang pantay-pantay sa parehong magaan at mabibigat na elemento. Ang antas ng paghihiwalay ay proporsyonal sa parisukat ng ratio ng bilis ng pag-ikot sa bilis ng mga molekula sa gas. Mula dito ito ay lubhang kanais-nais na paikutin ang centrifuge sa lalong madaling panahon. Ang karaniwang linear na bilis ng mga umiikot na rotor ay 250-350 m/s, at higit sa 600 m/s sa mga advanced na centrifuges.

Ang karaniwang separation factor ay 1.01 - 1.1. Kung ikukumpara sa mga pag-install ng pagsasabog ng gas, ang pamamaraang ito ay may pinababang pagkonsumo ng kuryente, mas madali sa pagtaas ng kapangyarihan. Sa kasalukuyan, ang gas centrifugation ay ang pangunahing pang-industriya na paraan ng paghihiwalay ng isotope sa Russia.

Aerodynamic na paghihiwalay

Ang pamamaraang ito ay maaaring ituring bilang isang variant ng centrifugation, ngunit sa halip na paikutin ang gas sa isang centrifuge, umiikot ito habang lumalabas ito sa isang espesyal na nozzle, kung saan ito ay ibinibigay sa ilalim ng presyon. Ang teknolohiyang ito, batay sa epekto ng vortex, ay ginamit ng South Africa at Germany.

Laser isotope separation (LIS)

Ang iba't ibang isotopes ay sumisipsip ng liwanag sa bahagyang magkaibang mga wavelength. Ang isang pinong nakatutok na laser ay maaaring piliing mag-ionize ng mga atomo ng isang partikular na isotope. Ang mga nagreresultang ion ay madaling mapaghihiwalay, halimbawa, sa pamamagitan ng isang magnetic field. Napakahusay ng teknolohiyang ito at ginamit sa South Africa (MLIS), China (CRISLA), USA (AVLIS) at France (SILVA). Ang teknolohiya ay may malaking disbentaha, lalo na ang kahirapan sa muling pagtatayo ng kagamitan mula sa isang isotope patungo sa isa pa. Ang AVLIS ay pinalitan ng SILEX (Separation of Isotopes by Laser EXcitation) na binuo ng General Electric at Hitachi. Nagsimula na ang konstruksyon sa isang planta sa Wilmington, North Carolina.

Pagpapayaman ng kemikal

Sinasamantala ng pagpapayaman ng kemikal ang pagkakaiba sa bilis ng mga reaksiyong kemikal na may iba't ibang isotopes. Ito ay pinakamahusay na gumagana kapag naghihiwalay ng mga light elements, kung saan ang pagkakaiba ay makabuluhan. Sa industriyal na produksyon, ang mga reaksyon ay ginagamit na nagaganap sa dalawang reagents sa magkaibang mga yugto (gas/likido, likido/solid, hindi mapaghalo na mga likido). Ginagawa nitong madali ang paghiwalayin ang mayaman at payat na mga stream. Gamit ang karagdagan sa pagkakaiba ng temperatura sa pagitan ng mga phase, ang isang karagdagang pagtaas sa kadahilanan ng paghihiwalay ay nakamit. Ngayon, ang paghihiwalay ng kemikal ay ang pinaka nakakatipid na teknolohiya para sa paggawa ng mabigat na tubig. Bilang karagdagan sa paggawa ng deuterium, ginagamit ito upang kunin ang 6 Li. Sa France at Japan, ang mga pamamaraan ng kemikal na pagpapayaman ng uranium ay binuo, na hindi kailanman umabot sa pag-unlad ng industriya.

Distillation

Wikimedia Foundation. 2010 .

Tingnan kung ano ang "Isotope Separation" sa ibang mga diksyunaryo:

paghihiwalay ng isotope- - [A.S. Goldberg. English Russian Energy Dictionary. 2006] Mga paksang enerhiya sa pangkalahatan EN isotope separationisotope fractionation …

paghihiwalay ng isotope- izotopų atskyrimas statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: engl. isotope separation vok. Isotopentrennung, f rus. paghihiwalay ng isotopes, n pranc. paghihiwalay d isotopes, f … Radioelectronics terminų žodynas

Dahil sa mga pagkakaiba sa physicochemical. mga katangian na nauugnay sa kanilang masa at pagtukoy ng iba't ibang mga rate ng kanilang pagsasabog, pagsingaw, atbp. Ang mga thermodynamic na katangian ng isotopes at ang kanilang mga compound ay medyo naiiba, na nagpapaliwanag ng kanilang medyo naiiba ... ... Geological Encyclopedia

paghihiwalay ng isotopes sa isang high-gradient magnetic field- - [A.S. Goldberg. English Russian Energy Dictionary. 2006] Mga paksang enerhiya sa pangkalahatan EN high gradient magnetic isotope separation … Handbook ng Teknikal na Tagasalin

online na paghihiwalay ng isotope- - [A.S. Goldberg. English Russian Energy Dictionary. 2006] Mga paksang enerhiya sa pangkalahatan EN isotope separation sa lineISOL … Handbook ng Teknikal na Tagasalin

paghihiwalay ng isotope sa pamamagitan ng pagsingaw gamit ang mga laser- - [A.S. Goldberg. English Russian Energy Dictionary. 2006] Mga paksang enerhiya sa pangkalahatan EN atomic vapor laser isotope separationAVLIS … Handbook ng Teknikal na Tagasalin

paghihiwalay ng isotopes sa pamamagitan ng pagpapalitan ng kemikal- - [A.S. Goldberg. English Russian Energy Dictionary. 2006] Mga paksang enerhiya sa pangkalahatan EN CHEMEX (chemical exchange) na proseso … Handbook ng Teknikal na Tagasalin

paghihiwalay ng mga isotopes sa antas ng molekular gamit ang mga laser- - [A.S. Goldberg. English Russian Energy Dictionary. 2006] Mga paksang enerhiya sa pangkalahatan EN molecular laser isotope separationMLIS … Handbook ng Teknikal na Tagasalin

Paghihiwalay ng isotopes batay sa isotopic. paglilipat ng mga antas ng enerhiya ng mga atom at molekula at gamit ang resonant effect ng laser radiation. Matinding monochromatic laser radiation, na nagiging sanhi ng mga transition sa pagitan ng kaukulang energetic ... ... Pisikal na Encyclopedia

Paghihiwalay ng isotope- isang teknolohikal na proseso ng pagbabago ng isotopic na komposisyon ng isang sangkap, na binubuo ng isang halo ng iba't ibang isotopes ng isang elemento ng kemikal. Mula sa isang halo ng isotopes, dalawang mixtures ang nakuha sa output ng proseso: ang isa ay may mas mataas na nilalaman ng kinakailangang isotope (enriched mixture), ang isa ay may pinababang nilalaman (lean mixture).

Ang pangunahing aplikasyon ng proseso ng paghihiwalay ng isotope ay ang pagpapayaman ng uranium na may isotope 235 U para sa produksyon ng nuclear fuel, mga armas-grade radioactive na materyales at iba pang mga aplikasyon na nauugnay sa paggamit ng mga radioactive substance.

Ang gawaing pang-industriya ng paghihiwalay ng isotopes ay sinusukat sa mga yunit ng work separation (SWU). Para sa isang tiyak na pagbabago sa isotopic na komposisyon ng isang tiyak na paunang timpla, ang parehong halaga ng SWU ay kinakailangan, anuman ang teknolohiya ng paghihiwalay ng isotope.

Encyclopedic YouTube

1 / 5

✪ NEPTUNIUM 237 - PAG-PRODUKSYON NG NEPTUNIUM MULA SA URANIUM SALT. RADIOACTIVE DECAY NG NEPTUNE NITRATE

✪ Nakatanggap ang SCC ng kontrata para sa paggawa ng mga stable isotopes

✪ Chemistry 8 Simple at kumplikadong mga sangkap Komposisyon ng mga sangkap

✪ 10. Mga elemento ng kemikal

✪ aralin 2. Mga pamamaraan ng kaalaman sa kimika. Mga pag-iingat sa kaligtasan sa mga aralin sa kimika.

Mga subtitle

Pangkalahatang mga prinsipyo

Ang paghihiwalay ng mga isotopes (halimbawa, ang pagkuha ng 6 Li, 235 U,) ay palaging nauugnay sa mga makabuluhang paghihirap, dahil ang mga isotopes, na mga pagkakaiba-iba ng isang elemento na bahagyang naiiba sa masa, ay kumikilos nang halos pareho sa kemikal. Ngunit - ang rate ng pagpasa ng ilang mga reaksyon ay naiiba depende sa isotope ng elemento, bilang karagdagan, maaari mong gamitin ang pagkakaiba sa kanilang mga pisikal na katangian - halimbawa, sa masa.

Gayunpaman, ang mga pagkakaiba sa pag-uugali ng mga isotopes ay napakaliit na sa isang yugto ng paghihiwalay, ang sangkap ay pinayaman ng daan-daang porsyento at ang proseso ng paghihiwalay ay kailangang ulitin nang paulit-ulit - isang malaking bilang ng mga beses. Sa teknolohiya, ito ay isinasagawa sa pamamagitan ng sunud-sunod na pagpasa sa dami ng isotopes na ihihiwalay sa pamamagitan ng mga cell ng parehong uri na gumagawa ng paghihiwalay - mga cascades. Upang makuha ang kinakailangang paghihiwalay, ang mga cascades ay maaaring ilang libo sa mga serye, at upang makuha ang kinakailangang dami, sampu at daan-daang libo ng mga naturang sunud-sunod na grupo ng mga cascades na konektado sa parallel.

Ang pagganap ng naturang sistema ng cascade ay apektado ng dalawang salik: ang antas ng pagpapayaman sa bawat yugto at ang pagkawala ng nais na isotope sa daloy ng basura.

Mga pangunahing pamamaraan na ginagamit para sa paghihiwalay ng isotope

electromagnetic na paghihiwalay
Pagsasabog ng gas
Gas o likidong thermal diffusion
Aerodynamic na paghihiwalay
Laser isotope paghihiwalay
Pagpapayaman ng kemikal
Paghihiwalay ng photochemical

electromagnetic na paghihiwalay

Ang paraan ng electromagnetic separation ay batay sa parehong puwersa ng pakikipag-ugnayan sa pagitan ng magnetic field at ng parehong mga particle na may kuryente. Gayunpaman, sa parehong puwersa ng pagkilos, ang mga particle ng iba't ibang masa ay magiging iba ang kilos. Halimbawa, ang trajectory ng pantay na sisingilin na mga ion na gumagalaw sa isang magnetic field ay depende sa kanilang masa. Sa pamamagitan ng paglalagay ng mga bitag sa naaangkop na mga lugar ng pag-install, ang mga naaangkop na isotopes ay maaaring kolektahin. Sa katunayan, ang mga naturang instalasyon, na tinatawag na calutrons, ay malalaking mass spectrometer. Sa kanila, ang mga ions ng pinaghiwalay na mga sangkap, na gumagalaw sa isang malakas na magnetic field, i-twist na may radii na proporsyonal sa kanilang mga masa at nahuhulog sa mga receiver, kung saan sila maipon.

Kahusayan. Isang halaman na gumagawa ng 50 kg ng lubos na pinayaman na uranium bawat taon sa pamamagitan ng electromagnetic separation ( calutron) ay tinatayang kumokonsumo ng higit sa 50 MW ng kuryente.

Pagsasabog ng gas

Ginagamit ng pamamaraang ito ang pagkakaiba sa bilis ng paggalaw ng mga molekula ng gas ng iba't ibang masa. Ito ay malinaw na ito ay magiging angkop lamang para sa mga sangkap sa gas na estado.

Sa iba't ibang bilis ng paggalaw ng mga molekula, kung pipilitin silang lumipat sa isang manipis na tubo, ang mas mabilis at mas magaan ay aabutan ang mas mabibigat. Upang gawin ito, ang tubo ay dapat na napakanipis na ang mga molekula ay gumagalaw dito nang paisa-isa. Kaya, ang pangunahing punto dito ay ang katha ng mga buhaghag na lamad ng paghihiwalay na may tipikal na laki ng butas na sampu hanggang daan-daang nanometer. Dapat silang maging leak-proof, makatiis ng mataas na overpressure at lumalaban sa fluorine-containing media. Mayroong ilang mga pamamaraan para sa pagkuha ng mga buhaghag na lamad, halimbawa:

Sintering ng metal o polymer powders sa ilalim ng mga kundisyon na nananatili ang normalized na mga puwang sa pagitan ng mga butil ng pulbos.
Ang pag-ukit ng isang metal mula sa isang haluang metal ng dalawang metal, sa ilalim ng ilang mga kundisyon, ay nagbigay ng porous na istraktura.
Ang electrolytic oxidation ng aluminum ay bumubuo ng porous na istraktura ng aluminum oxide.

Ang mga lamad ay karaniwang ginawa sa anyo ng mga tubo hanggang sa ilang metro ang haba. Mula sa ilang daang tubo, isang separation cascade ang naipon.

Para sa ilang mga magaan na elemento, ang antas ng paghihiwalay ay maaaring masyadong malaki, ngunit para sa uranium ito ay 1.00429 lamang (ang output stream ng bawat yugto ay pinayaman ng isang kadahilanan na 1.00429). Upang makakuha ng mataas na antas ng pagpapayaman, kung minsan ilang libong yugto ng paghihiwalay ay konektado sa serye. Dahil sa isang tipikal na industriyal na cascade ay sumasakop sa isang lugar na hanggang 100 m 2 o higit pa, ang mga gas diffusion enrichment enterprise ay cyclopean ang laki. Ang medyo malaking pagkawala ng presyon sa mga lamad at ang laki ng mga pag-install ay tumutukoy sa napakalaking pagkonsumo ng enerhiya ng mga compressor. Bilang karagdagan, ang halaman ay naglalaman ng malaking halaga ng teknolohikal na hexafluoride: kung minsan ilang linggo ang lumipas mula sa pagsisimula ng planta hanggang sa pagtanggap ng unang produkto ng output, kung saan ang hexafluoride ay sunud-sunod na napuno ang mga volume ng lahat ng mga cascades. Ang sitwasyong ito ay gumawa ng napakaseryosong mga kahilingan sa pagiging maaasahan ng kagamitan, dahil ang pagkabigo ng kahit isang kaskad ay maaaring maging sanhi ng paghinto ng buong kadena. Upang mabawasan ang pinsala mula sa mga teknolohikal na pagsasara, ang mga cascades ay nilagyan ng awtomatikong pagsubaybay sa pagganap at pag-bypass sa problemang cascade.

Thermal diffusion

Sa kasong ito, muli, ang pagkakaiba sa mga tulin ng mga molekula ay ginagamit. Ang mga mas magaan, sa pagkakaroon ng pagkakaiba sa temperatura, ay malamang na napupunta sa isang mas mainit na rehiyon. Ang kadahilanan ng paghihiwalay ay nakasalalay sa ratio ng pagkakaiba sa masa ng isotopes sa kabuuang masa at mas malaki para sa mga light elements. Sa kabila ng pagiging simple nito, ang pamamaraang ito ay nangangailangan ng maraming enerhiya upang lumikha at mapanatili ang pag-init. Sa bukang-liwayway ng panahon ng nukleyar, mayroong mga pang-industriyang pag-install batay sa thermal diffusion. Sa kasalukuyan, hindi ito malawak na ginagamit sa sarili nitong, gayunpaman, ang ideya ng thermal diffusion ay ginagamit upang madagdagan ang kahusayan ng mga gas centrifuges.

Gas centrifugation

Ang ideya ng centrifugal separation ay nagsimulang aktibong binuo noong Ikalawang Digmaang Pandaigdig. Gayunpaman, ang mga kahirapan sa pag-optimize ng teknolohiya ay naantala ang pag-unlad nito, at sa mga bansang Kanluranin ay inilabas pa nga ang hatol sa kawalang-saysay ng ekonomiya ng pamamaraan. Sa USSR, ang pang-industriya na pagpapakilala ng teknolohiya ng centrifuge ay nagsimula lamang pagkatapos ng pang-industriya na pag-unlad ng gaseous diffusion.

Kung ang isang gas na halo ng mga isotopes ay dumaan sa mga high-speed gas centrifuges, kung gayon ang puwersa ng sentripugal ay maghihiwalay ng mas magaan o mas mabibigat na mga particle sa mga layer, kung saan maaari silang kolektahin. Ang mahusay na bentahe ng centrifugation ay ang kadahilanan ng paghihiwalay ay nakasalalay sa ganap na pagkakaiba sa masa, at hindi sa ratio ng masa. Ang centrifuge ay gumagana nang pantay-pantay sa parehong magaan at mabibigat na elemento. Ang antas ng paghihiwalay ay proporsyonal sa parisukat ng ratio ng bilis ng pag-ikot sa bilis ng mga molekula sa gas. Mula dito ito ay lubhang kanais-nais na paikutin ang centrifuge sa lalong madaling panahon. Ang karaniwang linear na bilis ng mga umiikot na rotor ay 250-350 m/s, at higit sa 600 m/s sa mga advanced na centrifuges. Ang pagkakaiba ng presyon sa axis ng centrifuge at sa panlabas na pader ay maaaring umabot sa libu-libong beses, kaya ang mga centrifuge cascade ay gumagana sa mababang presyon upang maiwasan ang paghalay ng hexafluoride. Upang mapabuti ang paghihiwalay sa pamamagitan ng thermal diffusion sa mga centrifuges, isang temperatura gradient ng ilang sampu-sampung degree sa kahabaan ng axis ng centrifuge ay nilikha.

Aerodynamic na paghihiwalay

Ang pamamaraang ito ay maaaring ituring bilang isang variant ng centrifugation, ngunit sa halip na paikutin ang gas sa isang centrifuge, umiikot ito kapag lumabas ito sa isang espesyal na nozzle, kung saan ito ay ibinibigay sa ilalim ng presyon. Ang teknolohiyang ito, batay sa epekto ng vortex, ay ginamit ng South Africa at Germany.

Ang mga problema ng teknolohiya ay ang radius ng nozzle ay humigit-kumulang 100 microns, habang ang kabuuang haba ng nozzle sa bawat yugto ng paghihiwalay ng industriya ay daan-daang at libu-libong metro. Ang haba na ito ay nakolekta sa mga piraso ng ilang sampu hanggang daan-daang sentimetro. Bilang karagdagan sa mga kahirapan sa paggawa ng mga nozzle, nagkaroon ng problema ng isang diluent na gas, tulad ng helium. Ginawang posible ng diluent na panatilihin ang uranium hexafluoride sa gaseous phase sa matataas na presyon sa pumapasok sa mga nozzle na kinakailangan upang lumikha ng mataas na bilis ng daloy sa nozzle. Ang diluent at hexafluoride ay kailangang paghiwalayin sa output ng produksyon. Tinutukoy ng mataas na presyon ang makabuluhang pagkonsumo ng enerhiya.

Laser isotope separation (LIS)

Ang laser separation ay hindi isang independiyenteng paraan, ngunit ginagamit upang mapabuti ang pagganap ng electromagnetic o chemical separation method. Ang pamamaraan ay batay sa selective ionization ng isa sa mga isotopes sa pamamagitan ng electromagnetic radiation (halimbawa, sa pamamagitan ng laser light). Ang pagpili ng ionization ay batay sa resonant (narrow-band) na pagsipsip ng liwanag ng mga atom; iba't ibang isotopes ay may iba't ibang radiation absorption spectra. Nangangahulugan ito na posibleng pumili ng mga naturang parameter ng pag-iilaw kung saan ang mga atomo ng isang isotope ay nakararami sa ionized. Ang karagdagang mga ionized na atom ay maaaring paghiwalayin, halimbawa, sa isang magnetic field (AVLIS (Ingles) Ruso). Bilang karagdagan, ang ionization ng mga atomo ay maaaring magbago ng bilis ng mga reaksiyong kemikal, halimbawa, sa pamamagitan ng pagpapadali sa pagkabulok ng ilang mga kemikal na compound (MLIS). (Ingles) Ruso).

Ang teknolohiya ng laser separation ay binuo mula noong 1970s ng maraming bansa at itinuturing na promising, ngunit hindi pa lumalampas sa saklaw ng pananaliksik. Noong 1990s, mayroong isang programa sa Estados Unidos upang pag-aralan ang laser enrichment na may electromagnetic separation sa isang eksperimentong pasilidad, ngunit ito ay sarado. Kasalukuyang isinasagawa ang isang programa sa pananaliksik sa Estados Unidos sa isang planta ng pagpapakita para sa isa sa mga variant ng pagpapayaman ng laser na may paghihiwalay ng kemikal na tinatawag na SILEX. (Ingles) Ruso. Ang teknolohiya ay binuo noong 1992 ng kumpanya ng Australia na Silex. Mula noong 2006, ang paggawa sa teknolohiya ng Silex ay isinagawa ng Global Laser Enrichment LLC. Nakatanggap ng lisensya para magtayo ng planta sa Wilmington (North Carolina).

Pagpapayaman ng kemikal

Distillation

Ginagamit ng distillation (distillation) ang pagkakaiba sa mga punto ng kumukulo ng isotopes ng iba't ibang masa. Karaniwan, mas maliit ang masa ng isang atom, mas mababa ang kumukulo na punto ng isotope na ito. Muli, ito ay pinakamahusay na gumagana sa mga magaan na elemento. Ang distillation ay matagumpay na ginamit bilang ang huling hakbang sa paggawa ng mabigat na tubig.

Komite ng Edukasyon at Agham ng Kursk Region Kurchatov Branch ng Regional Budgetary Educational Institution ng Secondary Vocational Education "Kursk State Polytechnic College"

gawaing kurso

disiplina: "Pagpapatakbo ng kagamitan" sa paksang: "Paghihiwalay ng uranium isotopes. Pagproseso ng enriched uranium hexafluoride"

Kurchatov 2013

Panimula

Paghihiwalay ng uranium isotopes

1 Paghihiwalay ng pagsasabog ng gas

2 Thermal diffusion separation

3 Liquid thermal diffusion

4 Sentripugal paghihiwalay

5 Aerodynamic na paghihiwalay

6 Electromagnetic separation

7 AVLIS (pagsingaw gamit ang laser)

8 Paghihiwalay ng kemikal

9 Effusion ng mga gas

10 Organisasyon ng isotope separation cascade

Uranium hexafluoride

1 Mga kinakailangan sa kalidad para sa uranium hexafluoride

2 Pagproseso ng enriched uranium hexafluoride

3 Mga may tubig na pamamaraan para sa pagproseso ng enriched uranium

3.1 AD na proseso

3.2 proseso ng AUC

4 Anhydrous na pamamaraan para sa pagproseso ng enriched uranium

4.1 Pagbawas ng uranium hexafluoride na may hydrogen

5 proseso ng HEU-LEU

Konklusyon

Panitikan

Panimula

Ang paghihiwalay ng uranium isotopes ay ang batayan ng nuclear fuel cycle. Ang natural na uranium ay naglalaman ng 0.71% ng 235 U isotope. Para sa nuclear power plant reactors, ang uranium na pinayaman ng 235 U isotope hanggang sa (2.7-5)% ay kailangan, at ang nilalaman ng 235 U sa weapons-grade uranium ay 90%. Ang halaga ng pagkuha ng uranium mula sa mga nare-recover na reserba, kung saan ang nilalaman ng uranium ay hindi bababa sa 10 3 beses na mas mataas kaysa sa average sa lithosphere, ay $80 kada kilo ng elemental na uranium. Kailangan ng ~6 kg ng natural na uranium (US$480) upang makagawa ng 1 kg ng uranium na may 3.2% na pagpapayaman at 0.2% na pagkaubos ng basura. Kasabay nito, ang mga serbisyo sa pagpapayaman ay nagkakahalaga (350-400 US dollars) sa bawat 4.3 kg SWU (conventional units of work of separation) at account para sa 45% ng halaga ng enriched uranium. Ang sukat ng produksyon sa USA ay libu-libong tonelada ng enriched uranium bawat taon na may halaga ng mga serbisyo sa pagpapayaman ~ $ 1 bilyon bawat taon. Sa malakihang produksyon ng enriched uranium, ang pagpapabuti ng mga pamamaraan para sa paghihiwalay ng uranium isotopes ay isang kagyat at napakahirap na gawain. Ang Russia ay sumasakop sa isang nangungunang posisyon sa centrifugal na teknolohiya ng uranium enrichment. Ang mga bagong henerasyong makina ay binuo at ipinakilala sa produksyon. Sa kasalukuyan, walang mga problema sa nuclear fuel sa Russia, at sa malapit na hinaharap hindi ito inaasahan. Ginagawa nitong posible na bumuo ng mga bagong teknolohiya sa pagpapayaman nang walang labis na pagmamadali at maiwasan ang mga magastos na pagkakamali sa pagtukoy ng pinakamainam na teknolohiya sa pamamagitan ng maingat na pag-aaral ng mga prosesong pisikal at kemikal, na nagsusumikap sa elemental na base upang makakuha ng maaasahang data sa mga prospect ng pamamaraan kapwa sa mga tuntunin ng gastos ng isang separation work unit at sa mga tuntunin ng pamumuhunan sa pagtatayo ng isang pang-industriya na negosyo, at sa lalim ng pagkuha ng 235 U.

Isotopes ng uranium:

Ang uranium ay may 14 isotopes, kung saan tatlo lamang ang natural na nangyayari. Ang tinatayang isotopic na komposisyon ng natural na uranium ay ang mga sumusunod:

U 238 -> (4.51 bilyong taon, pagkabulok ng alpha) -> Th 234

Th 234 -> (24.1 araw, beta decay) -> Pa 234

Pa 234 -> (6.75 na oras, beta decay) -> U 234

Karaniwan ang U-234 ay umiiral sa equilibrium na may U-238, nabubulok at nabubuo sa parehong bilis. Gayunpaman, ang mga nabubulok na atomo ng U-238 ay umiiral nang ilang panahon sa anyo ng thorium at protactinium, kaya maaari silang mahiwalay sa kemikal o pisikal na paraan mula sa ore (na-leach ng tubig sa lupa). Dahil ang U-234 ay may medyo maikling kalahating buhay, ang lahat ng isotope na ito na natagpuan sa ore ay nabuo sa huling ilang milyong taon. Humigit-kumulang kalahati ng radyaktibidad ng natural na uranium ay dahil sa U-234. Ito ay may kalahating buhay na 23.9 milyong taon at hindi natural na nangyayari sa malalaking halaga. Naiipon ito kung ang uranium ay na-irradiated ng mga neutron sa mga reactor, at samakatuwid ay ginagamit bilang isang "signal" ng ginugol na uranium nuclear fuel.

Sa natural na uranium, isa lamang, medyo bihira, isotope ang angkop para sa paggawa ng core ng atomic bomb o pagsuporta sa isang reaksyon sa isang power reactor. Ang antas ng pagpapayaman ng U-235 sa nuclear fuel para sa mga nuclear power plant ay mula sa 2-4.5%, para sa paggamit ng mga armas - hindi bababa sa 80%, at mas mabuti na 90%.

Ang purong U-238 ay may partikular na radyaktibidad na 0.333 microcurie/g.

Ang isang mahalagang lugar ng aplikasyon para sa uranium isotope na ito ay ang paggawa ng plutonium-239. Ang plutonium ay nabuo sa kurso ng ilang mga reaksyon na nagsisimula pagkatapos makuha ang isang neutron ng isang U-238 atom. Ang anumang reactor fuel na naglalaman ng natural o bahagyang enriched na uranium sa ika-235 na isotope ay naglalaman ng isang tiyak na proporsyon ng plutonium pagkatapos ng pagtatapos ng fuel cycle at U-232: Ang uranium isotope na ito na may kalahating buhay na 162,000 taon ay hindi nangyayari sa kalikasan. Maaari itong makuha mula sa thorium-232 sa pamamagitan ng neutron irradiation, katulad ng paggawa ng plutonium:

Ang isang praktikal na mahalagang uranium compound ay uranium hexafluoride UF 6 . Ito ang tanging matatag at lubhang pabagu-bago ng uranium compound na ginagamit sa paghihiwalay ng mga isotopes nito - gaseous diffusion at centrifugation. Sa aspetong ito ng paggamit nito, mahalaga na ang fluorine ay may isang isotope lamang (hindi ito nagpapakilala ng karagdagang kumplikadong pagkakaiba sa masa) at ang UF 6 ay isang stoichiometric compound (na binubuo ng eksaktong 6 na fluorine atoms at 1 uranium atom).

Sa temperatura ng silid, ito ay walang kulay na mga kristal, at kapag pinainit hanggang 56 ° C, ito ay nag-sublimate (nag-evaporate nang hindi napupunta sa isang likidong bahagi).

Tinatayang kahusayan sa enerhiya ng mga pamamaraang ito kaugnay ng pagsasabog ng gas:

1. Paghihiwalay ng isotopes

Ang isotopes ay mga kemikal na elemento na may parehong bilang ng mga proton (parehong singil) at ibang bilang ng mga neutron. Kahit na ang mga atom ay maaaring magkaroon ng maraming isotopes, ang mga kakaiba ay karaniwang hindi hihigit sa dalawa.

Ang uniqueness ng uranium hexafluoride ay nakasalalay sa katotohanan na ang fluorine ay walang isotopes i.e. ang molecular weight ng uranium hexafluoride ay nakasalalay lamang sa masa ng isotopes ng uranium mismo. Ang pangalawang mahalagang kadahilanan ay ang gas na estado ng uranium hexafluoride na nasa 56°C sa atmospheric pressure.

Upang linawin ang lugar ng teknolohiya ng paghihiwalay ng isotope, kinakailangang alalahanin na ang teknolohiya ng uranium ay nagsasangkot ng conversion ng mga hilaw na materyales sa uranyl nitrate, ang uranyl nitrate ay na-convert sa hexafluoride sa pamamagitan ng yugto ng mga oxide at tetrafluoride, ang hexafluoride ay pinaghihiwalay sa uranium-235 hexafluoride. at uranium-238 hexafluoride, at pagkatapos ay mula sa hexafluoride enriched na may isotope U235 ay ginawa uranium dioxide para sa fuel rods.

Paunang nuclear-pure uranium hexafluoride na naglalaman ng 99.3% uranium-238 hexafluoride at 0.7% uranium-235 hexafluoride. Kinakailangang ihiwalay ang uranium-235 isotope hexafluoride mula sa halo na ito.

Mayroong maraming mga paraan para sa paghihiwalay ng mga isotopes:

pagsasabog ng gas;

centrifugation;

Distillation (pagwawasto)

Electromagnetic

Thermal diffusion

pagpapalitan ng isotope

paghihiwalay ng laser

Ito ay hindi malayo sa kumpletong listahan ng lahat ng mga paraan ng paghihiwalay ng isotope; sa pagsasagawa, ang unang tatlong pamamaraan lamang ang kasalukuyang ginagamit. Ang natitirang mga pamamaraan ay wala sa isang pang-industriya na sukat at ginagamit lamang sa pang-eksperimentong gawain, bagaman ang mga ito ay kadalasang may mas mahusay na kalidad kaysa sa malalaking toneladang pang-industriyang pamamaraan.

Ang pagsasabog ng gas at mga pamamaraan ng centrifuge ay karaniwang naghihiwalay ng mga isotopes ng mabibigat na elemento (U 235 mula sa U2 38), ang distillation o pagwawasto ay ginagamit upang paghiwalayin ang mga light isotopes (karaniwang H 1 mula sa H 2 at H 3 o Li 6 mula sa Li 7).

Separation factor α=1.003 para sa gas diffusion machine, at α=1.3 para sa centrifugal machine.

1 Gas diffusion isotope separation

Ang unang matagumpay na paraan na naging posible upang makakuha ng uranium na pinayaman sa isotope U 235 ay ang paraan ng paghihiwalay ng gas diffusion.

Sa teorya, ang paraan ng paghihiwalay ng pagsasabog ng gas ay batay sa pag-asa ng rate ng pagsasabog ng mga indibidwal na molekula sa kanilang timbang.

Mula sa formula makikita na mas maliit ang bigat ng molekula, mas malaki ang bilis nito. Yung. ang mga magaan na molekula ay nagkakalat nang mas malayo kaysa sa mabibigat. Pagkatapos ay maaari nating katawanin ang kadahilanan ng paghihiwalay bilang ratio ng mga rate ng pagsasabog sa sumusunod na anyo:

Alam na ang masa ng uranium-238 hexafluoride ay 352 g/mol at ang masa ng uranium-325 hexafluoride ay 349, maaari nating kalkulahin ang theoretical separation factor:  = 1.0043

Totoo  = 1.003

Isaalang-alang ang mga device ng isang gas diffusion machine. Ang pangunahing elemento ay isang porous partition (Larawan 1) kung saan ang uranium hexafluoride ay nagkakalat. Tulad ng nabanggit na, ang mga light molecule ay may mas mahabang diffusion range at tumagos sa kabila ng partition, habang ang mabibigat na particle ay hindi dumadaan sa partition.

Fig.1 Buhaghag na pagkahati

Ang separator ay isang tubo na gawa sa pinindot na nickel powder na may diameter ng pore na 1-10 μm, ang panlabas na ibabaw ng tubo ay direktang natatakpan ng isang separation membrane, ang diameter ng pore na kung saan ay 0.03 μm. Ito ang layer ng separating membrane na nagpapanatili ng ilan sa mabibigat na molekula ng uranium-238 hexafluoride. Ang mga lamad ay mga pelikula na may mga pores na nabuo sa pamamagitan ng pag-ukit. Halimbawa, ang nitric acid ay mag-atsara ng 40/60 Au/Ag (Ag/Zn) na haluang metal; o sa pamamagitan ng electrolytic etching ng aluminum foil, maaaring makuha ang isang malutong na aluminum membrane. Ang mga pinagsama-samang hadlang ay pinagsama-sama mula sa maliliit, hiwalay na mga elemento na naka-pack sa isang medyo makapal na porous na baffle.

Ang gas - uranium hexafluoride ay pumapasok sa diffusion machine at nahahati sa dalawang fraction. Isang fraction ang dumaan sa porous na partition at nawala ang ilan sa mabibigat na molecule, i.e. pinayaman sa baga. Ang iba pang fraction ay hindi dumaan sa porous partition, sa kaibahan sa ilan sa mga light molecule, ibig sabihin, isang fraction na naubos sa light isotope ay nanatili sa harap ng partition.

Sa eskematiko, ang isang makina ng pagsasabog ng gas ay maaaring ilarawan bilang mga sumusunod:

Fig.2 Ang aparato ng gas diffusion machine

Ang gas na pumapasok sa gas diffusion machine ay hinihimok ng drum sa pamamagitan ng mga separation tubes. Ang gas ay preliminarily pinainit sa 75 ° C, presyon 40-80 mm Hg. Dahil ang pagsasabog ay nangyayari sa pagpapalabas ng init, ang makina ay dapat na palamig.

Ang mga pangunahing kawalan ng paraan ng pagsasabog ng gas ng paghihiwalay ng isotope:

Hindi sapat na antas ng paghihiwalay

Pagkasira ng Ni-barrier. Ang uranium hexafluoride ay dahan-dahang tumutugon sa nickel metal ayon sa formula:

Ni + UF 6 = UF 4 + NiF 2

Sa elementong naghihiwalay, unti-unting naipon ang uranium tetrafluoride, na kasunod na inalis sa pamamagitan ng paghuhugas sa chlorine trifluoride:

UF 4 TV + ClF 3 W = UF 6 gas + ClF gas

3. Ang periodicity ng proseso dahil sa shutdown para sa regeneration.

Malaking gastos sa enerhiya.

Malaking pagkonsumo ng tubig sa paglamig

Malaking lugar ng produksyon. Ang isotope separation workshops ay sumasakop sa malalawak na lugar ng ilang ektarya, at ang mga attendant ay gumagalaw sa paligid ng workshop sakay ng mga bisikleta.

Dahil sa lahat ng mga pagkukulang na ito, sa kasalukuyan, karamihan sa mga halaman ng paghihiwalay ay lumilipat sa isang bagong teknolohiya para sa paghihiwalay ng isotope - centrifugation.

.2 Thermal diffusion

Ang thermal diffusion ay isinasagawa sa mga gas o likido na mga phase sa isang countercurrent na haligi, kasama ang axis kung saan matatagpuan ang isang pinainit na metal na thread (o tubo), at ang panlabas na dingding ay pinalamig. Ang pagkakaiba sa temperatura ay nagdudulot ng diffusion flow, na humahantong sa paglitaw ng pagkakaiba sa konsentrasyon<#"655758.files/image007.gif">

Ang presyon ng isang gas sa isang gravitational field ay depende sa molecular weight nito, ang distansya sa itaas ng measurement point, at ang gravitational acceleration.

Isulat muli natin ang equation na ito para sa centrifugal field. Palitan natin ang pressure ng concentration, Acceleration of free fall with centripetal acceleration, height with radius.

Pagkatapos ang kadahilanan ng paghihiwalay ay isusulat bilang ratio ng konsentrasyon ng mabigat na isotope sa magaan na isotope:

Kaya, kung sa mga makina ng pagsasabog ang kadahilanan ng paghihiwalay ay nakasalalay sa ratio ng masa ng uranium-235 at uranium-238 hexafluoride, kung gayon sa mga centrifuges ito ay nakasalalay sa pagkakaiba ng masa. Madaling kalkulahin na sa centrifuges ang separation factor ay 1.3.  = 1.3

Sa mga centrifuges lamang posible na makakuha ng uranium hexafluoride na pinayaman ng U 235 hanggang 98%.

Ang kadahilanan ng paghihiwalay ay nakasalalay sa dalawang mga kadahilanan:

Mula sa pagkakaiba ng masa ng isotopes

Mula sa bilis ng centrifuge

Isaalang-alang ang aparato ng isang centrifuge machine.

kanin. 4. Centrifuge device para sa isotope separation

Ang centrifuge ay isang silindro na may diameter na 15cm at taas na 0.5m. Sa isang selyadong pambalot ay isang umiikot na rotor. Ang rotor na ito ay binibigyan ng gas (UF6). Dahil sa puwersang sentripugal, daan-daang libong beses na mas malaki kaysa sa gravitational field ng Earth, ang gas ay nagsisimulang maghiwalay sa "mabigat" at "magaan" na mga praksyon. Sa ilalim ng centrifuge mayroong isang corundum na karayom upang mabawasan ang alitan; sa panahon ng pag-ikot, ang centrifuge ay tumataas "tumaalis" at umiikot nang walang kontak sa mga bahagi ng pambalot. Ang bilis ng pag-ikot ay umabot sa 100 thousand rpm. Ang mga magaan at mabibigat na molekula ay nagsisimulang mag-grupo sa iba't ibang mga zone ng rotor, ngunit hindi sa gitna at sa kahabaan ng perimeter, ngunit sa itaas at ibaba. Ito ay nangyayari dahil sa convection currents - ang rotor cover ay pinainit at ang backflow ng gas ay nangyayari. Sa tuktok at ibaba ng silindro mayroong dalawang maliit na tubo - ang paggamit. Ang isang maubos na timpla ay pumapasok sa ibabang tubo, at isang halo na may mas mataas na konsentrasyon ng 235U atoms ay pumapasok sa itaas na tubo. Ang halo na ito ay pumapasok sa susunod na centrifuge, at iba pa, hanggang ang konsentrasyon ng uranium 235 ay umabot sa kinakailangang halaga. Ang isang chain ng centrifuges ay tinatawag na cascade.

1.5 Aerodynamic na paghihiwalay

Ang aerodynamic separation ay binuo sa South Africa (proseso ng UCOR gamit ang vortex tubes sa 6 bar) at Germany (gamit ang curved nozzles na tumatakbo sa 0.25-0.5 bar).

Ang tanging bansa na nagsagawa ng pamamaraang ito ay ang South Africa, kung saan ang 400 kg ng armas-grade uranium ay ginawa sa isang planta sa Valindaba na nagsara noong huling bahagi ng dekada otsenta. Salik ng paghihiwalay ~1.015, pagkonsumo ng enerhiya ~3300 kWh/MPP-kg.

6 Electromagnetic separation

Ang paraan ng electromagnetic separation ay batay sa iba't ibang pagkilos ng isang magnetic field sa pantay na electrically charged na mga particle ng iba't ibang masa. Sa katunayan, ang mga naturang instalasyon, na tinatawag na calutrons, ay malalaking mass spectrometer. Ang mga ions ng pinaghiwalay na mga sangkap, na gumagalaw sa isang malakas na magnetic field, i-twist na may radii na proporsyonal sa kanilang mga masa at nahuhulog sa mga receiver, kung saan sila naipon. Ang pamamaraang ito ay nagpapahintulot sa iyo na paghiwalayin ang anumang kumbinasyon ng mga isotopes, ay may napakataas na antas ng paghihiwalay. Ang dalawang pass ay karaniwang sapat upang makakuha ng pagpapayaman sa itaas ng 80% mula sa isang mahinang materyal (na may paunang nilalaman ng nais na isotope na mas mababa sa 1%). Gayunpaman, ang electromagnetic separation ay hindi angkop para sa pang-industriyang produksyon: karamihan sa mga sangkap ay idineposito sa loob ng calutron, upang ito ay pana-panahong ihinto para sa pagpapanatili. Ang iba pang mga disadvantages ay mataas na pagkonsumo ng kuryente, pagiging kumplikado at mataas na gastos ng pagpapanatili, mababang produktibidad. Ang pangunahing saklaw ng pamamaraan ay ang paggawa ng maliliit na halaga ng purong isotopes para sa paggamit ng laboratoryo. Gayunpaman, sa panahon ng Ikalawang Digmaang Pandaigdig, ang yunit ng Y-12 ay itinayo, na, mula Enero 1945, umabot sa kapasidad na 204 gramo ng 80% U-235 bawat araw. Dahil sa mataas na gastos sa overhead, ang Y-12 ay isinara noong 1946.

Schematic na representasyon ng electromagnetic separating device (Larawan 5); ang mga tuldok ay nagpapakita ng direksyon ng magnetic field na patayo sa eroplano ng figure.

Ang mga pamamaraan na hindi pa naaangkop sa industriya ay nararapat na bigyang pansin:

Pagsingaw gamit ang isang laser

Paghihiwalay ng kemikal

Paghihiwalay ng isotopes gamit ang magaan na presyon

Photochemical reactions ng electronically excited particles

Dalawang yugto ng paggulo ng mga atomo at molekula

Selective photopredissociation

Paggulo ng mga molekula sa pamamagitan ng infrared radiation

Isotope effect sa mga kemikal na reaksyon na nagaganap sa ilalim ng thermodynamically nonequilibrium na mga kondisyon

Condensation ng isang gas ng vibrationally excited molecules

Isotope effect sa mga reaksiyong kemikal na nagaganap sa isang magnetic field

Paghihiwalay sa pamamagitan ng adsorption

Selective diffusion na pinasigla ng laser radiation

Resonant control ng mga proseso sa ibabaw sa pamamagitan ng laser radiation

Laser chemistry sa interface sa pagitan ng dalawang media

Laser stimulation ng mga kemikal na reaksyon sa interface sa pagitan ng dalawang likido

1.7 AVLIS (pagsingaw gamit ang laser)

Ang iba't ibang isotopes ay sumisipsip ng liwanag sa bahagyang magkaibang mga wavelength. Ang isang pinong nakatutok na laser ay maaaring piliing mag-ionize ng mga atomo ng isang partikular na isotope. Ang mga nagreresultang ion ay madaling mapaghihiwalay, halimbawa, sa pamamagitan ng isang magnetic field. Ang teknolohiyang ito ay lubos na mahusay, ngunit hindi pa nailalapat sa isang pang-industriya na sukat. Ang teknolohiya ay binuo sa USA, ngunit hindi pa rin binuo nang higit pa kaysa sa mga prototype. Mayroon itong malaking disbentaha, lalo na ang kahirapan sa muling pagtatayo ng kagamitan mula sa isang isotope patungo sa isa pa.

Fig.6. Laser separation ng isotopes.

1.8 Paghihiwalay ng kemikal

Sinasamantala ng paghihiwalay ng kemikal ang pagkakaiba sa bilis ng mga reaksiyong kemikal na may iba't ibang isotopes. Ito ay pinakamahusay na gumagana kapag naghihiwalay ng mga light elements, kung saan ang pagkakaiba ay makabuluhan. Sa industriyal na produksyon, ang mga reaksyon ay ginagamit na nagaganap sa dalawang reagents sa magkaibang mga yugto (gas/likido, likido/solid, hindi mapaghalo na mga likido). Ginagawa nitong madali ang paghiwalayin ang mayaman at payat na mga stream. Gamit ang karagdagan sa pagkakaiba ng temperatura sa pagitan ng mga phase, ang isang karagdagang pagtaas sa kadahilanan ng paghihiwalay ay nakamit. Ang kemikal na paghihiwalay ng uranium ay binuo sa Japan at France ngunit, tulad ng AVLIS, ay hindi kailanman ginamit. Ang paraan ng French Chemex ay gumagamit ng counterflow sa isang mataas na column ng dalawang hindi mapaghalo na likido, bawat isa ay naglalaman ng dissolved uranium. Ang Japanese Asahi method ay gumagamit ng exchange reaction sa pagitan ng isang may tubig na solusyon at isang pinong dinurog na dagta kung saan ang solusyon ay dahan-dahang tumatagos. Ang parehong mga pamamaraan ay nangangailangan ng mga katalista upang mapabilis ang proseso ng konsentrasyon. Ang proseso ng Chemex ay nangangailangan ng kuryente sa antas na 600 kWh/MPP-kg.

Binubuo ng Iraq ang teknolohiyang ito (sa anyo ng pinaghalong produksyon ng Chemex/Asahi) para sa pagpapayaman ng U-235 hanggang 6-8% at kasunod na pagpapayaman sa calutron.

1.9 Effusion ng mga gas

isotope uranium hexafluoride thermal diffusion

Ang pagbubuhos ng mga gas ay batay sa katotohanan na sa panahon ng pag-agos ng molekular (efusion)

mga pinaghalong isotopically substituted molecules<#"655758.files/image015.gif">

10 Organisasyon ng isotope separation cascade

Nasabi na na ang isang malaking bilang ng mga separating machine (centrifuge o diffusion) ay kinakailangan para sa paghihiwalay ng mga isotopes.

Ang isang diffusion machine ay maaaring schematically na kinakatawan sa diagram (Fig. 7) bilang mga sumusunod:

Ang gilid ay pumapasok sa orihinal na timpla. Ang isang gas na bahagyang napayaman sa light isotope ay dumadaan sa partition, at isang gas na bahagyang naubos sa light isotope (mabigat) ay bumaba. Para sa sapat na paghihiwalay, kinakailangan na mag-cascade ng daan-daang mga naturang makina (Larawan 8).

Fig. 8 Paghihiwalay ng cascade.

Ang itaas na bahagi ng kaskad ay tinatawag na yugto ng pagpapayaman, ang mas mababang yugto ay tinatawag na yugto ng pagkaubos.

Upang makakuha ng uranium hexafluoride na may nilalamang U 235 na hindi bababa sa 90%, kinakailangan ang isang kaskad ng 600 yugto ng paghihiwalay.

Ang paghihiwalay ng isotopes ay isa sa mga pinakamahal na operasyon sa teknolohiya ng uranium, narito ang mga tinatayang presyo bawat kilo ng uranium sa US dollars, depende sa antas ng pagpapayaman (ang mga presyo ay nakadepende nang malaki sa dami ng produksyon at demand): natural - 27$2% - 130 $5% - 440$90% - 10000$

Sa kabuuan, mga 600 tonelada ng uranium na pinayaman ng 90% sa isotope U 235 ay nakuha sa mga halaman ng USSR.

Pagkatapos ng paghihiwalay ng mga halaman. Ang naubos na uranium ay napupunta sa landfill. Mahigit 100 libong tonelada ng naubos na uranium ang naipon sa ating bansa. Ang naubos na uranium hexafluoride ay ipinobomba sa mga espesyal na lalagyan, kung ang mga lalagyan na ito ay inilalagay sa mga platform ng riles, kung gayon ang gayong echelon ay magdadala mula sa Moscow hanggang Vladivostok. Ang basurang uranium hexafluoride ay nagdudulot ng ilang panganib sa kapaligiran, at ang mga scheme para sa conversion nito ay nabuo na, dahil ang uranium hexafluoride ay isang malaking pinagmumulan ng kinakailangang produksyon ng hydrogen fluoride at fluorine.

Inihahambing ng Talahanayan 3 ang mga paraan ng paghihiwalay ng isotope para sa hydrogen, carbon, at uranium gamit ang halimbawa ng tatlong uri ng isotopes.

2. Uranium hexafluoride

MPC - 0.015 mg/m3

Ang produksyon ng UF 6 ay ang pangunahing at hindi mapaghihiwalay na bahagi ng nuclear fuel cycle. Ang lahat ng uranium na nakuha mula sa bituka ay dumadaan sa UF 6. Pati na rin ang lahat ng regenerated uranium, pagkatapos ng pagproseso sa RCP, para bumalik sa nuclear fuel cycle, ito ay sumasailalim muli sa fluorination at kasunod na muling pagpapayaman.

Upang magsagawa ng nuclear chain reaction, kinakailangan ang isotope U235, kung saan 0.72% lamang ang nilalaman ng natural na uranium.

kanin. 9. Phase diagram ng estado ng UF 6.

1 UF 6 na kinakailangan sa kalidad

Mayroong dalawang grado ng uranium hexafluoride, depende sa antas ng pagpapayaman sa U 235 isotope. 6 - komersyal - natural o nilalaman hanggang sa 3% U 235 6 - enriched (regenerated, armas).

Sa isang light isotope concentration na mas mababa sa 3%, ang uranium ay itinuturing na nuclear safe, ibig sabihin, wala itong kritikal na masa na may kakayahang kusang chain reaction. Ang komersyal na uranium ay isang pangkaraniwang kemikal na reagent na may libreng halaga sa pamilihan. Ang lahat ng kalakalan sa armas-grade uranium ay ipinagbabawal sa ilalim ng Nuclear Non-Proliferation Act.

2.2 Pagproseso ng enriched uranium hexafluoride

Pagkatapos ng planta ng pagsasabog ng gas, ang uranium hexafluoride na pinayaman ng U235 isotope ay dapat iproseso sa uranium dioxide, at ang mga fuel rod para sa mga nuclear reactor ay dapat gawin mula sa dioxide. Ang mga fuel rod ay metal, oxide, siliconized, atbp. Ang kanilang paggawa ay isang napaka-kumplikado at masinsinang proseso ng agham, ang pagtaas ng mga kinakailangan sa kadalisayan ay ipinapataw sa mga panimulang materyales. Ang mga metal fuel rod ay ginagamit upang makagawa ng plutonium; oxide - ginagamit sa mga power reactor. Ang pagpapayaman ng uranium hexafluoride ay isa sa mga pangunahing yugto ng buong teknolohiyang nuklear na kemikal. Ang mga pamamaraan ng pagproseso para sa enriched uranium hexafluoride ay nahahati sa dalawang karaniwang uri:

Mga pamamaraan ng paggamot sa tubig

a) Hydrolysis na may aluminum nitrate

b) Proseso ng Ammonium diuranate (ADU)

c) Proseso ng ammonium uranium carbonate (AUC).

Mga paraan ng pagproseso ng anhydrous

Pagbawas ng uranium hexafluoride na may hydrogen.

Binuo din ng tinatawag na. Ang HEU-LEU ay isang proseso na nagko-convert ng weapons-grade highly enriched uranium (HEU) sa energy-grade low-enriched uranium (LEU).

2.3 Mga paraan ng paggamot sa tubig

Ang unang yugto ng pagproseso ay ang hydrolysis ng uranium hexafluoride na may tubig sa uranyl fluoride. Nagaganap ang hydrolysis na may malaking paglabas ng init ayon sa equation:

UF 6 + 2H 2 O \u003d UO 2 F 2 + 4HF

Ang prosesong ito ay maaaring gawin sa pamamagitan ng pagbubula ng gaseous uranium hexafluoride sa tubig, o sa pamamagitan ng paghahalo ng likidong uranium hexafluoride sa ilalim ng presyon sa tubig. Sa parehong mga kaso, ibinibigay ang pag-alis ng init mula sa mga hydrolysis apparatus. Bilang resulta ng hydrolysis, nakuha ang isang may tubig na solusyon ng UO 2 F 2 at HF na may konsentrasyon ng uranium na 100 g/l. Sa mga domestic na halaman, ginagamit ang paraan ng hydrolysis ng uranium hexaphthoid gamit ang aluminum nitrate. Ginagawang posible ng pamamaraang ito sa paunang yugto na itali ang F-ion sa isang malakas na tambalan at alisin ito sa mga solusyon sa yugto ng pagkuha. Ang kimika ng proseso ay inilarawan ng sumusunod na pamamaraan:

UF 6 + 2H 2 O \u003d UO 2 F2 + 4HF 2 F 2 + Al (NO 3) 3 \u003d UO 2 (NO 3) 2 + AlF 2 NO 3

HF + 2Al(NO 3) 2 = 2AlF 2 NO 3 + 4HNO 36 + 3Al(NO 3) 2 + 2H 2 O = UO 2 (NO 3) 2 + AlF 2 NO 3 + 4HNO 3

Pinipigilan ng AlF 2 NO 3 at AlF(NO 3) 2 complex ang dissociating effect ng F-ion sa proseso ng uranium extraction at pinoprotektahan ang equipment mula sa corrosion instability. Bilang resulta ng hydrolysis, ang isang may tubig na solusyon ng UO 2 F 2 at HF ay nakuha na may konsentrasyon ng U na 100 g/l. Sa proseso ng hydrolysis, mayroong mabilis na paglabas ng init. Pagkatapos ng hydrolysis, kinakailangang kontrolin ang nilalaman ng U at HF.

Talahanayan 10. Solubility ng UF 6 sa H 2 O depende sa konsentrasyon ng HF

	Conc. UO2F2%

Ayon sa instrumentasyon, dalawang paraan ng hydrolysis ay nakikilala: bubbling at jet. Ang bubbling method ay binubuo sa pagbibigay ng uranium hexafluoride sa solusyon sa pamamagitan ng gas supply tube sa isang apparatus na may stirrer. Ang jet method ay mas moderno at produktibo. Ayon sa pamamaraan ng jet, ang uranium hexafluoride ay ibinibigay sa itaas na bahagi ng vertical apparatus, at ang may tubig na solusyon ay tangentially na ipinakilala sa pamamagitan ng dingding at bumababa kasama ang isang helical trajectory.

Fig.10. UF6 sparging Fig.11. Paraan ng jet

Produktibo ng isang paraan ng jet: 25 kg/h sa UF 6, 50 l/h sa H 2 O; presyon: 4 atm.; t=104°C. Ang pagkuha ay isinasagawa sa mga box-type extractor. Binubuo ang operasyon ng 8 hakbang sa pagkuha at 4 na hakbang sa muling pagkuha. Ang isang 30% na solusyon ng TBP sa kerosene ay ginagamit bilang isang extractant. Ang isang solusyon na may konsentrasyon ng uranium na 20–30 g/l at isang konsentrasyon ng nitric acid na 180–220 g/l ay ibinibigay para sa pagkuha. Ang ratio ng organikong bahagi sa may tubig na 1/(3-4). Ang konsentrasyon ng uranium sa organic phase ay 70-90 g/l. Ang pagkuha ay isinasagawa sa pamamagitan ng countercurrent na pamamaraan. Ang pagtatalop ay isinasagawa gamit ang mahinang solusyon ng nitric acid sa pH=1. Ang ammonium polyuranate ay na-precipitate mula sa nakuha na mga solusyon ng uranyl nitrate.

2 (NO 3) 2 + NH 4 OH → (NH 4) 2 U 4 O 13 + NH 4 NO 3

Sa pamamagitan ng calcining ammonium polyuranate, ang uranium oxide ay nakuha. Ang calcination ay isinasagawa sa pahalang na rotary kiln. Ang temperatura sa hurno ay 690 o -730 o C.

(NH 4) 2 U 4 O 13 → U 3 O 8 + NH 3 + N 2 + H 2 O

Ang pagbabawas ay isinasagawa na may malaking labis na hydrogen sa mga pahalang na rotary kiln sa temperatura na 650-750°C.

U 3 O 8 + H 2 → UO 2 + H 2 O

Ang scheme ng aqueous hydrolysis ng uranium hexafluoride gamit ang aluminum nitrate ay ipinapakita sa Fig.12.

Fig.12. Technological scheme ng aqueous hydrolysis ng UF 6 .

Sa kaso ng mga substandard na ginawang mga tablet, maaari silang muling i-calcine sa U 3 O 8 . Ang uranium oxide ay natunaw sa nitric acid, at ang uranyl nitrate na nakuha ay dinadalisay sa pamamagitan ng pagkuha sa tributyl phosphate. Pagkatapos, ang ammonium polyuranate ay na-precipitate mula sa purified uranyl nitrate na may ammonia, na-calcined sa nitrous oxide, at binawasan muli sa uranium dioxide.

3.1 AD na proseso

Ang proseso ng AD ay may utang sa pangalan nito sa ammonium diuranate, na siyang panimulang produkto para sa paggawa ng maraming compound, kabilang ang ceramic UO 2 .

Karaniwan, ang proseso ng ADU ay nauunawaan bilang ang klasikal na pamamaraan para sa pagkuha ng ceramic UO 2 mula sa UF 6 (hydrolysis ng UF 6 sa tubig o sa isang ammonia solution - pag-ulan ng ammonium polyuranate - pagpapatuyo - calcination - pagbabawas).

Ang proseso ng AFC na ipinatupad sa mga fluoride system ay inilaan para sa pagproseso ng UF 6 na naglalaman ng mas mataas na konsentrasyon ng 235 U o naubos sa 235 U isotope. naubos sa isotope 235 U, - para sa gasolina ng breeding zone ng mga fast neutron reactors.

Ang pag-ulan ng ammonium polyuranate ay isinasagawa na may malaking labis na ammonia ayon sa sumusunod na pamamaraan:

HF + NH 4 OH = NH 4 F + H 2 O

UO 2 F 2 + 6NH 4 OH \u003d (NH 4) 2 U 2 O 7 + 4NH 4 F + 3H 2 O

na may kakulangan ng ammonia, posible ang isang reaksyon.

UO 2 F 2 + 3NH 4 OH \u003d (NH 4) 3 UO 2 F 5 + 3HF + 3H 2 O

Ang pagkuha ng uranium sa precipitate ay higit sa 99.5%. Ang mga agitator na may mga agitator ay maaaring gamitin para sa pag-ulan, at ang pagsasala ay maaaring isagawa sa mga filter ng drum vacuum. Ang filter na cake ng ammonium polyuranate ay naglalaman ng ilang porsyentong fluorine. Ang karagdagang pagproseso nito ay binubuo sa thermal dissociation sa U 3 O 8 at kasunod na pagbawas sa uranium dioxide. Ang proseso ay maginhawang isinasagawa sa fluidized bed furnaces. Ang kasunod na pagproseso ng UO 2 ay binubuo sa malamig na pagpindot at pagkatapos ay sintering ang mga sample sa isang hydrogen atmosphere sa temperatura na 1750 ° C. Dahil sa ang katunayan na ang pinong dispersed zirconium dioxide ay nakuha mula sa ammonium polyuranate, ang mga pinindot na sample ay may napakataas na density. - hindi bababa sa 95% ng teoretikal, ibig sabihin, ~10 g/cm3.

3.2 proseso ng AUC

Ang proseso ng AUK ay kinuha ang pangalan nito mula sa ammonium uranyl carbonate. Ang prosesong pang-industriya para sa paggawa ng ceramic UO 2 mula sa UF 6 ay sa pamamagitan ng intermediate compound (NH 4) 4 UO 2 (CO 3) 3 .

Ang ammonium uranyl carbonate ay nabuo sa pamamagitan ng reaksyon:

6 + 5H 2 O + 10NH 3 + 3CO 2 → (NH 4) 4 UO 2 (CO 3) 3 + 6NH 4 F.

(NH 4) 4 → 4 NH 3 + 3CO 2 + 1.75 H 2 O + UO 3 ∙ 0.25 H 2 O.

Ang huling produkto ng calcination ay U3O8 (sa hangin) at UO2 (sa hydrogen). Ang agnas ng (NH 4) 4 ay nagpapatuloy nang sunud-sunod, una sa uranium trioxide monohydrate na may unti-unting pagkawala ng tubig sa hinaharap. Ang proseso ng pag-aalis ng tubig ay maaaring ilarawan bilang mga sumusunod:

UO 3 ∙H 2 O → UO 3 ∙0.65H 2 O → UO 3 ∙ 0.5H 2 O → UO 3 ∙ 0.25H 2 O.

Ang tambalang UO 3 ∙ 0.25H 2 O ay nabuo bilang isang intermediate na produkto sa panahon ng calcination sa isang atmospera ng lahat ng mga gas at umiiral hanggang sa temperatura na 653K.

3 (UO 3 ∙ 0.25H 2 O) + H 2 → U 3 O 8 + 1.75 H 2 O + 74.8 kJ.

Ayon sa data ng X-ray diffraction analysis, ang produkto ng reaksyong ito ay kinilala bilang U 3 O 8 . Ang huling produkto ng pagbawas ay UO 2 powder.

4 Mga anhydrous na pamamaraan para sa pagproseso ng enriched uranium

4.1 Pagbawas ng UF6 na may hydrogen

Ang uranium hexafluoride ay nababawasan ng hydrogen sa tetrafluoride at hydrogen fluoride, pagkatapos ang tetrafluoride ay nababawasan sa pamamagitan ng pagsasanib ng calcium sa metallic uranium at calcium difluoride.

Ang pakikipag-ugnayan ng uranium hexafluoride sa hydrogen ay inilalarawan ng equation:

UF 6 + H 2 \u003d UF 4 + 2HF + 16.5 kJ / mol

Ang reaksyon ay nagpapatuloy sa isang makabuluhang pagkawala ng libreng enerhiya. Gayunpaman, ang activation energy para sa pagbabawas ng UF 6 na may hydrogen ay napakataas, at kailangan ng heat supply para maging matagumpay ang proseso. Ang pagbabawas ng hexafluoride na may hydrogen ay isang first-order na reaksyon.

Upang ipatupad ang prosesong isinasaalang-alang, mayroong dalawang paraan ng supply ng init: alinman sa pamamagitan ng dingding o sa reaktor, isang maliit na halaga ng fluorine ang iniksyon, na, na nakikipag-ugnayan sa hydrogen, ay naglalabas ng sapat na dami ng init. Ang mga kagamitan para sa pagbabawas ng uranium hexafluoride na may hydrogen ay nahahati sa dalawang uri ayon sa paraan ng supply ng init:

Mainit na reaktor sa dingding;

Malamig na reaktor sa dingding.

Ang pagbabanto ng hexafluoride na may nitrogen, hanggang sa equimolar na komposisyon ng mga gas sa pumapasok, ay hindi binabawasan ang kahusayan ng proseso. Ang pagbaba sa labis na H2 ay humahantong sa pagtaas sa tiyak na gravity ng UF4. Ang isang makabuluhang kawalan ng proseso ng pagbabawas ng uranium hexafluoride na may hydrogen sa isang reactor na may mainit na pader ay ang sobrang pag-init ng mga pader dahil sa init ng reaksyon, lalo na sa mga unang zone kasama ang daloy ng gas. Ito ay humahantong sa pagsasanib ng solidong materyal, at samakatuwid ay kinakailangan na pana-panahong ihinto ang trabaho at linisin ang mga dingding. Karaniwan, ang reactor ay tumatakbo nang 78 oras at pagkatapos ay humihinto para sa paglilinis. Ang panginginig ng boses ng reaktor ay kinakailangan upang maiwasan ang akumulasyon ng UF 4 sa mga dingding ng malambot na pulbos.

Ang daan palabas ay natagpuan sa anyo ng magkasanib na suplay ng UF6 at F 2 sa reaktor. Dahil sa init ng reaksyon ng pagkasunog ng hydrogen sa fluorine.

H 2 + F 2 \u003d 2HF + 30.6 kJ / mol

sa tanglaw, ang pagbabawas ng reaksyon ng uranium hexafluoride na may hydrogen ay nasasabik. Ipinapakita ng Figure 13 ang disenyo ng apparatus na may mainit na dingding.

kanin. 13. Apparatus na may mainit na pader para sa pagbabawas ng uranium hexafluoride.

Ang reaktor ay isang vertical pipe (Larawan 13), ang isang nozzle ay naka-mount sa itaas na flange ng reaktor para sa paghahalo ng mga reaksyon ng gas at pag-inject ng mga ito sa reactor zone. Tatlong yugto ng pag-init.

Ang ganitong pamamaraan, na isinasagawa sa isang reaktor na may malamig na mga pader, ay lubos na kasiya-siya, kapwa sa mga tuntunin ng mga katangian ng pagpapatakbo at sa mga tuntunin ng kalidad ng ginawang uranium tetrafluoride. Gayunpaman, ang pangangailangan na sunugin ang F 2 sa mas murang HF ay binabawasan ang kahusayan sa ekonomiya ng pamamaraang ito sa pagproseso.

Ang pagsasaalang-alang ng ilang mga reaksyon ng kemikal sa system ay nagsisimula sa thermodynamic analysis, na nagbibigay-daan sa amin upang suriin ang pinaka-malamang na mga variant ng mga pagbabagong kemikal, ang kanilang pagkakasunud-sunod at lalim, ang impluwensya ng pangunahing panlabas na mga kadahilanan (temperatura, presyon) sa kurso ng mga proseso.

Sa mga gas na pamamaraan, ang hydrolysis ng UF 6 ay isinasagawa sa mataas na temperatura (karaniwan ay sa 473-973 K). Samakatuwid, mas tama na tawagan ang prosesong ito na pyrohydrolysis. Sa totoong mga proseso sa pagkakaroon ng hydrogen, dapat isaalang-alang ng isa ang pagkakaroon ng dalawang multistep na kadena ng mga pagbabagong UF6 na humahantong sa pagbuo ng mga solidong intermediate compound.

Ang kadena ng mga pagbabagong-anyo UF 6 → UO 2 F 2 → UO 2:

6 + 2H 2 O \u003d UO 2 F 2 + 4HF 2 F 2 + H 2 \u003d UO 2 + 2HF 2 F 2 + H 2 O \u003d UO 3 + 2HF 3 + H 2 \u003d UO 2 + H 2 O 2 F 2 + 2/3H 2 O +1/3H 2 = UO 2.67 + 2HF 2.67 + 2/3H 2 = UO 2 + 2/3H 2 O 2 F 2 + H 2 = 1/2UO 2 + 1/2UF 4 + H2O

/ 2UF 4 + H 2 O \u003d 1 / 2UO 2 + 2HF

Ang kadena ng mga pagbabagong UF 6 → UF 4 → UO 2:

6 + H 2 \u003d UF 4 + 2HF, 4 + 2H 2 O \u003d UO 2 + 4HF.

Ang kabuuang reaksyon ng pakikipag-ugnayan ng uranium hexafluoride na may pinaghalong hydrogen at water vapor ay ang reaksyon:

UF 6 + 2H 2 O + H 2 \u003d UO 2 + 6HF.

Thermodynamic analysis ng pakikipag-ugnayan sa system UF 6 - H 2 O - H 2 ay binubuo sa pagtukoy ng pangunahing thermodynamic parameter at pagtukoy ng mga kondisyon para sa proseso. Ang pagtatasa ng epekto ng temperatura sa pangkalahatang likas na katangian ng kurso ng mga reaksiyong kemikal sa mga proseso ng UF 6 gas reforming, mapapansin na ang pagtaas ng temperatura ay dapat magsulong ng defluorination at isang unti-unting paglipat mula sa produkto ng uranyl fluoride ng reaksyon ng conversion sa mga sistema ng oxide. Dahil sa ang katunayan na ang mga reaksyon ng defluorination ay nagpapatuloy sa isang pagtaas sa dami ng system, ang pagbaba sa kabuuang presyon sa system ay dapat mag-ambag sa paggawa ng mga uranium oxide na may mas mababang nilalaman ng natitirang fluorine.

Ang chain ng mga pagbabago sa panahon ng oxygen-hydrogen conversion ng uranium hexafluoride.

Ibahin ang anyo ng chain:

UF 6 + H 2 \u003d UF 4 + 2HF,

UF 4 + 2H 2 O \u003d UO 2 + 4HF,

H 2 + O 2 \u003d 2H 2 O,

o 6 + 2H 2 O \u003d UO 2 F 2 + 4HF, 2 F 2 + H 2 \u003d UO 2 + 2HF,

o 2 F 2 + H 2 O \u003d UO 3 + 2HF

UO 3 + H 2 \u003d UO 2 + H 2 O

Ang pangkalahatang reaksyon ng reductive hydrolysis sa isang oxy-hydrogen flame ay maaaring isulat tulad ng sumusunod:

UF 6 (g) + H 2 g + O 2 g → UO 2 tv + 6HF + H 2 O nalalabi

Ang kurso ng mga pagbabago sa enerhiya ng Gibbs na may pagtaas ng temperatura, na nangyayari sa panahon ng hydrolysis ng uranium hexafluoride na may singaw ng tubig, ay paborableng nakakaapekto sa lalim ng hydrolysis at ang kasunod na pagbabawas ng reaksyon ng uranyl fluoride na may hydrogen. Dapat pansinin na ang hydrolysis ng uranyl fluoride sa trioxide ay nababaligtad at nagpapatuloy sa pasulong na direksyon sa medyo mataas na temperatura.

UО 2 , UO 3 , UF 4 , U(OH) 4 , Н 2 О, UО 2 F 2 ay natagpuan sa mga produkto ng reaksyon ng flame reactor (temperatura tungkol sa 1300°C). Ang pangunahing elemento na nagpaparumi sa huling produkto ay fluorine, ang nilalaman nito ay 4-8%.

Ang nilalaman ng fluorine sa produkto na nakuha ng flame pyrohydrolysis ay makabuluhang nabawasan sa panahon ng heat treatment nito sa hydrogen sa 1000°C at umabot sa halagang mas mababa sa 3 10-3, na medyo kasiya-siya. Ang supply ng mga paunang produkto ay nakaayos tulad ng sumusunod. Tatlong gas (UF 6 , O 2 at F 2) ang pumapasok sa gitnang tubo, at H 2 - sa pamamagitan ng annular gap; Ang F 2 ay inihahain lamang sa pinakadulo simula upang simulan ang proseso ng pakikipag-ugnayan ng UF 6 sa hydrogen.

5 proseso ng HEU-LEU

Kasama sa teknolohiyang HEU-LEU ang mga operasyon para sa conversion ng highly enriched uranium (HEU) sa low-enriched uranium (LEU). Ang pangangailangan para sa naturang conversion ay lumitaw noong kalagitnaan ng 1990s bilang resulta ng bilateral na disarmament ng Estados Unidos at Russia. Ang dati nang ginawang highly enriched (90%) uranium ay dapat gawing low-enriched (1.6 - 4.4%) uranium na angkop para sa mapayapang paggamit para sa paggawa ng mga elemento ng gasolina para sa VVER. Ang problema ay nalutas sa pamamagitan ng diluting mataas na enriched uranium na may mababang enriched uranium sa pamamagitan ng fluorination stage. Dahil ang uranium hexafluoride ay isang gaseous compound, ang isang pare-parehong homogenization ng pinaghalong ay kaya nakakamit. Ang mga bentahe ng naturang paghahalo ay ang mas murang organisasyon ng pagtiyak sa kaligtasan ng nuklear at ang kinakailangang katumpakan ng dosing ng mga pinaghalong produkto, ang kahusayan ng pagkontrol sa proseso ng paghahalo. Ang pang-industriyang teknolohikal na pamamaraan ng naturang produksyon ay ipinapakita sa Fig.14.

Fig.14 Technological scheme ng proseso ng HEU-LEU.

Ang LEU ay napapailalim sa mga kinakailangan sa mataas na kadalisayan. Sa partikular, dapat nitong garantiyahan ang nilalaman

plutonium< 0,05 Бк/г U

neptunia< 0,01 Бк/г U

uranium -234< 10 000 мкг/г U - 235

uranium -236< 5 000 мкг/г U - 235

Batay sa mga kinakailangang ito, dalawang karagdagang operasyon ang ipinakilala sa teknolohikal na pamamaraan para sa paglilipat ng mga armas-grade uranium mula sa elemental na estado patungo sa hexafluoride nito at pagbabanto na may mababang-enriched na uranium:

Una, ang isang yugto ay ipinakilala para sa pagkuha ng paglilinis ng lubos na pinayaman na mga uranium oxide mula sa plutonium, mga produktong fission, at mga dopant.

pangalawa, ang produksyon ng uranium diluent hexafluoride mula sa natural na ihi na may 1.5% na nilalaman ng uranium-235 na may pinababang nilalaman ng uranium-234 at uranium-236 isotopes ay naayos. Ipinapakita ng Talahanayan 1 na ang pinakamahalagang elemento sa teknolohiya ng pagproseso ng mga armas-grade uranium sa nuclear power fuel ay ang proseso ng fluorination ng mataas na enriched uranium oxides. Ang powdered uranium oxide (triuranium octoxide) at fluorine, na dati nang nadalisay mula sa hydrogen fluoride sa pamamagitan ng paraan ng selective sorption ng huli sa sodium fluoride granules, ay ibinibigay para sa fluorination. Ang reaksyon ng fluorination ay nagpapatuloy sa temperatura na 350-400 °C. Ang proseso ng fluorination ay isinasagawa sa isang tuluy-tuloy na mode sa panahon ng pagproseso ng isang batch na may counterflow ng solid at gaseous na mga phase ng mga reagents. Solid powdery residues mula sa fluorination, kung saan ang mga non-volatile fluoride ng radionuclide decay products, corrosion products (Fe, Ni, Cu fluoride), pati na rin ang non-volatile plutonium fluoride, na nasa microscopic na dami ng uranium, ay puro, pagkatapos ng pagproseso ng isa. o higit pang mga batch ng uranium oxides, ay ibinababa mula sa reactor at ipinadala upang kunin ang uranium. Ang gas phase, na umaalis sa reactor, ay dumadaan sa dalawang yugto ng pagsasala mula sa entrained solid phase at pumapasok sa desublimation ng nakuha na uranium hexafluoride mula sa gas stream. Bilang karagdagan, sa unang teknolohikal na kadena, bago ang desublimation, ang daloy ng gas ay dumadaan sa isang haligi ng sorption, kung saan ang plutonium, na sumailalim sa sublimation kasama ng uranium hexafluoride, ay piling nakulong, ayon sa reaksyon.

Ang uranium hexafluoride na nakolekta sa desublimator, kapag ang desublimator ay na-defrost, ay sumasailalim sa vacuum training upang alisin ang mga noncondensable na gas at hydrogen fluoride impurities mula dito, pagkatapos nito ang uranium hexafluoride ay muling i-recondensed mula sa desublimator sa mga transport container at ipinadala sa consumer. (halaman ng paghihiwalay ng isotope).

Ang mga proseso ng gas pagkatapos ng desublimator, na naglalaman ng pangunahin na mga non-condensing na gas na F2, 02 at iba pa, ay dinadalisay mula sa uranium hexafluoride sa pamamagitan ng pag-trap nito sa mga butil ng sodium fluoride ayon sa reaksyon:

F 6 + 2 Na F \u003d U F 6 2 Na F,

at pagkatapos ay ipinadala ang mga ito para sa fluorine neutralization at sanitary cleaning sa sistema ng paglilinis ng gas.Ang disenyo ng hardware ng mga teknolohikal na proseso sa planta ay tinutukoy ng mga katangian ng mga naprosesong materyales at reagents, ang pangunahing kung saan ay;

mataas na kemikal na toxicity ng fluorine, hydrogen fluoride, uranium hexafluoride at iba pang pabagu-bago at hindi pabagu-bago ng fluoride na kasangkot sa proseso. Sa mga tuntunin ng panganib sa kemikal, karamihan sa mga ito ay nabibilang sa class 1 substance;

mataas na radiotoxicity ng highly enriched uranium at iba pang mga nuclides na naroroon dito: bakas ang dami ng plutonium, uranium-232 at ang kanilang mga nabubulok na produkto; inuri nito ang naprosesong materyal sa mga tuntunin ng radiohazard sa mga sangkap ng klase A;

Ang mataas na pinayaman na uranium ay mapanganib sa nukleyar, ibig sabihin, sa ilalim ng ilang mga kundisyon, maaaring mangyari ang isang spontaneous chain reaction of decay (SCR).

Ang mga isyu sa kaligtasan ng nuklear sa pasilidad ay nareresolba sa katotohanan na ang lahat ng proseso at pantulong na kagamitan, kabilang ang: isang fluorinator reactor, isang bunker, isang desublimator, mga column ng sorption, mga sanitary filter, ay may alinman sa geometry na ligtas sa nuklear o mga paghihigpit sa volume at pagkarga. ng apparatus at ang laki ng sabay-sabay na naprosesong batch ng highly enriched uranium

Konklusyon

Habang ang low-enrichment uranium ay isang mahalagang hilaw na materyal para sa produksyon ng mataas na enriched uranium, ang low-enrichment na gaseous diffusion na mga halaman ay hindi madaling ma-convert upang makagawa ng high-enriched uranium. Ang mataas na pagpapayaman ay nangangailangan ng maraming mas maliliit na yugto, dahil sa matinding pagbaba ng enrichment factor at mga problema sa pagiging kritikal (akumulasyon ng kritikal na masa ng uranium) sa mas malalaking bloke.

Ang malaking sukat ng sistema ng pagpapayaman ay humahantong sa mahabang panahon ng pagpuno nito ng materyal (enriched substance) bago lumabas ang produkto. Karaniwan, ang oras ng equilibration na ito ay 1-3 buwan. Malawakang ginagamit ang teknolohiya ng gaseous diffusion sa maraming bansa, kahit na ang Argentina ay nagtatag ng isang gumaganang planta ng pagpapayaman para sa programa nitong patagong armas (hindi na ipinagpatuloy). Noong 1979, higit sa 98% ng lahat ng uranium ay ginawa gamit ang prosesong ito. Noong kalagitnaan ng dekada 1980, ang proporsyon na ito ay bumaba sa 95% sa pagpapakilala ng paraan ng centrifugation.

Ang nangingibabaw na paraan ng paghihiwalay ng isotope para sa mga bagong industriya, bagama't ang mga kasalukuyang pasilidad ay kadalasang gaseous diffusion. Ang bawat centrifuge ay nagbibigay ng mas mataas na separation factor kaysa sa isang yugto ng gas. Maraming mas kaunting yugto ang kinakailangan, halos isang libo lamang, kahit na ang halaga ng bawat centrifuge ay mas mataas.

Ang gas centrifugation ay nangangailangan ng ~1/10 ng enerhiya na kinakailangan para sa gaseous diffusion (ang pagkonsumo ng enerhiya nito ay 100-250 kWh/MPH-kg) at nagbibigay-daan para sa mas madaling pag-scale up.

Sa mga umuunlad na bansang nuklear, ang medyo sopistikadong teknolohiyang ito ay pagmamay-ari ng Pakistan at India.

Maraming mga bansa ang nag-anunsyo ng mga programa upang lumikha o bumuo ng isang fleet ng mga nuclear power reactor. Ayon sa forecast ng World Nuclear Association, sa 2020 ang naka-install na kapasidad ng mga nuclear power plant sa mundo ay tataas mula sa kasalukuyang 360 GW (2007) hanggang 446 GW. Samakatuwid, ang pangangailangan para sa pagpapayaman ng uranium ay tataas, dahil ang karamihan sa mga umiiral at nakaplanong mga reaktor ay gumagamit ng uranium na pinayaman hanggang sa 3.5-4% sa isotope ng 235U bilang gasolina.

Sa pangkalahatan, ang pagbuo ng mga kumpanyang nagpapayaman sa Europa ay may matatag na pundasyon sa anyo ng maaasahang teknolohiya, makabuluhang umiiral na mga kapasidad at isang maaasahang base ng pagmamanupaktura ng centrifuge.

Panitikan

1. Gromov B.V. Panimula sa teknolohiyang kemikal ng uranium, M. Gosatomizdat, 1978.

Handbook ng nuclear energy technology: per. mula sa English / F. Rahn, A. Adamantiades, J. Kenton, C. Brown; ed. V.A. Legasova. -M.: Energoatomizdat, 1989.-752p.

Galkin N.P., Mayorov A.A., Veryatin I.D. Chemistry at teknolohiya ng uranium fluoride compound, M.: Gosatomizdat, 1961.

Ch. Harrington, A. Ruele Uranium production technology, M.: Goshimizdat, 1961.

V.S.Emelyanov, A.I.Evstyukhin Metallurgy ng nuclear fuel, M.: Atomizdat, 1968.

Zhiganov A.N., Guzeev V.V., Andreev G.G. Teknolohiya ng uranium dioxide bilang isang ceramic nuclear fuel, Tomsk, 2003.

Shevchenko V.B., Sudarikov B.N. teknolohiya ng uranium. - M.: Gosatomizdat, 1961.

Mayorov A.A., Bravermann I.B. Teknolohiya para sa paggawa ng mga pulbos ng ceramic uranium dioxide. M.: Energoatomizdat, 1985.

Smiley S. Instrumentasyon ng mga heterogenous na proseso sa teknolohiya ng uranium.-M.: Gosatomizdat, 1963.

Actinide Chemistry, in-edit ni J. Katz, G. Seaborg, L. Morss. Volume 1. M. "Mir", 1991.

Peterson Z, Wymer R. Chemistry sa industriya ng nukleyar.-M.: Atomizdat, 1967.

Ang industriyal na paghihiwalay ng uranium isotopes ay nagsimula sa Estados Unidos bilang bahagi ng Manhattan Project para sa paggawa ng atomic weapons. Noong Nobyembre 1943, natapos ang pagtatayo ng U-12 electromagnetic plant malapit sa Oak Ridge. Ang ideya ng pamamaraan ay batay sa katotohanan na ang isang mas mabigat na ion ay naglalarawan ng isang arko ng isang mas malaking radius sa isang magnetic field kaysa sa isang hindi gaanong mabigat. Sa ganitong paraan, maaaring paghiwalayin ang iba't ibang isotopes ng parehong elemento. Ang gawain ay isinagawa sa ilalim ng gabay ng imbentor ng cyclotron, si E. Lawrence. Ang teknolohikal na proseso ng paghihiwalay ng uranium isotopes ay dalawang yugto ( a- at p-yugto). Ang disenyo ng separating unit (calutron) ay mukhang isang malaking hugis-itlog, na binubuo ng 96 na magnet at 96 na receiving chamber (isang race track, ibig sabihin, isang racing track). Ang planta ng U-12 ay binubuo ng limang "-installation (bawat isa sa 9 racetracks), tatlong p-installation na may walong racetrack ng 36 magnet, kemikal at iba pang mga auxiliary na gusali. Ang calutron ay may napakalaking electromagnet, ang haba nito ay umabot sa 75 m at may timbang na halos 4000 tonelada. Ilang libong toneladang pilak na kawad ang pumasok sa mga paikot-ikot para sa electromagnet na ito.

Ang isa pang dambuhalang (ang lugar sa ilalim ng mga gusali na 4000 ektarya, sa oras na iyon - ang pinakamalaking gusali sa mundo sa ilalim ng isang bubong) planta na itinayo sa Oak Ridge ay ang planta ng K-25. Ang proseso ng pagsasabog ng gas ay batay sa hindi pangkaraniwang bagay ng pagsasabog ng molekular. Kung ang isang gaseous compound ng uranium (UFb) ay nabomba sa pamamagitan ng isang porous na partition, kung gayon ang mas magaan na molekula na naglalaman ng 235U ay mas mabilis na tumagos sa partisyon kaysa sa mas mabibigat na molekula na naglalaman ng 235U. Ang pagsasabog ay isinasagawa sa pamamagitan ng isang partisyon, na isang porous na manipis na lamad ng metal na may ilang milyong butas (diameter ~ 0-3 mm) bawat square centimeter. Ang proseso ay paulit-ulit ng maraming beses at nangangailangan ito ng 3024 na yugto ng pagpapayaman. Sa una, ang mga lamad ay gawa sa tanso, pagkatapos ay lumipat sila sa nikel. Noong tagsibol ng 1944, nagsimula ang pang-industriyang produksyon ng mga filter. Ang mga lamad na ito ay baluktot sa mga tubo at inilagay sa isang hermetic cavity - isang diffusion chamber.

36.06. 1944 Inilunsad ang Thermal diffusion plant 550 sa Oak Ridge. Ang proseso ng liquid thermal diffusion ay nagaganap sa isang column, na isang mahaba (15 m high) vertical pipe, pinalamig mula sa labas at naglalaman ng isang heated cylinder sa loob. Ang epekto ng paghihiwalay ng isotope sa naturang haligi ay dahil sa ang katunayan na ang mas magaan na bahagi ay naiipon sa mainit na ibabaw ng panloob na silindro at gumagalaw paitaas dahil sa batas ng kombeksyon. Ang mga hanay ay inayos sa tatlong pangkat. Bawat isa ay may 7 bar, sa kabuuan na 2142 column.

Upang makabuo ng mataas na pinayaman na uranium para sa unang atomic bomb na "Kid", ang mga natural na hilaw na materyales (0.7%) ay unang inilipat sa gaseous phase (UFe). Ang planta 55o ay nagsagawa ng paunang pagpapayaman sa 0.86% gamit ang thermal diffusion method. Halaman K25 ang thermal diffusion method ay tumaas ang enrichment sa 7%. Ang uranium ay naging solid UV 4 , pagkatapos ay dinala ang enrichment sa 15% gamit ang α-calutron, at sa wakas, nakuha ang UF 4 na may enrichment na 90% sa 29$ gamit ang p-calutron. Ang singil ng atomic bomb ay ginawa mula sa produktong ito (cannon scheme).

Sa Russia, ang mga unang halaman para sa paghihiwalay ng uranium isotopes ay batay sa prinsipyo ng pagsasabog ng gas, pagkatapos ay lumipat sa ultracentrifugation na paraan.

Noong 1945, nagsimula ang pagtatayo sa Verkh-Neyvinsk (Middle Urals, Sverdlovsk region, now Novouralsk) ng Plant No. 813 (ngayon ay Ural Electrochemical Combine, UEIP) para sa uranium enrichment. Ang D-1 gas diffusion plant, na nilagyan ng OK series machine, ay inilagay noong 1949, ang D-3 plant, na nilagyan ng T series machines, noong 1951, at ang D-4 plant (isang hiwalay na diffusion cascade na may kakayahang mag-isa. gumagawa ng 90% ) - noong 1953. Noong 1949, isang lubos na pinayaman (75% 2 c$c) uranium na ginamit bilang bahagi ng singil sa unang Sobyet na plutonium atomic bomb. Noong 1957, isang planta ng centrifuge ang inilunsad sa UEIP, noong 1960 ang paglikha ng unang planta ng pagproseso ng uranium sa mundo batay sa teknolohiya ng centrifuge ay nagsimula, pagkatapos nito noong 1964 ang halaman ay dinala sa buong kapasidad, noong 1980 ang unang pang-industriya na halaman ay inilagay sa komersyal operasyon.batch ng ikaanim na henerasyong gas centrifuges. Noong 1987, ang yugto ng pagsasabog ng gas ng pang-industriyang produksyon ng enriched uranium ay ganap na nakumpleto. Noong 1995, gamit ang teknolohiyang UEIP, nagsimula ang industriyal na pagpoproseso ng highly enriched uranium (HEU), na nakuha mula sa mga sandatang nuklear na nili-liquidate, tungo sa low-enriched uranium (LEU) para sa mga nuclear power plant.

Ang isa pang negosyo para sa pagpapayaman ng isotope ng uranium ay ang Angarsk Electrochemical Combine, AECC. Ang pagtatayo nito sa timog-kanluran ng Angarsk ay nagsimula noong Abril 10, 1954. Ang malakas na planta ng paghihiwalay na ito ay kapansin-pansing nagpapataas ng produksyon ng enriched uranium sa bansa.(para sa produksyon ng enriched uranium hexafluoride). Noong Oktubre 21, 1957, ang unang yugto ng 308 gas diffusion machine ay inilagay sa operasyon at ang unang enriched uranium ay nakuha. Noong 12/14/1990, naganap ang paglulunsad ng mga gas centrifuges para sa paghihiwalay ng uranium isotopes. Sa kasalukuyan, ang mga pangunahing aktibidad ng planta ay mga serbisyo para sa conversion ng uranium oxide sa uranium hexafluoride; sa pamamagitan ng conversion ng uranium tetrafluoride sa uranium hexafluoride; pagpapayaman ng uranium mula sa mga hilaw na materyales na ibinigay ng customer; mga supply ng enriched uranium sa anyo ng hexafluoride. Para sa maaasahang pagsunod sa mga kinakailangan ng non-proliferation regime, itinatag ng JSC AECC ang unang International Uranium Enrichment Center sa mundo at isang Nuclear Fuel Bank sa ilalim ng mga pananggalang ng IAEA.

Ang ikatlong processing plant ay bahagi ng Siberian Chemical Plant (SCC), na itinayo sa rehiyon ng Tomsk (Seversk) noong unang bahagi ng 1950s. SCC - isang solong complex ng nuclear technological cycle para sa paglikha ng mga bahagi ng nuclear weapons batay sa fissile na materyales. Ang isotope separation plant ay gumagawa ng enriched uranium para sa nuclear power. Hanggang 1973, ang paghihiwalay ng gas-diffusion ay isinasagawa, kalaunan - centrifuge. Ang isang bilang ng mga matatag na isotopes ng xenon, lata, selenium, at iba pa ay ginawa din. Ang sublimation plant ay gumagawa ng mga produktong naglalaman ng uranium, kabilang ang mataas na pinayaman na uranium, uranium oxide para sa mga fuel rod, at shch> para sa isotopic enrichment.

Ang ikaapat na planta ng pagpapayaman ay OAO PO Electrochemical Plant (dating Krasnoyarsk-45, ngayon ay Zelenogorsk, Krasnoyarsk Territory). Noong Oktubre 30, 1962, ang unang yugto ng mga makina ng pagsasabog ng gas para sa paggawa ng mga isotopes ng uranium ay ipinatupad sa negosyong ito. Noong 1964, ang teknolohiya ng uranium enrichment gamit ang gas centrifuges ay ipinakilala. Mula noong 1988, ang pangunahing produkto ng halaman ay ang low-enriched na uranium na ginagamit bilang gasolina sa mga nuclear power plant. Bilang karagdagan, mula noong 1972, ang ECP, gamit ang teknolohiyang gas centrifuge, ay gumagawa ng mga produktong isotope at napakadalisay na mga sangkap.

Ang paglunsad ng unang satellite ng Sobyet noong Oktubre 4, 1957 ay masayang kilala sa buong mundo. At ang kaganapan na naganap noong Nobyembre 4 ng parehong taon sa Verkh-Neyvinsk ay nanatiling isang misteryo para sa pinakamahusay na katalinuhan sa mundo sa loob ng mahabang panahon. Ang isang pilot plant ay inilagay doon, kung saan ang uranium ay pinayaman ng centrifuge isotope separation.

Alexander Emelyanenkov

Sa bukang-liwayway ng paglikha ng mga sandatang nuklear, ang isa sa mga pangunahing pangunahing problema ay ang paghihiwalay ng mga isotopes ng uranium. Ang mabigat na radioactive metal na ito ay natural na nangyayari bilang pinaghalong dalawang pangunahing isotopes. Ang pangunahing bahagi (medyo mas mababa sa 99.3%) ay uranium-238. Ang nilalaman ng mas magaan na isotope - uranium-235 - ay 0.7% lamang, ngunit ito ay kinakailangan para sa paglikha ng mga sandatang nuklear at pagpapatakbo ng mga reaktor.

Ang paghihiwalay ng isotopes ay hindi madali. Ang kanilang mga kemikal na katangian ay magkapareho (sila ay ang parehong elemento ng kemikal, pagkatapos ng lahat), at ang pagkakaiba sa atomic mass ay higit lamang sa 1%, kaya ang mga pisikal na pamamaraan para sa paghihiwalay ay dapat na may napakataas na selectivity. Ang isyung ito noong 1950s ay naging isa sa mga mapagpasyang sandali na tumutukoy sa tagumpay ng industriya ng nukleyar ng Sobyet at inilatag ang pundasyon para sa modernong pagiging mapagkumpitensya ng industriya ng nukleyar ng Russia sa merkado ng mundo.

sa pamamagitan ng isang salaan

Ang pinakasimpleng paraan ng paghihiwalay ay gaseous diffusion - "pagpwersa" ng mga gaseous na hilaw na materyales (uranium hexafluoride) sa pamamagitan ng isang makinis na buhaghag na lamad, habang ang iba't ibang isotopes ay nagkakalat sa mga pores sa iba't ibang bilis. Ang pagsasabog ng gas ang naging unang paraan na ginamit upang makakuha ng komersyal na dami ng uranium-235 sa unang mga halamang nagpapayaman. Sa Estados Unidos, ang mga pag-unlad sa larangan ng gaseous diffusion para sa Manhattan Project ay pinangunahan ng Nobel Prize winner na si Harold Urey. Sa USSR, hanggang 1954, ang direksyon na ito ay pinangunahan ng akademikong si Boris Konstantinov, pagkatapos ay pinalitan siya ni Isaac Kikoin.

Sa una, tulad ng kadalasang nangyayari, ang paraan ng pagsasabog ng gas ay tila mas madaling ipatupad. Ngunit nangangailangan ito ng malaking paggasta ng kuryente - ang Sayano-Shushenskaya hydroelectric power station at ang unang yugto ng Beloyarsk nuclear power plant, tulad ng lumalabas na ngayon, ay itinayo lalo na para sa mga layuning ito. Bilang karagdagan sa pangkalahatang mataas na gastos at mababang kahusayan, ang paraan ng pagsasabog ng gas ay hindi ligtas para sa mga manggagawa - pangunahin dahil sa mataas na temperatura at ingay sa mga tindahan. Dagdag pa, malalaking volume ng mga pinaghalong chemically active sa ilalim ng pressure, at ito ay mga potensyal na emisyon at polusyon sa kapaligiran. Samantala, ang isang kahalili sa paraan ng pagsasabog ng gas ay kilala mula noong katapusan ng ika-19 na siglo - ito ay isang paraan ng centrifuge na nangangako ng napakalaking pagtitipid: nang noong 1958 ang planta sa Verkh-Neyvinsk ay umabot sa mode ng disenyo, lumabas na ang Ang pagkonsumo ng enerhiya sa bawat yunit ng paghihiwalay ay 20 (!) beses na mas mababa kaysa sa paraan ng pagsasabog, at ang gastos ay kalahati ng magkano. Totoo, maraming mga teknolohikal na paghihirap ang naghihintay sa mga taga-disenyo sa paraan upang lumikha ng mga centrifuges.

Paghihiwalay ng electromagnetic. Batay sa paggalaw ng mga sisingilin na particle (ions) sa isang magnetic field. Depende sa masa ng mga particle, ang curvature ng kanilang trajectory ay naiiba, at kahit na ang isang maliit na pagkakaiba sa atomic mass ng nuclei ng uranium isotopes ay ginagawang posible na paghiwalayin ang mga ito. Ang ganitong mga pasilidad, na tinatawag na mga calutron, ay ginamit sa American Manhattan Project, dahil ginawa nilang posible na makakuha ng napakataas na antas ng pagpapayaman ng uranium sa ilang mga pass. Gayunpaman, ang mga calutron ay napakalaki, mahal upang mapanatili, kumonsumo ng maraming enerhiya at may mababang produktibidad, kaya hindi sila kasalukuyang ginagamit para sa industriyal na pagpapayaman ng uranium.

Mga ugat ng Aleman

Ang mga pinagmulan ng teknolohiyang centrifuge ng Sobyet ay maaaring masubaybayan pabalik sa Nazi Germany, kung saan ang atomic na proyekto ay nag-eeksperimento sa paghihiwalay ng uranium. Isa sa mga kalahok sa proyektong ito, ang physicist na si Geront Zippe, ay kabilang sa iba pang mga bilanggo ng digmaang Aleman na ipinadala sa USSR. Sa ilalim ng gabay ni Max Steenbeck, ang kanyang kababayan at biyenan, si Zippe ay nakikibahagi sa eksperimentong pananaliksik hanggang 1954 - una sa Laboratory "A" sa Sukhumi (ang hinaharap na Sukhumi Institute of Physics and Technology), at sa huling dalawang taon. - sa isang espesyal na bureau ng disenyo sa Kirov Plant sa Leningrad.

Habang nagpapatotoo ang mga kalahok at nakasaksi sa mga kaganapang iyon, hindi alam ng mga siyentipikong Aleman ang pagtanggi ng mga materyales para sa pananaliksik. At ang kanilang rehimen ay halos kapareho ng sa ating mga lihim na nuclear scientist, na kasing higpit ng pagbabantay ng departamento ng Beria. Noong Hulyo 1952, sa pamamagitan ng isang espesyal na utos ng gobyerno, si Steenbeck at ang kanyang mga katulong ay inilipat mula sa Sukhum Institute patungong Leningrad, sa Design Bureau ng Kirov Plant. Bukod dito, ang grupo ay pinalakas ng mga nagtapos ng Polytechnic Institute mula sa dalubhasang departamento ng nuclear research. Ang gawain ay ang paggawa at pagsubok ng dalawang yunit ayon sa pamamaraan ng Zippe-Steenbeck. Bumaba sila sa negosyo nang masigasig, ngunit sa unang quarter ng 1953, ang trabaho ay tumigil, nang hindi humahantong sa mga pagsubok: naging malinaw na ang iminungkahing disenyo ay hindi angkop para sa mass production.

Pagsasabog ng gas. Ginagamit ang pagkakaiba sa bilis ng paggalaw ng mga molekula ng gas na naglalaman ng iba't ibang isotopes ng uranium (uranium hexafluoride). Ang ibang masa ay nagdudulot ng ibang bilis ng mga molekula, upang ang mga baga ay dumaan sa lamad na may manipis na mga pores (maihahambing ang diameter sa laki ng mga molekula) nang mas mabilis kaysa sa mabibigat. Ang pamamaraan ay madaling ipatupad at ginamit sa madaling araw ng industriya ng nukleyar sa USSR, sa USA ito ay ginagamit pa rin. Ang antas ng pagpapayaman ng bawat yugto ay napakaliit, kaya libu-libong yugto ang kailangan. Nagreresulta ito sa malaking pagkonsumo ng enerhiya at mataas na gastos sa paghihiwalay.

Ang Zippe centrifuge ay hindi ang unang Sobyet na makina ng ganitong uri. Kahit na sa panahon ng digmaan sa Ufa, isa pang Aleman, si Fritz Lange, na tumakas sa Alemanya noong 1936, ay gumawa ng isang malaking kagamitan sa isang tindig. Gayunpaman, ang mga eksperto na pamilyar sa mga pagbabago ng atomic na proyekto sa USSR at USA ay nagpapansin ng isang ganap na tagumpay ng pangkat ng Steenbeck - ang orihinal na disenyo ng yunit ng suporta: ang rotor ay nakapatong sa isang bakal na karayom, at ang karayom na ito - sa isang thrust bearing. gawa sa superhard alloy sa isang oil bath. At ang lahat ng mapanlikhang disenyo na ito ay hawak ng isang espesyal na magnetic suspension sa itaas na bahagi ng rotor. Ang pagsulong nito sa bilis ng pagpapatakbo ay isinagawa din sa pamamagitan ng isang magnetic field.

Habang nabigo ang proyekto ng pangkat ng Steenbeck, noong Pebrero ng parehong 1953, isang gas centrifuge na may matibay na rotor na dinisenyo ng inhinyero ng Sobyet na si Viktor Sergeev ay inilagay sa operasyon. Isang taon bago, si Sergeev, kasama ang isang pangkat ng mga espesyalista mula sa espesyal na disenyo ng bureau ng Kirov Plant, kung saan siya noon ay nagtrabaho, ay ipinadala sa Sukhumi upang makilala ang mga eksperimento ni Steenbeck at ng kanyang koponan. "Noon ay tinanong niya si Steenbeck ng isang teknikal na tanong tungkol sa lokasyon ng mga gas sampling device sa anyo ng mga Pitot tubes," si Oleg Chernov, isang beterano ng centrifuge production ng Tochmash Production Association, na kilala si Sergeev at nagtrabaho kasama niya, nagpahayag ng mahahalagang detalye. "Ang tanong ay puro teknikal at naglalaman, sa katunayan, isang pahiwatig kung paano gagawin ang disenyo ng centrifuge na magagamit." Ngunit sinabi ni Dr. Steenbeck: "Pabagalin nila ang daloy, magdudulot ng kaguluhan, at hindi magkakaroon ng paghihiwalay!" Makalipas ang ilang taon, sa paggawa ng kanyang mga memoir, pagsisisihan niya ito: "Isang ideya na karapat-dapat na magmula sa amin! Pero ni minsan hindi pumasok sa isip ko…”

Ang centrifugation ng gas, gamit ang isang mabilis na umiikot na rotor, ay pinipilipit ang daloy ng gas sa paraang ang mga molecule na naglalaman ng mas mabibigat na uranium isotopes ay itinapon sa mga panlabas na gilid sa pamamagitan ng centrifugal force, at mas magaan na mas malapit sa axis ng cylinder. Ang mga centrifuges ay pinagsama sa mga cascades, na nagbibigay ng bahagyang enriched na materyal mula sa output ng bawat yugto hanggang sa input ng susunod na yugto - sa ganitong paraan posible na makakuha ng uranium kahit na sa napakataas na antas ng pagpapayaman. Ang mga centrifuges ay madaling mapanatili, maaasahan at may katamtamang pagkonsumo ng kuryente. Ang pamamaraan ay ginagamit sa Russia at mga bansa sa Europa.

Ayon kay Oleg Chernov, bago umalis patungong Germany, nagkaroon ng pagkakataon si Zippe na makilala ang isang prototype ng centrifuge ni Sergeyev at ang napakasimpleng prinsipyo ng operasyon nito. Minsan sa Kanluran, ang "tuso na Zippe", gaya ng madalas na tawag sa kanya, ay nagpa-patent ng disenyo ng centrifuge sa 13 bansa. Ang mga unang tao sa departamento ng atomic ng Sobyet, na nalaman ang tungkol sa naturang panlilinlang sa intelektwal, ay hindi nagtaas ng kaguluhan - kung susundin mo ang opisyal na bersyon, "upang hindi pukawin ang hinala at pagtaas ng interes sa paksang ito mula sa US military-technical intelligence. " Hayaan silang, sabi nila, isipin na ang mga Sobyet ay kontento sa hindi matipid, tulad ng sa kanila, paraan ng pagsasabog ng gas ... Noong 1957, nang lumipat sa USA, nagtayo si Zippe ng isang gumaganang pag-install doon, na muling ginawa ang prototype ni Sergeev mula sa memorya. At tinawag niya ito, dapat itong bigyan ng nararapat, "Russian centrifuge." Gayunpaman, nabigo siyang mabihag ang mga Amerikano. Sa pagsasaalang-alang sa bagong makina, sa isang pagkakataon at ayon sa disenyo ni Steenbeck, isang hatol ang ipinasa: hindi angkop para sa pang-industriyang paggamit.

Ang antas ng pagpapayaman ng isang gas centrifuge ay maliit, samakatuwid ang mga ito ay pinagsama sa sunud-sunod na mga cascades, kung saan ang pinayaman na hilaw na materyal mula sa output ng bawat centrifuge ay ipapakain sa input ng susunod, at ang naubos na hilaw na materyal ay ipapakain sa input ng isa sa mga nauna. Sa isang sapat na bilang ng mga centrifuges sa cascade, isang napakataas na antas ng pagpapayaman ay maaaring makuha.

Totoo, pagkaraan ng isang-kapat ng isang siglo, sa Estados Unidos, nagpasya pa rin silang lumipat mula sa gaseous diffusion patungo sa centrifuges. Nabigo ang unang pagtatangka - noong 1985, nang mai-install ang unang 1300 na makina sa Oak Ridge National Laboratory, isinara ng gobyerno ng US ang programa. Noong 1999, sa reactivated site sa Piketon, Ohio, nagsimula muli ang trabaho sa pag-install ng isang bagong henerasyon ng American centrifuges (10-15 beses na mas malaki kaysa sa Russian centrifuges sa taas at dalawa hanggang tatlong beses ang diameter) na may carbon fiber rotor. Ayon sa plano, ito ay binalak na i-mount ang 96 cascades ng 120 "tops" pabalik noong 2005, ngunit sa pagtatapos ng 2012 ang proyekto ay hindi pa inilalagay sa komersyal na operasyon.

Ang laser separation ng uranium isotopes ay batay sa katotohanan na ang mga molekula na naglalaman ng iba't ibang isotopes ay may bahagyang magkakaibang enerhiya ng paggulo. Sa pamamagitan ng pag-irradiate ng pinaghalong isotopes na may laser beam ng isang mahigpit na tinukoy na wavelength, posibleng ionize lamang ang mga molecule na may nais na isotope, at pagkatapos ay paghiwalayin ang isotopes gamit ang magnetic field. Mayroong ilang mga uri ng pamamaraang ito - nakakaapekto sa atomic vapor AVLIS (Atomic Vapor Laser Isotope Separation), SILVA (French analogue ng AVLIS), at mga molekula - MLIS (Molecular Laser Isotope Separation), CRISLA (Chemical Reaction Isotope Separation) at SILEX (Separation ng Isotopes). sa pamamagitan ng Laser EXcitation). Sa kasalukuyan, sinusubukan ng General Electric Corporation na i-komersyal ang teknolohiyang SILEX na binuo ng mga espesyalista mula sa South Africa at Australia. Ang separation ng laser ay mababa ang kapangyarihan, mura, at lubos na pinayaman (kaya naman ngayon ay ginagamit ito upang makagawa ng maliliit na dami ng ultrapure isotopes), ngunit may mga isyu pa rin sa pagganap, buhay ng laser, at pagpapayaman nang hindi isinasara ang proseso.

mga lihim na karayom

Samantala, sa USSR, sa hindi kapansin-pansin na lugar ng Verkh-Neyvinsk sa Middle Urals, ang unang pang-eksperimentong linya ng paghihiwalay ng mga gas centrifuges ay naka-mount sa mahigpit na lihim. Noong 1942, nakita ni Isaac Kikoin ang isang gas centrifuge na idinisenyo ni Lange at sinubukan pa ito sa kanyang laboratoryo sa Sverdlovsk. Pagkatapos ang mga eksperimento ay hindi nagbigay ng ninanais na mga resulta, at ang akademiko ay nag-aalinlangan tungkol sa mismong posibilidad ng paglikha ng mga pang-industriyang gas centrifuges. Ang pangunahing problema ng pinakaunang mga pag-install ay ang kanilang hina. At kahit na sa una ay umiikot sila sa bilis na "lamang" na 10,000 rebolusyon kada minuto, malayo ito sa madaling makayanan ang napakalaking kinetic energy ng rotor.

Ang iyong mga sasakyan ay sinisira! - sarcastically reproached ang mga developer sa isa sa mga pulong sa Minsredmash, ang pinuno ng punong tanggapan Alexander Zverev, na may ranggo ng heneral ng NKVD.

— At ano ang gusto mo? Para patuloy silang dumami? - Anatoly Safronov, na namamahala sa proyekto sa oras na iyon, ay mapang-akit na sumagot.

Gamit ang sentripugal na paraan ng paghihiwalay, dahil sa mataas na bilis ng pag-ikot, ang isang sentripugal na puwersa ay nilikha na lumampas sa puwersa ng gravity ng Earth ng daan-daang libong beses. Dahil dito, ang mas mabibigat na molekula ng uranium-238 hexafluoride ay "kumakatok" sa periphery ng umiikot na silindro, at ang mas magaan na molekula ng uranium-235 hexafluoride ay puro malapit sa rotor axis. Sa pamamagitan ng hiwalay na mga pipeline ng outlet (tulad ng mga Pitot tubes, na binanggit ng inhinyero ng Sobyet na si Sergeev sa German Steenbeck), ang gas na naglalaman ng U-238 isotopes ay inalis "sa dump", at ang enriched fraction na may tumaas na nilalaman ng uranium-235 ay dumadaloy. sa susunod na centrifuge. Ang isang kaskad ng naturang mga centrifuges, na naglalaman ng daan-daang at libu-libong mga makina, ay ginagawang posible upang mabilis na madagdagan ang nilalaman ng light isotope. Sa medyo pagsasalita, maaari silang tawaging mga separator, kung saan ang mga hilaw na materyales ng uranium (uranium hexafluoride, UF6) ay naging gas na may mababang nilalaman ng U-235 isotope ay sunud-sunod na inilipat mula sa pagkakapare-pareho ng sariwang gatas hanggang sa cream at sour cream. At kung kinakailangan, maaari din nilang ibaba ang "langis" - dalhin ang pagpapayaman sa 45%, o kahit 60%, upang magamit ito bilang gasolina sa mga submarino na reactor at sa mga pasilidad ng pananaliksik. At kamakailan lamang, kapag kinakailangan ito sa maraming dami, pinalitan nila ang mga centrifuges hanggang sa makuha nila ang mamahaling "keso" sa output - uranium na may grade-sa-sandata na may pagpapayaman na higit sa 90%. Ngunit sa pagtatapos ng dekada 1980, napakaraming armas-grade uranium ang "napaghiwalay" sa apat na planta ng Sobyet na ang mga stock nito sa mga bodega at sa mga handa na singil sa nuklear ay itinuturing na labis, at ang produksyon ng napakayamang uranium para sa layuning militar ay huminto.

Ayon sa mga paunang kalkulasyon, ang kapal ng mga panlabas na dingding ng katawan ng centrifuge ay dapat na 70 mm - tulad ng sandata ng tangke. Subukang mag-unwind tulad ng isang napakalaking ... Ngunit sa pamamagitan ng pagsubok at pagkakamali, nakahanap sila ng solusyon sa kompromiso. Ang isang espesyal na haluang metal ay nilikha - mas malakas at mas magaan kaysa sa bakal. Ang mga kaso ng mga modernong centrifuges, na nakita at hawak ng isa sa mga may-akda sa kanyang mga kamay sa Tochmash Production Association sa Vladimir, ay hindi pumukaw ng anumang mga asosasyon na may sandata ng tangke: mga ordinaryong guwang na cylinder na may panloob na ibabaw na pinakintab sa isang ningning. Mula sa isang distansya, maaari silang mapagkamalan para sa pagputol ng mga tubo na may pagkonekta ng mga flanges sa mga dulo. Haba - hindi hihigit sa isang metro, sa diameter - dalawampung sentimetro. At sa Ural Electrochemical Plant, ang mga higanteng cascades na daan-daang metro ang haba ay natipon mula sa kanila. Ang mga palatandaan sa mga dingding at mga espesyal na marka sa pininturahan na kongkretong sahig sa mga teknolohikal na pasilyo ay nagpapahiwatig na kaugalian na gumalaw sa pamamagitan ng bisikleta. Totoo, hindi mas mabilis kaysa sa 5-10 km / h.

At sa loob ng mga centrifuges na halos hindi naririnig, ang mga bilis ay ganap na naiiba - isang rotor sa isang karayom na may corundum thrust bearing, "nasuspinde" sa isang magnetic field, ay gumagawa ng 1500 revolutions bawat segundo! Kung ihahambing sa unang produkto ng VT-3F noong 1960, ito ay na-overclock ng halos sampung beses, at ang panahon ng walang tigil na operasyon ay nadagdagan mula tatlo hanggang 30 taon. Malamang na mahirap makahanap ng isa pang halimbawa kapag ang isang pamamaraan ay nagpapakita ng ganoong pagiging maaasahan sa gayong matinding mga parameter. Gaya ng sinabi ni Valery Lempert, deputy head ng centrifuge production, ang mga makina na ibinigay ng Tochmash doon 30 taon na ang nakalilipas ay gumagana pa rin sa planta sa Novouralsk: "Ito ay marahil ang ikatlong henerasyon ng mga centrifuge, at ngayon ang ikawalo ay ginagawa nang maramihan at ang ikasiyam ay inilulunsad sa pilot production.”

"Walang sobrang kumplikado sa disenyo ng aming centrifuge. Ang lahat ay tungkol sa pagperpekto ng teknolohiya hanggang sa pinakamaliit na detalye at mahigpit na kontrol sa kalidad," paliwanag ni Tatyana Sorokina, na sa loob ng mga dekada ay "nangunguna" sa teknolohiya ng pagmamanupaktura ng support needle para sa rotor sa planta. - Ang ganitong mga karayom ay ginawa mula sa ordinaryong piano wire, kung saan ang mga string ay hinila. Ngunit ang paraan ng pagpapatigas ng tip ay ang aming kaalaman."

Sa kanyang pagbagsak ng mga taon, ang isa sa mga pangunahing tagalikha nito, si Viktor Sergeev, ay nagbigay ng kanyang paliwanag sa mga lihim ng Russian centrifuge. Ayon sa patotoo ng engineer na si Oleg Chernov, nang tanungin ng mga serbisyo sa seguridad kung ano ang kailangang protektahan sa produktong ito at kung ano ang pangunahing lihim nito, ang taga-disenyo ay sumagot nang maikli: "Mga tao."

Portal para sa mag-aaral. Pagsasanay sa sarili

Pangkalahatang mga prinsipyo

Mga pangunahing pamamaraan na ginagamit para sa paghihiwalay ng isotope

electromagnetic na paghihiwalay

Pagsasabog ng gas

Liquid thermal diffusion

Gas centrifugation

Aerodynamic na paghihiwalay

Laser isotope separation (LIS)

Pagpapayaman ng kemikal

Distillation

Tingnan kung ano ang "Isotope Separation" sa ibang mga diksyunaryo:

Encyclopedic YouTube

Mga subtitle

Pangkalahatang mga prinsipyo

Mga pangunahing pamamaraan na ginagamit para sa paghihiwalay ng isotope

electromagnetic na paghihiwalay

Pagsasabog ng gas

Thermal diffusion

Gas centrifugation

Aerodynamic na paghihiwalay

Laser isotope separation (LIS)

Pagpapayaman ng kemikal

Distillation

.2 Thermal diffusion

1.5 Aerodynamic na paghihiwalay

Ang aerodynamic separation ay binuo sa South Africa (proseso ng UCOR gamit ang vortex tubes sa 6 bar) at Germany (gamit ang curved nozzles na tumatakbo sa 0.25-0.5 bar).

Ang tanging bansa na nagsagawa ng pamamaraang ito ay ang South Africa, kung saan ang 400 kg ng armas-grade uranium ay ginawa sa isang planta sa Valindaba na nagsara noong huling bahagi ng dekada otsenta. Salik ng paghihiwalay ~1.015, pagkonsumo ng enerhiya ~3300 kWh/MPP-kg.

Ang mga pamamaraan na hindi pa naaangkop sa industriya ay nararapat na bigyang pansin:

Pagsingaw gamit ang isang laser

Paghihiwalay ng kemikal

Paghihiwalay ng isotopes gamit ang magaan na presyon

Photochemical reactions ng electronically excited particles

Dalawang yugto ng paggulo ng mga atomo at molekula

Selective photopredissociation

Paggulo ng mga molekula sa pamamagitan ng infrared radiation

Isotope effect sa mga kemikal na reaksyon na nagaganap sa ilalim ng thermodynamically nonequilibrium na mga kondisyon

Condensation ng isang gas ng vibrationally excited molecules

Isotope effect sa mga reaksiyong kemikal na nagaganap sa isang magnetic field

Paghihiwalay sa pamamagitan ng adsorption

Selective diffusion na pinasigla ng laser radiation

Resonant control ng mga proseso sa ibabaw sa pamamagitan ng laser radiation

Laser chemistry sa interface sa pagitan ng dalawang media

Laser stimulation ng mga kemikal na reaksyon sa interface sa pagitan ng dalawang likido

1.9 Effusion ng mga gas

isotope uranium hexafluoride thermal diffusion

Ang pagbubuhos ng mga gas ay batay sa katotohanan na sa panahon ng pag-agos ng molekular (efusion)

Sa pangkalahatan, ang pagbuo ng mga kumpanyang nagpapayaman sa Europa ay may matatag na pundasyon sa anyo ng maaasahang teknolohiya, makabuluhang umiiral na mga kapasidad at isang maaasahang base ng pagmamanupaktura ng centrifuge.

sa pamamagitan ng isang salaan

Mga ugat ng Aleman

mga lihim na karayom

MGA KAUGNAY NA ARTIKULO