Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
В газовой диффузии используются полупроницаемые мембраны для разделения обогащенного урана.

Газовая диффузия - это технология, используемая для производства обогащенного урана путем пропускания газообразного гексафторида урана (UF 6 ) через полупроницаемые мембраны . Это дает небольшое разделение между молекулами, содержащими уран-235 ( 235 U) и уран-238 ( 238 U). Используя большой каскад, состоящий из многих ступеней, можно достичь высокого разделения. Это был первый разработанный процесс, который позволил производить обогащенный уран в промышленных количествах, но в настоящее время считается устаревшим, поскольку его заменил более эффективный процесс газовой центрифуги. [1]

Газовая диффузия была изобретена Фрэнсисом Саймоном и Николасом Курти в лаборатории Кларендона в 1940 году, перед комитетом MAUD была поставлена ​​задача найти метод отделения урана-235 от урана-238, чтобы создать бомбу для проекта British Tube Alloys . Сам прототип газодиффузионного оборудования был изготовлен компанией Metropolitan-Vickers (MetroVick) в Траффорд-парке , Манчестер, по цене 150 000 фунтов стерлингов за четыре единицы для завода MS Factory, Вэлли . Эта работа была позже перенесена в Соединенные Штаты, когда проект Tube Alloys был включен в более поздний Манхэттенский проект . [2]

Фон [ править ]

Из 33 известных радиоактивных первичных нуклидов два ( 235 U и 238 U) являются изотопами урана . Эти два изотопа подобен во многих отношениях, за исключением того, что только 235 U является делящимся (способен выдерживать цепную ядерную реакцию в ядерном делении с тепловыми нейтронами ). Фактически, 235 U - единственное делящееся ядро, встречающееся в природе. [3] Поскольку природный уран составляет всего около 0,72% 235U по массе, он должен быть обогащен до концентрации 2–5%, чтобы иметь возможность поддерживать непрерывную ядерную цепную реакцию [4], когда обычная вода используется в качестве замедлителя. Продукт этого процесса обогащения называется обогащенным ураном.

Технология [ править ]

Научная база

Газовая диффузия основана на законе Грэма , который гласит, что скорость истечения газа обратно пропорциональна квадратному корню из его молекулярной массы . Например, в контейнере с полупроницаемой мембраной, содержащей смесь двух газов, более легкие молекулы будут выходить из контейнера быстрее, чем более тяжелые молекулы. Газ, покидающий контейнер, несколько обогащен более легкими молекулами, а остаточный газ несколько обеднен. Единичный контейнер, в котором процесс обогащения происходит за счет газовой диффузии, называется диффузором .

Гексафторид урана

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

куда:

Скорость 1 - это скорость излияния 235 UF 6 .
Скорость 2 - это скорость излияния 238 UF 6 .
М 1 представляет собой молярную массу от 235 UF 6 = 235.043930 + 6 × 18,998403 = 349.034348 г · моль -1
M 2 - молярная масса 238 UF 6 = 238,050788 + 6 × 18,998403 = 352,041206 г · моль -1.

Этим объясняется разница на 0,4% в средних скоростях 235 молекул UF 6 по сравнению со скоростью 238 молекул UF 6 . [8]

UF 6 - очень коррозионное вещество . Это окислитель [9] , и кислота Льюиса , который способен связываться с фторидом , например , реакция из меди (II) , фторида с гексафторидом урана в ацетонитриле , как сообщается форма меди (II) , heptafluorouranate (VI), Cu (UF 7 ) 2 . [10] Он реагирует с водой с образованием твердого вещества, и с ним очень трудно работать в промышленных масштабах. [5] Как следствие, внутренние газовые пути должны быть изготовлены из аустенитной нержавеющей стали и других материалов.термостабилизированные металлы. Неактивные фторполимеры, такие как тефлон, необходимо наносить в качестве покрытия на все клапаны и уплотнения в системе.

Барьерные материалы

В газодиффузионных установках обычно используются агрегатные барьеры (пористые мембраны), построенные из спеченного никеля или алюминия , с размером пор 10-25 нанометров (это менее одной десятой длины свободного пробега молекулы UF 6 ). [3] [5] Они также могут использовать барьеры пленочного типа, которые создаются путем просверливания пор через изначально непористую среду. Один из способов сделать это - удалить один из компонентов сплава, например, используя хлористый водород для удаления цинка из серебра и цинка (Ag-Zn).

Энергетические требования

Поскольку молекулярные массы 235 UF 6 и 238 UF 6 почти равны, очень небольшое разделение 235 U и 238 U осуществляется за один проход через барьер, то есть в одном диффузоре. Следовательно, необходимо соединить большое количество диффузоров вместе в последовательности этапов, используя выходы предыдущего этапа в качестве входов для следующего этапа. Такая последовательность этапов называется каскадом . На практике для диффузионных каскадов требуются тысячи ступеней в зависимости от желаемого уровня обогащения. [5]

Все компоненты диффузионной установки должны поддерживаться при соответствующей температуре и давлении, чтобы гарантировать, что UF 6 остается в газовой фазе. Газ необходимо сжимать на каждой стадии, чтобы компенсировать потерю давления в диффузоре. Это приводит к компрессионному нагреву газа, который затем необходимо охладить перед поступлением в диффузор. Требования к насосам и охлаждению делают диффузионные установки огромными потребителями электроэнергии . По этой причине газовая диффузия является наиболее дорогостоящим методом, используемым в настоящее время для производства обогащенного урана. [11]

История [ править ]

Рабочие, работающие над Манхэттенским проектом в Ок-Ридже, штат Теннесси , разработали несколько различных методов разделения изотопов урана. Три из этих методов последовательно использовались на трех разных заводах в Ок-Ридже для производства 235 U для « Маленького мальчика » и другого раннего ядерного оружия . На первом этапе установка по обогащению урана С-50 использовала процесс термодиффузии для обогащения урана от 0,7% до почти 2% 235 U. Затем этот продукт подавали в процесс газовой диффузии на завод К-25 , продукции из которых было около 23% 235U. Наконец, этот материал был загружен в калютроны на Y-12 . Эти машины (тип масс-спектрометра ) использовали электромагнитное разделение изотопов для повышения конечной концентрации 235 U примерно до 84%.

Подготовка исходного сырья UF 6 для газодиффузионной установки K-25 была первым в истории применением промышленного фтора, и при обращении как с фтором, так и с UF 6 возникли значительные препятствия . Например, до того, как могла быть построена газодиффузионная установка К-25, сначала необходимо было разработать химические соединения , не вступающие в реакцию, которые можно было бы использовать в качестве покрытий, смазок и прокладок для поверхностей, которые будут контактировать с газом UF 6 ( высокореактивное и едкое вещество). Ученые Манхэттенского проекта наняли Уильяма Т. Миллера , профессора органической химии вКорнельскому университету , чтобы синтезировать и разработать такие материалы, благодаря его опыту в химии фторорганических соединений . Миллер и его команда разработали несколько новых нереактивных хлорфторуглеродных полимеров , которые использовались в этом приложении. [12]

Калютроны были неэффективными и дорогими в строительстве и эксплуатации. Как только технические препятствия, создаваемые процессом газовой диффузии, были преодолены и газодиффузионные каскады начали работать в Ок-Ридже в 1945 году, все калютроны были остановлены. Затем метод газовой диффузии стал предпочтительным методом производства обогащенного урана. [3]

На момент строительства в начале 1940-х годов газодиффузионные заводы были одними из самых больших когда-либо построенных зданий. [ необходима цитата ] Большие газодиффузионные заводы были построены Соединенными Штатами, Советским Союзом (включая завод, который сейчас находится в Казахстане ), Великобританией , Францией и Китаем . Большинство из них сейчас закрыто или, как ожидается, закроются, так как не в состоянии экономически конкурировать с более новыми методами обогащения. Однако некоторые технологии, используемые в насосах и мембранах, по-прежнему остаются совершенно секретными, а некоторые из использованных материалов остаются предметом экспортного контроля в рамках продолжающихся усилий по контролюраспространение ядерного оружия .

Текущий статус [ править ]

В 2008 году газодиффузионные заводы в США и Франции по-прежнему производили 33% мирового обогащенного урана. [11] Тем не менее, французский завод окончательно закрылся в мае 2012 года [13], а газодиффузионный завод Падука в Кентукки, управляемый корпорацией по обогащению США (USEC) (последний полностью функционирующий завод по обогащению урана в Соединенных Штатах, на котором используется процесс газовой диффузии [4] [1] ) прекратил обогащение в 2013 году. [14] Единственный другой подобный объект в США, Портсмутский газодиффузионный завод в Огайо, прекратил работы по обогащению в 2001 году. [4] [15] [16 ] ]С 2010 года площадка в Огайо в настоящее время используется в основном французским конгломератом AREVA для конверсии обедненного UF 6 в оксид урана . [17] [18]

Поскольку существующие газодиффузионные установки устарели, они были заменены технологией газовых центрифуг второго поколения , которая требует гораздо меньше электроэнергии для производства эквивалентных количеств отделенного урана. Компания AREVA заменила газодиффузионную установку Georges Besse на центрифугу Georges Besse II. [2]

См. Также [ править ]

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

Ссылки [ править ]

  1. ^ «Обогащение урана» . Комиссия по ядерному регулированию США . Дата обращения 17 июля 2020 .
  2. ^ Колин Барбер. «Проект трубных сплавов» . Общество истории долины Райдимвин.
  3. ^ a b c Хлопок S (2006). «Гексафторид урана и разделение изотопов». Химия лантанидов и актинидов (1-е изд.). Чичестер, Западный Суссекс, Англия: John Wiley and Sons, Ltd., стр. 163–5. ISBN 978-0-470-01006-8. Проверено 20 ноября 2010 .
  4. ^ a b c Комиссия по ядерному регулированию США (2009 г.). «Информационный бюллетень по газовой диффузии» . Вашингтон, округ Колумбия: Комиссия по ядерному регулированию США . Проверено 20 ноября 2010 .
  5. ^ а б в г Битон Л. (1962). «Замедление производства ядерных взрывчатых веществ» . Новый ученый . 16 (309): 141–3 . Проверено 20 ноября 2010 .
  6. ^ http://nuclearweaponarchive.org/Library/Glossary
  7. ^ «Гексафторид урана: Источник: Приложение A PEIS (DOE / EIS-0269): Физические свойства» . Архивировано из оригинала на 2016-03-29 . Проверено 18 ноября 2010 .
  8. ^ "Газодиффузионное обогащение урана" . GlobalSecurity.org. 27 апреля 2005 . Проверено 21 ноября 2010 года .
  9. ^ Олы GH, Велч J (1978). «Синтетические методы и реакции. 46. Окисление органических соединений гексафторидом урана в растворах галогеналканов». Журнал Американского химического общества . 100 (17): 5396–402. DOI : 10.1021 / ja00485a024 .
  10. ^ Берри JA, Пул RT, Прескотт А, Шарп DW, Винфилд JM (1976). «Окислительные и акцепторные свойства фторид-иона гексафторида урана в ацетонитриле». Журнал химического общества, Dalton Transactions (3): 272–4. DOI : 10.1039 / DT9760000272 .
  11. ^ а б Майкл Голдсуорси (2008). «Конференция Lodge Partners Mid-Cap» (PDF) . Лукас Хайтс, Новый Южный Уэльс, Австралия: Silex Ltd . Проверено 20 ноября 2010 .
  12. ↑ Блейн П. Фридлендер-младший (3 декабря 1998 г.). «Уильям Т. Миллер, ученый Манхэттенского проекта и профессор химии Корнелла, умер в возрасте 87 лет» . Корнеллские новости . Итака, Нью-Йорк: Корнельский университет . Проверено 20 ноября 2010 .
  13. ^ Aravea: сайт Трикастина: Жорж Бесс II завод по обогащению газовой диффузия, который не был использован AREVA на заводе Georges Беса до мая 2012 года
  14. ^ Газодиффузионная установка Министерства энергетики США Эксплуатация ВВП компанией USEC прекратила работу в 2013 г.
  15. Перейти ↑ United States Enrichment Corporation (2009). "Обзор: Портсмутский газодиффузионный завод" . Газодиффузионные установки . Bethesda, Maryland: USEC, Inc. Архивировано из оригинала на 2010-11-24 . Проверено 20 ноября 2010 .
  16. Перейти ↑ United States Enrichment Corporation (2009). "История: Газодиффузионный завод Падука" . Газодиффузионные установки . Bethesda, Maryland: USEC, Inc. Архивировано из оригинала на 2011-01-02 . Проверено 20 ноября 2010 .
  17. ↑ Том Ламар (10 сентября 2010 г.). «AREVA начинает работу на заводе в Портсмуте» . Новости атомной энергетики . Уэйнсборо, Вирджиния: Ядерная улица . Проверено 20 ноября 2010 .
  18. ^ AREVA, Inc. (2010). «Министерство энергетики США дает совместному предприятию AREVA разрешение начать эксплуатационные испытания нового объекта в Огайо» (PDF) . Пресс-релиз . Bethesda, Maryland: AREVA, Inc . Проверено 20 ноября 2010 . [ постоянная мертвая ссылка ]

Внешние ссылки [ править ]

  • Аннотированные ссылки на газовую диффузию из библиотеки Alsos