Разделение изотопов урана

                                                                                                                                                                на тему: «Разделение изотопов урана.                                                                

Содержание 

Разделение изотопов

Изотопы - химические элементы с  одинаковым количеством протонов  (одинаковым зарядом) и разным количеством  нейтронов.  У чётных атомов  изотопов может быть много, у нечётных обычно не более двух.

Уникальность гексафторида урана заключается в том, что фтор не имеет изотопов т.е. молекулярная масса гексафторида урана зависит только от массы изотопов самого урана. Второй немаловажный фактор  - газообразное состояние гексафторида урана уже при 56оС при атмосферном давлении.

Для выяснения места технологии разделения изотопов необходимо напомнить, что технология урана подразумевает  передел рудного сырья в уранилнитрат, уранилнитрат через стадию оксидов и тетрафторида превращается в гексафторид, гексафторид разделяется на гексафторд урана-235 и гексафторид урана-238, а затем из гексафторида обогащенного изотопом U235 производится диоксид урана для ТВЭлов.

 Исходный ядерно-чистый гексафторид урана, содержащий   99,3% гексафторида урана-238 и    0,7% гексафторида урана-235. Необходимо из этой смеси выделить гексафторид  изотопа урана-235.

Существует множество  методов разделения изотопов:

1. Газодиффузионный;

2. Центрифугирование;

3. Дистилляция (ректификация)

..........................

4. Электромагнитный

5. Термодиффузионный

6. Изотопный обмен

7. Лазерное разделение

Это не далеко полный список всех методов разделения  изотопов, на практике сейчас применяется только три первых метода. Остальные методы не носят промышленного масштаба и используются только в экспериментальных  работах, хотя часто являются более  качественными нежели многотоннажные промышленные способы.

Газодиффузионным и центрифужным методом обычно разделяют изотопы тяжелых элементов ( U²³⁵ от U2³⁸), дистилляция или ректификафия применяется для разделения изотопов лёгких (обычно H¹ от Н² и Н³ или Li⁶ от Li⁷).

Прежде, чем приступить к  рассмотрению технологии разделения изотопов, вкратце ознакомимся с математическими  основами  теории изотопного разделения.

Примем за единицу общее  количество изотопов двух видов.

Тогда  сумма:  

где: - доля лёгких изотопов в исходной смеси

- доля тяжёлых изотопов в исходной  смеси.

или

N-доля лёгких изотопов,

1-N – доля тяжёлых изотопов,

- отношение лёгкого изотопа к  тяжёлому

                      в исходной смеси.

- отношение лёгкого изотопа к  тяжёлому

                      после первого разделения

 

-      коэффициент разделения 

                                                     после первого цикла

 

. -     коэффициент разделения

                                  после второго цикла

аналогично

обобщая выше записанное выражение  получаем следующее

Отсюда можно вычислить  количество ступеней разделения необходимого для обогащения урана по изотопу U²³⁵ от 0,7% до 4,5%, (Ni=4,5%; N0=0,7) по следующей формуле:

Далее будет показано, что  коэффициент разделения α=1,003 для  газодиффузионных машин, и α=1,3 для  центрифужных машин. 

 

5.1. Газодиффузионное разделение  изотопов

Первым удачным способом позволившим получит уран обогащённый  изотопом U²³⁵, был способ газодиффузионного разделения.

Теоретически  способ газодиффузионного  разделения основан на зависимости  скорости диффузии отдельных молекул  от их веса.

Из формулы видно, что  чем меньше вес молекулы тем больше её скорость. Т.е. лёгкие молекулы диффундируют дальше тяжёлых. Тогда можно представить коэффициент разделения, как отношение скоростей диффузии в следующем виде:

Зная, что масса гексафторида урана-238 равняется 352 г/моль а масса гексафторида урана-325 равняется 349 можно вычислить   теоретический коэффициент разделения:

a = 1,0043

реально

a = 1,003

Таким образом, для обогащения на 4,5% необходимо около 650 ступеней разделения изотопов.

Рассмотрим устройств  газодиффузионной машины. Основной элемент  представляет собой пористую перегородку Рис.20 в которой происходит диффузия гексафторида урана. Как уже отмечалось, лёгкие молекулы имеют более длинный диффузионный пробег, и проникают за перегородку, тяжелые частицы перегородку не проходят.

Рис.37 Пористая перегородка

 

Разделитель представляет собой  трубку из прессованного   никелевого    порошка с     диаметром  пор 1-10 мкм,  наружная поверхность  трубки покрывается непосредственно  разделительной мембраной,  диаметр  пор которой составляет уже 0,03 мкм. Именно слой разделительной мембраны и задерживает некоторую часть  тяжёлых молекул гексафторида урана-238.

  Газ - гексафторид урана поступает в диффузионную машину и разделяется на две фракции. Одна фракция прошла через пористую перегородку и потеряла часть тяжёлых молекул, т.е.  обогатилась лёгкими. Другая фракция через пористую перегородку не прошла, в отличие от части лёгких молекул, т.е перед перегородкой осталась фракция обеднённая лёгким изотопом.

Схематично газодиффузионную машину можно представить следующим  образом:

Рис.38 Устройство газодиффузионной машины

 

Поступающий в газодиффузионную машину газ прогоняется барабаном  через разделительные трубки. Предварительно газ нагревают до 75оС, давление 40-80 мм.рт.ст. Поскольку диффузия идёт с выделением тепла, то машину необходимо охлаждать.

Основные недостатки газодиффузионного  метода разделения изотопов:

1. Недостаточная степень  разделения

2. Разрушение Ni-перегородки.  Гексафторид урана медленно  реагирует с металлическим никелем по формуле:

Ni + UF₆ = UF₄ + NiF₂

В разделительном элементе постепенно происходит накапливание тетрафторида урана, который впоследствии удаляют, промыванием в трифториде хлора:

UF_{4 тв} + ClF_{3 ж}  =  UF_{6 газ}  +  ClF _газ

3.Периодичность процесса  из-за выключения на регенерацию.

4. Большие энергозатраты.

5. Большой расход охлаждающей  воды

6. Большие производственные  площади. Цеха по разделению  изотопов занимают огромные площади  в несколько гектар, обслуживающий  персонал по цеху передвигается  на велосипедах.

Ввиду всех перечисленных  недостатков, в настоящее время  большинство разделительных заводов  переходит на новую технологию разделения изотопов - центрифугирование.

 

 Центрифужное разделение

Давление газа в  гравитационном поле зависит от его молекулярной массы, расстояния над точкой измерения  и ускорения свободного падения.

Перепишем это  уравнение  для центробежного поля. Заменим давление на концентрацию,  Ускорение свободного падения на центростремительное ускорение, высоту на радиус.

 

или

Тогда  коэффициент разделения запишется , как отношение концентрации тяжёлого изотопа к лёгкому:

Таким образом  если в диффузионных машинах коэффициент разделения зависел от отношения масс гексафторида урана-235 иурана-238, то в центрифугах он зависит от разности масс. Нетрудно посчитать, что в центрифугах коэффициент разделения равен 1,3.

a = 1,3

Только на центрифугах возможно получать гексафторид урана обогащенный U²³⁵ до 98%.

Коэффициент разделения зависит  от двух факторов:

1. От разности масс  изотопов

2. От скорости вращения  центрифуги

Рассмотрим устройство центрифужной машины.

 

Рис.39. Устройство центрифуги для разделения изотопов

 

Центрифуга представляет собой цилиндр  диаметром 15см, высотой 0,5м и является ротором, т.е. вращается  в электромагнитном поле. На дне  центрифуги имеется корундовая игла для снижения трения, во время вращения центрифуга приподнимается "взлетает"  и вращается без соприкосновения  с  частями кожуха. Скорость вращения достигает 100 тыс. об/мин. Тяжёлый газ отбрасывается к стенкам сосуда, лёгкий остаётся в середине.

 

 Организация  каскада разделения изотопов.

Уже говорилось о том, что  для разделения изотопов необходимо большое количество разделительных машин ( центрифужных или диффузионных).

Одну диффузионную машину можно схематично  представить  на схеме следующим образом:

Сбоку входит исходная смесь. Через перегородку проходит частично обогащённый лёгким изотопом газ, вниз уходит частично обеднённый легким изотопом (тяжёлый) газ. Для достаточного разделения необходимо соединить в каскад сотни  таких машин Рис.40.

Рис.40 Разделительный каскад.

 

Верхняя часть каскада  называется стадией обогащения, нижняя стадией обеднения.

Для получения гексафторида урана с содержанием U²³⁵ не менее 90% необходим каскад из 600 стадий разделения.

Разделение изотопов один из наиболее дорогих операций в технологии урана, приведём примерные цены на килограмм  урана в долларах США, в зависимости  от степени обогащения (цены значительно  зависят от объёмов производства и спроса):

Uприр - 27$

U 2%  - 130$

U 5%  - 440$

U 90% - 10000$

Всего на заводах СССР было получено около 600  тонн урана обогащенного на 90%по изотопу U²³⁵ .

 После разделительных  заводов. Обеднённый уран идёт  на захоронение. В нашей стране  накопилось более 100 тыс. Тонн  обеднённого урана. Обеднённый  гексафторид урана закачивается в специальные контейнеры, если эти контейнеры поставить на железнодорожные платформы то такой эшелон займёт всю дорогу от Москвы до Владивостока. Отвальный гексафторид урана представляет некоторую экологическую опасность и уже разработаны схемы по его конверсии, ведь гексафторид урана огромный источник так необходимого производству фтороводорода и фтора.

 

 Переработка   обогащённого гексафторида урана

После газодиффузионного  завода обогащённый изотопом U235 гексафторид урана необходимо переработать до диоксида урана, а из диоксида изготовить ТВЭЛы ядерных реакторов. ТВЭЛы бывают металлические, оксидные, силицированные и др. Их изготовление очень сложный и наукоёмкий процесс, к исходным веществам предьявляются повышенные требования по чистоте. Металлические ТВЭЛы используются для наработки плутония; оксидные – применяются в энергетических реакторах.

Обогащение  гексафторида урана является одной из ключевых стадий всей ядерно-химической технологии.

Методы переработки обогащённого гексафторида урана делятся на два стандартных типа:

Водные методы  переработки

а) Гидролиз с нитратом алюминия

б) Аммонийдиуранатный процесс (АДУ)

в) Аммонийуранлкарбонатный процесс (АУК).

Безводные методы переработки

Восстановление гексафторида урана водородом.

Также разработан т.н. ВОУ-НОУ  процесс позволяющий переводить оружейный высокообогащённый уран (ВОУ) в энергетический низкообогащённый уран (НОУ).

 

 

 

      Водные методы переработки

Первой стадией переработки  является гидролиз гексафторида урана водой до уранилфторида.. Гидролиз происходит с большим выделением тепла по уравнению:

UF₆  + 2H₂O = UO₂F₂ + 4HF

Этот процесс можно  осуществить путём барботажа газообразного гексафторида урана через воду или смешением жидкого гексафторида под давлением с водой. В обоих случаях предусматривается отвод тепла от аппаратов гидролиза. В результате гидролиза получается водный раствор UO₂F₂ и HF с концентрацией урана 100 г/л.

На отечественных заводах  применяется метод гидролиза  гексафтоида урана с использованием нитрата алюминия. Этот способ позволяет уже на начальной стадии связать F-ион в прочное соединение и вывести его из растворов на стадии экстракции. Химизм процесса описывается следующей схемой: