Головна

Метод газової дифузії

  1. I метод.
  2. I. Методика бухгалтерського обліку
  3. I. МЕТОДОЛОГІЯ
  4. I. ОРГАНІЗАЦІЙНО-МЕТОДИЧНИЙ РОЗДІЛ
  5. II метод.
  6. Ii. Методики зовнішньої іммобілізації
  7. II. Методичні вказівки для студентів по виконанню індивідуальних завдань

Газової дифузії в фізиці називається процес перенесення маси або процес перемішування дотичних газів, що відбувається в результаті їх теплового руху і супроводжується вирівнюванням парціального тиску і щільності у всьому обсязі.

У 1896 р англійський фізик Релей показав, що «... суміш двох газів різних атомних ваг може бути частково розділена, якщо змусити суміш продіффундіровать через пористу перегородку в вакуум». У методі газової дифузії, застосованому для поділу ізотопів урану, використовуються відмінність в швидкостях теплового руху важких і легких молекул і закономірності молекулярного течії газу через тонкі пористі перегородки, в яких розмір пір або капілярних каналів менше, ніж середня довжина вільного пробігу молекул. Потрапляючи в ці пори, молекули гексафториду 235U і 238U між собою майже не стикаються, а проходять через перегородку, взаємодіючи тільки зі стінками капілярного каналу. При цьому якась частина молекул не пройде, а, відбившись від стінки, повернеться в початковий обсяг.

Однак легкі молекули більш «моторні». При однаковій температурі середня швидкість теплового руху молекул гексафториду 235U трохи вище, ніж гексафториду 238U, що дозволяє отримати велику концентрацію молекул цього ізотопу по інший бік пористої перегородки.

Середня кінетична енергія газу або рідини залежить тільки від температури:

Значить швидкість теплового руху молекули газу, що має масу  , Може бути виражена як:

.

Наприклад, для азоту при нормальних умовах ця швидкість складе 470 м / с, а водню ~ 1800 м / с.

Чому ж при таких великих швидкостях руху процеси вільного дифузійного перемішування не призводять до помітної сегрегації газів в навколишнє середовище. Насправді вони мають місце, але проходять дуже повільно, чому активно перешкоджає відкритість систем (перемішування газів різними потоками), а також зіткнення між атомами і молекулами, що перешкоджають вільному тепловому руху (броунівський рух).

Тому поділ газів може бути досягнуто шляхом створення потоку газів за рахунок перепаду тиску на поверхні і за мембранною перегородкою за умови достатнього розрядження вхідного потоку.

Грунтуючись на принципі газової дифузії через мелкодісперстних мембрану, німецький фізик Г. Герц в 1932р. У лабораторних умовах вперше розділив суміш двох легких газів.

Основними величинами, що характеризують процес дифузійного поділу газів, є коефіцієнт поділу і коефіцієнт збагачення. Коефіцієнтом поділу ? при дифузії газу через пористу перегородку називається відносне збільшення концентрації газу, продіффундіровавшего через перегородку, до його вихідної концентрації.

Таким чином, максимальне (теоретичне) значення ? для гексафториду урану, засноване на відмінності середніх швидкостей теплового руху без урахування впливу будь-яких інших факторів становить 1,00429.

Максимальний (теоретичний) коефіцієнт збагачення  , Тобто різницю їх відносних концентрацій після і до диффундирования дорівнює:

Це - теоретичну межу. Він означає, що в ідеальному випадку при одноразовому пропущенні через пористу перегородку деякої частини двухкомпонентной суміші гексафториду можна мати на виході з розподільчого елементу концентрацію легкого ізотопу урану, що дорівнює 1,0043 його вихідної концентрації, або збагачення на 0,43% (наприклад, якщо на вході - 0,71%, то на виході ~ 0,714%). Цей ефект поділу дуже малий, і для отримання в газовій двухкомпонентной суміші необхідного, істотно більшого збагачення легкими компонентами, процес повторюється багато разів, створюючи каскади з послідовно з'єднаних розділових елементів (дифузійних машин), які прийнято називати ступенями.

Реальні коефіцієнти поділу і збагачення мають істотно менші значення, ніж теоретичні ? і ? через низку факторів. Серед основних факторів зменшення слід назвати облік того факту, що поєднуючи послідовно розділові ступені в каскад, необхідно пропускати через каскад тільки половину потоку, тобто ділити потік приблизно навпіл: одна частина потоку - збагачена (легка фракція), друга - збіднена (важка фракція). В іншому випадку дуже складно забезпечити рівномірну роботу всіх ступенів і гідравлічну стійкість процесу в каскаді. Наступний фактор - залежність процесу від тиску перед перегородкою і різниці тисків перед і за перегородкою. Цей коефіцієнт залежить також від середнього радіуса пір і наявності некондиційних пір, мають перетин менше, ніж довжина вільного пробігу молекул. Пористі перегородки, які мають середній діаметр пір менше десятих і сотих часток мікрометра, дозволяють працювати при більшому робочому тиску газу перед фільтром з високим коефіцієнтом збагачення. Збільшення тиску, а отже, і щільності робочого газу (UF6) Дає можливість збільшити питому пропускну здатність пористої перегородки. Третій з основних чинників - наявність прикордонного шару поблизу і всередині пір, знижують коефіцієнт збагачення і залежних від режиму течії газу в порах.

Найважливішим параметром пористої перегородки є коефіцієнт пропускання  газу. Він характеризує витрата газу  , Що проходить через одиницю площі перегородки в одиницю часу при різниці тисків  до і після перегородки:

Кожна пориста перегородка залишається поза контролем за цим параметром до того, як вона буде встановлена ??в розділової ступені. При цьому перевіряється і її добротність щодо наявності капілярних каналів збільшених перетинів, через які можуть мати місце «проскоки» газу. Крім того необхідна стабільність коефіцієнта пропускання  газу протягом багатьох років експлуатації. З цією метою проводиться попередня (хімічна) обробка перегородок, їх пасивація, так як неприпустимо ні забивання пір, ні їх розкриття. При забиванні пір буде падати витрата газу в ступені, при розкритті - зменшуватися коефіцієнт збагачення.

Незважаючи на розвинену теорію дифузії газу через перегородку, фактичний експлуатаційний коефіцієнт збагачення  визначається експериментально на реальному каскаді.

Створення високоефективних пористих перегородок вважається головною і найбільш складною проблемою дифузійного методу. Слід врахувати, що перегородка повинна бути дуже тонкою (частки міліметра) і міцної, щоб протистояти перепадам тиску і вібрацій. Її роблять двошаровою - з несучим і ділять шарами. Ділив шар повинен мати рівномірну і дуже високу пористість при товщині кілька мікрометрів. А середній радіус пір повинен бути 0,005-0,03 мкм. При температурі до 70-90 ?С перегородки повинні бути стійкі до корозійного впливу гексафториду урану.

Безперервно ведуться дослідження і роботи з удосконалення пористих перегородок (особливо інтенсивно в США і Франції). Методи їх виготовлення і характеристики залишаються надзвичайно засекреченими. Як пористих матеріалів розглядалися метали (Au, Ag, Ni, Al, Cu), оксиди металів (Al2O3, Кераміка), фториди (CaF2) Або нітрид (Ni) і фторопласти (тефлон). Залежно від структури пористі фільтри можна поділити на два види: плівкові, в яких пори протравливаются в спочатку непористій фольги, і агрегатні, в яких пори представляють собою порожнечі, що залишаються при спрессовиваніе під тиском дрібних порошків або спіканні їх при відповідній температурі.

У пористих фільтри плівкового типу пори можуть утворюватися в результаті видалення одного з компонентів дрібнодисперсного сплаву. Один з перших пористих фільтрів з радіусом пор близько 10 нм був отриманий в США шляхом витравлювання Zn соляною кислотою зі сплаву AgZn. Хороші пористі фільтри виходять витравлювання Ag азотною кислотою зі сплаву 40-60 AuAg.

Інший метод створення пір полягає в електролітичному травленні алюмінієвої фольги в сернокислотной ванні. При цьому виходять пористі фільтри з окису алюмінію.

Пористі фільтри агрегатного типу можуть бути отримані при спіканні порошків (наприклад, нікелеві порошки, окису алюмінію).

Для досягнення необхідного рівня збагачення пористі фільтри об'єднуються в розділові елементи, щаблі й формують єдиний каскад. Розділовим елементом називається найменша частина установки для поділу ізотопів, в якій живить суміш розділяється на «збагачену фракцію» з підвищеним вмістом концентріруемих ізотопу і «обедненную фракцію» зі зниженим вмістом цього ізотопу. Кілька розділових елементів, з'єднаних паралельно, утворюють «щабель»; у всіх елементах одному щаблі живить суміш характеризується одним і тим же ізотопним складом, причому це справедливо як щодо збагаченої, так і збідненого фракцій. Розміри ступені пропорційні живить потоку.

Необхідної концентрації виділяється ізотопу можна досягти шляхом послідовного з'єднання декількох ступенів; в цьому випадку сукупність ступенів утворює «каскад».

Найпростішою схемою послідовно з'єднаних ступенів є «простий каскад», в якому збагачена фракція будь-якого ступеня служить харчуванням наступному ступені, в той час як збіднені фракції, що виходять з кожного ступеня, повторної обробці не піддаються.

На заводах з розділення ізотопів зазвичай використовується каскад, зібраний по противоточной схемою, в якій збіднена фракція кожного ступеня піддається подальшому фракціонування в попередніх щаблях (рис.7). У порівнянні з простим каскадом застосування противоточного каскаду дозволяє досягти більш високого виходу продукту.

В ідеальному каскаді межступенчатом потік від щабля до щабля змінюється безперервно: аналогічним чином змінюються і розміри щаблів. Таким чином, незважаючи на той факт, що ідеальний каскад мінімізує споживання енергії і загальні розміри заводу, практичне створення його невигідно з точки зору витрат на будівництво самого каскаду. Це особливо відноситься до випадку, коли число ступенів велике. Значного зменшення вартості розділових елементів досягається шляхом їх уніфікації, замінюючи ідеальний каскад системою прямокутних каскадів, з'єднаних за схемою прямоугольно-ступеневої каскаду.

Так як обсяги газових порожнин ступенів і каскадів значні і зміст газу в них велике, то для досягнення рівноважного стану за концентраціями газу в кожному ступені (після чого тільки і можна брати відбір збагаченого продукту заданої концентрації) має пройти чимало часу (наприклад, кілька тижнів) невпинної роботи. Це створює величезні труднощі в експлуатації і пов'язане з великими витратами. Отже, є неприпустимою зупинка дифузійного каскаду по будь-якої причини (втрата електроживлення, зрив охолодження і т.п.), так як це призводить до перемішування потоків різної концентрації, до тривалого порушення процесу, великих витрат енергії і втрати продукту. Звідси випливають і надзвичайно високі вимоги до тривалої надійності, безвідмовності і отработанности всього технологічного обладнання, приладів та автоматики. Щоб пом'якшити тяжкі наслідки можливих аварійних установок (а також в ремонтних цілях), каскади дифузійних заводів поділяються на малі групи ступенів, автоматично відключаються і байпасіруемие по газу. Устаткування дифузійного заводу повинно бути взаємозамінним і ремонтопридатності, з високим ступенем уніфікації та стандартизації.

Дифузійні заводи володіють великим енергоспоживанням. Вся ця енергія переходить в тепло, яке відводиться водою з малим перепадом температур. Для цього потрібна величезна кількість води. Так потреби заводу в Падьюке (перший розділовий завод в світі, побудований в США) в кілька разів превишлі витрата води мережі м.Нью-Йорка. Щоб уникнути зупинок заводу система електропостачання та водопостачання повинна бути гарантованої і мати необхідне резервування. Не менше значення мають суворе і безперервну підтримку вакууму у всьому технологічному ланцюжку каскадів і автоматичний захист від аварійних випадків порушення вакууму, а також забезпечення точного автоматичного регулювання газових потоків.

 




космічні промені | Природні джерела випромінювання | Уранові руди і мінерали | вилуговування урану | освітлення | Підземне і купчасте вилуговування | Отримання хімічних концентратів урану методами сорбції та екстракції | Осадження, отримання сухих концентратів урану | Афінаж і отримання з концентратів ядерно-чистого урану | Радіаційний вплив при видобутку і гідратації руди |

© um.co.ua - учбові матеріали та реферати