СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ СМЕСЕЙ ИЗОТОПОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR SEPARATING ISOTOPE MIXTURES AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к способу разделения изотопов и к устройству для его осуществления, и может быть использовано в атомной промышленности, в частности, для разделения гексафторида урана (UF6), содержащего изотопы U235 и U238, а также в газонефтеперерабатывающей, металлургической и химической промышленности для разделения смесей газов, находящихся в газожидкостной смеси.
Известны способ и устройство для разделения газовых потоков, заключающийся в том, что разделяемую смесь, например, гексафторид урана (UF6) раскручивают до огромной скорости (1500 оборотов в секунду), в результате чего более тяжелый изотоп (U238) отжимается к стенке разделительного устройства, а более легкий (U235) - к оси вращения. Разделительное устройство при этом представляет собой вертикальный цилиндрический ротор с торцевыми крышками, имеющий внутри неподвижный коллектор с тремя изолированными каналами, два из которых служат для вывода из ротора разделенных фракций, а третий - для ввода в полость ротора исходной рабочей смеси газов (патент ФРГ №1071593, В04В 5/08, 1960 г.).
Известен способ для разделения изотопов и устройство для его осуществления, основанный также на методе центрифугирования и в котором газовая центрифуга выполнена в виде вертикального тонкостенного цилиндра, приводимого во вращение гистерезисным двигателем торцевого исполнения, установленным в нижней части корпуса. Якорь закреплен на корпусе центрифуги, а ротор в виде плоского диска установлен на валу цилиндра (Директорский Б.А., Тарасов В.Н. «Управляемый гистерезисный привод», Москва, Энергоатомиздат, 1983 г., стр. 102).
Недостатками вышеуказанных технических решений являются высокие энергетические и экономические затраты, связанные с использованием специальных дорогостоящих материалов и оборудования, необходимых для раскручивания центрифуг до очень больших оборотов. Кроме того, в случае параллельной работы нескольких таких центрифуг, имеет место разброс электрических и гидравлических параметров центрифуг, снижение параметров питающего тока, что приводит к возможности работы центрифуг в подсинхронном режиме, и, в дополнение к энергетическим затратам - к снижению производительности разделительного оборудования.
Наиболее близкими к заявленному изобретению и принятым заявителем в качестве прототипа является способ разделения смесей газов и изотопов и устройство для его осуществления, описанные в патенте РФ №2085267, B01D 59/18, 1997 г.
Указанный способ включает ввод инжектированием разделяемой смеси в поток пара-носителя и к криволинейному сверхзвуковому соплу, отвод обогащенной и обедненной целевым изотопом парогазовой смеси в сверхзвуковой струе с использованием охлаждаемого скиммера. Устройство для его осуществления способа включает корпус, узел ввода разделяемой смеси, включающий криволинейное сверхзвуковое сопло и канал для подачи смеси в область указанного сопла, скиммер в виде вертикального охлаждаемого ножа, установленного внутри корпуса, и узлы отвода обогащенной и обедненной целевым изотопом смесей.
Недостатком указанного способа и устройства является то, что они решают задачу разделения смесей изотопов, имеющих небольшую атомную массу, например, для разделения смеси изотопов аргона, атомная масса у которых значительно меньше, чем атомные массы U235 и U238. Кроме того, недостатками являются большие энергетические затраты, нестабильность технологического процесса и трудности в обслуживании и управлении процессом разделения, обусловленные высокими требованиями к профилированным соплам и к юстировке положения сопел и скиммера. В основу изобретения положены следующие задачи: с наименьшими энергетическими затратами достичь упрощения технологического процесса и устройства, обеспечить надежность и легкость в обслуживании и управлении технологическим процессом. Кроме того, задачей является расширение арсенала технических средств заявленного назначения, в частности, для разделения смесей изотопов UF6 на U235 и U238, а также других смесей газов, находящихся в газожидкостной смеси.
Технический результат способа достигается тем, что в известном способе разделения смесей изотопов, включающем ввод разделяемой смеси изотопов инжектированием и отвод обогащенной и обедненной целевым изотопом продуктов, в предлагаемом способе ввод разделяемой смеси осуществляют тангенциальным инжектированием, а разделение смеси изотопов проводят в вихревом ее потоке, при этом разделяемой смесью является жидкий раствор, в котором преобладающим компонентом является низкокипящий неорганический щелочной растворитель, а растворенное вещество - гексафторид урана.
Кроме того, в качестве низкокипящего неорганического щелочного растворителя используют щелочь.
Технический результат устройства достигается тем, что в известном устройстве, содержащем корпус, узел ввода разделяемой смеси с помощью инжектирования и узлы отвода обогащенной и обедненной целевым изотопом продуктов, предлагаемое устройство дополнительно снабжено емкостями с насосами и магистралями для ввода разделяемой смеси и отвода обогащенного и обедненного целевым изотопом продуктов, причем одна емкость предназначена для разделяемой смеси, а другая - для приема обогащенного целевым изотопом продукта, при этом узел ввода разделяемой смеси выполнен с возможностью ввода ее тангенциальным инжектированием, а внутри корпуса установлена перегородка в виде диска с отверстием, диаметр которого относится к диаметру диска, как 3:4. Кроме того, перегородка смонтирована таким образом, что отделяемый ею объем составляет 1/3 объема корпуса.
Гексафторид урана (UF6) является единственным легколетучим соединением урана, который при нагревании до 53°C и при атмосферном давлении переходит из твердого состояния в газообразное. Исходный ядерно-чистый UF6 содержит 99,3% UF6 - 238 и 0, 7% UF6 - 235. В промышленности UF6 используется в качестве исходного сырья для разделения его изотопов U238 и U235. Заявленный способ обеспечивает технологический процесс разделения изотопного состава UF6 на смесь с повышенным содержанием требуемого изотопа (обогащенная целевым изотопом), а другая - с пониженным (обедненная целевым изотопом).
Разделяемая смесь (жидкий раствор) представляет собой газожидкостную смесь, в которой преобладающим компонентом является низкокипящий неорганический щелочной растворитель, в частности, щелочь, а растворенное вещество - газообразный UF6, включающий смесь изотопов U235 и U238. Изотопы U235 и U238 мало отличаются по атомной массе, причем различия в поведении изотопов в жидком щелочном растворе настолько малы, что за одну стадию разделения UF6 обогащается целевым изотопом U235 на очень малые доли процента и поэтому, с целью повышения степени разделения, процесс разделения следует повторять неоднократно.
В отличие от изотопа U238 в изотопе U235 возможна самоподдерживающаяся цепная ядерная реакция, поэтому этот изотоп в промышленности используют как топливо в ядерных реакторах, а также в ядерном оружии, если он высоко обогащенный. Согласно заявленному изобретению, выделенный продукт в виде UF6, обогащенного изотопом U235 может служить как средство для производства ядерного топлива, для чего его перерабатывают до диоксида урана, а из диоксида изготавливают ТВЭЛы ядерных реакторов.
Заявленный способ разделения смесей изотопов подтверждается примером его осуществления с помощью работы заявленного устройства.
Устройство схематично изображено на представленном рисунке.
Устройство содержит емкость 1 и насос 2 для исходной разделяемой смеси, емкость 3 и насос 4 для обогащенного UF6 целевым изотопом (U235) продукта, корпус 5 (разделительный элемент), имеющий узел 6 ввода (входная камера) исходной разделяемой смеси, обеспечивающий ввод смеси тангенциальным инжектированием, узел 7 отвода обогащенного UF6 изотопом U235 продукта и узел 8 отвода (выходная камера) обедненного UF6 изотопом U235 продукта, перегородку 9 в виде диска с отверстием, установленную внутри корпуса 5, магистраль 10 ввода разделяемой смеси, магистраль 11 и 12 отвода из корпуса обогащенного UF6 изотопом U235 и обедненного UF6 этим изотопом продукта соответственно. Кроме того, в корпусе 5 пунктиром показана свободная поверхность 13, образованная от закручивания разделяемой смеси.
Устройство работает следующим образом.
Разделяемую смесь в виде жидкого раствора при температуре 53°C и заданном давлении из емкости 1 насосом 2 по магистрали 10 подают в корпус 5 через узел 6 ввода. Последний выполнен с возможностью ввода жидкого раствора в корпус 5 тангенциальным инжектированием. Поскольку жидкий раствор впрыскивается в узел ввода 6 с большой тангенциальной составляющей скорости, то возникает центробежная сила, которая отбрасывает жидкость к стенкам узла ввода (входной камеры).
Закручиваясь с большего радиуса на меньший жидкий раствор через отверстие перегородки (диска) 9 поступает в узел отвода 8 обедненной целевым изотопом (U238) продукта и по магистрали 12 отвода поступает в емкость 1. В результате ввода жидкого раствора тангенциальным инжектированием, в центре объема корпуса 5 создается вихрь. При вращении (закрутке) вихря в центре корпуса 5 образуется зона с пониженным давлением и интенсивным движением, т.е. возникает градиент давления по радиусу закрутки. При дальнейшем процессе вдоль оси входной камеры возникает область без раствора, и в которой находится пар, содержащий, в основном, UF6, являющийся высоколетучим соединением, при этом пар образуется в виде пузырьков, то есть жидкий раствор как бы вскипает.
На образовавшиеся пузырьки газа будет действовать сила, обусловленная действием градиента давления, под действием которой они будут всплывать к свободной поверхности 13 закрученной жидкости и собираться в центральной зоне корпуса 5. Газообразные частицы изотопы UF6 начнут двигаться от переферии к центру свободной поверхности 13, поскольку атомные массы изотопов U238 и U235 имеют разные величины, то наибольшую скорость приобретают изотопы U235. Вылетая из закрученной жидкости частицы U235 с большей скоростью, чем частицы U238, будут накапливаться в зоне, наиболее отдаленной от свободной поверхности 13 закрученной жидкости, а изотопы U238 - в зоне ближней к свободной поверхности 13 закрученной жидкости. Тем самым будут создаваться условия разделения изотопов урана.
Газ в корпусе 5 над поверхностью закрученной жидкости будет насыщенным и сухим, так как всплывающие пузырьки газа участвуют во вращательном движении вместе с жидкостью и вылетающие из жидкости капли при разрыве пленки пузыря снова возвращаются на ее поверхность.
Обогащенный UF6 изотопом U235 по магистрали 11 через узел отвода 7 корпуса 5 и насоса 4 поступает в приемную емкость 3.
Доказательство возможности осуществления изобретения с реализацией указанного заявителем назначения представлены ниже.
Для вихревого закручивания жидкого раствора, ее подают в корпус 1 со скоростью ν в тангенциальном направлении по отношению к стенке входной камеры.
При этом, чтобы жидкость двигалась по окружности, в верхней точке ее движения действующая на жидкость центростремительная сила
должна быть не меньше веса движущейся жидкости
P=mg,
где:
m - масса жидкого раствора;
ν - ее тангенциальная составляющая скорости;
R - радиус траектории, т.е. окружности, по которой движется жидкость;
g=9,81 м/сек - ускорение свободного падения.
Итак, скорость впрыскивания жидкости должна соответствовать неравенству
,
откуда
.
Полученная формула устанавливает связь между радиусом узла 6 ввода разделяемой смеси и скоростью, с которой должна впрыскиваться разделяемая смесь. Так, если R=0,5 м, то
.
Таким образом, показатель скорости впрыскивания жидкого раствора в корпус 1 следует принять величины, равной 2,5 м/сек.
Используемый жидкий раствор щелочи, в которой растворено газообразное соединение UF6, заявитель рассматривает как идеальную жидкость, в которой растворен идеальный газ. Идеальный газ характеризуется распределением Максвелла, поэтому число молекул идеального газа в моле газа, кинетическая энергия которых превышает работу на преодоление поверхностного натяжения жидкости, определяется известным выражением:
,
0K
где:  - число молекул газа, имеющих энергии, большие заданной энергии W≥kT;
- концентрация молекул газа;
V - объем газа;
N - количество молекул газа в этом объеме;
0K
W≥kT - заданная энергия, больше которой определяется количество молекул;
K
0K
W - энергия из диапазона W≥∞;
k - постоянная Больцмана;
Т - термодинамическая температура (K).
Тепловое движение молекул приводит к всевозможным столкновениям молекул в растворе, причем сталкиваются между собой как молекулы воды, так и молекулы растворенных веществ, и молекулы при этом обмениваются импульсами движения. Поэтому можно полагать, что средние импульсы молекул UF6, включающие изотопы урана U235 и U238, имеют одинаковые средние импульсы:
1
1
2
2
mν=mν,
где: m - масса молекулы, ν - ее скорость.
Поэтому можно записать
.
Таким образом, отношение средних энергий молекул гексафторида урана, включающих изотопы урана U235 и U238, будет:
,
5
5
8
8
где: m=235 а.е.м. и W масса и энергия молекулы, включающей изотоп урана U235, a m=238 а.е.м. и W масса и энергия молекулы, включающей изотоп урана U238. Атомная масса фтора составляет 19 а.е.м. Молекула гексафторида урана включает 6 атомов фтора. Учитывая, что
,
поэтому
.
Следовательно:
,
5
где: n - количество атомов изотопа U235 в обогащенном продукте,
8
n - количество атомов изотопа U238 в обедненном продукте.
5
8
Поскольку W и W отличаются очень мало, то можно принять  тогда:
.
Таким образом, продукт обогащения при использовании данного изобретения может содержать в 1,053 раз больше изотопа уран U235, чем исходная смесь изотопов. Для того, чтобы увеличить концентрацию U235 в выходном продукте, требуется многократное повторение процесса разделения UF6. В заявленном устройстве все отраженные признаки в формуле изобретения позволяют осуществить многократный и непрерывный процесс разделения смеси изотопов U235 U238 гексафторида урана.
Предложенное изобретение позволяет осуществить процесс разделения смеси изотопов с менее энергетическими затратами и с большей надежностью, поскольку если в прототипе этот процесс проходит в потоке предварительно подогретом пара-носителе и в сверхзвуковой области сопла, то в предложенном - в вихревом потоке.