СПОСОБ ОБОГАЩЕНИЯ УРАНА НА КАСКАДНОЙ УСТАНОВКЕ
METHOD OF ENRICHING URANIUM ON CASCADE INSTALLATION

Изобретение относится к технологии разделения изотопов урана методом газового центрифугирования и может быть использовано для минимизации потерь разделительной мощности центрифужных каскадов изотопно-разделительных урановых заводов.
Заводы по разделению изотопов урана состоят из каскадного объединения разделительных ступеней газовых центрифуг, связанных между собой межкаскадными потоками рабочего газа в единую технологическую схему. Особое место в силу простоты коммуникаций при прямоугольном размещении массива газовых центрифуг занимают каскадные установки с центрифужными (центробежными) каскадами постоянной ширины, в которых большинство разделительных ступеней имеют одинаковое или близкое число центрифуг и одинаковый поток питания в каждой ступени. Большинство промышленных каскадных установок представляют собой центрифужные каскады с двумя потоками подпитки, разделяющие массив центрифуг на три части (центральную часть и две концевые - отборную и отвальную).
Цель работы изотопно-разделительного уранового завода - разделение урана в химической форме его гексафторида на две части: обогащенную и обедненную изотопом урана-235. Концентрация изотопа урана-235 в обогащенной части (отборе) задается заказчиком, а в обедненной части (отвале) определяется экономической оптимизацией, с учетом расхода исходного сырья (гексафторида урана) и текущей стоимости работы разделения. При выполнении конкретных заказов, определяемых параметрами твэлов реакторов АЭС, схему объединения центрифужных каскадов в каскадных установках изменяют с оптимизацией величины межкаскадных потоков для минимизации потерь разделительной мощности центрифужных каскадов.
и.м
м
м
м
j
м
j
В качестве критерия оптимизации принимают максимум коэффициента использования разделительной мощности (к.п.д.) центрифужных каскадов, определяемого как К=E/Е, где Е - фактическая разделительная мощность центрифужного каскада, г/с; Е=eN - расчетная разделительная мощность каскада, г/с; е - номинальная разделительная мощность единичной газовой центрифуги, г/с; N - число центрифуг в каскаде, j - номер каскада в технологической схеме каскадной установки.
Основные потери разделительной мощности (потери к.п.д.) каскадных установок связаны с несоответствием технологической схемы и гидравлического режима газовых центрифуг номинальным (указанным в технической документации) величинам по потоку питания и коэффициенту деления потока питания между потоками отбора и отвала. Наибольшие потери разделительной мощности имеют место на концевых разделительных ступенях центрифужных каскадов и ступенях, в которые подается питание каскадов.
Известен способ обогащения урана на установке каскадного типа [Заявка JP №57-44369, МПК B01D 59/20. Опубл. 21.09.1982], в которой между разделительными ступенями газовых центрифуг, объединенных в центрифужный каскад, установлены регулирующие клапаны, степень открывания которых меняют пропорционально отклонению на данных участках массовых расходов межступенных потоков и изотопных концентраций газовой смеси от расчетных оптимальных величин.
Однако повышению эффективности работы каскадов мешает неконтролируемая погрешность, связанная, главным образом, с неточностью поддержания величин межкаскадных потоков, несоответствие фактических межступенных потоков питания и коэффициентов деления потока на ступенях расчетным значениям. Несоответствие обусловлено разбросом гидравлических характеристик ступеней из-за статистического различия характеристик газовых центрифуг, образующегося в ходе их изготовления. В конечном итоге, происходит полное рассогласование гидравлических режимов входящих в установку центрифужных каскадов.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ обогащения урана в каскадной установке [RU №2277963, МПК B01D 59/20. Опубл. 20.06.2006 - прототип] с близким или равным числом центрифуг в ступенях, объединенных межступенными потоками циркуляции изотопной газовой смеси, имеющей отборные потоки в отборной и отвальной частях каскадов, межкаскадные потоки подпитки каскадов, между которыми расположена центральная часть каскада, критические диафрагмы и/или регулирующие клапаны для установки и коррекции массовых расходов отборных и межкаскадных потоков. Способ включает предварительный оптимизационный расчет каскада для определения матричных коэффициентов газодинамических параметров ступеней и последующую настройку каскада на расчетный массовый расход транзитного потока изотопной газовой смеси в направлении отвальной части каскада путем изменения массовых расходов отборных и/или межкаскадных потоков по результатам измерения изотопной концентрации изотопной газовой смеси межступенных потоков в характерных точках каскада. Изменения массовых расходов осуществляют с помощью регуляторов давления и расходов.
Способ позволяет уменьшить потери разделительной мощности и, соответственно, повысить эффективность центрифужного каскада изменением величины транзитного потока рабочего газа по центральной части каскада в направлении отвальной. Здесь под транзитным потоком в направлении отвальной части каскада понимается разность между величинами массовых потоков отбора и подпитки рабочего газа в отборной части центрифужного каскада.
Недостатком прототипа является то, что потери разделительной мощности разделительных ступеней (газовых центрифуг) уменьшаются только на центральных частях центрифужных каскадов, в то время как отборные ступени центрифужных каскадов продолжают эксплуатироваться с загрузкой меньше номинальной. Желание уменьшить постоянные потери разделительной мощности на концевых разделительных ступенях приводит к тому, что число параллельно включенных газовых центрифуг здесь кратно уменьшают, и иногда возникает обратная ситуация, когда концевые разделительные блоки отвальной части центрифужного каскада, в который подается внешнее питание каскадной установки, работают с существенным перегрузом по питанию и соответствующей потерей разделительной мощности.
Потери разделительной мощности имеют место как при недогрузе, так и при перегрузе по питанию относительно номинального значения (указанного в технических условиях на центрифуги).
Способ-прототип также не позволяет оптимизировать величину транзитного потока в центрифужных каскадах, сформированных из разделительных ступеней, укомплектованных газовыми центрифугами с существенно различающимися гидравлическими характеристиками (с газовыми центрифугами, отличающимися по разделительной мощности). Последнее имеет место в ходе постепенной модернизации уранового завода с заменой части газовых центрифуг на более производительные, центрифужные каскады стоят очень дорого и модернизируются годами.
Задача изобретения - снижение потерь разделительной мощности каскадных установок, т.е. повышение к.п.д. установок, в том числе повышение к.п.д. концевых отборных ступеней.
Указанная задача достигается тем, что в способе обогащения урана на каскадной установке, содержащей два или более центрифужных каскада из разделительных ступеней газовых центрифуг, связанных между собой потоками отбора/подпитки, из центральной части каскада, укомплектованного центрифугами одинаковой производительности, работающего с потерей разделительной мощности, или из центральной части каскада, укомплектованного центрифугами разной производительности, при этом одна часть каскада, укомплектованная центрифугами одинаковой производительности, работает с потерей разделительной мощности, организуют отбор дополнительного потока, который направляют на подпитку другого каскада установки, имеющего в концевых отборных ступенях пониженную величину потока питания относительно номинального, при этом подпитку осуществляют в разделительную ступень с концентрацией изотопа уран-235, близкой к концентрации изотопа уран-235 в отобранном дополнительном потоке.
Из каскада с газовыми центрифугами разной производительности отбор дополнительного потока осуществляют из точки стыка частей каскада, укомплектованных центрифугами разной производительности, а из каскада, укомплектованного центрифугами одинаковой производительности - из ступени, выбор которой осуществляют из условия обеспечения максимального к.п.д. установки.
Величину отбираемого дополнительного потока выбирают из условия обеспечения оптимальных транзитных потоков по центральным частям каскадов, из которых производят отбор дополнительного потока.
Сущность способа заключается в том, что из каскада организуют отбор дополнительного потока (т.е. уменьшают излишнюю загрузку по питанию каскада), если по каскаду или по части каскада транзитный поток превышает оптимальный, с тем чтобы приблизить транзитный поток по центральной части каскада к оптимальной величине. Оптимальный транзитный поток обусловит максимальную разделительную мощность центрифуг каскада, т.е. максимальный к.п.д. Подпитка отобранным потоком другого каскада, в котором концевые отборные ступени недозагружены по питанию, повысит их разделительную мощность, т.е. к.п.д. В итоге будет повышен к.п.д. установки в целом.
Дополнительный отбор рабочего газа из разделительной ступени (для подпитки) скачком меняет в точке отбора величину транзитного потока и позволяет, например, в центральной части четырехпоточного центрифужного каскада иметь два отличающихся по величине транзитных потока. Для центрифужного каскада, состоящего из оборудования разного типа, дополнительный отбор из центральной части позволяет установить по длине центральной части каскада такие величины транзитных потоков, которые соответствуют номинальной (установленной техническими условиями на эксплуатацию) загрузке каждого типа газовых центрифуг, то есть оптимальному к.п.д. каждой из частей каскада, укомплектованных отличающимся оборудованием.
Под трехпоточным и четырехпоточным каскадами понимают центрифужные каскады с одним потоком внешнего питания и двумя потоками отбора, или двумя потоками подпитки и двумя потоками отбора, соответственно. Трехпоточным выполняется центрифужный каскад, в который подается внешнее питание каскадной установки.
Направление потока дополнительного отбора для подпитки или трехпоточного, или иного четырехпоточного центрифужного каскада увеличивает загрузку концевых разделительных ступеней отборных частей каскадов с увеличением их к.п.д.
Дополнительная подпитка может быть подана в отборную или отвальную части центрифужного каскада, содержащего внешнее питание каскадной установки, и в центральную или отборную части предыдущего/последующего четырехпоточного центрифужного каскада. Основным условием подпитки центрифужного каскада является минимизация смешения потоков с различающимися концентрациями ценного изотопа. Поэтому подпитку подают в разделительную ступень с концентрацией изотопа урана-235, близкой к концентрации изотопа урана-235 в отбираемом потоке.
Дополнительная подпитка в отборную часть предыдущего центрифужного каскада увеличивает поток рабочего газа через концевые разделительные ступени и повышает к.п.д. отборной части предыдущего каскада, поскольку газовые центрифуги концевых ступеней центрифужных каскадов работают, как правило, в режиме неполной загрузки.
На фиг.1 показана схема каскадной установки, состоящая из одного трехпоточного центрифужного каскада, содержащего внешнее питание каскадной установки рабочим газом, и трех четырехпоточных центрифужных каскадов, где отборный четырехпоточный центрифужный каскад сформирован из разделительных ступеней, укомплектованных газовыми центрифугами разной производительности.
На фиг.2 приведена схема каскадной установки, состоящей из одного трехпоточного центрифужного каскада с внешним питанием каскадной установки рабочим газом и одного четырехпоточного центрифужного каскада. Центрифужные каскады состоят из разделительных ступеней, укомплектованных газовыми центрифугами одной производительности.
На фиг.3 показана схема каскадной установки, состоящая из одного трехпоточного центрифужного каскада с внешним питанием каскадной установки рабочим газом и трех четырехпоточных центрифужных каскадов, где промежуточный (второй) четырехпоточный центрифужный каскад сформирован из разделительных ступеней, укомплектованных газовыми центрифугами с разной производительностью.
1
1
2
2
3
3
1
2
3
1
2
3
Каскадные установки фиг.1, фиг.2 и фиг.3 состоят из центрифужных каскадов 1-4, 1-2 и 1-4, соответственно. Каскады 1, 1 и 1 - трехпоточные каскады с потоком 5 внешнего питания; каскады 4, 2 и 4 - отборные четырехпоточные каскады с потоком 6 отбора обогащенного гексафторида урана и потоком 7 отбора обедненного гексафторида урана. Каждый четырехпоточный центрифужный каскад имеет два отборных потока 8 и 9 в отборной и обедненной частях, соответственно, для подпитки последующего каскада каскадной установки. Между разделительными ступенями каскадов, в которые подаются потоки подпитки 8 и 9, расположены центральные части 10 центрифужных каскадов. На схемах в отборных частях центрифужных каскадов выделены концевые разделительные ступени 11, которые в силу специфики распределения потока рабочего газа по длине каскадов работают с пониженной величиной потока питания относительно номинального (установленного техническими условиями на эксплуатацию).
1
1
1
2
2
2
3
3
3
На каскадной установке фиг.1 организован поток 12 дополнительного отбора из центральной части 10 отборного четырехпоточного центрифужного каскада 4 с подпиткой его в отборную часть трехпоточного каскада 1. Каскадная установка фиг.2 имеет поток 12 дополнительного отбора из центральной части четырехпоточного центрифужного каскада 2 с подпиткой его в отборную часть трехпоточного каскада 1. Поток 12 дополнительного отбора из центральной части четырехпоточного центрифужного каскада 2 с подпиткой его в отборный четырехпоточный каскад 4 организован на каскадной установке фиг.3.
Способ осуществляют следующим образом.
При выполнении производственных задач по обогащению уранового сырья требуется решить две задачи: достижение заданного обогащения в товарной продукции в соответствии с требованиями заказчика (от 2,4 до 4,95 мас.% по урану-235) и полнота извлечения урана-235 из уранового сырья.
Задавая значения параметров работы существующего массива газовых центрифуг каскадной установки (массовых расходов межступенных потоков и изотопных концентраций в них, массовых расходов межкаскадных потоков подпитки и изотопных концентраций в них, массовых расходов потоков отбора и отвала и т.п.), рассчитывают массовые расходы транзитных потоков в направлении отвальных частей каскадов, а на их основе - к.п.д. Транзитные потоки обусловливают разделительную мощность каскадов (к.п.д.). Выбирают транзитные потоки, при которых ожидают максимальный к.п.д. Это оптимальные транзитные потоки. Настраивают каскады на расчетный массовый расход транзитного потока изотопной газовой смеси в направлении отвальной части каскада. Настройку ведут путем изменения массовых расходов отборных и/или межкаскадных потоков по результатам измерений концентраций в характерных точках с помощью регуляторов давления и расходов.
1
1
1
1
1
1
1
Для каскадной установки (фиг.1), разделительные ступени четырехпоточного центрифужного каскада 4 которой укомплектованы газовыми центрифугами разной производительности, постоянный транзитный поток по центральной части каскада 4 может быть оптимизирован, т.е быть оптимальным, только для оборудования одного типа. При выбранном транзитном потоке (т.е. таком, который рассчитан как оптимальный для всего каскада, исходя из одной конкретной производительности центрифуг) оборудование другого типа уже работает с потерей разделительной мощности (или с пониженным к.п.д.). Отбор дополнительного потока 12 из точки стыка оборудования разного типа (т.е. из межступенного потока, соединяющего разделительные ступени, одна из которых укомплектована центрифугами одной производительности, а другая ступень - центрифугами другой производительности) позволяет создать два различающихся транзитных потока, каждый из которых оптимален к соответствующему типу оборудования. Подпитка потока 12 в отборную часть каскада 1 одновременно увеличивает нагрузку концевых разделительных ступеней каскадов 1-4 (за счет увеличения межкаскадных потоков 8) с увеличением их к.п.д. и каскадной установки (фиг.1) в целом.
2
2
2
2
2
2
2
2
2
Для каскадной установки (фиг.2) с фиксированным количеством разделительных ступеней в центрифужных каскадах 1 и 2 требование обеспечить контрактные концентрации изотопа урана-235 в потоках отбора 6 (меньшие, чем те, на которые первоначально рассчитана разделительная мощность каскада) и отвала 7 зачастую приводит к тому, что производительность центрифуг искусственно ограничивают; каскады 1 и 2 работают с потерей разделительной мощности (с пониженным к.п.д.). То есть каскады имеют расчетный, исходя из фактически заданной конкретным контрактным обогащением производительности, транзитный поток в направлении отвальной части каскада, но который является увеличенным относительно величины номинальной производительности центрифуг. В этом случае организация потока 12 дополнительного отбора из центральной части четырехпоточного каскада 2 и подпитка его в отборную часть трехпоточного каскада 1 позволяет оптимизировать транзитный поток по центральной части каскада 2 и тем увеличить к.п.д. каскада 2 и каскадной установки в целом. Условием для организации дополнительного отбора из четырехпоточного центрифужного каскада каскадной установки этой схемы является излишне увеличенный транзитный поток относительно оптимального. Точка дополнительного отбора (или ступень, из которой организуется дополнительный отбор) выбирается из условия обеспечения максимума к.п.д. каскадной установки в целом в ходе проведения расчетов различных вариантов организации дополнительного отбора/подпитки.
3
3
3
3
3
3
Промежуточный четырехпоточный каскад 2 каскадной установки (фиг.3) укомплектован газовыми центрифугами разной производительности. Постоянный транзитный поток по центральной части каскада 2 может быть оптимальным только для одного типа оборудования. Дополнительный отбор потока 12, из точки стыка оборудования разного типа позволяет создать два транзитных потока по центральной части каскада 2, оптимальных для разделительных ступеней с оборудованием разного типа. Дополнительная подпитка потока 12 в центральную часть четырехпоточного каскада несколько снижает к.п.д. каскада 4, но в целом к.п.д. каскадной установки увеличивается, нагрузка и к.п.д. отборных ступеней также увеличивается.
1
3
В таблицах 1-3 приведены результаты работы каскадных установок с базовой схемой объединения центрифужных каскадов и в схемах, показанных на фиг.1-3, с организацией дополнительного отбора/подпитки. В приведенных примерах потоки 12-12 дополнительного отбора/подпитки по величине были близки к величинам потоков 8 основного отбора/подпитки соответствующего каскада.
1
1
В табл.1 приведены значения к.п.д. каскадной установки (фиг.1) до и после организации дополнительного отбора из центральной части четырехпоточного центрифужного каскада 4 с подпиткой его в отборную часть трехпоточного центрифужного каскада 1.
1
1
1
Как видно из табл.1, после организации дополнительного отбора из каскада 4 с подпиткой его в отборную часть каскада внешнего питания средневзвешенный к.п.д. каскадной установки увеличился на 1,13%, что для современных изотопно-разделительных урановых заводов составляет значимую величину. При этом увеличилось использование разделительной мощности концевых разделительных ступеней отборной части каскада 1, хотя в целом за счет перегруза по питанию к.п.д. каскада 1 уменьшился.
1
1
В принципе, подпитку потока дополнительного отбора можно организовать и в каскады 2 или 3, что определяется имеющимися техническими возможностями и достигаемым экономическим эффектом от увеличения использования разделительной мощности каскадной установки.
Таблица 1
Изменение к.п.д.<sup>(*)</sup> каскадной установки (фиг.1) при организации потоков дополнительного отбора и подпитки
Части каскада
Базовый вариант
Вариант с дополнительным отбором/подпиткой
к.п.д. каскада, %
к.п.д. отборных ступеней, %
к.п.д. каскада, %
к.п.д. отборных ступеней, %
Каскад 1<sub>1</sub>
96,23
95,8
91,13
97,2
Каскад 2<sub>1</sub>
96,10
92,4
97,02
96,5
Каскад 3<sub>1</sub>
95,25
85,1
96,88
93,2
Каскад 4<sub>1</sub>
94,91
75,0
96,32
75,4
Каскадная установка
95,43
96,56
Примечание: (*) - здесь и далее под к.п.д. каскадной установки понимается средневзвешенный к.п.д., рассчитанный с учетом разделительных мощностей (числа разделительных ступеней) каскадов.
2
2
В табл.2 приведены значения к.п.д. каскадной установки (фиг.2) до и после организации дополнительного отбора из центральной части четырехпоточного каскада 2 с подпиткой его в отборную часть трехпоточного центрифужного каскада 1.
2
2
Из данных, приведенных в табл.2, следует, что организация дополнительного отборного потока позволила повысить средневзвешенный к.п.д. каскадной установки (фиг.2) на 0,5%. В схеме увеличилось использование разделительной мощности как концевых разделительных ступеней отборной части каскада 1, так каскада 1 в целом.
Таблица 2
Изменение к.п.д. каскадной установки (фиг.2) при организации потоков дополнительного отбора и подпитки
Части каскада
Базовый вариант
Вариант с дополнительным отбором/подпиткой
к.п.д. каскада, %
к.п.д. отборных ступеней, %
к.п.д. каскада, %
к.п.д. отборных ступеней, %
Каскад 1<sub>2</sub>
92,55
81,6
93,20
89,7
Каскад 2<sub>2</sub>
93,52
57,3
93,96
57,5
Каскадная установка
93,2
93,7
3
3
В табл.3 приведены значения к.п.д. каскадной установки (фиг.3) до и после организации дополнительного отбора из промежуточного четырехпоточного центрифужного каскада с подпиткой его в центральную часть отборного четырехпоточного центрифужного каскада. К.п.д. каскадной установки увеличился на 1,0%, хотя произошло снижение к.п.д. каскадов 3 и 4 при возрастании использования разделительной мощности концевых разделительных ступеней отборных частей.
Предлагаемое решение повышает эффективность работы каскадных установок для обогащения урана. Необходимо лишь оснащение каскадной установки дополнительными межкаскадными коммуникациями для организации дополнительного межкаскадного потока.