Сульфидный процесс Гирдлера
Гирдлера Сульфидный ( GS ) процесс , также известный как Гейба-Спевака ( GS ) процесс , [1] — промышленный производственный метод фильтрации из природной воды тяжелой воды ( оксид дейтерия = D 2 O), который используется в исследованиях частиц, в спектроскопии ЯМР дейтерия , дейтерированных растворителях для спектроскопии протонного ЯМР, в тяжеловодных ядерных реакторах (в качестве теплоносителя). и модератор ) и в дейтерированных препаратах .
Карл-Герман Гейб и Джером С. Спевак независимо и параллельно изобрели этот процесс в 1943 году. [2] и его название происходит от компании Girdler, которая построила первый американский завод, использующий этот процесс.
Этот метод представляет собой процесс изотопного обмена между H 2 S и H 2 O («легкая» вода), в результате которого в несколько стадий образуется тяжелая вода. Это очень энергоемкий процесс. [3]
До своего закрытия в 1997 году завод по производству тяжелой воды Брюса в Онтарио (расположенный на том же месте, что и Дуглас-Пойнт и атомная электростанция Брюса ) был крупнейшим в мире заводом по производству тяжелой воды с пиковой производительностью 1600 тонн в год (800 тонн). в год на полную установку, две полностью действующие станции на пике мощности). Для производства тяжелой воды использовался сульфидный процесс Гирдлера, и для производства 1 единицы тяжелой воды требовалось по массе 340 000 единиц питательной воды. [4]
Индии, Первое подобное предприятие Совета по тяжелой воде использующее процесс Гирдлера, находится в Раватбхате недалеко от Коты, Раджастхан. За этим последовал более крупный завод в Манугуру, Андхра-Прадеш. в США и Румынии . Другие заводы существуют , например, [5] Румыния, Индия и бывший поставщик большей части мирового спроса на тяжелую воду, Канада, имеют действующие тяжеловодные реакторы: два на АЭС Чернавода в Румынии составляют весь флот страны, а также по несколько в Индии (в основном IPHWR ) и Канаде. (исключительно КАНДУ ).
Процесс
[ редактировать ]Каждый из нескольких этапов состоит из двух колонн с ситчатыми тарелками. В одной колонне поддерживается температура 30 °C (86 °F) и она называется холодной башней , а в другой - 130 °C (266 °F) и называется горячей башней . Процесс обогащения основан на разнице в разделении между 30 °C и 130 °C.
Интересующий процесс представляет собой равновесную реакцию,
Н 2 О + HDS ⇌ HDO + H 2 S
При 30 °С константа равновесия К = 2,33, а при 130 °С К = 1,82. Эта разница используется для обогащения дейтерия в тяжелой воде. [6]
Газообразный сероводород циркулирует по замкнутому контуру между холодной башней и горячей башней (хотя это могут быть отдельные башни, они также могут быть отдельными секциями одной башни с холодной секцией вверху). Деминерализованная и деаэрированная вода подается в охлаждающую башню, где преимущественно происходит миграция дейтерия из газообразного сероводорода в жидкую воду. Обычная вода подается в горячую башню, где происходит перенос дейтерия из жидкой воды в газообразный сероводород. В каскадных системах на оба входа используется одна и та же вода. Механизм этого - разница в константе равновесия; в холодной башне концентрация дейтерия в сероводороде снижается, а концентрация в воде повышается. Дейтерий в горячем контуре слегка предпочитает находиться в сероводороде, что приводит к избытку дейтерия в сероводороде по сравнению с холодной башней. Для n молей дейтерия на моль протия в воде на входе в горячую башню n / 1,82 моля на моль протия в сероводороде. В градирне часть этого дейтерия переносится во входную воду градирни в соответствии с константой равновесия. На входе в градирню отношение продуктов к реагентам в приведенном выше уравнении составляет 1,82, поскольку оба входных потока имеют равные концентрации дейтерия. Химическое равновесие пытается ввести в воду больше дейтерия, чтобы исправить соотношение. В идеале при равном количестве воды и сероводорода градирня должна выдавать воду с на 12% больше дейтерия, чем поступило. Обогащенная вода выводится из холодной башни, а обедненная вода – из горячей башни.
Обогащение осуществляется соответствующей каскадной системой: обогащенная вода подается в другую сепарационную установку и далее обогащается.
Обычно в этом процессе вода обогащается до 15–20% D 2 O. Дальнейшее обогащение до тяжелой воды «реакторного качества» (> 99% D 2 O) осуществляется в другом процессе, например, при дистилляции . [7] [8]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Патент США 4620909 , Способ пополнения изотопов в обменной жидкости, используемый в процессе лазерно-индуцированного обогащения изотопов.
- ^ Кастелл, Лутц (2003). Время, квант и информация . Google Книги: Springer Science+Business Media . п. 37. ИСБН 978-3-642-07892-7 .
- ^ Федерация американских ученых , Производство тяжелой воды. Архивировано 5 апреля 2011 г. в Wayback Machine , по состоянию на 1 февраля 2007 г.
- ^ «Вывод из эксплуатации завода по производству тяжелой воды в Брюссе» (PDF) .
- ^ «Совет по тяжелой воде – подразделение Министерства атомной энергии правительства Индии <» . Архивировано из оригинала 12 октября 2007 года.
- ^ Рэй, Гонконг (1978). «Выбор процессов с тяжелой водой». Разделение изотопов водорода . Серия симпозиумов ACS. Том. 68. стр. 1–26. дои : 10.1021/bk-1978-0068.ch001 . ISBN 978-0-8412-0420-1 .
- ^ Борис Михайлович Андреев (2001). «Разделение изотопов водорода в системе H 2 OH 2 S». Разделение науки и техники . 36 (8–9): 1949–89. дои : 10.1081/SS-100104764 . S2CID 95014060 .
- ^ «Букварь ФАС по специальному оружию: производство тяжелой воды» . Архивировано из оригинала 5 апреля 2011 года . Проверено 26 августа 2004 г.