Газовая диффузия

Газовая диффузия — это технология, которая использовалась для производства обогащенного урана путем пропускания газообразного гексафторида урана (UF ₆ ) через микропористые мембраны. Это приводит к небольшому разделению (коэффициент обогащения 1,0043) между молекулами, содержащими уран-235 ( ²³⁵U) и уран-238 ( ²³⁸У). За счет использования большого каскада из многих ступеней можно достичь высокого разделения. Это был первый разработанный процесс, позволяющий производить обогащенный уран в промышленно полезных количествах, но в настоящее время он считается устаревшим, поскольку его заменил более эффективный процесс газовой центрифуги (коэффициент обогащения от 1,05 до 1,2). ^[1]^[2]

Газовая диффузия была изобретена Фрэнсисом Саймоном и Николасом Курти в лаборатории Кларендона поручил в 1940 году, когда комитет MAUD им найти метод отделения урана-235 от урана-238 для производства бомбы для проекта British Tube Alloys . Сам прототип газодиффузионного оборудования был изготовлен компанией Metropolitan-Vickers (MetroVick) в Траффорд-Парке , Манчестер, по цене 150 000 фунтов стерлингов за четыре единицы для завода MS Factory, Valley . Эта работа была позже перенесена в Соединенные Штаты, когда проект Tube Alloys стал частью более позднего Манхэттенского проекта . ^[3]

Предыстория [ править ]

Из 33 известных радиоактивных первичных нуклидов два ( ²³⁵У и ²³⁸U) — изотопы урана . Эти два изотопа во многом схожи, за исключением того, что только ²³⁵U делящийся (способен поддерживать цепную ядерную реакцию с деления ядер тепловыми нейтронами ). Фактически, ²³⁵U — единственное делящееся ядро, встречающееся в природе. ^[4] Потому что природного урана всего около 0,72%. ²³⁵U по массе, он должен быть обогащен до концентрации 2–5%, чтобы иметь возможность поддерживать непрерывную цепную ядерную реакцию. ^[5] когда в качестве замедлителя используется обычная вода. Продукт этого процесса обогащения называется обогащенным ураном.

Технология [ править ]

Научная основа

Газовая диффузия основана на законе Грэма , который гласит, что скорость истечения газа обратно пропорциональна квадратному корню из его молекулярной массы . Например, в ящике с микропористой мембраной, содержащей смесь двух газов, более легкие молекулы будут выходить из контейнера быстрее, чем более тяжелые, если диаметр пор меньше средней длины свободного пробега ( молекулярного потока ). Газ, выходящий из контейнера, несколько обогащен более легкими молекулами, а остаточный газ несколько обеднен. Одиночный контейнер, в котором процесс обогащения происходит посредством газовой диффузии, называется диффузором .

Гексафторид урана

UF ₆ — единственное соединение урана, достаточно летучее для использования в процессе газовой диффузии. К счастью, фтор состоит только из одного изотопа. ¹⁹F, так что разница в молекулярных массах между ²³⁵УФ ₆ и ²³⁸UF ₆ обусловлен только разницей масс изотопов урана. По этим причинам UF ₆ является единственным выбором в качестве сырья для процесса газовой диффузии. ^[6] UF ₆ , твердое вещество при комнатной температуре, сублимируется при 56,4 °C (133 °F) и давлении 1 атмосфера. ^[7] Тройная точка находится при 64,05 °C и давлении 1,5 бар. ^[8] Применение закона Грэма дает:

{{\mbox{Rate}}_{1} \over {\mbox{Rate}}_{2}}={\sqrt {M_{2} \over M_{1}}}={\sqrt {352.041206 \over 349.034348}}=1.004298...

где:

Скорость ₁ – это скорость излияния ²³⁵УФ ₆ .

Скорость ₂ – это скорость излияния ²³⁸УФ ₆ .

M ₁ – масса молярная ²³⁵УФ ₆ = 235,043930 + 6 × 18,998403 = 349,034348 г·моль ⁻¹

M ₂ – молярная масса ²³⁸УФ ₆ = 238,050788 + 6 × 18,998403 = 352,041206 г·моль ⁻¹

Этим объясняется разница в средних скоростях 0,4%. ²³⁵Молекулы UF _{на 6} больше, чем у ²³⁸Молекулы УФ ₆ . ^[9]

UF ₆ является сильнокоррозионным веществом . Это окислитель ^[10] и кислота Льюиса , которая способна связываться с фторидом , например реакция фторида меди(II) с гексафторидом урана в ацетонитриле , сообщается, что _{приводит к образованию гептафторураната(VI) меди(II), Cu(UF 7} ) ₂ . ^[11] Он реагирует с водой с образованием твердого соединения, и с ним очень сложно обращаться в промышленных масштабах. ^[6] Как следствие, внутренние газопроводные пути должны быть изготовлены из аустенитной нержавеющей стали и других термостабилизированных металлов. Нереактивные фторполимеры, такие как тефлон, необходимо наносить в качестве покрытия на все клапаны и уплотнения системы.

Барьерные материалы

В газодиффузионных установках обычно используются агрегатные барьеры (пористые мембраны), изготовленные из спеченного никеля или алюминия , с размером пор 10–25 нанометров (это менее одной десятой длины свободного пробега молекулы UF ₆ ). ^[4]^[6] Они также могут использовать барьеры пленочного типа, которые создаются путем просверливания пор в изначально непористой среде. Один из способов сделать это — удалить один компонент из сплава, например, используя хлористый водород для удаления цинка из серебра-цинка (Ag-Zn) или гидроксид натрия для удаления алюминия из сплава Ni-Al.

Энергетические требования

Поскольку молекулярные массы ²³⁵УФ ₆ и ²³⁸UF ₆ почти равны, очень небольшое разделение ²³⁵У и ²³⁸U происходит за один проход через барьер, т. е. в одном диффузоре. Поэтому необходимо последовательно соединить большое количество диффузоров, используя выходы предыдущего этапа в качестве входов для следующего этапа. Такая последовательность этапов называется каскадом . На практике диффузионные каскады требуют тысяч стадий, в зависимости от желаемого уровня обогащения. ^[6]

Все компоненты диффузионной установки должны поддерживаться при соответствующей температуре и давлении, чтобы гарантировать, что UF ₆ остается в газообразной фазе. Газ необходимо сжимать на каждом этапе, чтобы компенсировать потерю давления в диффузоре. Это приводит к компрессионному нагреву газа, который затем необходимо охладить перед входом в диффузор. Требования к перекачке и охлаждению делают диффузионные установки огромными потребителями электроэнергии . По этой причине газодиффузия до недавнего времени была самым дорогим методом получения обогащенного урана. ^[12]

История [ править ]

Работники Манхэттенского проекта в Ок-Ридже, штат Теннесси , разработали несколько различных методов разделения изотопов урана. Три из этих методов последовательно использовались на трех разных заводах в Ок-Ридже для производства ²³⁵U означает « Маленький мальчик » и другое раннее ядерное оружие . На первом этапе установка по обогащению урана С-50 использовала процесс термодиффузии для обогащения урана от 0,7% до почти 2%. ²³⁵У. Этот продукт затем подавался в газодиффузионный процесс на заводе К-25 , выход продукта которого составлял около 23% ²³⁵У. Наконец, этот материал был подан в калютроны на Y-12 . Эти машины (разновидность масс-спектрометра ) использовали электромагнитное разделение изотопов для повышения конечного результата. ²³⁵концентрация U примерно до 84%.

Подготовка сырья UF ₆ для газодиффузионной установки К-25 была первым применением коммерческого фтора, и при этом возникли значительные препятствия при обращении как с фтором, так и с UF ₆ . Например, прежде чем можно было построить газодиффузионную установку К-25, сначала необходимо было разработать нереакционноспособные химические соединения , которые можно было бы использовать в качестве покрытий, смазок и прокладок для поверхностей, которые будут контактировать с газом UF ₆ ( высокореактивное и коррозионное вещество). Ученые Манхэттенского проекта наняли Уильяма Т. Миллера , профессора органической химии Корнелльского университета , для синтеза и разработки таких материалов, благодаря его опыту в области фторорганической химии . Миллер и его команда разработали несколько новых нереакционноспособных хлорфторуглеродных полимеров , которые использовались в этом приложении. ^[13]

Калутроны были неэффективны и дороги в изготовлении и эксплуатации. Как только в 1945 году в Ок-Ридже инженерные препятствия, создаваемые процессом газовой диффузии, были преодолены и в Ок-Ридже начали работать газодиффузионные каскады, все калютроны были остановлены. Затем метод газовой диффузии стал предпочтительным методом производства обогащенного урана. ^[4]

На момент постройки в начале 1940-х годов газодиффузионные заводы были одними из крупнейших когда-либо построенных зданий. ^{[ нужна ссылка ]} Крупные газодиффузионные заводы были построены Соединенными Штатами, Советским Союзом (включая завод, который сейчас находится в Казахстане ), Великобританией , Францией и Китаем . Большинство из них уже закрылись или, как ожидается, закроются, поскольку не могут экономически конкурировать с новыми технологиями обогащения. Некоторые технологии, используемые в насосах и мембранах, остаются совершенно секретными. Некоторые из использованных материалов по-прежнему подлежат экспортному контролю в рамках продолжающихся усилий по контролю за распространением ядерного оружия .

Текущий статус [ править ]

В 2008 году газодиффузионные заводы в США и Франции по-прежнему производили 33% мирового обогащенного урана. ^[12] Однако французский завод ( Eurodif завод Жоржа-Бесса ) окончательно закрылся в июне 2012 года. ^[14] и газодиффузионный завод в Падуке в Кентукки, управляемый Корпорацией по обогащению урана США (USEC) (последний полностью функционирующий завод по обогащению урана в Соединенных Штатах, на котором используется процесс газовой диффузии). ^[5]^[1]) прекратили обогащение в 2013 году. ^[15] Единственный подобный объект в Соединенных Штатах, Портсмутский газодиффузионный завод в Огайо, прекратил деятельность по обогащению в 2001 году. ^[5]^[16]^[17] С 2010 года площадка в Огайо используется главным образом AREVA французским конгломератом для переработки обедненного UF ₆ в оксид урана . ^[18]^[19]

Поскольку существующие газодиффузионные установки устарели, на смену им пришла технология газовых центрифуг второго поколения , которая требует гораздо меньше электроэнергии для производства эквивалентного количества выделенного урана. AREVA заменила свою газодиффузионную установку Georges Besse на центрифужную установку Georges Besse II. ^[2]

См. также [ править ]

Ссылки [ править ]

^ https://www.nrc.gov/docs/ML1204/ML12045A055.pdf . ^{[ пустой URL PDF ]}
^ «Обогащение урана» . Комиссия по ядерному регулированию США . Проверено 17 июля 2020 г.
^ Колин Барбер. «Проект трубных сплавов» . Историческое общество долины Ридимвин.
^ Jump up to: Перейти обратно: ^а ^б ^с Коттон С (2006). «Гексафторид урана и разделение изотопов» . Химия лантаноидов и актинидов (1-е изд.). Чичестер, Западный Суссекс, Англия: John Wiley and Sons, Ltd., стр. 163–5. ISBN 978-0-470-01006-8 . Проверено 20 ноября 2010 г.
^ Jump up to: Перейти обратно: ^а ^б ^с Комиссия по ядерному регулированию США (2009 г.). «Информационный бюллетень по газовой диффузии» . Вашингтон, округ Колумбия: Комиссия по ядерному регулированию США . Проверено 20 ноября 2010 г.
^ Jump up to: Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Битон Л. (1962). «Замедление производства ядерных взрывных устройств» . Новый учёный . 16 (309): 141–3 . Проверено 20 ноября 2010 г.
^ ДеВитт, Р. (1960). Гексафторид урана: обзор физико-химических свойств . п. 102. дои : 10.2172/4025868 .
^ «Гексафторид урана: Источник: Приложение A к PEIS (DOE/EIS-0269): Физические свойства» . Архивировано из оригинала 29 марта 2016 г. Проверено 18 ноября 2010 г.
^ «Газодиффузионное обогащение урана» . GlobalSecurity.org. 27 апреля 2005 года . Проверено 21 ноября 2010 г.
^ Ола Г.Х., Уэлч Дж. (1978). «Синтетические методы и реакции. 46. Окисление органических соединений гексафторидом урана в растворах галогеналканов». Журнал Американского химического общества . 100 (17): 5396–402. дои : 10.1021/ja00485a024 .
^ Берри Дж.А., Пул Р.Т., Прескотт А., Шарп Д.В., Уинфилд Дж.М. (1976). «Окислительные и акцепторные свойства фторид-ионов гексафторида урана в ацетонитриле». Журнал Химического общества, Dalton Transactions (3): 272–4. дои : 10.1039/DT9760000272 .
^ Jump up to: Перейти обратно: ^а ^б Майкл Голдсуорси (2008). «Конференция Lodge Partners по средней капитализации» (PDF) . Лукас-Хайтс, Новый Южный Уэльс, Австралия: Silex Ltd. Проверено 20 ноября 2010 г.
^ Блейн П. Фридлендер-младший (3 декабря 1998 г.). «Уильям Т. Миллер, ученый Манхэттенского проекта и профессор химии Корнелла, умер в возрасте 87 лет» . Корнеллские новости . Итака, Нью-Йорк: Корнельский университет . Проверено 20 ноября 2010 г.
^ «Жорж Бесс окончательно истощился» . Мировые ядерные новости . 8 июня 2012 г.
^ «ПАДУКА ГАЗОДИФФУЗИОННЫЙ ЗАВОД (USDOE)» . Деятельность по обогащению урана прекращена в 2013 году.
^ Корпорация США по обогащению (2009 г.). «Обзор: Портсмутский газодиффузионный завод» . Газодиффузионные установки . Бетесда, Мэриленд: USEC, Inc. Архивировано из оригинала 24 ноября 2010 г. Проверено 20 ноября 2010 г.
^ Корпорация США по обогащению (2009 г.). «История: Газодиффузионный завод в Падуке» . Газодиффузионные установки . Бетесда, Мэриленд: USEC, Inc. Архивировано из оригинала 2 января 2011 г. Проверено 20 ноября 2010 г.
^ Том Ламар (10 сентября 2010 г.). «AREVA начинает работу на объекте в Портсмуте» . Новости атомной энергетики . Уэйнсборо, Вирджиния: Ядерная улица . Проверено 20 ноября 2010 г.
^ АРЕВА, Инк. (2010). «Министерство энергетики дает совместному предприятию AREVA разрешение начать эксплуатационные испытания нового объекта в Огайо» (PDF) . Пресс-релиз . Бетесда, Мэриленд: AREVA, Inc. Проверено 20 ноября 2010 г. ^{[ постоянная мертвая ссылка ]}

Внешние ссылки [ править ]

Аннотированные ссылки по газовой диффузии из библиотеки Алсос.

[1] ttps://www.nrc.gov/docs/ML1204/ML12045A055.pdf . ^{[ пустой URL PDF ]}

[2] «Обогащение урана» . Комиссия по ядерному регулированию США . Проверено 17 июля 2020 г.

[3] Колин Барбер. «Проект трубных сплавов» . Историческое общество долины Ридимвин.

[Cotton2006-4] Jump up to: Перейти обратно: ^а ^б ^с Коттон С (2006). «Гексафторид урана и разделение изотопов» . Химия лантаноидов и актинидов (1-е изд.). Чичестер, Западный Суссекс, Англия: John Wiley and Sons, Ltd., стр. 163–5. ISBN 978-0-470-01006-8 . Проверено 20 ноября 2010 г.

[USNRC-5] Jump up to: Перейти обратно: ^а ^б ^с Комиссия по ядерному регулированию США (2009 г.). «Информационный бюллетень по газовой диффузии» . Вашингтон, округ Колумбия: Комиссия по ядерному регулированию США . Проверено 20 ноября 2010 г.

[Beaton1962-6] Jump up to: Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Битон Л. (1962). «Замедление производства ядерных взрывных устройств» . Новый учёный . 16 (309): 141–3 . Проверено 20 ноября 2010 г.

[7] ДеВитт, Р. (1960). Гексафторид урана: обзор физико-химических свойств . п. 102. дои : 10.2172/4025868 .

[8] «Гексафторид урана: Источник: Приложение A к PEIS (DOE/EIS-0269): Физические свойства» . Архивировано из оригинала 29 марта 2016 г. Проверено 18 ноября 2010 г.

[9] «Газодиффузионное обогащение урана» . GlobalSecurity.org. 27 апреля 2005 года . Проверено 21 ноября 2010 г.

[Olah1978-10] Ола Г.Х., Уэлч Дж. (1978). «Синтетические методы и реакции. 46. Окисление органических соединений гексафторидом урана в растворах галогеналканов». Журнал Американского химического общества . 100 (17): 5396–402. дои : 10.1021/ja00485a024 .

[Berry1976-11] Берри Дж.А., Пул Р.Т., Прескотт А., Шарп Д.В., Уинфилд Дж.М. (1976). «Окислительные и акцепторные свойства фторид-ионов гексафторида урана в ацетонитриле». Журнал Химического общества, Dalton Transactions (3): 272–4. дои : 10.1039/DT9760000272 .

[Silex2008-12] Jump up to: Перейти обратно: ^а ^б Майкл Голдсуорси (2008). «Конференция Lodge Partners по средней капитализации» (PDF) . Лукас-Хайтс, Новый Южный Уэльс, Австралия: Silex Ltd. Проверено 20 ноября 2010 г.

[obituary-13] Блейн П. Фридлендер-младший (3 декабря 1998 г.). «Уильям Т. Миллер, ученый Манхэттенского проекта и профессор химии Корнелла, умер в возрасте 87 лет» . Корнеллские новости . Итака, Нью-Йорк: Корнельский университет . Проверено 20 ноября 2010 г.

[14] «Жорж Бесс окончательно истощился» . Мировые ядерные новости . 8 июня 2012 г.

[15] «ПАДУКА ГАЗОДИФФУЗИОННЫЙ ЗАВОД (USDOE)» . Деятельность по обогащению урана прекращена в 2013 году.

[USECOverview-16] Корпорация США по обогащению (2009 г.). «Обзор: Портсмутский газодиффузионный завод» . Газодиффузионные установки . Бетесда, Мэриленд: USEC, Inc. Архивировано из оригинала 24 ноября 2010 г. Проверено 20 ноября 2010 г.

[USECHistory-17] Корпорация США по обогащению (2009 г.). «История: Газодиффузионный завод в Падуке» . Газодиффузионные установки . Бетесда, Мэриленд: USEC, Inc. Архивировано из оригинала 2 января 2011 г. Проверено 20 ноября 2010 г.

[NPN2010-18] Том Ламар (10 сентября 2010 г.). «AREVA начинает работу на объекте в Портсмуте» . Новости атомной энергетики . Уэйнсборо, Вирджиния: Ядерная улица . Проверено 20 ноября 2010 г.

[AREVA-19] АРЕВА, Инк. (2010). «Министерство энергетики дает совместному предприятию AREVA разрешение начать эксплуатационные испытания нового объекта в Огайо» (PDF) . Пресс-релиз . Бетесда, Мэриленд: AREVA, Inc. Проверено 20 ноября 2010 г. ^{[ постоянная мертвая ссылка ]}

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]