Способ управления каскадом газовых центрифуг для обогащения урана

Изобретение относится к разделению урана методом газового центрифугирования. Результат изобретения - минимизация потерь разделительной мощности центрифужных каскадов. Каскад газовых центрифуг имеет близкое или равное число центрифуг в ступенях, объединенных межступенными потоками циркуляции изотопной газовой смеси, отборные потоки в отборной и отвальной частях каскада, два межкаскадных потока подпитки каскада, между которыми расположена центральная часть каскада, критические диафрагмы и/или регулирующие клапаны для установки и коррекции массовых расходов отборных и межкаскадных потоков. Проводят предварительный оптимизационный расчет каскада для определения матричных коэффициентов газодинамических параметров ступеней. Затем осуществляют 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. Коррекцию массовых расходов потоков ведут в отборной части каскада пропорционально величине относительной разности изотопных концентраций межступенных потоков питания ступени, определяемой по результатам измерения фактических изотопных концентраций изотопной газовой смеси в межступенных потоках и вычисляемой по определенному математическому соотношению, 5 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к технологии разделения изотопов урана методом газового центрифугирования и может быть использовано для минимизации потерь разделительной мощности центрифужных каскадов изотопно-разделительного уранового завода.

Современные изотопно-разделительные урановые центрифужные заводы представляют собой сложные системы, состоящие из каскадного объединения газовых центрифуг, связанных между собой межкаскадными потоками рабочего газа в единую технологическую схему [Патент DE №2746871, МПК B 01 D 59/20. Опубл. 19.10.1977; патент FR №2370506, МПК B 01 D 59/20. Опубл. 14.07.1978; патент DE №3321823, МПК B 01 D 59/20. Опубл. 31.01.1985; кн.: Изотопы: свойства, получение, применение. Под ред. В.Ю.Баранова. М., ИздАТ, 2000. С.143-144]. Большинство заводов построены из каскадов по прямоугольно-ступенчатой схеме, обеспечивающей довольно высокое эксплуатационное использование разделительной мощности имеющегося массива газовых центрифуг.

Цель работы завода по обогащению урана - разделение гексафторида урана в газовой фазе с исходной, например природной, концентрацией изотопов на две части: обогащенную и обедненную изотопом уран-235, причем концентрация урана-235 в целевой обогащенной части (отборе) задается заказчиком, а концентрация обедненной части (отвала) определяется экономической оптимизацией, с учетом текущей стоимости сырья и работы разделения. Для этой цели урановые заводы имеют технические возможности для оптимизации конфигурации схемы, и эти возможности направлены на минимизацию потерь разделительной мощности каскадов при выполнении конкретных задач.

Анализ технико-экономических показателей производства изотопов урана показывает, что основные затраты здесь пропорциональны числу газовых центрифуг. В качестве критерия оптимизации при постройки схемы центрифужного завода под выполнение конкретного заказа принимают максимум коэффициента использования разделительной мощности (к.п.д.) каскадов, определяемого как K_и.м=E/E_м, где Е - фактическая разделительная мощность каскада, г/с; Е_м=е_мN_j - расчетная разделительная мощность каскада, г/с; е_м - расчетная разделительная мощность газовой центрифуги, г/с; N_j - число центрифуг в каскаде, j - номер каскада в технологической схеме завода.

Каждый каскад представляет собой большую группу газовых центрифуг, соединенных межступенными потоками циркуляции как последовательно, так и параллельно. Потоком отбора каскада является поток отбора последней ступени за вычетом потока закрутки, потоком отвала - поток отвала первой ступени за вычетом потока закрутки. Таким образом, все точки смешения межступенных потоков находятся внутри каскада на входе ступеней [Заявка JP №53-25917, МПК B 01 D 59/20. Опубл. 29.12.1978] (аналог). Центрифужный способ разделения изотопов характеризуется относительно большими эффектами обогащения и малым массовым расходом (потоком) газа через газовые центрифуги. В связи с чем для выполнения даже небольшой разделительной работы требуется значительное число параллельно сблокированных центрифуг при относительно малом числе последовательно соединенных ступеней. Число центрифуг в каскаде может достигать до сотни тысяч штук.

Каскад будет работать наиболее эффективно, если потоки изотопной газовой смеси, поступающие из массива газовых центрифуг (ступени) в общий коллектор, имеют одну и ту же изотопную концентрацию (не будет происходить смешивание потоков с разными концентрациями) и, кроме того, массовые расходы потоков питания всех центрифуг каскада будут примерно одинаковыми и по величине обеспечивающими оптимальный гидравлический режим ступени и максимальную работу разделения центрифуг в ступенях. Для газовых центрифуг характерна зависимость полного коэффициента разделения (отношения концентраций изотопов во фракциях отбора и отвала бинарной урановой смеси) и коэффициента деления потока между отбором и отвалом от величины потока питания.

Поскольку выходящие из параллельно сблокированных газовых центрифуг потоки тяжелой (обедненной) и легкой (обогащенной) фракции используются для питания блоков центрифуг соседних ступеней, то центрифужные каскады характеризуются существенным превышением давления в отборных коллекторах над давлением в коллекторе питания. В этом случае при построении устойчиво работающего каскада имеется возможность постановки на выходе центрифуг газодинамических элементов - высокочувствительных и достаточно точных автоматических регулирующих клапанов, стабилизирующих гидравлический режим каскада в целом [Заявка JP №51-47840, МПК В 01 D 59/20. Опубл. 17.12.1976] (аналог). Такие регуляторы расхода газа устанавливаются в каждой разделительной ступени на коллекторах отвального потока.

Особое место в силу простоты коммуникаций при прямоугольном размещении массива газовых центрифуг занимает каскад постоянной ширины, в котором все ступени имеют одинаковое или близкое число центрифуг. Большинство промышленных установок каскадного типа выполнены подобным образом и представляют собой каскады с двумя потоками подпитки, разделяющие массив центрифуг на три части (центральную часть и две концевые - отборную и отвальную). Центральные части обеспечивают основную производительность каскадов и могут при некоторых конфигурациях схемы завода достигать 100% размера отдельных каскадов [Патент GB №1593316, МКИ В 01 D 59/20. Опубл. 15.07.1981] (аналог).

Каждый каскад характеризуется числом ступеней p_j, числом газовых центрифуг в ступенях N_i=N_j/p_j, номерами ступеней m_j и (n+1)_j подвода межкаскадных потоков подпитки. Условия работы центрифужного каскада определяется тремя группами управляющих параметров:

- величинами входящих межкаскадных (подпитывающих) F_m, F_n+1 и выходящих (отборных) F_p потоков (за исключением потока отвала F_w);

- изотопными концентрациями изотопной газовой смеси входящих (C_m, C_n+1) и выходящих (С_р и С_w) потоков;

- давлением на межступенных коллекторах отвала (P_w).

Общепринятый метод построения технологической схемы реального уранового завода и последующего управления каскадами состоит из следующих этапов:

- расчет оптимальной схемы, обеспечивающий минимум потерь производительности каскадов от смешения потоков различной изотопной концентрации при заданных ограничениях по потребляемой электрической мощности, номенклатуре и массовым расходам потоков подпитки, отборов, отвала и т.п.;

- настройка и поддержание близких к расчетным величинам массовых расходов межступенных потоков питания газовых центрифуг, массовых расходов и изотопных концентраций межкаскадных потоков подпитки, потоков отбора и отвала;

- анализ работы завода за календарный период на соответствие фактической выработки обогащенного гексафторида урана, расчетный и периодический контроль концентрации изотопа уран-235 в характерных точках технологической схемы.

Теоретические основы расчета и оптимизация изотопно-разделительных установок каскадного типа хорошо разработаны и позволяют получать оптимальные расчетные схемы завода с высоким коэффициентом использования разделительной мощности газовых центрифуг ступеней. Если последующая эксплуатация показывает значимое снижение фактической выработки завода, то осуществляется поиск причин и их устранение [кн.: Обогащение урана. Под ред. С.Виллини. - М.: Энергоатомиздат, 1983. С.139-140, 144-147]. Причем периодическая проверка изотопной концентрации гексафторида урана в характерных точках технологической цепочки в этом случае обнаруживает только грубые нарушения гидравлического режима каскадов.

Таким образом, основной недостаток подобного управления состоит в недостаточной точности определения потерь разделительной мощности каскадов и оперативного устранения этих потерь.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ управления установкой каскадного типа для обогащения урана [Заявка JP №57-44369, МПК В 01 D 59/20. Опубл. 21.09.1982] (аналог-прототип), где между ступенями газовых центрифуг, объединенных в каскады, установлены регулирующие клапаны, степень открывания которых меняют пропорционально отклонению от расчетных величин измеряемых на заданных участках установки значений давления, величин массовых расходов межступенных потоков и изотопных концентраций изотопной газовой смеси с использованием коэффициентов усиления, определенных по обратной или псевдообратной матрице, составленной в соответствии с матрицей коэффициентов изменения всех измеряемых параметров. Матрицу изменения параметров ступеней получают по результатам оптимизационных расчетов каскада.

Согласно этому способу управление гидравлическим режимом каскада производится под соответствие расчетной технологической схеме путем:

- поддержание расчетных значений массовых расходов потоков питания и отбора;

- поддержание расчетных значений давления на межступенных коллекторах ступеней каскада;

- поддержание изотопных концентрации потоков подпитки и отбора, близких к расчетным величинам.

Однако при практическом внедрении способа в эксплуатацию имеет место неконтролируемая погрешность в управлении гидравлическим режимом каскада, связанная, главным образом, с точностью поддержания расходов межкаскадных потоков, несоответствия 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 при их изготовлении.

Наряду с коэффициентом полного разделения газовых центрифуг важнейшим параметром, определяющим оптимальный гидравлический режим каскада, является массовый расход транзитного потока (иногда именуемый гидравлическим переносом) изотопной газовой смеси по центральной части каскада в направлении отвала каскада, задаваемый разностью массовых расходов потоков отбора и подпитки τ_onm=F_p-F_n+1 в отборной части каскада [Палкин В.А. Определение оптимальных параметров каскада газовых центрифуг. - Атомная энергия, Т.84, вып.3, 1998. С.247-248]. Коэффициент использования разделительной мощности газовых центрифуг центральной части каскада при заданной загрузке ступеней является, прежде всего, функцией отклонения транзитного потока от расчетного значения. Управление расходом транзитного потока осуществляют заданием и последующим поддержанием регулирующими клапанами расчетного давления у сужающих устройств (критических диафрагм) отборного и подпитывающего потоков в отборной части каскада.

Погрешность управления отборным и подпитывающим потоками в настоящее время составляет примерно, 2÷3% поскольку регулирующими клапанами давление у критических диафрагм при рабочих размерах проходных отверстий последних может быть задано с точностью в лучшем случае не более 2% при погрешности определения расходного коэффициента диафрагмы 1÷2%. При фактических расходах межкаскадных потоков подобная погрешность в задании их величины может привести к погрешности установки расхода транзитного потока до 30-40% от расчетного (оптимального) значения. При этом отклонение фактического расхода транзитного потока от расчетной величины носит неявный характер. По этой причине в установках каскадного типа всегда могут существовать неконтролируемые потери разделительной мощности газовых центрифуг ступеней.

Погрешность в оптимизации гидравлического режима каскадов также связана с периодичностью измерения изотопной концентрации газовой смеси, определяемой, как правило, в межкаскадных потоках. Применяемые в настоящее время в качестве серийных измерителей обогащения урана известные масс-спектрометры позволяют получать результаты измерения с периодом несколько десятков минут, что превышает время развития нестационарных газодинамических процессов в межступенчатых потоках каскадов. Эти процессы зачастую не могут быть зафиксированы действующими системами контроля и управления завода и поэтому не учитываются при принятии управленческих решений по корректировке гидравлического режима каскадов.

Таким образом, в результате управления установками каскадного типа для обогащения урана согласно известному способу-прототипу, как в прочем и согласно другим способам-аналогам при использовании существующих средств измерения изотопных концентраций в потоке гексафторида урана может иметь место постоянное до 30-40% отклонение фактического гидравлического режима каскада от расчетного значения, ведущее к постоянным потерям разделительной мощности каскада и завода в целом.

Настоящее изобретение направлено на решение задачи снижения потери разделительной мощности промышленных центрифужных каскадов. Данную задачу можно разделить на две части:

- расчетную, связанную с необходимостью более полного учета гидравлических характеристик газовых центрифуг ступеней и на этой основе приближения расчетных загрузок по питанию и коэффициентов деления потоков на ступенях к фактическим;

- технологическую, заключающуюся в повышении точности управления гидравлическим режимом каскада в соответствии с оптимальной расчетной технологической схемой.

Указанные выше задачи решаются за счет введения в известное техническое решение совокупности основных отличительных признаков, сущность которых состоит в том, что в способе управления каскадом газовых центрифуг для обогащения урана с близким или равным числом центрифуг в ступенях, объединенных межступенными потоками циркуляции изотопной газовой смеси, имеющим отборные потоки в отборной и отвальной частях каскада, два межкаскадных потока подпитки каскада, между которыми расположена центральная часть каскада, критические диафрагмы и/или регулирующие клапаны для установки и коррекции массовых расходов отборных и межкаскадных потоков, включающем 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, коррекцию массовых расходов потоков ведут в отборной части каскада пропорционально величине относительной разности изотопных концентраций межступенных потоков питания ступени, определяемой по результатам измерения фактических изотопных концентраций изотопной газовой смеси в межступенных потоках и вычисляемой по соотношению:

где - относительная разность изотопных концентраций межступенных потоков питания i-й ступени, %;

- относительная изотопная концентрация потока питания i-й ступени, мас.%;

, - фактические изотопные концентрации изотопной газовой смеси обогащенного и обедненного межступенных потоков питания i-й ступени каскада, соответственно, мас.%;

, - расчетный массовый расход обогащенного и обедненного межступенных потоков питания i-й ступени каскада, соответственно г/с;

i - номер ступени каскада, ;

р - число ступеней в каскаде.

Решение технической задачи достигается также тем, что коррекцию массовых расходов потоков ведут пропорционально величине относительной разности изотопных концентраций межступенных потоков питания ступени, определенной для крайних ступеней центральной части каскада; что коррекцию массовых расходов потоков ведут через коррекцию давления изотопной газовой смеси у критической диафрагмы, величину которого определяют из соотношения:

где ΔP_i - величина коррекции давления изотопной газовой смеси у критической диафрагмы на ступени подпитки и/или отбора, Па;

d_i - диаметр проходного отверстия критической диафрагмы, м;

К_i - тарировочный коэффициент соответствующей критической диафрагмы;

Δτ - отклонение фактического массового расхода транзитного потока от расчетной величины, г/с,

τ_ф - фактический массовый расход транзитного потока, г/с,

τ_onm=F_p-F_n+1 - расчетный массовый расход транзитного потока, г/с;

F_p - расчетный массовый расход отборного потока в отборной части каскада, г/с;

F_n+1 - расчетный массовый расход межкаскадного потока подпитки в (n+1)-ю ступень отборной части каскада, г/с;

β_n, β_m - относительная разделительная нагрузка, соответственно n и m-й ступеней каскада,

L_n, L_m - расчетный массовый расход межступенного потока питания, соответственно n и m-й ступеней каскада, г/с;

θ_n, θ_m - расчетный коэффициент деления потока питания, соответственно в n и m-й ступенях каскада;

, - расчетный коэффициент обогащения, соответственно в n и m-й ступенях каскада;

е_м - расчетная разделительная мощность газовой центрифуги, г/с;

N_i - число центрифуг в i-й ступени каскада, i=n, m;

n, m - номера крайних ступеней центральной части каскада, n>m, n≤р, m≥2;

что периодичность измерения изотопной концентрации составляет не более 200 с; что периодичность вычисления фактического массового расхода транзитного потока составляет не более 200 с; что измерение изотопной концентрации ведут через регистрацию гамма-излучения, сопровождающего естественный альфа-распад изотопа уран-235.

При анализе приведенных выше известных способов (см. аналоги), т.е. при анализе уровня изотопно-разделительной технологии не обнаружены способы с точно такой же совокупностью признаков, что позволяет авторам считать заявленный способ соответствующим критерию "новизна".

Для специалиста по технологии разделения изотопов урана явным образом не следует, что для решения приведенных выше задач в формулу изобретения, которая заявлена, нужно ввести именно ту совокупность отличительных признаков - коррекцию массовых расходов потоков отбора и/или подпитки в отборной части каскада по величине относительной разности изотопных концентраций межступенных потоков питания ступеней, определенной, в частности, для крайних ступеней центральной части каскада, включая расчетные соотношения для величины коррекции давления потоков у критических диафрагм по фактическому массовому расходу транзитного потока изотопной газовой смеси в центральной части каскада. В связи с этим авторы считают, что заявленный способ соответствует критерию "изобретательский уровень".

В результате проведенных численных и натурных экспериментов было установлено, что при отклонении величины фактического массового расхода транзитного потока от расчетного значения в межступенных коллекторах каскада возникают смешения потоков с изотопными концентрациями, отличными от расчетных величин. Подобное смешение межступенных потоков авторами охарактеризовано введением специального параметра - относительная разность изотопных концентраций потоков питания ступени, обозначенной в тексте описания изобретения как и вычисляемой по соотношениям (1) и (2). Основные свойства : ее значение для ступеней каскада возрастает с увеличением Δτ (см. (4)) и изменяется практически линейно по ступеням каскада, а также имеет максимум на крайних ступенях (i=n, m) центральной части каскада. На основе установленных свойств получена неизвестная ранее функциональная зависимость между отклонением фактического расхода транзитного потока в центральной части каскада от расчетного значения и значениями на крайних ступенях центральной части каскада. Из этой зависимости выведены неизвестные ранее расчетные соотношения (5) и (6), которые позволяют рассчитать фактический массовый расход транзитного потока в центральной части каскада по результатам измерений только изотопных концентраций газовой смеси в межступенных потоках крайних ступеней центральной части каскада, не прибегая к измерению или технологическому контролю других параметров каскада. Это позволяет вести настройку каскада под расчетный режим с использованием только соотношений (3) и (4), где вычисление коэффициента деления потока питания и коэффициента обогащения в соотношении (5) ведется по известным из теории каскадов соотношениям.

В случае измерения содержания урана-235 в потоке гексафторида урана радиационным способом периодичность получения информационного сигнала о величине изотопной концентрации может составлять не более 200 секунд, что равносильно непрерывному технологическому контролю, если учесть некоторую инерционность развития газодинамических процессов в установках каскадного типа. Радиационные способы основаны на измерении фотонных спектров (рентгеновского и гамма-излучений), присущих анализируемым изотопам урана-235 и урана-238 (влияние прочих изотопов урана смеси на точность измерения не существенно). Существующие технические средства управления каскадами позволяют по результатам этих измерений с таким же временным периодом рассчитать фактический расход транзитного потока и принять необходимое управленческое решение по коррекции его величины.

На фиг.1 приведена конфигурация схемы изотопно-разделительного центрифужного уранового завода, состоящего из трех прямоугольных каскадов газовых центрифуг постоянной ширины и обозначены места установки регулирующих клапанов - регуляторов давления и потока, а также критических диафрагм; на фиг.2 показана принципиальная схема обвязки газовых центрифуг межступенными и межкаскадными потоками, характерная для ступени подпитки каскада межкаскадными потоками в отборной части каскада.

Завод из каскадов 1, 2 и 3 газовых центрифуг (см. фиг.1) имеет поток 4 внешнего питания сырьевым гексафторидом урана, отборный поток 5 обогащенной по изотопу уран-235 фракции гексафторида урана массовым расходом F_p и отвальный поток 6 обедненной по изотопу уран-235 фракции гексафторида урана массовым расходом F_w. Каждый каскад завода характеризуется потоком 7 отбора последней ступени, потоком 8 отвала первой ступени, потоками 9 и 10 закрутки на концевых ступенях. Отборные потоки каскада 1 или каскада 2 образуют через межкаскадные коммуникации потоки 11 и 12 подпитки последующих каскадов, соответственно 2 или 3, массовые расходы которых можно обозначить как , и , соответственно.

Поток 4 и межкаскадные потоки 11 и 12 делят массив газовых центрифуг каскадов соответственно на отборную 1₁ и отвальную 1₃ части для каскада 1, на отборные 2₁ и 3₁, центральные 2₂ и 3₂ и отвальные 2₃ и 3₃ части для каскадов 2 и 3.

Каскады завода составлены из ступеней 13, имеющих различное число газовых центрифуг в каждом каскаде. Ступени каскадов объединены между собой межступенными потоками 14 и 15 соответственно, обогащенной и обедненной фракций изотопной газовой смеси с массовыми расходами и изотопными концентрациями, соответственно , и , .

Для стабилизации гидравлического режима каскадов и ступеней на отборных (подпитывающих) потоках 12 в отвальной частях каскадов и на обедненных межступенных потоках 15 установлены регуляторы 16 давления. Задание и корректировку расходов потока 4 и отборных (подпитывающих) потоков 11 осуществляют с помощью регуляторов 17 потока, которые установлены перед критическими диафрагмами 18. Использование критических диафрагм в устройствах корректировки расходов потоков связано с тем, что массовый расход газа через такую диафрагму определяется только ее тарировочным коэффициентом и давлением газа. С помощью регуляторов 16 и 17 гидравлический режим массива газовых центрифуг по результатам оптимизационных расчетов и последующей установки транзитного потока 19 в центральной части каждого каскада максимально подстраивается под профиль 20 изменения массового расхода потока изотопной газовой смеси по ступеням каскадов, характерный для идеально организованной конфигурации схемы завода.

Подпитка каскада 2 или 3 потоками 11 и 12 ведется на вход ступеней, имеющих номера соответственно 13_m и 13_n+1 (фиг.1 и 2), где изотопная концентрация межступенных потоков питания ступеней близка или равна изотопной концентрации межкаскадного потока подпитки.

На коллекторах потоков 4, 5 и 11 у критических диафрагм 18, а также на коллекторах потоков 6, 12 и 15 перед регуляторами давления 16 установлены датчики давления 21.

Ступени 13 каскадов (фиг.2) представляют собой массив N_j газовых центрифуг, разделенный на параллельные блоки 22 газовых центрифуг, каждый из которых имеет поток 23 питания, потоки 24 и 25 обогащенной и обедненной фракций изотопной газовой смеси соответственно.

Инструментальный контроль изотопной концентрации осуществляют радиационными измерителями 26 обогащения гексафторида урана, которые установлены на коллекторе потока 11 (12) подпитки и межступенных потоков 14_n-1 (14_m-1) и 15_n+1 (15_m+1) питания блоков 22 ступени 13_n (13_m). Регуляторы 17 потока, датчики 21 давления и измерители 26 изотопной концентрации функционально связаны с информационной шиной 27 системы управления каскадами, где ведется вычисление , определение величины коррекции давления ΔР_i и последующая выдача сигнала на изменение положения регуляторов 17 потока.

Способ управления каскадом газовых центрифуг реализуют следующим образом. Проводят оптимизационный расчет конфигурации объединения существующего массива газовых центрифуг в случае изменения изотопной концентрации сырьевого гексафторида урана и требуемой концентрации изотопа урана-235 в товарном обогащенном гексафториде урана. Согласно количеству газовых центрифуг и числу ступеней в каскадах завода определяют массовые расходы межкаскадного потока подпитки и отборного потока в отборной части каскадов. Рассчитывают массовые расходы межступенных потоков и межступенные концентрации урана-235 в гексафториде урана.

Межступенные потоки каскадов подстраивают под расчетный гидравлический режим. Для этого в каскадах 2 и 3 регуляторами 16 устанавливают давление гексафторида урана в межступенных потоках отвала, равное номинальному - установленному техническими условиями на эксплуатацию газовых центрифуг. Дальнейшее поддержание этого давления ведется в пределах возможной точности регулирования. В отборной части каскада выбирают ступень (в расчетах обозначаемую номером "р"), имеющую изотопную концентрацию обогащенной фракции, равную товарной. Задают расчетный массовый расход транзитного потока в центральной части каскада как τ_onm=F_p-F_n+1 путем установки давления у критической диафрагмы 18 регуляторами 17 на коллекторах потоков 5 и 11 каскада согласно соотношению:

где Р_i - давление изотопной газовой смеси у соответствующей критической диафрагмы, Па.

По достижении стационарного гидравлического режима каскада с помощью измерителей 26 ведут контроль концентрации изотопа уран-235 в межступенных потоках 14 и 15 питания ступеней 13 с номерами "m" и "n". По соотношениям (1) и (2) периодически рассчитывают величину . Определяют коэффициент использования разделительной мощности ступеней и центральной части каскада по соотношениям (6) и (8) через относительную разделительную нагрузку β_i:

При существенном отклонении К_им от возможного теоретического значения корректируют величину давления в коллекторах потоков 5 и/или 11 согласно соотношениям (3)-(5).

В качестве примера конкретного выполнения способа в таблице 1 показано влияние отклонения фактического массового расхода транзитного потока от расчетного значения на величину и коэффициент использования разделительной мощности К_им для центральной части каскада, состоящей из 10 ступеней.

Из таблицы 1 следует, что при существующем способе управления гидравлическим режимом каскада (столбцы 5-8) отклонение фактической от оптимальных расчетных значений может достигать 5-8%, что соответствует потери производительности газовых центрифуг каскада до 2% и более.

При существующей погрешности (не более 0,5 отн.%) технических средств измерения концентрации изотопа урана-235 в гексафториде урана масс-спектрометрическим или радиационным способами точность определения составляет ±1,1 абс.%. В связи с чем имеется полная возможность установить фактический расход транзитного потока относительно его расчетного значения с точностью ±9-10% (столбцы 3 и 4 таблицы) и вести эксплуатацию каскада с фактическим К_им, отличающемся от расчетной максимальной величины не более чем на 0,2%.

Таблица 1 Относительная разность изотопных концентраций потоков питания ступеней в центральной части каскада при различном отклонении фактического массового расхода транзитного потока от расчетного значения
Номер ступени каскада	Относительный транзитный поток τф/τonm, %
100 (оптимальный режим)	109,9	90,1	119,7	80,2	139,5	60,5
1	2	3	4	5	6	7	8
1	0,2	1,1	-1,2	2,7	-2,5	5,1	-5,3
2	0,2	1,0	-1,1	2,3	-2,1	4,4	-4,5
3	0,1	0,8	-0,9	1,9	-1,7	3,6	-3,4
4	0,1	0,6	-0,6	1,3	-1,1	2,7	-2,3
5	0,0	0,5	-0,3	0,7	-0,5	1,5	-0,9
6	0,0	0,1	+0,1	0,0	0,2	0,2	0,6
7	0,0	-0,2	0,5	-0,1	1,0	-1,3	2,3
8	0,0	-0,6	1,0	-1,8	1,9	-3,2	4,1
9	0,0	-1,0	1,5	-2,9	3,0	-5,5	6,1
10	0,0	-1,9	2,3	-4,1	4,1	-8,3	7,8
Ким каскада	99,99	99,80	99,80	99,38	99,37	97,91	97,73

Таким образом, использование заявленного способа управлением каскадами изотопно-разделительного уранового центрифужного завода может привести к повышению коэффициент использования разделительной мощности каскадов на 0,4-1,8% за счет повышения качества управления. Причем для внедрения способа необходимо лишь оснащение межступенных потоков питания двух ступеней каскада инструментальными средствами экспресс-контроля массовой доли изотопа уран-235 в гексафториде урана.

1. Способ управления каскадом газовых центрифуг для обогащения урана с близким или равным числом центрифуг в ступенях, объединенных межступенными потоками циркуляции изотопной газовой смеси, имеющем отборные потоки в отборной и отвальной частях каскада, два межкаскадных потока подпитки каскада, между которыми расположена центральная часть каскада, критические диафрагмы и/или регулирующие клапаны для установки и коррекции массовых расходов отборных и межкаскадных потоков, включающий 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, отличающийся тем, что коррекцию массовых расходов потоков ведут в отборной части каскада пропорционально величине относительной разности изотопных концентраций межступенных потоков питания ступени, определяемой по результатам измерения фактических изотопных концентраций изотопной газовой смеси в межступенных потоках и вычисляемой по соотношению

где - относительная разность изотопных концентраций межступенных потоков питания i-й ступени, %;

- относительная изотопная концентрация потока питания i-й ступени, мас.%;

- фактические изотопные концентрации изотопной газовой смеси обогащенного и обедненного межступенных потоков питания i-й ступени каскада соответственно, мас.%;

- расчетный массовый расход обогащенного и обедненного межступенных потоков питания i-й ступени каскада соответственно, г/с;

i - номер ступени каскада,

р - число ступеней в каскаде;

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что коррекцию массовых расходов потоков ведут пропорционально величине относительной разности изотопных концентраций межступенных потоков питания ступени, определенной для крайних ступеней центральной части каскада.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что коррекцию массовых расходов потоков ведут через коррекцию давления изотопной газовой смеси у критической диафрагмы, величину которого определяют из соотношения

i=n+1, p,

где ΔP_i - величина коррекции давления изотопной газовой смеси у критической диафрагмы на ступени подпитки и/или отбора, Па;

d_i - диаметр проходного отверстия критической диафрагмы, м;

K_i - тарировочный коэффициент соответствующей критической диафрагмы;

Δτ - отклонение фактического массового расхода транзитного потока от расчетной величины, г/с,

Δτ=τ_ф-τ_onm,

τ_ф - фактический массовый расход транзитного потока, г/с,

- расчетный массовый расход транзитного потока, г/с;

F_р - расчетный массовый расход отборного потока в отборной части каскада, г/с;

F_n+1 - расчетный массовый расход межкаскадного потока подпитки в (n+1)-ю ступень отборной части каскада, г/с;

β_n, β_m - относительная разделительная нагрузка соответственно n-й и m-й ступеней каскада,

L_n, L_m - расчетный массовый расход межступенного потока питания соответственно n-й и m-й ступеней каскада, г/с;

θ_n, θ_m - расчетный коэффициент деления потока питания соответственно в n-й и m-й ступенях каскада;

, - расчетный коэффициент обогащения соответственно в n-й и m-й ступенях каскада;

е_м - расчетная разделительная мощность газовой центрифуги, г/с;

Ni - число центрифуг в i-й ступени каскада, i=n, m;

n, m - номера крайних ступеней центральной части каскада, n>m, n≤p, m≥2.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что периодичность измерения изотопной концентрации составляет не более 200 с.

5. Способ по пп.3 и 5, отличающийся тем, что периодичность вычисления фактического массового расхода транзитного потока составляет не более 200 с.

6. Способ по п.1 или 3, отличающийся тем, что измерение изотопной концентрации ведут радиационным способом.