Способ разделения смесей изотопов и устройство для его осуществления

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, содержащего изотопы U235 и U238, а также в газонефтеперерабатывающей, металлургической и химической промышленности для разделения смесей газов, находящихся в газожидкостной смеси. Способ разделения смесей изотопов включает ввод разделяемой смеси изотопов тангенциальным инжектированием, разделение смеси изотопов в вихревом потоке, при этом разделяемой рабочей смесью является жидкий раствор, в котором преобладающим компонентом является низкокипящий неорганический щелочной растворитель, а растворенное вещество гексафторид урана и отвод обогащенной и обедненной целевым изотопом продуктов. Устройство для разделения смесей изотопов содержит корпус 5, узлы ввода разделяемой смеси тангенциальным инжектированием 5 и отвода обогащенной и обедненной целевым изотопом продуктов 7 и 8, емкость 1 и насос 2 для исходной разделяемой смеси и емкость 3 и насос 4 для обогащенного целевым изотопом продукта, магистрали 10, 11 и 12 для ввода разделяемой смеси, отвода обогащенного и обедненного целевым изотопом продуктов и установленную внутри корпуса 5 перегородку 9 в виде диска с отверстием, диаметр которого относится к диаметру диска, как 3:4. Изобретение обеспечивает сокращение энергетических затрат, а также надежность и легкость в обслуживании и управлении как технологическим процессом, так и оборудованием, осуществляющим этот процесс. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

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:

,

где: - число молекул газа, имеющих энергии, большие заданной энергии W0K≥kT;

- концентрация молекул газа;

V - объем газа;

N - количество молекул газа в этом объеме;

W0K≥kT - заданная энергия, больше которой определяется количество молекул;

WK - энергия из диапазона W0K≥∞;

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:

m1ν1=m2ν2,

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:

,

где: m5=235 а.е.м. и W5 масса и энергия молекулы, включающей изотоп урана U235, a m8=238 а.е.м. и W8 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:

,

где: n5 - количество атомов изотопа U235 в обогащенном продукте,

n8 - количество атомов изотопа U238 в обедненном продукте.

Поскольку W5 и W8 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.

1. Способ разделения смесей изотопов, включающий ввод разделяемой смеси изотопов инжектированием и отвод обогащенной и обедненной целевым изотопом продуктов, отличающийся тем, что ввод разделяемой смеси изотопов осуществляют тангенциальным инжектированием, а разделение смеси изотопов проводят в вихревом ее потоке, при этом разделяемой рабочей смесью является жидкий раствор, в котором преобладающим компонентом является низкокипящий неорганический щелочной растворитель, а растворенное вещество - гексафторид урана.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве низкокипящего неорганического щелочного растворителя используют щелочь.

3. Устройство для разделения смесей изотопов, содержащее корпус, узел ввода разделяемой смеси инжектированием и узлы отвода обогащенной и обедненной целевым изотопом продуктов, отличающееся тем, что оно 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.

4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что перегородка смонтирована таким образом, что отделяемый ею объем составляет 1/3 объема корпуса.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к разделению изотопов на основе селективной фотоионизации лазерного излучения и может быть использовано при производстве редких изотопов в целях их применения в приборостроении, биологических исследованиях и радиационной медицине.

Изобретение относится к химической, нефтехимической, ядерной промышленности и медицине и может быть использовано для получения криптона, ксенона, дейтерия, трития, гелия-3.

Изобретение относится к способам обогащения газовых или изотопных смесей в газовых центрифугах и к конструкции таких центрифуг. .

Изобретение относится к квантовой электронике и лазерной технологии и может быть использовано в ядерной физике для разделения изотопов. .

Изобретение относится к квантовой электронике и лазерной технологи и может быть использовано в ядерной физике для разделения изотопов. .

Изобретение относится к технологии разделения стабильных изотопов, в частности к очистке изотопов ксенона, полученных на каскаде центрифуг с заданным изотопным составом и используемых в ядерной физике для определения массы нейтрино.

Изобретение относится к электрофизике, в частности к системам, служащим для разделения изотопов, например для разделения тяжелых изотопов (атомная масса А>>1). .

Изобретение относится к способам разделения и очистки изотопов и устройствам для осуществления этого процесса. .
Изобретение относится к технологии разделения стабильных изотопов. .

Изобретение относится к разделению изотопов элементов, в частности к способу получения изотопов неодима. Способ заключается в применении метода центрифугирования, в котором разделительный эффект определяется разностью молекулярных масс изотопов, при этом в качестве рабочего газа выбирают неодимсодержащее газообразное соединение из класса соединений повышенной летучести, полученных обработкой бета-дикетонатов неодима полифторированными эфирами этиленгликоля, полифторированными эфирами диэтиленгликоля или полифторированными формалями, определяют технологические параметры рабочего газа: зависимость давления насыщенного пара выбранного вещества от соответствующей ему температуры и температуру его разложения, выбирают температуру эксплуатации разделительной установки, обеспечивающую давление насыщенного пара, выбранного вещества не ниже 4 мм рт.ст., но не выше 0,8 от температуры разложения, и осуществляют нагрев и поддержание выбранной температуры эксплуатации разделительной установки, включающей коммуникации, контрольные и регулирующие устройства и газовые центрифуги.
Изобретение относится к неорганической химии и физике разделения веществ, в частности к технологии производства фторидных соединений урана и разделению его изотопов.

Изобретение относится к способу и устройству для очистки воздуха от трития и его концентрации в форме сверхтяжелой воды. Способ очистки воздуха от газообразного трития заключается в окислении трития воздуха в водородно-кислородном пламени. Устройство для очистки воздуха и концентрации трития в воде содержит герметично закрытую камеру для окисления трития при высокой температуре в водородно-кислородном пламени, газовая смесь для которого поступает из водородно-кислородного генератора, насос для вывода полученной смеси воздуха и водяных паров, холодильник для ее охлаждения, водяной фильтр для удержания конденсированной воды, оборудование для хранения трития.

Изобретение относится к ректификационному устройству для очистки воды от примесей в виде молекул воды, содержащих в своем составе тяжелые изотопы водорода и кислорода.

Изобретение относится к способу получения питьевой воды с пониженным содержанием дейтерия и устройству для его осуществления. Способ включает охлаждение питьевой воды путем добавления гранул твердого диоксида углерода в соотношении воды к диоксиду углерода 1 : 10, перемешивание в течение 15-20 минут при скорости вращения мешалки 45-50 об/мин, обработку воды электромагнитным полем низких частот в интервале 18-48 Гц в процессе перемешивания, фильтрование через металлокерамический обеспложивающий фильтр с получением жидкой и твердой фаз, сбор жидкой фазы, обедненной дейтерием, нагревание и утилизацию твердой фазы.

Изобретение относится к области технологии разделения стабильных изотопов азота 14N и 15N. Способ концентрирования изотопов азота включает проведение противоточного массообменного процесса с использованием молекулярного азота в качестве рабочего вещества, при этом газообразную смесь изотопов азота приводят в контакт с раствором нитрогенильного комплексного соединения переходного металла, способного к термическому отщеплению молекулярного азота и вступающего с ним в реакцию химического изотопного обмена с накоплением 15N в одной из фаз, a 14N - в другой.
Изобретение относится к области получения радиоактивных изотопов, а более конкретно к технологии получения радиоактивного изотопа никель-63, используемого в производстве бета-вольтаических источников тока.

Изобретение относится к реакторной технологии получения радионуклидов и может быть использовано для производства радионуклида 63Ni, являющегося основой для создания миниатюрных автономных источников электрической энергии с длительным сроком службы, работающих на бета-вольтаическом эффекте.

Изобретение относится к установке для разделения изотопов методом фракционной перегонки. Установка содержит многоканальную ректификационную колонну 1, выполненную в виде каскада последовательно расположенных в вертикальном направлении модулей 11 с параллельно расположенными трубками 2, образующими рабочие каналы с насадкой 12, верхний буфер 3 и нижний буфер 4, конденсатор 7, испаритель 8 и дозирующее устройство 5 с раздаточными трубками 6, соединенными с рабочими каналами.

Изобретение относится к молекулярной физике, а именно к области разделения изотопов водорода, и может быть использовано для выделения изотопа дейтерия D. Способ лазерного разделения изотопов водорода включает облучение исходного газа в качестве которого используется хлористый водород НСl резонансным инфракрасным излучением длиной волны 4,662 мкм, последующее воздействие лазерным излучением оптического или инфракрасного диапазона интенсивностью превышающей 1013 Вт/см2 и экстракцию образованных положительных ионов, причем время между воздействиями резонансного инфракрасного и лазерного излучений не должно превышать время распада колебательного состояния хлорида дейтерия DCl.

Изобретение относится к области разделения изотопов йода и может быть использовано для получения изотопически обогащенного йода, а также при утилизации радиоактивных отходов. Способ лазерного разделения изотопов йода включает облучение паров йода (I2) резонансным инфракрасным излучением с длиной волны 47,62 мкм, последующее воздействие сильным лазерным излучением с диапазоном излучения оптическим или инфракрасным и интенсивностью более 3×1013 Вт/см2 и экстракцию образованных положительных ионов, причем время между воздействиями резонансного инфракрасного и лазерного излучений не должно превышать время распада колебательного состояния I2. Изобретение обеспечивает повышение эффективности выделения изотопов йода лазерным излучением. 1 ил.

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, содержащего изотопы U235 и U238, а также в газонефтеперерабатывающей, металлургической и химической промышленности для разделения смесей газов, находящихся в газожидкостной смеси. Способ разделения смесей изотопов включает ввод разделяемой смеси изотопов тангенциальным инжектированием, разделение смеси изотопов в вихревом потоке, при этом разделяемой рабочей смесью является жидкий раствор, в котором преобладающим компонентом является низкокипящий неорганический щелочной растворитель, а растворенное вещество гексафторид урана и отвод обогащенной и обедненной целевым изотопом продуктов. Устройство для разделения смесей изотопов содержит корпус 5, узлы ввода разделяемой смеси тангенциальным инжектированием 5 и отвода обогащенной и обедненной целевым изотопом продуктов 7 и 8, емкость 1 и насос 2 для исходной разделяемой смеси и емкость 3 и насос 4 для обогащенного целевым изотопом продукта, магистрали 10, 11 и 12 для ввода разделяемой смеси, отвода обогащенного и обедненного целевым изотопом продуктов и установленную внутри корпуса 5 перегородку 9 в виде диска с отверстием, диаметр которого относится к диаметру диска, как 3:4. Изобретение обеспечивает сокращение энергетических затрат, а также надежность и легкость в обслуживании и управлении как технологическим процессом, так и оборудованием, осуществляющим этот процесс. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Наверх