Газовая центрифуга

Изобретение относится к газовым центрифугам для разделения изотопов и газовых смесей, преимущественно для разделения термонестабильных газов. Газовая центрифуга содержит герметичный корпус, установленный в него вертикальный цилиндрический ротор с верхней и нижней торцевыми крышками, газораспределительный коллектор с отборными трубками. При этом для отбора каждой из разделенных фракций из ротора используются по меньшей мере два одинаковых отборника, расположенных в одном радиальном сечении на равном расстоянии от оси ротора и соединенных с отборными трубками газораспределительного коллектора. Техническим результатом является снижение тепловыделения на отборнике, увеличение идентичности индивидуальных характеристик газовых центрифуг и повышение эффективности газовых центрифуг при работе в группе. 2 ил., 1 пр.

 

Изобретение относится к газовым центрифугам (ГЦ) для разделения изотопов и газовых смесей, преимущественно для разделения термонестабильных газов и предназначено для снижения тепловыделения на отборнике и увеличения идентичности индивидуальных характеристик газовых центрифуг.

Известна газовая центрифуга, являющаяся аналогом, в которой для обеспечения механической симметрии и пропускной способности трасс были применены две пары откачных трубок, не использующих эффекта напора для повышения давления газа (Gernot Zippe «А Progress Report: The Development of Short Bowl Ultracentrifuges» UVA/ORL-2400-59 (1 July 1959). В условиях сравнительно небольшой окружной скорости вращения ротора энергозатраты на торможение газа и откачку газа такими отборниками были весьма существенными. Применение отборников типа трубок Пито, позволило существенно снизить необходимые пропускные сечения отборников и создать необходимое торможение газа при существенно меньших энергозатратах даже при применении одного отборника.

Известна газовая центрифуга, содержащая герметичный корпус, установленный в него вертикальный цилиндрический ротор с верхней и нижней торцевыми крышками, газораспределительный коллектор с отборными трубками (RU 2394652, кл. В04В 5/08, 27.03.2010).

В указанном изобретении, являющимся прототипом, неподвижные отборники, расположенные у противоположных торцов ротора за счет скоростного напора отбираемого газа позволяют поднять давление в трассах отбора выше, чем в трассе питания газовой центрифуги. Такое решение позволяет создать высокоэффективные каскадные промышленные компоновки для разделения изотопов из газовых центрифуг, объединенных параллельно в разделительную ступень, а разделительные ступени соединены последовательно. За счет более высоких, чем в потоке питания, давлений в трассах отбора разделенных фракций центрифуги, разделенные фракции поступают в соседние ступени самотеком /«Обогащение урана» Под редакцией С. Виллани, М: Энергоатомиздат, 1983 г, стр. 107-109, 182-183/.

В конструкции газовой центрифуги - прототипа отборник тяжелой фракции выполняет одновременно и другую функцию: создание противоточного течения газа в роторе противоточной газовой центрифуги за счет торможения газа отборником у торца отбора тяжелой фракции. Параметры этого противоточного течения (массовый поток, скорость и так далее) для максимальной производительности газовой центрифуги оптимизируются подбором геометрии отборника, в основном - расстоянием между входным сечением отборника и осью ротора. Чем больше это расстояние, тем больше и торможение газа и величина интенсивности противоточного течения. Поскольку скорость вращения ротора обычно во много раз превосходит скорость звука в рабочем газе, то газ, проходя через ударную волну, которая устанавливается перед входным сечением отборника, повышает свое давление, но одновременно и повышает свою температуру.

Недостатком, возникающих при конструировании таких высокоскоростных газовых центрифуг, является неидентичность характеристик1 (В.А. Палкин, Оценка снижения разделительной способности ступеней каскада газовых центрифуг, АЭ, 2014, т. 116, вып. 5, с. 295-300), вызванных как допусками на изготовление и размещение отборных трубок внутри ротора в тонком слое рабочего газа, так и отклонением фактической оси вращения ротора от оси неподвижного газораспределительного коллектора, в который установлены отборные трубки. Например, в современных газовых центрифугах изменение положение отборника тяжелой фракции на 0,1 мм приводит к изменению давления в трассе на 10-15%. Указанная неидентичность приводит к изменению оптимальных режимов работы части газовых центрифуг и уменьшению их производительности при их параллельном соединении в промышленных установках для разделения изотопов.

Другой недостаток рассмотренных газовых центрифуг связан с тем, что для создания противоточного течения оптимальной интенсивности за счет торможения газа отборником тяжелой фракции, оптимальное по параметрам торможения газа расстояние от оси ротора до входного сечения отборника приводит к достаточно высоким значениям давления газа в трассе отбора тяжелой фракции. Газ после прохода ударной волны нагревается и нагревает отборник тяжелой фракции, причем этот нагрев тем больше, чем выше значения давления в трассе отбора тяжелой фракции. В случае, когда газ имеет низкую термическую стабильность, при высокой температуре отборника в районе входного сечения происходит разложение газа. Это приводит к появлению отложений на отборнике и уменьшению его проходного сечения, что снижает эффективность работы газовой центрифуги. Для уменьшения этого эффекта давление газа в трассе отбора тяжелой фракции и, соответственно, величину торможения и интенсивности противотока необходимо снижать, что приводит к невозможности выбора оптимальной величины противотока и потерям производительности ГЦ.

Аналогичные процессы разложения рабочего газа возможны и на отборнике легкой фракции, они приводят к нарушениям гидравлических режимов работы газовой центрифуги, снижению потока питания ГЦ и также к потерям производительности ГЦ.

Задача изобретения заключается в том, чтобы уменьшить неблагоприятное влияние неидентичности индивидуальных характеристик ГЦ, вызванных изготовлением, на разделительную способность газовой центрифуги и снизить температуру отборника.

Поставленная задача решается тем, что газовая центрифуга содержит герметичный корпус, установленный в него вертикальный цилиндрический ротор с верхней и нижней торцевыми крышками, газораспределительный коллектор с отборными трубками, при этом для отбора каждой из разделенных фракций из ротора используются, по меньшей мере, два одинаковых отборника, расположенных в одном радиальном сечении на равном расстоянии от оси ротора и соединенных с отборными трубками газораспределительного коллектора.

Дополнительно, выходы отборников соединены в общую трассу.

Дополнительно, отборники размещены с осевой симметрией в каждом сечении.

Дополнительно, несколько отборников используются для вывода тяжелой фракции.

Дополнительно, несколько отборников используются для вывода легкой фракции.

Изобретение поясняется следующими чертежами:

Фиг. 1 - известная центрифуга.

Фиг. 2 - заявляемая центрифуга.

В крышке 1 герметичного корпуса 2 известной газовой центрифуги (Фиг. 1) неподвижно закреплен газораспределительный коллектор, включающий трубку 3 питания и отборные трубки 4. Трубки 3 и 4 проходят внутрь вертикального цилиндрического ротора 5 с верхней и нижней торцевыми крышками (6, 7) вблизи оси его вращения. Рабочий газ выводится из ротора 5 с помощью неподвижных отборников 6 и 7, соединенных с газораспределительным коллектором трубками 4. На Фиг. 2 представлено размещение отборников тяжелой фракции согласно заявляемому изобретению - для вывода рабочего газа используется несколько отборников 8 и (или) 9, расположенных в одном сечении, на одном радиальном расстоянии от оси ротора и соединенных с трубками 4 газораспределительного коллектора.

Газовая центрифуга работает следующим образом: исходный рабочий газ, содержащий смесь изотопов или иных газовых компонент, непрерывно подается через трубку питания 3 во вращающийся высокооборотный ротор 5 и вовлекается во вращательное движение. Под действием центробежных сил смесь разделяется на фракции обогащенные легкими и тяжелыми компонентами смеси, так называемые легкую и тяжелую фракцию. Тяжелая фракция концентрируется вблизи боковой стенки ротора, а легкая фракция - вблизи его оси. Поток тяжелой фракции вращаясь вместе с ротором движется также в осевом направлении вдоль стенки ротора к неподвижному отборнику тяжелой фракции 8, размещенному у одного из концов ротора. Часть потока тяжелой фракции попадает в входное сечение отборника 8, по которому поступает в канал газораспределительного коллектора 4 и выводится из ротора 5. Часть газа, прошедшая внутрь отборника 8 тормозится в наибольшей степени и движется по трубке под действием перепада давлений на выход из центрифуги. Другая часть газа движется снаружи трубки, выходя из зоны отбора и создавая внутренний противоток. Режим обтекания отборника 8 зависит от геометрии отборника и не является предметом данной заявки. Также происходит и вывод легкой фракции разделенного рабочего газа у противоположного торца ротора через отборник 9 и канал газораспределительного коллектора.

Газовая центрифуга заявляемой конструкции работает аналогичным образом со следующими преимуществами перед известными: сниженное тепловыделение на каждом отборнике, увеличивает идентичность индивидуальных характеристик ГЦ и, как следствие, повышает эффективность ГЦ при работе в группе.

Эффективность решения объясняется следующим.

Повышение идентичности характеристик ГЦ достигается за счет усреднения давления в трассе вывода рабочего газа из ротора рассматриваемой ГЦ. Так, например, установка двух отборников с одинаковыми допусками снижает реальный статистический допуск на размещение отборников в раз, а неидентичность, связанная с несовпадением геометрической и физической оси ротора, приводит к тому, что на одном отборнике давление на величину Δ больше расчетного, а на втором на ту же величину меньше. Указанные факторы снижают влияние индивидуального давления в каждом отборнике на общее давление в трассе отбора ГЦ согласно следующей формуле:

где Робщ - давление рабочего газа в трассе;

Pi - индивидуальное давление в каждом отборнике.

Для создания оптимального противоточного течения внутри ротора требуется организовать торможение рабочего газа о неподвижный отборник, при этом выделяется определенное количество тепла. В случае применения нескольких отборников для создания аналогичного противоточного течения общее тепловыделение не изменится, и будет равно сумме тепловыделений на каждом отборнике. При этом Q1>>Qi.

где Q1 - тепловыделение в ГЦ с одним отборником;

Qi - тепловыделение на i отборнике;

n - количество отборников.

При вращении ротора газовой центрифуги энергорасходы на торможение газа на отборниках в основном определяют величину необходимой мощности трения - общий энергорасход ГЦ, при этом основной энергорасход приходится на торможение газа отборником тяжелой фракции (отборник легкой фракции работает при давлениях в 5-10 раз ниже). Поэтому при оптимальных значениях противоточного течения в роторах ГЦ с одним и с несколькими отборниками фракции, энергорасходы ГЦ практически одинаковы.

Таким образом, применение известного решения - установки неподвижных отборников разделенных фракций в роторе газовой центрифуги для вывода разделенных фракций и создания циркуляции в предлагаемом техническом решении - при установке более, чем одного отборника в сечении отбора разделенной фракции приводит к эффекту уменьшения неидентичности газовых центрифуг по величине оптимального потока циркуляции в роторе и давления отбора тяжелой фракции, что повышает производительность группы ГЦ при их параллельном соединении за счет уменьшения эффекта смешения потоков разных концентраций в общих трассах группы ГЦ при сохранении энергорасходов на работу ГЦ. Дополнительным эффектом технического решения является также уменьшение температуры отборников, что дает возможность использовать для разделения изотопов рабочие газы с пониженной термической стабильностью.

Пример применения:

В известную газовую центрифугу вместо одного отборника тяжелой фракции были установлены согласно предлагаемому решению два отборника тяжелой фракции, расположенные в одном сечении и с осевой симметрией, так, что входные сечения отборников были на одинаковом расстоянии от оси ротора.

Проведены испытания газовой центрифуги, известной конструкции, которые показали, что изменение радиального положения входного сечения отборника тяжелой фракции на 0,1 мм привело к изменению давления в трассе на 10-15% от исходного значения. Эта величина изменения положения отборника сравнима с реально существующим при изготовлении группы ГЦ.

Проведены аналогичные испытания газовой центрифуги с двумя отборниками тяжелой фракции (один отборник легкой фракции), расположенными как указано выше в примере применения. Испытания показали, что изменение положение отборника на 0,1 мм приводит к изменению давления в трассе на 3-4%. Тем самым, достигается заявляемый эффект. Производительность ГЦ и общая мощность трения, выделяемая при вращении ротора ГЦ в оптимальном режиме практически не изменились.

Газовая центрифуга, содержащая герметичный корпус, установленный в него вертикальный цилиндрический ротор с верхней и нижней торцевыми крышками, газораспределительный коллектор с отборными трубками, отличающаяся тем, что для отбора каждой из разделенных фракций из ротора используются по меньшей мере два одинаковых отборника, расположенных в одном радиальном сечении на равном расстоянии от оси ротора и соединенных с отборными трубками газораспределительного коллектора.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к оборудованию для непрерывного разделения смесей газов в поле центробежных сил и касается конструкции высокооборотной газовой центрифуги. Газовая центрифуга содержит корпус с крышкой, установленный в нем тонкостенный цилиндрический ротор, снабженный крышкой и размещенным в его полости газовым коллектором, состоящим из концентрично расположенных с зазорами неподвижных трубок подачи газовой смеси и отборных трубок тяжелой и легкой фракций, нижнюю опору ротора и его верхнюю магнитную опору, содержащую укрепленную на крышке ротора ферромагнитную втулку, охватывающую с зазором наружную трубку газового коллектора, и цилиндрический аксиально намагниченный магнит с полюсным наконечником, установленный над указанной втулкой на крышке корпуса.

Группа изобретений относится к области обогащения изотопных газообразных смесей, в частности смеси из изотопов U235 и U238, малоразличимых между собой по молекулярному весу, но имеющих отличия в уровне радиоактивности.

Изобретение относится к оборудованию для непрерывного разделения смесей газов с разным молекулярным весом в поле центробежных сил и касается конструкции газовой центрифуги.

Изобретение относится к центробежным устройствам для очистки газа от твердых частиц и мелкодисперсных капель жидкости и может быть использовано в системах компримирования, очистки и осушки газа, применяемых в нефтяной, химической и газовой отраслях промышленности.

Изобретение относится к центробежному сепаратору для очистки газа, содержащего масло, главным образом для очистки картерных газов из двигателя внутреннего сгорания, такого как дизельный двигатель.

Изобретение относится к центробежным устройствам для очистки газа от капельной жидкости и механических примесей и может найти применение в системах компримирования, очистки и осушки газа.

Изобретение относится к разделению изотопных и газовых смесей, преимущественно газообразных соединений изотопов урана. Газовая центрифуга содержит герметичный неподвижный корпус в виде вертикального цилиндра, вращающийся ротор, соосно размещенный в корпусе, выполненный в виде вала и снабженный жестко закрепленной на нем лопаткой с выступающим элементом, отборные трубки разделенных фракций, каналы вывода разделенных фракций, выведенные наружу через вал ротора и имеющие расположенные на разной высоте горизонтальные участки с радиально удаленными от продольной оси корпуса входными отверстиями, при этом горизонтальные участки отборных трубок размещены внутри каждой лопатки, а входные отверстия отборных трубок расположены на выступающем элементе каждой лопатки в разных зонах турбулентности, и впускное отверстие, размещенное внизу корпуса, для подвода исходной газовой смеси.

Изобретение относится к атомной энергетике, в частности к газовым центрифугам для обогащения урана. Центрифуга для обогащения урана содержит ротор центрифуги и электродвигатель.

Изобретение относится к сепаратору, предназначенному для очистки газообразной текучей среды. Способ сборки газоочистного сепаратора и сепаратор, собранный данным способом для разделения текучей смеси веществ различной плотности, таких как газ и жидкость, причем сепаратор содержит: кожух, содержащий первую и вторую отдельные части, причем первая часть кожуха имеет установочную поверхность, на которой устанавливается базовая поверхность второй части кожуха так, чтобы образовать внутреннее пространство кожуха и роторный узел, расположенный в указанном внутреннем пространстве и способный вращаться вокруг оси первой части кожуха относительно кожуха, причем роторный узел содержит вращающийся вал, установленный с возможностью вращения в первой части кожуха с помощью подшипникового узла и установленный с возможностью вращения во второй части кожуха, при этом способ сборки указанного сепаратора содержит этапы, на которых: устанавливают с возможностью вращения вращающийся вал во второй части кожуха в заданном положении относительно указанной базовой поверхности, причем указанное заданное положение совпадает с указанной осью, когда базовая поверхность второй части кожуха совмещается с установочной поверхностью первой части кожуха, располагают подшипниковый узел в зажимное приспособление, причем зажимное приспособление содержит базовую поверхность для совмещения с установочной поверхностью первой части кожуха, и средство приема указанного подшипникового узла в положение относительно базовой поверхности зажимного приспособления так, что подшипниковый узел принимается зажимным приспособлением в положении относительно базовой поверхности зажимного приспособления, которое совпадает с указанной осью, когда базовая поверхность зажимного приспособления совмещается с указанной установочной поверхностью первой части кожуха, совмещают базовую поверхность зажимного приспособления с указанной установочной поверхностью первой части кожуха и закрепляют подшипниковый узел на первой части кожуха.

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.

Группа изобретений относится к области обогащения изотопных газообразных смесей, в частности смеси из изотопов U235 и U238, малоразличимых между собой по молекулярному весу, но имеющих отличия в уровне радиоактивности.

Изобретение относится к способам очистки загрязненного вредными изотопами сырья для использования его в дальнейшем для получении восстановленного урана для ядерного топлива.

Изобретение относится к технологии разделения изотопов урана методом газового центрифугирования. Способ частичной экстренной эвакуации гексафторида урана из технологической секции каскада по разделению изотопов урана заключается в том, что осуществляют экстренную эвакуацию части газа из технологической секции по трубопроводу легкой фракции, при этом во время эксплуатации технологических секций каскада по разделению изотопов урана ручные клапаны на трубопроводах легкой фракции постоянно открыты, а ручные клапаны на трубопроводе тяжелой фракции и трубопроводе питания постоянно закрыты, а исполнительный элемент автоматически открывается при возникновении экстренной ситуации для удаления легких примесей и продуктов разрушения вместе с потоком гексафторида урана в дополнительную установку.

Изобретение относится к разделению изотопных и газовых смесей, преимущественно газообразных соединений изотопов урана. Газовая центрифуга содержит герметичный неподвижный корпус в виде вертикального цилиндра, вращающийся ротор, соосно размещенный в корпусе, выполненный в виде вала и снабженный жестко закрепленной на нем лопаткой с выступающим элементом, отборные трубки разделенных фракций, каналы вывода разделенных фракций, выведенные наружу через вал ротора и имеющие расположенные на разной высоте горизонтальные участки с радиально удаленными от продольной оси корпуса входными отверстиями, при этом горизонтальные участки отборных трубок размещены внутри каждой лопатки, а входные отверстия отборных трубок расположены на выступающем элементе каждой лопатки в разных зонах турбулентности, и впускное отверстие, размещенное внизу корпуса, для подвода исходной газовой смеси.

Изобретение относится к атомной энергетике, в частности к газовым центрифугам для обогащения урана. Центрифуга для обогащения урана содержит ротор центрифуги и электродвигатель.

Изобретение относится к технологии рециклирования ядерных энергетических материалов и может быть использовано для возврата урана, выделенного из отработавшего ядерного топлива, в топливный цикл легководных реакторов.

Изобретение относится к ядерному топливному циклу, а именно к технологии получения разбавителя для переработки гексафторида оружейного высокообогащенного урана (ВОУ) в гексафторид низкообогащенного урана (НОУ).

Изобретение относится к способу разделения и обогащения изотопов с помощью процесса диффузии. .
Изобретение относится к области разделения стабильных изотопов и может быть использовано в полупроводниковой технике. .

Группа изобретений относится к способу обезвоживания серы и устройству для его осуществления. Способ обезвоживания серы включает следующие этапы: подачу газообразной смеси при повышенной температуре в циклон, при этом газообразная смесь содержит газообразную серу и водяной пар, и осуществление циклонного разделения газообразной серы и водяного пара, содержащихся в газообразной смеси.

Изобретение относится к газовым центрифугам для разделения изотопов и газовых смесей, преимущественно для разделения термонестабильных газов. Газовая центрифуга содержит герметичный корпус, установленный в него вертикальный цилиндрический ротор с верхней и нижней торцевыми крышками, газораспределительный коллектор с отборными трубками. При этом для отбора каждой из разделенных фракций из ротора используются по меньшей мере два одинаковых отборника, расположенных в одном радиальном сечении на равном расстоянии от оси ротора и соединенных с отборными трубками газораспределительного коллектора. Техническим результатом является снижение тепловыделения на отборнике, увеличение идентичности индивидуальных характеристик газовых центрифуг и повышение эффективности газовых центрифуг при работе в группе. 2 ил., 1 пр.

Наверх