Kaasun diffuusio

Kaasudiffuusio  on tekniikka, jota käytetään rikastetun uraanin tuottamiseen johtamalla kaasumaista uraaniheksafluoridia (UF 6 ) paineen alaisena puoliläpäisevien kalvojen läpi . Tämä johtaa lievään erottumiseen uraani-235 ( 235 U) ja uraani-238 ( 238 U) sisältävien molekyylien välillä. Useiden laitosten (vaiheiden) kaskadiliitoksen avulla voidaan saavuttaa suuri isotooppierotusaste. Se oli ensimmäinen prosessi, joka pystyi tuottamaan teollisesti rikastettua uraania.

Kaasudiffuusion kehittivät Francis Simon ja Nicholas Curti Clarendon-laboratoriossa vuonna 1940, kun IAUD-komitealle annettiin tehtäväksi löytää menetelmä uraani-235:n erottamiseksi uraani-238:sta pommin valmistamiseksi osana Tube Alloys -projektia . Metropolitan-Vickers (MetroVick) rakensi prototyypin kaasudiffuusiolaitoksen Trafford Parkiin Manchesteriin hintaan 150 000 puntaa neljälle yksikölle MS Factorylle, Valleylle . Työ siirrettiin myöhemmin Yhdysvaltoihin, kun Tube Alloys -projektista tuli osa myöhempää Manhattan Projectia [1] .

Teoreettiset tiedot

Kaasudiffuusiomenetelmällä erotetaan isotooppeja alkuaineista, joille on olemassa kemikaaleja, jotka ovat kaasumaisessa tilassa riittävän alhaisessa lämpötilassa. Tämä menetelmä sopii esimerkiksi uraanin rikastamiseen, koska ilmakehän paineessa oleva uraaniheksafluoridi siirtyy kaasufaasiin lämpötilassa 56,4 ° C.

Menetelmä perustuu molekyylidiffuusioilmiöön. Kaasun lämpötasapainossa suljetussa astiassa kevyemmillä molekyyleillä on suurempi nopeus ja siksi suurempi todennäköisyys kulkea läpäisevän kalvon läpi. Eli jos kalvon takana olevan astian tilavuudessa ei alun perin ollut alkuaineita, niin molekyylien tunkeutumisen seurauksena kalvon läpi, kunnes termodynaaminen tasapaino saavutetaan, kevyempien molekyylien pitoisuus on suurempi kuin alkuperäisessä seoksessa. . Kokeellisesti tämä ilmiö vahvistettiin ensimmäisen kerran Grahamin (1846, 1863) [2] [3] kokeissa huokoisilla materiaaleilla ja Knudsenin (1909) [4] kokeissa pienillä reikillä ja kapillaareilla. Käytännössä menetelmää käytti ensimmäisenä Ramsay (1895) puhdistamaan heliumia johtamalla kaasuseos savisuodattimen läpi [5] .

Tunnetuista 33 radioaktiivisesta alkunuklidista kaksi ( 235 U ja 238 U) on uraanin isotooppeja . Nämä kaksi isotooppia ovat monella tapaa samanlaisia, paitsi että vain 235 U on halkeavaa (pystyy ylläpitämään fissioketjureaktiota lämpöneutronien kautta ) . 235 U on ainoa luonnollinen halkeamiskykyinen isotooppi [6] . Koska luonnonuraani sisältää vain noin 0,72 % 235 U massasta, se on rikastettava 2–5 %:n pitoisuuteen [7] ydinreaktion ylläpitämiseksi (jos tavallista vettä käytetään neutronien hidastajana). Tämän rikastusprosessin tuotetta kutsutaan rikastetuksi uraaniksi.

Tekniikka

Perusperiaatteet

Kaasudiffuusiolaitoksen peruselementti on diffuusiokenno, joka on jaettu kahteen osaan huokoisella väliseinällä. Kennon osien välille syntyy paine-ero, jonka seurauksena kaasu tunkeutuu osittain väliseinän läpi rikastuen kevyemmällä jakeella, kun taas kevyen jakeen pitoisuus hajoamattomassa kaasussa pienenee. Kennossa on yksi sisääntulo alkuseoksen syöttämiseksi korkeassa paineessa ja kaksi ulostuloa rikkaan ja laihan seoksen tyhjentämiseksi. Koska yksi kenno lisää vain vähän kevyen fraktion pitoisuutta, prosessi toistetaan monta kertaa suurella määrällä kaskadisoluja. Virtausta ohjataan laihalla poistoventtiilillä [8] :52 .

Tieteellinen perusta

Kaasudiffuusio perustuu Grahamin lakiin , jonka mukaan kaasun ulosvirtausnopeus on kääntäen verrannollinen sen molekyylipainon neliöjuureen . Esimerkiksi säiliössä, jossa on puoliläpäisevä kalvo ja joka sisältää kahden kaasun seoksen, kevyemmät molekyylit poistuvat säiliöstä nopeammin kuin raskaammat. Säiliöstä poistuva kaasu rikastuu jonkin verran kevyemmillä molekyyleillä, kun taas jäännöskaasu on jonkin verran loppunut niistä. Erillistä säiliötä, jossa rikastusprosessi tapahtuu kaasudiffusion avulla, kutsutaan diffuusoriksi .

Uraaniheksafluoridi

UF 6 on ainoa uraaniyhdiste, joka on tarpeeksi haihtuva käytettäväksi kaasudiffuusioprosessissa. Lisäksi fluori koostuu vain yhdestä 19 F-isotoopista, joten 1 %:n molekyylipainoero 235 UF 6 :n ja 238 UF 6 :n välillä johtuu vain uraani-isotooppien massaerosta. Näistä syistä UF 6 on ainoa vaihtoehto kaasudiffuusioprosessin raaka- aineeksi [9] . UF 6 , kiinteä aine huoneenlämpötilassa, sublimoituu 56,5 °C:ssa 1 atm:n paineessa [10] . Kolmipisteparametrit ovat 64,05  °C ja 1,5 bar [11] . Kun Grahamin lakia sovelletaan uraaniheksafluoridiin, saadaan:

missä

Nopeus 1  - lähtö 235 UF 6 ; Nopeus 2  - lähtö 238 UF 6 ; M 1  on moolimassa 235 UF 6 = 235,043930 + 6 × 18,998403 = 349,034348 g mol -1 ; M 2  on 238 UF 6 = 238,050788 + 6 × 18,998403 = 352,041206 g mol -1 moolimassa .

Tämä selittää 0,4 % eron 235 UF 6 -molekyylin keskimääräisessä ulosvirtausnopeudessa verrattuna 238 UF 6 -molekyyliin [12] .

UF 6 on erittäin syövyttävää . Se on hapetin [13] ja Lewis-happo , joka pystyy sitoutumaan fluorin kanssa . Esimerkiksi kupari(II)fluoridin reaktio uraaniheksafluoridin kanssa asetonitriilissä , jolloin muodostuu kupari(II)heptafluorouranaattia (VI), Cu(UF 7 ) 2 [14] . Se reagoi veden kanssa muodostaen kiinteän yhdisteen, ja sitä on erittäin vaikea käsitellä kaupallisesti [9] . Tämän seurauksena sisäisten kaasureittien tulee olla austeniittista ruostumatonta terästä ja muita lämpöstabiloituja metalleja. Ei-reaktiivisia fluoripolymeerejä , kuten teflonia , on levitettävä pinnoitteena kaikille järjestelmän venttiileille ja tiivisteille .

Kalvomateriaalit

Sintratusta nikkelistä tai alumiinista valmistettuja kiviainessulkuja (huokoisia kalvoja), joiden huokoskoko on 10–25 nm (alle kymmenesosa UF 6 -molekyylin keskimääräisestä vapaasta reitistä ) [6] [9] käytetään yleensä kaasudiffuusiolaitteistoissa. . Voidaan myös käyttää kalvotyyppisiä esteitä, jotka valmistetaan muodostamalla huokosia luonnostaan ​​ei-huokoiseen väliaineeseen. Eräs menetelmä tällaisten kalvojen valmistamiseksi on poistaa yksi komponentti lejeeringistä, esimerkiksi käyttämällä vetykloridia sinkin poistamiseen hopea - sinkki (Ag-Zn) -lejeeringistä.

Energiakustannukset

Koska 235 UF 6 :n ja 238 UF 6 :n molekyylipainot ovat lähes yhtä suuret, 235 U:n ja 238 U: n erotusaste yhdellä kalvon läpikululla on hyvin pieni. Siksi on tarpeen kytkeä suuri määrä diffuusoreita sarjaan käyttämällä edellisen vaiheen tuotetta seuraavan lähtöaineena. Tätä vaihesarjaa kutsutaan kaskadiksi. Käytännössä diffuusiokaskadit vaativat tuhansia vaiheita, riippuen halutusta rikastusasteesta [9] .

Kaikki diffuusiolaitoksen komponentit on pidettävä sopivassa lämpötilassa ja paineessa, jotta UF 6 pysyy kaasufaasissa. Kaasua tulee puristaa jokaisessa vaiheessa diffuusorin painehäviön kompensoimiseksi. Tämä johtaa kaasun puristuskuumenemiseen , joka on sitten jäähdytettävä ennen kuin se menee diffuusoriin. Pumppaus- ja jäähdytysvaatimukset tekevät diffuusiolaitoksista suuria sähkönkuluttajia . Tästä johtuen kaasudiffuusio on tällä hetkellä kallein menetelmä rikastetun uraanin tuottamiseen [15] .

Historia

Manhattan-projektin työntekijät Oak Ridgessä , pc. Tennessee, ovat kehittäneet useita menetelmiä isotooppien erottamiseen . Oak Ridgen kolme tehdasta käyttivät kolmea eri menetelmää tuottaakseen 235 U:ta ensimmäistä amerikkalaista " Baby ( bomb ) " - atomipommia ja muita varhaisia ​​ydinammuksia varten . Ensimmäisessä vaiheessa S-50 uraanin rikastuslaitos käytti lämpödiffuusioprosessia uraanin rikastamiseksi 0,7 %:sta lähes 2 %:iin 235 U. Tämä tuote syötettiin sitten K-25- laitoksen kaasudiffuusioprosessiin , joka antoi noin 23 % 235 U. Lopuksi tämä materiaali syötettiin Y-12- laitoksen kalutroniin . Nämä koneet (eräänlainen massaspektrometri ) käyttivät sähkömagneettista isotooppierotusta 235 U: n lopullisen pitoisuuden nostamiseksi noin 84 %:iin.

UF 6 -raaka-aineen valmistus K-25-kaasudiffuusiolaitokseen oli kaikkien aikojen ensimmäinen kaupallinen fluorin tuotanto, ja sekä fluorin että UF 6 -käsittelyssä oli merkittäviä esteitä. Esimerkiksi kaasudiffuusiolaitoksen K-25 rakentamiseksi oli ensin tarpeen kehittää inerttejä kemiallisia yhdisteitä , joita voitaisiin käyttää pinnoitteina, voiteluaineina ja tiivisteinä pinnoille, jotka joutuvat kosketuksiin kaasumaisen UF 6 : n (erittäin reaktiivinen ja syövyttävä aine) kanssa. . Manhattan-projektin tutkijat palkkasivat Cornellin yliopiston orgaanisen kemian professorin William T. Millerin syntetisoimaan ja kehittämään tällaisia ​​materiaaleja orgaanisen fluorikemian taustansa vuoksi . Miller ja hänen tiiminsä kehittivät useita uusia ei-reaktiivisia kloorifluorihiilipolymeerejä , joita käytettiin tässä työssä [16] .

Kalutronit olivat tehottomia ja kalliita rakentaa ja käyttää. Kun kaasudiffuusioprosessin aiheuttamat tekniset esteet oli voitettu ja kaasudiffuusiokaskadit otettiin käyttöön Oak Ridgessä vuonna 1945, kaikki kalutronit suljettiin. Kaasudiffuusiomenetelmästä tuli sitten suosituin menetelmä rikastetun uraanin saamiseksi [6] .

1940-luvun alun rakentamisen aikana kaasudiffuusiolaitokset olivat kaikkien aikojen suurimpia rakennuksia. Suuria kaasudiffuusiolaitoksia rakensivat Yhdysvallat, Neuvostoliitto (mukaan lukien nykyinen Kazakstanissa sijaitseva tehdas ), Iso- Britannia , Ranska ja Kiina . Suurin osa niistä on jo sulkenut tai sen odotetaan sulkeutuvan, eivätkä ne pysty kilpailemaan taloudellisesti uusien rikastustekniikoiden kanssa. Osa pumpuissa ja kalvoissa käytetystä tekniikasta on kuitenkin edelleen huippusalaista, ja jotkin käytetyt materiaalit ovat edelleen vientivalvonnan alaisia ​​osana jatkuvaa ydinaseiden leviämisen hallintaa .

Yhdysvaltoihin rakennettiin yhteensä kolme kaasudiffuusiolaitosta, jotka kuluttivat 7 % USA:ssa tuotetusta sähköstä huippujakson aikana.

Neuvostoliitossa ensimmäinen kaasudiffuusiolaitos oli Uralin sähkökemian tehdas Sverdlovskissa ( nykyinen Jekaterinburg ). Vuonna 1953 siellä oli toiminnassa 15 000 kaasudiffuusiolaitosta. 1950-luvulla Neuvostoliittoon rakennettiin kolme muuta tehdasta:

Tuottavuuden huippukaudella neljä laitosta kulutti 3 % Neuvostoliitossa tuotetusta sähköstä.

Vuonna 1956 otettiin käyttöön tehdas Capenhurstissa ( Iso-Britannia ), vuonna 1960 - Hangzhoun läheisyydessä ( Kiina , Neuvostoliiton teknisellä avustuksella), vuonna 1964 - Pierrelattessa ja Tricastenissa ( Ranska ).

Nykyinen tila

Vuonna 2008 kaasudiffuusiolaitokset Yhdysvalloissa ja Ranskassa tuottivat vielä 33 prosenttia maailman rikastetusta uraanista [15] . Ranskan tehdas suljettiin kuitenkin pysyvästi toukokuussa 2012 [17] ja Paducahin tehdas , pc. Kentucky , jota operoi United States Enrichment Corporation (USEC) (viimeinen täysin toimiva uraanin rikastuslaitos Yhdysvalloissa, jossa käytettiin kaasudiffuusioprosessia [7] [1] ), lopetti toimintansa vuonna 2013 [18] . Ainoa tällainen laitos Yhdysvalloissa, Portsmouth Gas Diffusion Plant PC. Ohio, suljettiin vuonna 2001 [7] [19] [20] . Vuodesta 2010 lähtien Ohion laitos on ollut pääasiassa ranskalaisen AREVA - konglomeraatin käytössä köyhdytetyn UF 6 :n muuntamiseksi uraanidioksidiksi [21] [22] .

Tällä hetkellä kaasudiffuusiotekniikka on vanhentunut ja korvataan yleisesti kaasusentrifugitekniikalla , joka vaatii vähemmän energiaa vastaavan määrän rikastettua uraania tuottamaan. Ranskalainen yritys AREVA korvasi Georges Besse -kaasudiffuusioyksikön Georges Besse II -sentrifugilla [2] .

Katso myös

Muistiinpanot

  1. ↑ Colin Barber. Putkien metalliseosprojekti . Rhydymwyn Valleyn historiayhdistys. Haettu 26. heinäkuuta 2019. Arkistoitu alkuperäisestä 16. tammikuuta 2019.
  2. ↑ T. Graham: Filos. Mag. 136 , 573 (1846).
  3. ↑ T. Graham: Filos. Mag. 153 , 385 (1863).
  4. ↑ M. Knudsen: Ann. Phys. 28 , 75 (1909).
  5. ↑ W. Ramsey: Nature 52 , 7 (1895).
  6. ↑ 1 2 3 Cotton S. Uraaniheksafluoridin ja isotoopin erotus // Lantanidi- ja aktinidikemia  (neopr.) . – 1. - Chichester, West Sussex, Englanti: John Wiley and Sons, Ltd., 2006. - S. 163-165. - ISBN 978-0-470-01006-8 .
  7. ↑ 123 U.S. _ _ Ydinalan sääntelykomissio. Tietolehti kaasudiffuusiosta . Washington, DC: US ​​​​Nuclear Regulatory Commission. Haettu 20. marraskuuta 2010. Arkistoitu alkuperäisestä 16. marraskuuta 2011.
  8. ↑ Uraanin rikastaminen / Toim. S. Villani. — M.: Energoatomizdat, 1983, 320 s.
  9. ↑ 1 2 3 4 Beaton L. Ydinräjähteiden tuotannon hidastuminen  // New Scientist  : aikakauslehti  . - 1962. - Voi. 16 , ei. 309 . - s. 141-143 .
  10. ↑ http://nuclearweaponarchive.org/Library/Glossary
  11. ↑ Uraaniheksafluoridi: Lähde: PEIS:n liite A (DOE/EIS-0269): Fyysiset ominaisuudet (linkki ei saatavilla) . Haettu 18. marraskuuta 2010. Arkistoitu alkuperäisestä 29. maaliskuuta 2016. 
  12. ↑ Kaasudiffuusiouraanin rikastus . GlobalSecurity.org (27. huhtikuuta 2005). Haettu 21. marraskuuta 2010. Arkistoitu alkuperäisestä 23. elokuuta 2017.
  13. ↑ Olah G.H., Welch J. Synteettiset menetelmät ja reaktiot. 46. ​​Orgaanisten yhdisteiden hapetus uraaniheksafluoridilla halogeenialkaaniliuoksissa  (englanniksi)  // Journal of the American Chemical Society : päiväkirja. - 1978. - Voi. 100 , ei. 17 . - P. 5396-5402 . - doi : 10.1021/ja00485a024 .
  14. ↑ Berry JA, Poole RT, Prescott A., Sharp DW, Winfield JM . Asetonitriilissä olevan uraaniheksafluoridin hapettavat ja fluoridi-ioneja vastaanottavat ominaisuudet  //  Journal of the Chemical Society : päiväkirja. - Chemical Society , 1976. - Ei. 3 . - s. 272-274 . - doi : 10.1039/DT9760000272 .
  15. ↑ 12 Michael Goldsworthy . Lodge Partners Mid-Cap Conference . Lucas Heights, New South Wales, Australia: Silex Ltd. Haettu 20. marraskuuta 2010. Arkistoitu alkuperäisestä 18. elokuuta 2011.
  16. ↑ Blaine P. Friedlander, Jr. William T. Miller, Manhattan Projectin tutkija ja Cornellin kemian professori, kuolee 87-vuotiaana . Cornell News . Ithaca, New York: Cornell University (3. joulukuuta 1998). Haettu 20. marraskuuta 2010. Arkistoitu alkuperäisestä 7. kesäkuuta 2011.
  17. ↑ Aravea: Tricastinin paikka: Georges Besse II -rikastuslaitos Arkistoitu 27. syyskuuta 2012 Wayback Machinessa Gaseous diffusion, jota AREVA käytti Georges Bessen tehtaalla toukokuuhun 2012 asti
  18. ↑ US DOE Gaseous Diffusion Plant Arkistoitu 2. tammikuuta 2017 Wayback Machinessa USEC:n GDP:n toiminta lopetti toimintansa vuonna 2013
  19. ↑ United States Enrichment Corporation. Yleiskatsaus: Portsmouthin kaasudiffuusiolaitos . Kaasudiffuusiolaitokset . Bethesda, Maryland: USEC, Inc. Haettu 20. marraskuuta 2010. Arkistoitu alkuperäisestä 24. marraskuuta 2010.
  20. ↑ United States Enrichment Corporation. Historia: Paducahin kaasudiffuusiolaitos . Kaasudiffuusiolaitokset . Bethesda, Maryland: USEC, Inc. Haettu 20. marraskuuta 2010. Arkistoitu alkuperäisestä 2. tammikuuta 2011.
  21. ↑ Tom Lamar . AREVA aloittaa toimintansa Portsmouth Facilityssä , Waynesborossa, Virginiassa: Nuclear Street (10. syyskuuta 2010). Arkistoitu alkuperäisestä 22. joulukuuta 2015. Haettu 20. marraskuuta 2010.
  22. ↑ AREVA Inc. DOE antaa AREVA-yhteisyritykselle luvan aloittaa uuden Ohio-laitoksen toiminnallinen testaus . Lehdistötiedote . Bethesda, Maryland: AREVA, Inc. Haettu 20. marraskuuta 2010.  (kuollut linkki)

Linkit

  Siirry Wikidata-kohteeseen  Sanakirjat ja tietosanakirjat