Gáz diffúzió

A gáznemű diffúzió  olyan technológia, amelyet dúsított urán előállítására használnak úgy, hogy gáznemű urán-hexafluoridot (UF 6 ) nyomás alatt vezetnek át félig áteresztő membránokon . Ez enyhén elválik az urán-235-öt ( 235 U) és az urán-238-at ( 238 U) tartalmazó molekulák között. Nagyszámú létesítmény (fokozat) kaszkádkapcsolása segítségével nagyfokú izotópszétválasztás érhető el. Ez volt az első olyan eljárás, amelyet iparilag dúsított urán előállítására fejlesztettek ki.

A gázdiffúziót Francis Simon és Nicholas Curti fejlesztette ki a Clarendon Laboratóriumban 1940-ben, amikor az IAUD-bizottságot azzal a feladattal bízták meg, hogy találjon módszert az urán-235 és az urán-238 elválasztására, hogy a Tube Alloys projekt részeként bombát készítsenek . Gázdiffúziós üzem prototípusát a Metropolitan-Vickers (MetroVick) építette a manchesteri Trafford Parkban 150 000 GBP-ért négy egységért a völgyi MS Factory számára . A mű később átkerült az Egyesült Államokba, amikor a Tube Alloys projekt a későbbi Manhattan Project részévé vált [1] .

Elméleti információk

A gázdiffúziós módszert olyan elemek izotópjainak szétválasztására használják, amelyekhez elegendően alacsony hőmérsékleten gáz halmazállapotú vegyi anyagok vannak. Például ez a módszer alkalmas urándúsításra, mivel az urán-hexafluorid atmoszférikus nyomáson 56,4 ° C hőmérsékleten a gázfázisba kerül.

A módszer a molekuláris diffúzió jelenségén alapul. A zárt edényben lévő gáz termikus egyensúlya esetén a könnyebb molekulák nagyobb sebességgel rendelkeznek, és ezért nagyobb a valószínűsége annak, hogy áthaladnak egy áteresztő membránon. Így ha a membrán mögötti edény térfogatában kezdetben nem voltak kiindulási anyagok, akkor a molekulák membránon keresztül történő behatolása következtében a termodinamikai egyensúly eléréséig a könnyebb molekulák koncentrációja magasabb lesz, mint a kezdeti keverékben. . Kísérletileg ezt a jelenséget először Graham (1846, 1863) [2] [3] porózus anyagokkal, illetve Knudsen (1909) [4] kis lyukakkal és kapillárisokkal végzett kísérleteiben igazolták. A gyakorlatban a módszert először Ramsay (1895) alkalmazta hélium tisztítására a gázelegy agyagszűrőn való átengedésével [5] .

A 33 ismert radioaktív primordiális nuklid közül kettő ( 235 U és 238 U) az urán izotópja . A két izotóp sok tekintetben hasonló, kivéve, hogy csak 235 U hasadó ( termikus neutronokon keresztül képes fenntartani a hasadási láncreakciót ). A 235 U az egyetlen természetes hasadó izotóp [6] . Mivel a természetes urán csak körülbelül 0,72 tömeg% 235 U-t tartalmaz, a nukleáris reakció fenntartásához 2–5%-os koncentrációra kell dúsítani [7] (ha közönséges vizet használnak neutronmoderátorként). Ennek a dúsítási eljárásnak a termékét dúsított uránnak nevezik.

Technológia

Alapelvek

A gázdiffúziós berendezés alapeleme egy porózus válaszfallal két részre osztott diffúziós cella. A cella részei között nyomáskülönbség jön létre, melynek következtében a gáz részben áthatol a válaszfalon, a könnyebb frakcióban feldúsul, míg a nem diffundált gázban a könnyű frakció tartalma csökken. A cella egy bemenettel rendelkezik a kezdeti keverék magas nyomás alatti betáplálásához, és két kimenettel rendelkezik a gazdag és sovány keverék leeresztésére. Mivel egy cella csak kismértékben növeli a könnyű frakció koncentrációját, a folyamat sokszor megismétlődik nagyszámú kaszkádos cellával. Az áramlást szegény kimeneti szelep szabályozza [8] :52 .

Tudományos alapok

A gázdiffúzió a Graham-törvényen alapul , amely kimondja, hogy a gáz kiáramlási sebessége fordítottan arányos molekulatömegének négyzetgyökével . Például egy félig áteresztő membránnal ellátott tartályban, amely két gáz keverékét tartalmazza, a könnyebb molekulák gyorsabban távoznak a tartályból, mint a nehezebbek. A tartályból kilépő gáz valamelyest könnyebb molekulákban gazdagodik, míg a maradék gáz valamelyest kimerül belőlük. Diffúzornak nevezzük azt a különálló tartályt, amelyben a dúsítási folyamat gázdiffúzióval megy végbe .

Urán-hexafluorid

Az UF 6 az egyetlen uránvegyület, amely elég illékony ahhoz , hogy gázdiffúziós folyamatban lehessen használni. Ráadásul a fluor csak egy 19 F izotópból áll, így a 235 UF 6 és 238 UF 6 közötti 1%-os molekulatömeg-különbség csak az uránizotópok tömegének különbségéből adódik. Ezen okok miatt az UF 6 az egyetlen választás a gázdiffúziós folyamat alapanyagaként [9] . Az UF 6 , szobahőmérsékleten szilárd anyag, 56,5 °C-on 1 atm nyomáson szublimál [10] . A hárompontos paraméterek  64,05°C és 1,5 bar [11] . Graham törvényét urán-hexafluoridra alkalmazva a következőket kapjuk:

ahol

1. sebesség  - kimenet 235 UF 6 ; 2. sebesség  - kimenet 238 UF 6 ; M 1 235 UF 6 = 235,043930 + 6 × 18,998403 = 349,034348 g mol -1 moláris  tömege ; M 2  a 238 UF 6 = 238,050788 + 6 × 18,998403 = 352,041206 g mol -1 moláris tömege .

Ez magyarázza a 235 UF 6 molekula és a 238 UF 6 molekula átlagos kiáramlási sebességének 0,4%-os eltérését [12] .

Az UF 6 erősen korrozív . Ez egy oxidálószer [13] és egy Lewis-sav , amely képes fluoridhoz kötődni . Például a réz(II)-fluorid és urán-hexafluorid reakciója acetonitrilben réz(II)-heptafluor-uranát (VI), Cu(UF 7 ) 2 [14] képződésével számol be . Vízzel reagálva szilárd vegyületet képez, és nagyon nehéz kereskedelmi forgalomban feldolgozni [9] . Következésképpen a belső gázutakat ausztenites rozsdamentes acélból és egyéb hőstabilizált fémekből kell készíteni. A nem reakcióképes fluorpolimereket , például a teflont bevonatként kell felvinni a rendszer összes szelepére és tömítésére .

Membrán anyagok

A szinterezett nikkelből vagy alumíniumból készült, 10–25 nm pórusméretű aggregált gátakat ( porózus membránokat ) [ 6 ] [9] általában használnak gázdiffúziós berendezésekben. . Fólia típusú zárórétegek is használhatók, amelyeket úgy készítenek, hogy pórusokat képeznek egy eredendően nem porózus közegben. Az ilyen membránok előállításának egyik módszere az ötvözet egy komponensének eltávolítása, például hidrogén-kloriddal eltávolítják a cinket az ezüst -cink (Ag-Zn) ötvözetből.

Energiaköltségek

Mivel a 235 UF 6 és 238 UF 6 molekulatömege közel azonos, a 235 U és 238 U szétválás mértéke a membránon való egy áthaladás során nagyon kicsi. Ezért nagyszámú diffúzort kell sorba kötni, az előző szakasz termékét használva kiindulási anyagként a következőhöz. Ezt a lépéssorozatot kaszkádnak nevezzük. A gyakorlatban a diffúziós kaszkádok több ezer lépést igényelnek, a kívánt dúsítási szinttől függően [9] .

A diffúziós berendezés minden alkatrészét megfelelő hőmérsékleten és nyomáson kell tartani, hogy az UF 6 gázfázisban maradjon. A gázt minden fokozatban össze kell sűríteni, hogy kompenzálják a diffúzoron átívelő nyomásveszteséget. Ez a gáz kompressziós melegítését eredményezi , amelyet ezután le kell hűteni, mielőtt belépne a diffúzorba. A szivattyúzási és hűtési követelmények a diffúziós üzemeket nagy villamosenergia -fogyasztóvá teszik . Emiatt a gázdiffúzió a jelenleg használt legdrágább módszer a dúsított urán előállítására [15] .

Történelem

A Manhattan Project alkalmazottai Oak Ridge -ben, pc. Tennessee számos módszert fejlesztett ki az izotópok szétválasztására . Az Oak Ridge-ben található három üzem három különböző módszerrel 235 U-t állított elő az első amerikai " Baby (bomb) " atombombához és más korai nukleáris lőszerekhez . Az első szakaszban az S-50 urándúsító üzem termikus diffúziós eljárással dúsította az uránt 0,7%-ról majdnem 2%-ra 235 U. Ezt a terméket ezután betáplálták a K-25 üzem gázdiffúziós folyamatába , amely kb. 23% 235 U. Végül ezt az anyagot betápláltuk az Y-12 üzem kalutronjaiba . Ezek a gépek (egyfajta tömegspektrométer ) elektromágneses izotópleválasztást alkalmaztak, hogy a 235 U végső koncentrációt körülbelül 84%-ra emeljék.

A K-25 gázdiffúziós üzem UF 6 alapanyagának előkészítése volt az első kereskedelmi forgalomban előállított fluor, és mind a fluor, mind az UF 6 feldolgozása jelentős akadályokba ütközött. Például a K-25 gázdiffúziós üzem megépítéséhez először olyan inert kémiai vegyületeket kellett kifejleszteni , amelyek bevonatként, kenőanyagként és tömítésként használhatók olyan felületeken, amelyek érintkezésbe kerülnek gáznemű UF 6 -tal (egy erősen reaktív és korrozív anyag). . A Manhattan Project tudósai William T. Millert , a Cornell Egyetem szerves kémia professzorát bérelték fel ilyen anyagok szintézisére és fejlesztésére a szerves fluor kémia területén szerzett múltja miatt . Miller és csapata számos új, nem reakcióképes klór- fluor- szénhidrogén polimert fejlesztett ki , amelyeket ebben a munkában használtak [16] .

A Calutronok nem voltak hatékonyak, és költséges volt megépíteni és működtetni. Miután a gázdiffúziós folyamat okozta mérnöki akadályokat leküzdötték, és a gázdiffúziós kaszkádok 1945-ben üzembe helyezték az Oak Ridge-et, az összes kalutront leállították. Ezután a gázdiffúziós módszer vált a dúsított urán előállításának előnyben részesített módszerévé [6] .

Az 1940-es évek elején az építkezés során a gázdiffúziós üzemek a valaha épített legnagyobb épületek közé tartoztak. Nagy gázdiffúziós erőműveket épített az Egyesült Államok, a Szovjetunió (beleértve a jelenleg Kazahsztánban található üzemet ), Nagy- Britannia , Franciaország és Kína . A legtöbbjük már bezárt, vagy várhatóan bezár, nem tud gazdaságilag felvenni a versenyt az új dúsítási technológiákkal. A szivattyúkban és membránokban használt technológia azonban még mindig szigorúan titkos, és egyes felhasznált anyagok továbbra is exportellenőrzés tárgyát képezik a nukleáris fegyverek elterjedésének megakadályozására irányuló folyamatos erőfeszítések részeként .

Az USA-ban összesen három gázdiffúziós üzem épült, amelyek a csúcsidőszakban az USA-ban megtermelt villamos energia 7%-át fogyasztották el.

A Szovjetunióban az első gázdiffúziós üzem a szverdlovszki uráli elektrokémiai üzem volt (ma Jekatyerinburg ). 1953-ban 15 000 gázdiffúziós üzem működött ott. Az 1950-es években további három üzem épült a Szovjetunióban:

A csúcstermelékenység időszakában négy üzem fogyasztotta el a Szovjetunióban megtermelt villamos energia 3%-át.

1956-ban üzembe helyeztek egy üzemet Capenhurstban ( Nagy-Britannia ), 1960-ban Hangzhou környékén ( Kína , a Szovjetunió technikai segítséggel), 1964-ben Pierrelatte -ban és Tricastenben ( Franciaország ).

Jelenlegi állapot

2008-ban az Egyesült Államokban és Franciaországban működő gázdiffúziós üzemek még a világ dúsított uránjának 33%-át állították elő [15] . A francia gyár azonban 2012 májusában végleg bezárt [17] és a paducah-i üzem , pc. Az Egyesült Államok Enrichment Corporation (USEC) által üzemeltetett Kentucky (az Egyesült Államok utolsó, teljesen működőképes urándúsító üzeme, amely gázdiffúziós eljárást alkalmaz [7] [1] ), 2013-ban beszüntette működését [18] . Az egyetlen ilyen létesítmény az Egyesült Államokban, a Portsmouth Gas Diffusion Plant pc. Ohio, 2001-ben bezárt [7] [19] [20] . 2010 óta az ohiói telephelyet elsősorban az AREVA francia konszern használja a szegényített UF 6 urán-dioxiddá való átalakítására [21] [22] .

Jelenleg a gázdiffúziós technológia elavult, és általánosan felváltja a gázcentrifuga technológia , amely kevesebb energiát igényel egyenértékű mennyiségű dúsított urán előállításához. A francia AREVA cég a Georges Besse gázdiffúziós egységet a Georges Besse II centrifugára cserélte [2] .

Lásd még

Jegyzetek

  1. ↑ Colin Barber. A Tube Alloys Project . Rhydymwyn Valley Történeti Társaság. Letöltve: 2019. július 26. Az eredetiből archiválva : 2019. január 16.
  2. ↑ T. Graham: Filosz. Mag. 136 , 573 (1846).
  3. ↑ T. Graham: Filosz. 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. Urán-hexafluorid és izotóp elválasztás // Lanthanid and actinide chemistry  (neopr.) . — 1. - Chichester, West Sussex, Anglia: John Wiley and Sons, Ltd., 2006. - P. 163-165. - ISBN 978-0-470-01006-8 .
  7. ↑ 123 U.S. _ _ Nukleáris Szabályozó Bizottság. Tájékoztató a gáznemű diffúzióról . Washington, DC: Az Egyesült Államok Nukleáris Szabályozó Bizottsága. Letöltve: 2010. november 20. Az eredetiből archiválva : 2011. november 16..
  8. ↑ Urándúsítás / Szerk. S. Villani. — M.: Energoatomizdat, 1983, 320 p.
  9. ↑ 1 2 3 4 Beaton L. A nukleáris robbanóanyag-gyártás lassulása  // New Scientist  : magazin  . - 1962. - 1. évf. 16 , sz. 309 . - 141-143 . o .
  10. ↑ http://nuclearweaponarchive.org/Library/Glossary
  11. ↑ Urán-hexafluorid: Forrás: A PEIS A függeléke (DOE/EIS-0269): Fizikai tulajdonságok (a hivatkozás nem elérhető) . Letöltve: 2010. november 18. Az eredetiből archiválva : 2016. március 29. 
  12. ↑ Gázdiffúziós urándúsítás . GlobalSecurity.org (2005. április 27.). Letöltve 2010. november 21. Az eredetiből archiválva : 2017. augusztus 23..
  13. ↑ Olah G.H., Welch J. Szintetikus módszerek és reakciók. 46. ​​Szerves vegyületek oxidációja urán-hexafluoriddal halogén-alkán oldatokban  (angol)  // Journal of the American Chemical Society : folyóirat. - 1978. - 1. évf. 100 , nem. 17 . - P. 5396-5402 . - doi : 10.1021/ja00485a024 .
  14. ↑ Berry JA, Poole RT, Prescott A., Sharp DW, Winfield JM . Az urán-hexafluorid oxidáló és fluoridion-akceptor tulajdonságai acetonitrilben  //  Journal of the Chemical Society : folyóirat. - Chemical Society , 1976. - No. 3 . - P. 272-274 . - doi : 10.1039/DT9760000272 .
  15. ↑ 12 Michael Goldsworthy . Lodge Partners Mid-Cap Conference . Lucas Heights, New South Wales, Ausztrália: Silex Ltd. Letöltve: 2010. november 20. Az eredetiből archiválva : 2011. augusztus 18..
  16. ↑ Blaine P. Friedlander, Jr. 87 éves korában elhunyt William T. Miller, a Manhattan Project tudósa és Cornell kémiaprofesszora . Cornell News . Ithaca, New York: Cornell Egyetem (1998. december 3.). Letöltve: 2010. november 20. Az eredetiből archiválva : 2011. június 7..
  17. ↑ Aravea: Tricastin telephely: a Georges Besse II dúsító üzem Archiválva : 2012. szeptember 27. a Wayback Machine Gaseous diffusion-nál, amelyet az AREVA használt a Georges Besse üzemben 2012 májusáig
  18. ↑ US DOE Gaseous Diffusion Plant Archiválva : 2017. január 2., a Wayback Machine A GDP üzemeltetése a USEC által 2013-ban megszűnt
  19. ↑ Egyesült Államok Enrichment Corporation. Áttekintés: Portsmouth Gaseous Diffusion Plant . Gázdiffúziós üzemek . Bethesda, Maryland: USEC, Inc. Letöltve: 2010. november 20. Az eredetiből archiválva : 2010. november 24..
  20. ↑ Egyesült Államok Enrichment Corporation. Történet: Paducah gázdiffúziós üzem . Gázdiffúziós üzemek . Bethesda, Maryland: USEC, Inc. Letöltve: 2010. november 20. Az eredetiből archiválva : 2011. január 2..
  21. ↑ Tom Lamar . Az AREVA megkezdi működését a portsmouthi létesítményben , Waynesboro, Virginia: Nuclear Street (2010. szeptember 10.). Az eredetiből archiválva : 2015. december 22. Letöltve: 2010. november 20.
  22. ↑ AREVA Inc. A DOE engedélyt ad az AREVA vegyesvállalatnak az új ohiói létesítmény üzemi tesztelésének megkezdésére . Sajtóközlemény . Bethesda, Maryland: AREVA, Inc. Letöltve: 2010. november 20.  (holt link)

Linkek

  Ugrás a Wikidata elemre  Szótárak és enciklopédiák