Газодиффузионное разделение изотопов

Рассмотрим устройств газодиффузионной машины. Основной элемент представляет собой пористую перегородку, в которой происходит диффузия гексафторида урана. Как уже отмечалось, лёгкие молекулы имеют более длинный диффузионный пробег, и проникают за перегородку, тяжелые частицы перегородку не проходят.

Рисунок 11 – Пористая перегородка

Разделитель представляет собой трубку из прессованного никелевого порошка с диаметром пор 1–10 мкм, наружная поверхность трубки покрывается непосредственно разделительной мембраной, диаметр пор которой составляет уже 0,03 мкм. Именно слой разделительной мембраны и задерживает некоторую часть тяжёлых молекул гексафторида урана-238.

Рисунок 12 – Устройство газодиффузионной машины

Газ – гексафторид урана поступает в диффузионную машину и разделяется на две фракции. Одна фракция прошла через пористую перегородку и потеряла часть тяжёлых молекул, т. е. обогатилась лёгкими. Другая фракция через пористую перегородку не прошла, в отличие от части лёгких молекул, т. е. перед перегородкой осталась фракция обеднённая лёгким изотопом.

Поступающий в газодиффузионную машину газ прогоняется барабаном через разделительные трубки. Предварительно газ нагревают до 75 °С, давление 40–80 мм.рт.ст. Поскольку диффузия идёт с выделением тепла, то машину необходимо охлаждать.

Основные недостатки газодиффузионного метода разделения изотопов:

1. Недостаточная степень разделения.

2. Разрушение Ni-перегородки. Гексафторид урана медленно реагирует с металлическим никелем по формуле:

.

В разделительном элементе постепенно происходит накапливание тетрафторида урана, который впоследствии удаляют, промыванием в трифториде хлора:

3. Периодичность процесса из-за выключения на регенерацию.

4. Большие энергозатраты.

5. Большой расход охлаждающей воды.

6. Большие производственные площади. Цеха по разделению изотопов занимают огромные площади в несколько гектар, обслуживающий персонал по цеху передвигается на велосипедах.

Ввиду всех перечисленных недостатков, в настоящее время большинство разделительных заводов переходит на новую технологию разделения изотопов – центрифугирование.

Центрифужное разделение

Давление газа в гравитационном поле зависит от его молекулярной массы, расстояния над точкой измерения и ускорения свободного падения.

Таким образом, если в диффузионных машинах коэффициент разделения зависел от отношения масс гексафторида урана-235 и урана-238, то в центрифугах он зависит от разности масс. Нетрудно посчитать, что в центрифугах коэффициент разделения α = 1,3.

На центрифугах возможно получать гексафторид урана обогащенный U²³⁵ более 90 %.

Коэффициент разделения зависит от двух факторов:

1) oт разности масс изотопов;

2) oт скорости вращения центрифуги.

Рассмотрим устройство центрифужной машины.

Рисунок 13 – Устройство центрифуги для разделения изотопов

Здесь приведена схема так называемой подкритической центрифуги, что означает, что рабочая частота вращения ротора ниже его первой резонансной частоты. При увеличении оборотов ротор последовательно проходит частоты, на которых возникают резонансные колебания, обусловленные механическими свойствами вращающейся системы. Центрифуга, работающая на частоте вращения ротора выше резонансной, называется надкритической.

В пространстве между ротором и внешним кожухом 5 центрифуги поддерживается вакуум, что необходимо для снижения сопротивления вращению, т. е. энергоемкости машины. Вакуум обеспечивается с помощью молекулярного насоса 7, представляющего собой спиральные канавки на внутренней поверхности кожуха.

Гексафторид при определенной температуре и давлении подается в центрифугу через трубопровод питания 2 и поступает в роторное пространство возле оси ротора в его центральной части 9. Вследствие высокой скорости вращения ротора (линейная скорость на его периферии 600 и более м/сек) газ концентрируется у его стенки, где его давление может составлять десятки тысяч паскалей. Напротив, у оси ротора образуется так называемое «вакуумное ядро». Анализ физических процессов, происходящих в газовой центрифуге, показывает, что эффективное разделение компонентов смеси происходит только при наличии осевой циркуляции газа внутри ротора. Такая циркуляция (показанная на рисунке стрелками) обеспечивается, например, созданием осевого температурного градиента за счет внешнего источника тепла. При циркуляции наибольшая разность в концентрации легкого и тяжелого изотопов устанавливается в торцевых частях центрифуги, – нижней и верхней соответственно.

С целью отбора продуктов деления в центрифуге предусмотрены диафрагмы 10 с отверстиями, вращающиеся вместе с ротором, и неподвижные газоотборники 4, 11, представляющие собой тонкие изогнутые трубки.

Обогащенная легким изотопом фракция (продукт) выводится с помощью газоотборника 11 в трубопровод 3. Тяжелая фракция – отвал (или хвост) отбирается 4 и поступает в канал 1.

Характерные размеры российских подкритических газовых центрифуг: длина ротора около 1 м, диаметр около 0,5 м. Машины компонуются в блоки по 20 центрифуг, соединенных параллельно, называемые агрегатами. Агрегаты монтируются на стеллажи – до 7 этажей высотой.