Улавливание гексафторида урана из сбросных газов

Газы, выходящие из конденсаторов, в большинстве случаев содержат некоторое количество гексафторида урана (0,05-0,10 % об.); в них остается также некоторое количество элементного фтора и фтороводорода. Перед выбросом в атмосферу эти газы проходят еще одну обработку, вызванную необходимостью снизить содержание гексафторида урана, элементного фтора и фтороводорода до предельно допустимой концентрации.

Одним из возможных методов очистки отходящих газов является их обработка активированным углем. Процесс протекает в двух направлениях: вода, сорбированная углем, гидролизует гексафторид до нелетучего уранилфторида по реакции:

UF₆ + 2H₂O → UO₂F₂ + 4HF; (1.3.38)

углерод восстанавливает гексафторид урана до низших нелетучих фторидов UF₄, U₄F₁₇, U₂F₉, UF₅ одновременно образуя тетрафторметан по реакции:

4UF₆ + C → 4UF₅ + CF₄ (1.3.39)

или другие фторированные углеводороды. Фтор также связывается с углеродом во фтороуглеводороды.

Этот способ очистки отходящих газов имеет некоторые недостатки: в результате фторирования углерода возможно образование взрывчатых веществ при обработке газов, содержащих обогащенный изотопом ²³⁵U гексафторид урана, высокая емкость активированного угля по урану и его отличные замедляющие свойства могут привести к взрывам.

Очистку отходящих газов можно проводить другими методами: водной или щелочной обработкой в скрубберах, поглощением гексафторида металлоорганическими соединениями, восстановлением гексафторида урана до тетрафторида урана трихлорэтиленом и другими восстановителями в газовой фазе и т. д. Однако, по-видимому, наиболее перспективные способы связаны с хемосорбцией гексафторида на тетрафториде урана.

Известно, что гексафторид урана взаимодействует с тетрафторидом, образуя промежуточные фториды. U₄F₁₇, U₂F₉, UF₅. При температуре 204 °С парциальное давление гексафторида, находящегося в равновесии с этими фторидами, равно соответственно 8,6·10^–6, 3,2·10^–5 и 0,13 атм. Это дает возможность значительно снизить содержание гексафторида в газовой фазе.

Влияние различных факторов на эффективность хемосорбции гексафторида урана тетрафторидом исследовано в реакторах кипящего слоя диаметром 50 и 150 мм. Этот тип аппарата позволяет осуществить хороший контакт фаз, получить высокие коэффициенты тепло- и массопередачи и легко вести контроль температуры. Аппарат особенно удобен в том случае, когда гексафторид получают из тетрафторида урана в кипящем слое.

При проведении исследований тетрафторид урана предварительно измельчался до 50 %–325 меш (содержание фракции +80 меш было менее 5 %). Температура кипящего слоя колебалась в пределах 64-204 °С; скорость газа составляла 0,06-0,24 м/с. В этих условиях достигается хорошее псевдоожижение материала. При температуре 204 °С и исходной концентрации гексафторида урана от 0,01 до 0,35 % мас. его остаточная концентрация в газах была менее 0,0010 % мас. Емкость тетрафторида урана зависит от гранулометрического состава и колеблется в пределах 0,10-0,35 кг UF₆/кг UF₄. С увеличением исходной концентрации гексафторида урана в газах на входе (от 0,35 до 11 % мас.) при массовом отношении тетрафторида урана к гексафториду, равном 15 : 1, степень хемосорбции гексафторида урана падала, но во всех случаях она была не ниже 97 %. Можно полагать, что проведение процесса хемосорбции в многоступенчатом реакторе кипящего слоя даст возможность количественно поглощать гексафторид урана из газовых потоков с высокой исходной концентрацией.

Выяснено влияние свободного элементного фтора и фтороводорода на процесс хемосорбции гексафторида урана. Эффективность процесса не изменяется при концентрациях фтороводорода вплоть до 10 % мас.; таким образом, этот процесс может оказаться подходящим для регенерации гексафторида урана из фтороводорода, полученного на стадии очистки самого гексафторида. Наличие в газовой фазе до 17 % мас. свободного элементного фтора также не снижает эффективности хемосорбционного процесса; однако в этом случае при температуре 204 °С тетрафторид урана частично фторируется до промежуточных фторидов и емкость твердого вещества по гексафториду несколько снижается; около половины свободного элементного фтора поглощается тетрафторидом урана.

Проведение хемосорбционного процесса при 260 °С и выше уже нецелесообразно, так как в этом случае наблюдается значительный проскок гексафторида урана. Отмеченные закономерности дают возможность сделать важный вывод о целесообразности ступенчатого проведения хемосорбционного процесса для улавливания как гексафторида урана, так и свободного элементного фтора. Если в первом реакторе кипящего слоя поднять температуру до 240-260 °С, то свободный элементный фтор будет интенсивно поглощаться и образует промежуточные фториды урана. Проскочивший гексафторид урана, уже не содержащий свободного элементного фтора, можно поглотить во втором реакторе, температура в котором составляет 204 °С; движение газа и твердого вещества можно осуществить методом противотока.

Описанный метод очистки газов имеет то преимущество, что количественное поглощение гексафторида урана и элементного фтора сопряжено с образованием промежуточных фторидов, которые могут быть направлены на стадию получения гексафторида урана. Это уменьшит суммарный расход элементного фтора.

Для целей улавливания гексафторида урана из газов можно использовать фторид натрия (в виде гранул или таблеток).

Очистка сбросных газов при помощи фторида натрия основана на взаимодействии этого вещества с гексафторидом урана при 100 °С по реакции:

UF₆ + 3NaF = 3NaF·UF₆. (1.3.40)

В результате реакции образуется комплексная соль. Давление пара гексафторида урана над 3NaF·UF₆ при 100 °С равно 1,5·10^–3 мм. рт. ст., что соответствует давлению пара гексафторида при температуре –60 °С. При нагревании 3NaF·UF₆ до 400 °С выделяется почти весь содержащийся в нем гексафторид урана. Однако процесс десорбции осложнен побочными реакциями, связанными с восстановлением урана. Для того чтобы избежать этих реакций, процесс десорбции гексафторида урана со фторида натрия проводят в токе фтора. Теоретическое содержание гексафторида урана в комплексной соли 3NaF·UF₆ составляет 2,79 г UF₆ на 1 г NaF; практическая емкость фторида натрия колеблется в пределах 0,6-2,1 г UF₆ на 1 г NaF.

В промышленности применяется гранулированный или таблетированный фторид натрия; сорбционная система состоит из ряда периодически действующих колонн с последовательными циклами абсорбции и регенерации в токе фтора. Серьезным препятствием для эффективного улавливания гексафторида урана на гранулах или таблетках фторида натрия является фтороводород, который может присутствовать в отходящих газах. Фтороводород в температурном диапазоне 70-100 °С гораздо сильнее взаимодействует с фторидом натрия (с образованием бифторида натрия NaF·HF); равновесная концентрация гексафторида урана в газовой фазе при этом соответственно возрастает.

Применение твердых адсорбентов для улавливания относительно небольших количеств гексафторида урана из газовых потоков привлекает внимание вследствие малых капитальных и эксплуатационных затрат на цикл улавливания, хотя стоимость извлечения урана из адсорбента может быть высокой. Улавливающими материалами, которые захватывают уран в результате протекания химической реакции (кроме отмеченных выше), являются уголь и содоизвестковая смесь. Сульфат кальция, фторид кальция и оксид алюминия выделяют уран из газового потока главным образом за счет физической адсорбции.

Присутствие элементного фтора и фтороводорода оказывает большое влияние на выбор материала. Содоизвестковая смесь будет реагировать с фтороводородом и элементным фтором; уголь и сульфат кальция реагируют с элементным фтором. Фтороводород сорбируется (физическая адсорбция) на любом из вышеперечисленных материалов. Таким образом, присутствие больших количеств элементного фтора и фтороводорода в газе может значительно снизить емкость сорбента по гексафториду урана.

Для улавливания гексафторида урана из разбавленных потоков газа часто используется вода. В результате реакции образуется уранилфторид и фтороводород. Процесс проводят в вертикальных колоннах; навстречу потоку газа разбрызгивается вода. Вместо воды иногда применяют щелочные растворы (при большом содержании фтороводорода).

Применяется также абсорбционный способ улавливания гексафторида урана фтороуглеводородами (в частности, перфторциклогексаном) в аппаратах типа скрубберов с последующей разгонкой полученных растворов в ректификационных колоннах. Метод особенно удобен для выделения гексафторида урана из газовых потоков с высоким содержанием неконденсирующихся газов (азота и кислорода). Количественная технологическая схема процесса абсорбционного улавливания гексафторида урана перфторциклогексаном из разбавленных газовых потоков с последующей ректификацией раствора представлена на рис. 1.3.30.

Как видно из этой схемы, гексафторид урана практически нацело поглощается перфторциклогексаном; дальнейшая ректификация дает возможность сконцентрировать гексафторид урана и регенерировать растворитель.

3.2 Производство гексафторида урана методом прямого
фторирования высших оксидов урана элементным фтором

Как отмечалось ранее на российских сублиматных заводах в промышленном масштабе используют технологическую схему производства гексафторида урана методом прямого фторирования оксидов урана ядерной чистоты элементным фтором, минуя стадии восстановления высших оксидов урана водородом и гидрофторирования диоксида до тетрафторида урана. Аппаратурно-технологическая схема производства гексафторида урана прямым фторированием высших оксидов элементным фтором приведена на рис. 1.3.31.

Рис. 1.3.30 Количественная технологическая схема абсорбционного улавливания гексафторида урана перфторциклогексаном из разбавленных потоков с последующей ректификацией растворов

1 – контейнер с исходным сырьем; 2 – противоточный реактор улавливания избытка F2; 3 – бункеры сбора твердой фазы; 4 – пламенный реактор; 5 – шнековый реактор выгрузки фторидного огарка; 6 – расширитель; 7 – контейнер сбора фторидного огарка; 8 – теплообменник; 9 – фильтр отделения пыли; 10 – бункер сбора пыли; 11 – конденсатор UF6; 12 – емкость для UF6; 13 – реактор улавливания следов фторсодержащих газов; 14 – скруббер; 15 – насос Рис. 1.3.31 Аппаратурно-технологическая схема производства гексафторида урана прямым фторированием высших оксидов анодным газом

Порошкообразный твердый материал (оксиды урана) из контейнера 1 подают в аппарат шнековым питателем. Числом оборотов шнека и объемным расходом анодного газа (элементный фтор с примесью 5-7 % мас. фтороводорода) регулируется строгое соотношение реагентов газ-твердое. После смешивания эти вещества реагируют почти мгновенно по реакциям:

U₃O_8(тв) + 9F_2(г) → 3UF_6(г) + 4O_2(г) + Q₁, Q₁ = 921,8 кДж/моль (1.3.41)

UO_3(тв) + 3F_2(г) → UF_6(г) + 1,5O_2(г) + Q₂, Q₂ = 888,3 кДж/моль (1.3.42)

В ходе реакций выделяется большое количество тепла (примерно в 3,5 раза больше, чем при фторировании тетрафторида урана), поэтому без предварительного нагревания оксидов урана и анодного газа в реакторе образуется пламя (факел), температура которого составляет 1500-2000 °С. Превращение оксидов урана в гексафторид происходит практически полностью в том случае, если поддерживается 10-15 %-ный относительно стехиометрии избыток фтора, а исходный порошок оксидов урана диспергируется в газовом потоке. Обеспечить однородную подачу твердого порошкообразного материала в пламенный реактор одна из самых сложных задач. Именно неоднородностью подачи твердого вещества в пламенный реактор объясняется неполное фторирование твердой фазы и образование непрореагировавшего остатка (“огарка” или “золы”). Его количество может составлять 0,5 % мас. от исходного твердого вещества.

Стенки пламенного реактора 4 охлаждаются проточной водой, подаваемой в рубашку реактора. Несмотря на высокую температуру факела, в котором протекает основная реакция сжигания оксидов урана в элементном фторе, температура стенки пламенного реактора не превышает 100-150 °С.

Технические характеристики пламенного реактора приведены в п. 3.1.3.2 настоящей главы. Общий вид реактора показан на рис. 1.3.23, а его схема представлена на рис. 1.3.24.

Распыление твердого порошка осуществляют с помощью вибрационного или ротационного диспергаторов, конструкции которых показаны на рис. 1.3.32, а также устройства, аналогичные используемым в пылеугольных топках.

При проектировании форсунок большой производительности необходимо учитывать их возможный разогрев и предусматривать системы охлаждения.

Для зажигания факела обычно не устанавливают специальных устройств. Реакция фторирования оксидов урана инициируется уже при комнатной температуре, поэтому предварительного нагревания исходных веществ не требуется.

Одной из важных проблем является образование на внутренних стенках пламенного реактора гарнисажа из твердых продуктов. При проведении реакции фторирования высших оксидов урана элементным фтором необходимо произвести локализацию этой реакции в объеме факела. Это достигается снижением температуры стенок пламенного реактора и введением 5-7 % избытка элементного фтора относительно стехиометрически необходимого количества. В результате на внутренних стенках реактора образуется слой гарнисажа толщиной 0,08 мм, в дальнейшем не увеличивающийся.

1 – форсунки; 2 – вращающийся вал; 3 – сальник Рис. 1.3.32 Вибрационный (а) и ротационный (б) диспергаторы

Непрореагировавшие частицы высших оксидов урана попадают в горизонтальный шнековый реактор выгрузки нелетучего фторидного остатка (огарка) 5 с горизонтальной шнековой мешалкой, конструкция которого представлена на рис. 1.3.33, выгружаются в контейнер и выводятся из процесса на экстракционную переработку. Количество нелетучего фторидного остатка (огарка) не превышает 0,1-0,5 % мас. от количества оксидов урана, загружаемых в реактор на фторирование.

Исходный пылегазовый поток из пламенного реактора через штуцер 1 поступает в реактор выгрузки нелетучего фторидного остатка. Здесь происходит отделение основной массы твердых частиц фторидного огарка, которые шнеком 8 перемещаются по реактору 7 и удаляются через штуцер 3. Очищенный от основной массы твердых частиц пылегазовый поток выводится на дальнейшую очистку через штуцер 2. Вращающийся в реакторе 7 шнек 8 изнутри охлаждается водой, которая поступает через штуцер 9 проходит внутри вращающегося шнека 8 и сливается через штуцер 10. Для обеспечения герметичности реактора при вращении шнека предназначены сальниковые уплотнения 13. Шнек вращается при помощи вала, установленного на подшипниках 13. Для измерения температуры стенок корпуса реактора служит термопара 14. Пылегазовый поток, поступающий из пламенного реактора, имеет температуру 700-800 °С, поэтому для предотвращения коррозии реактора 7 его корпус охлаждается водой, которая подается и отводится через штуцеры 4, 5, 6 и 11.

Из реактора выгрузки нелетучего фторидного огарка 5 (рис. 1.3.31) выделенная твердая фаза собирается в контейнере 7, а очищенный от основного количества твердой фазы пылегазовый поток для дальнейшей очистки и охлаждения подается в расширитель 6, конструкция которого приведена на рис. 1.3.34.

Исходная газовая смесь поступает в расширитель через штуцер 1. В расширителе за счет резкого увеличения поперечного сечения аппарата происходит резкое падение линейной скорости газового потока. При этом некоторое количество частиц, скорость которых больше скорости газового потока выделяется из пылегазового потока и, объединяясь в агрегаты, ссыпается через штуцер 1 в реактор выгрузки фторидного огарка (рис. 1.3.33) и удаляется в контейнер 7 (рис. 1.3.31). Из расширителя частично очищенный пылегазовый поток отводится через штуцер 2. Для предотвращения коррозии корпус расширителя имеет водяную рубашку охлаждения, в которую вода подается через штуцер 3 и отводится через штуцер 4. Поэтому температура стенок расширителя не превышает 100-150 °С.

Очищенный таким способом пылегазовый поток поступает на охлаждение в теплообменник 8 (рис. 1.3.31), в котором происходит его охлаждение до комнатной температуры. Для количественного отделения пыли газовая фаза подается на металлокерамические фильтры 9, в которых фильтрация проводится с помощью порошковых спеченных фильтр-патронов. Степень очистки газа от пыли – не менее 99,99 % мас. Внутренний объем каждого фильтра разделен на 4-ре секции. Исходная пылегазовая смесь фильтруется через две секции. Одна из оставшихся секций находится на регенерации, а другая в резерве. По мере забивания фильтр-патронов одной из фильтрующих секций эта секция отключается и автоматически включается резервная секция. Отработавшая секция регенерируется и становится в резерв. Регенерация фильтр-патронов производится пропусканием сжатого элементного азота (N₂) через фильтрующую поверхность в направлении обратном фильтрации пылегазового потока. Регенерация сжатым азотом производится импульсным методом в течение 0,2-0,5 с, поэтому данный процесс не оказывает значительного влияния на гидродинамику процесса фильтрации пыле-газовой смеси в работающих секциях. Отделенная пыль из фильтра сбрасывается через нижний штуцер в днище фильтра в бункер 10.

Отфильтрованный газовый поток поступает на конденсацию гексафторида урана методом вымораживания в конденсатор 11 (рис. 1.3.31).

1 - вход пыле-газового потока из пламенного реактора; 2 - выход пыле-газового потока в расширитель; 3 - выгрузка нелетучего фторидного остатка (огарка); 4,5 - вход и выход воды для охлаждения корпуса реактора; 6 - вода на охлаждение штуцера выгрузки фторидного огарка; 7 - корпус реактора; 8 - шнек, охлаждаемый водой; 9,10 - вход и выход воды для охлаждения шнека; 11 - выход воды для охлаждения сальникового уплотнения; 12 - сальниковые уплотнения; 13 - подшипники; 14 - термопара Рис. 1.3.33 Реактор выгрузки нелетучего фторидного остатка (огарка)

1 - вход пылегазовой смеси; 2 - выход очищенной пылегазовой смеси; 3 - вход охлаждающей воды; 4 - выход охлаждающей воды Рис. 1.3.34 Расширитель

Конденсацию гексафторида урана проводят в две стадии. На 1-ой стадии в качестве охладителя используют промышленную воду с температурой 10-20 °С, а на второй – предварительно охлажденный до –40 °С раствор хлорида кальция. Выделенный из газового потока в виде твердого вещества гексафторид урана собирается в емкости 12. Основные конструкции конденсаторов UF₆ представлены на рис. 1.3.26 и 1.3.27.

После конденсации газовый поток, содержащий 5-7 % избыток элементного фтора (со стадии фторирования), элементный кислород (выделившийся из оксидов урана), элементный азот (подаваемый в пламенный реактор в местах сальниковых уплотнений), фтороводород (из анодного газа) и следовые количества гексафторида урана (оставшиеся после конденсации), подается в противоточный реактор 2 (рис. 1.3.31), предназначенный для улавливания избытка элементного фтора из пламенного реактора 4. Конструкция реактора улавливания элементного фтора показана на рис. 1.3.25. Процесс улавливания проводится с помощью оксидов урана, подаваемых шнековым питателем из бункера 1 в реактор 2 в большом избытке относительно элементного фтора, содержащегося в газовой фазе. В результате в избытке оксидов урана относительно фтора протекает реакция его улавливания с образованием уранилфторида и тетрафторида урана:

U₃O_8(тв) + 3F_2(г) = 3UO₂F_2(тв) + O_2(г). (1.3.43)

U₃O_8(тв) + UF_6(г) → UF_4(тв) + UO₂F_2(тв) + 2UO_3(тв). (1.3.44)

При этом достигается 99,9 %-ное улавливание элементного фтора из газовой фазы. Необходимо отметить, что лишь незначительная часть оксидов урана переходит в уранилфторид и тетрафторид урана, поэтому выгружаемая в контейнеры 3 (рис. 1.3.31) из противоточного реактора 2 твердая фаза состоит в основном из оксидов урана.

Безводный фтороводород также улавливается диоксидом урана, входящим в состав U₃O₈, в противоточном реакторе 2 по реакции:

UO_2(тв) + 4HF_(г) = UF_4(тв) + 2H₂O_(пар). (1.3.45)

Затем полученная в процессе улавливания твердая фаза пневмотранспортом подается в контейнер 1 пламенного реактора 4.

Очищенный от основного количества фторсодержащих веществ пыле-газовый поток после фильтрации на пористом металлокерамическом фильтре 9 направляется на санитарную очистку в реактор улавливания 13 (“мокрый скруббер”), скруббер 14, через который насосом 15 противотоком газовой фазе подается 5-7 %-ный раствор соды. Улавливание фторсодержащих газов осуществляется по реакции:

F₂ + Na₂CO₃ = 2NaF↓ + CO₂ + 0,5O₂, (1.3.46)

UF₆ + Na₂CO₃ + H₂O = UO₂F₂↓ + 2NaF↓ + 2HF + CO₂↑. (1.3.47)

Нелетучий твердый остаток из контейненра 7 пламенного реактора 4 и урансодержащие растворы после санитарной очистки газовой фазы направляются на экстракционное извлечение урана.

Несмотря на то, что в качестве основных конструкционных материалов для оборудования, работающего во фторсодержащих средах, применяются никель и его сплавы, корпус пламенного реактора изготовлен из углеродистой стали. Это связано с тем, что стенки пламенного реактора с внешней стороны охлаждаются водой, поэтому их температура не превышает 100 °С. В этих условиях на внутренней поверхности стенки пламенного реактора образуется тонкая пленка из фторида железа, которая при 100 °С пассивирует поверхность углеродистой стали и препятствует проникновению элементного фтора.

Нержавеющая сталь и инконель-металл при температурах, превышающих 500 °С, совершенно неустойчивы к гексафториду урана; при температурах выше 425 °С наблюдается некоторое взаимодействие его и с монель-металлом. Исследование поведения никеля показало, что при высоких температурах скорость коррозии определяется процессом испарения пленки фторида никеля. В интервале температур 550-700 °С наблюдалась межкристаллитная коррозия, объясняемая наличием примесей в никеле. В некоторых случаях применяют плавленый алунд (Al₂O₃), недостатком которого, однако, является способность сорбировать некоторые количества гексафторида урана.

Критериями устойчивости металлов в среде газообразного фтора являются свойства образующихся фторидов – их летучесть и способность образовывать сплошные непроницаемые пленки на металле. Даже стойкие в среде кислорода металлы (платина, вольфрам, титан, хром) при повышенных температурах полностью разрушаются фтором. Данные по коррозионному воздействию фтора на важнейшие конструкционные материалы приведены в табл. 1.3.9.

Таблица 1.3.9

Коррозионная стойкость некоторых металлов и сплавов во фторсодержащих средах^*

Продолжение табл.1.3.9

^* Данные приведены для концентрации газов 90-100 %

^** Данные относятся к парам плавиковой кислоты

Шкала коррозионной устойчивости металлических конструкционных материалов представлена в табл. 1.3.10.

Таблица 1.3.10

Десятибалльная шкала коррозионной устойчивости металлических¹ конструкционных материалов

Из неорганических соединений наиболее устойчивы ко фтору высшие фториды (применяют замазки на основе фторидов кальция и магния), а также, до определенных температур, алунд. Из органических соединений относительно стойки фторопласт-4 (политетрафторэтилен), в меньшей степени фторопласт-3 (политрифторхлорэтилен) и некоторые фторорганические жидкости.

Обогащение урана

3.3.1 Способы разделения изотопов урана и мощности заводов
по разделению изотопов урана в мире

Природный уран содержит около 0,7 % делящегося изотопа ²³⁵U, тогда как для работы современных LWR требуется концентрация этого изотопа 3-5 %.

Процессы обогащения урана по ²³⁵U основаны на разности масс атомов ²³⁵U и ²³⁸U и связанных с этим небольших различиях в физико-химических свойствах. На основе этих различий можно проводить разделение изотопов с помощью газовой диффузии, центрифугирования, газодинамических процессов, химического обмена, лазерными методами и т.д.

Исторически первым процессом, широко использовавшимся для промышленного обогащения урана, был процесс газовой диффузии через пористые перегородки. Разделение изотопов с помощью газодиффузионного метода основано на различии в скоростях движения молекул газообразных соединений ²³⁵U и ²³⁸U. Как известно, в смеси газов все молекулы имеют одинаковую кинетическую энергию, а для этого, в соответствии с уравнением Е=1/2∙m∙V², молекулы с более легкой массой должны двигаться быстрее и ударяться о стенки перегородки чаще, чем тяжелые молекулы. Если перегородка будет пористой, то легкие молекулы будут проходить через нее интенсивнее, и смесь за перегородкой будет обогащена ими.

Газообразное соединение урана, пригодное для проведения процесса обогащения, должно быть летучим и химически устойчивым. Химический элемент, входящий в состав данного соединения урана, должен иметь только один изотоп и обладать низкой атомной массой. Этим требованиям удовлетворяет гексафторид урана. При комнатной температуре и атмосферном давлении он является бесцветным твердым веществом. Температура сублимации UF₆ составляет 56,4 ºС.

Схема диффузионного процесса через пористую перегородку показана на рис. 1.3.35. Массовые числа молекул ²³⁸UF₆ и ²³⁵UF₆ составляют 352 и 349, соответственно. Максимальный элементарный коэффициент разделения равен квадратному корню из отношения массовых чисел и составляет 1,0043. Однако на практике коэффициент разделения несколько меньше из-за различных технологических недостатков (в среднем около 1,001). Для достижения требуемой степени обогащения необходимо повторять процесс много раз, для чего разделительные элементы объединяются в ступени и каскады, показанные на рис. 1.3.36 и 1.3.37.

Рис. 1.3.35 Схема процесса газовой диффузии

Рис. 1.3.36 Схема размещения разделительных элементов в ступенях и ступеней в сужающемся каскаде

– обедненные потоки; – обогащенные потоки; а) – простой каскад, б) – противоточный симметричный каскад, в) – противоточный несимметричный каскад с подачей потока питания через одну ступень в прямом направлении Рис. 1.3.37 Примеры каскадов

В простом каскаде ступени соединяются последовательно, и обогащенная фракция любой ступени служит питанием для следующей ступени. При этом обедненные фракции на каждой ступени считаются отвалом и дальнейшей переработке не подлежат. В противоточном каскаде обедненная фракция, выходящая в каждой ступени, направляется на переработку в предыдущую ступень. На обогатительных заводах обычно используются противоточные каскады, так как они позволяют добиться более высокого выхода продукта.

Стандартные элементы каскада на газодиффузионных заводах включают:

· делители, содержащие диффузионные фильтры;

· компрессоры, устанавливаемые на каждой ступени для создания давления, необходимого для прохождения газа через фильтры;

· теплообменники для отвода теплоты сжатия газа;

· электромоторы, приводящие в действие компрессоры и теплообменники;

· трубопроводы внутренних и внешних коммуникаций, клапаны и т.п.

Диффузионные фильтры, находящиеся в делителе, должны иметь малую толщину и высокую пористость, при этом поры должны быть очень мелкими. Учитывая тот факт, что фильтры должны работать продолжительное время в коррозионноактивных условиях, материалы фильтров должны быть химически инертными и обладать высокой механической прочностью. В качестве материалов для изготовления фильтров могут использоваться металлы (Au, Ag, Ni, Al, Cu), оксиды, фториды и нитриды металлов, фторопласты. Изготовление фильтров осуществляется путем протравливания тонких пластин из выбранного материала или прессования тонких порошков материала с последующим спеканием.

Рис. 1.3.38 Сборка трубчатых газодиффузионных фильтров

На рис. 1.3.38 и 1.3.39 показаны сборка с фильтрами и газодиффузионная ступень в каскаде. Типичный газодиффузионный каскад, производящий низкообогащенный уран для АЭС (обогащение не выше 5 %), включает более 1000 ступеней. Для работы газодиффузионного завода требуется большое количество электроэнергии, и поэтому стоимость продукта в значительной мере зависит от ее стоимости.

Рис. 1.3.39 Газодиффузионная ступень в каскаде

Газодиффузионная технология обогащения использовалась на заводах СССР, США, Франции, Великобритании, Китая и Аргентины. До 1960-1970-х гг. она была основной технологией обогащения урана в мире. Затем газовая диффузия постепенно стала вытесняться более конкурентоспособной центрифужной технологией. В настоящее время газодиффузионная технология используется только в США, Франции и Китае. В США до недавнего времени работало два газодиффузионных завода: в Портсмуте, штат Огайо, и в Падуке, штат Кентукки. Срок их службы к концу ХХ века приближался к 50 годам, и нужно было решать их дальнейшую судьбу. В результате газодиффузионный завод в Портсмуте было решено закрыть, а в здании, где в 1980-е годы испытывали центрифуги, разместить центрифужный завод. Завод в Падуке будет модернизирован и продолжит свою работу.

Во Франции действует один газодиффузионный завод, расположенный в Трикастене. Завод является рентабельным благодаря использованию дешевой электроэнергии с АЭС Трикастен и будет работать до 2010 г. Однако и на этом заводе в будущем планируется заменить газодиффузионную технологию на центрифужную. Разработка центрифуг будет осуществляться компанией Eurodif совместно с компанией Urenco.

Обогащение урана с помощью метода центрифугирования основано на эффекте разделения изотопов сильным центробежным полем во вращающемся цилиндрическом роторе. При высоких угловых скоростях в условиях вакуума более тяжелые молекулы ²³⁸UF₆ двигаются к периферии, обеспечивая частичное разделение изотопов в радиальном направлении. Если создать осевой (противоточный) поток во вращательном движении газа, то степень обогащения повысится за счет добавочного обогащения в осевом направлении. Создание противотока может быть осуществлено с помощью неподвижных экранов внутри ротора, температурных градиентов и внешних насосов. В результате происходящих в центрифуге процессов тяжелая фракция с ²³⁸U опускается в нижнюю часть, а легкая с ²³⁵U поднимается вверх.

Элементарный коэффициент разделения изотопов в газовой центрифуге гораздо выше, чем в газодиффузионной ячейке. Если в газодиффузионной ячейке он, как указано выше, составляет реально около 1,001, то в газовой центрифуге – 1,09. Это позволяет снизить число ступеней разделения на центрифужном заводе примерно в 100 раз по сравнению с газодиффузионным предприятием.

Рис. 1.3.40 Противоточная газовая центрифуга

На рис. 1.3.40 изображена схема противоточной газовой центрифуги. В центре ротора установлены три концентрические трубы для подачи питания и отвода обогащенного продукта и отвала. Верхняя часть ротора удерживается в вертикальном положении с помощью магнитной подвески. Отбор продукта и отвала осуществляется вверху и внизу ротора, соответственно, с помощью газозаборников типа трубок Пито.

Производительность центрифуги в разделении изотопов пропорциональна длине ротора и скорости вращения в четвертой степени. По этой причине более предпочтительными являются центрифуги с возможно большей длиной ротора, работающие при высоких угловых скоростях. Длина ротора центрифуги ограничивается рядом практических соображений. Очень длинные роторы имеют тенденцию к изгибу, ведущему к неоднородностям газовых потоков. Кроме того, длинные роторы увеличивают стоимость оборудования для их изготовления, транспортирования роторов с заводов-изготовителей, а также стоимость производственных зданий.

Если газ с молекулярной массой М и молекулярной плотностью ρ подвергают центробежному ускорению ω²·r, то на единицу его объема действует сила Мρω²r. Здесь ω – угловая скорость и r – радиус. Градиент давления, установившийся в газе, составит:

. (1.3.48)

Для того чтобы найти отношение давлений, соответствующих радиусам и , уравнение (1.3.48) необходимо проинтегрировать. В результате получим:

. (1.3.49)

Полученная зависимость аналогична экспоненциальному закону изменения барометрического давления при изменении высоты.

Для смеси газов аналогичная зависимость имеет место для парциальных давлений каждого компонента. В бинарной смеси при равновесии:

– для легкого компонента

, (1.3.50)

– для тяжелого компонента