научная статья по теме ОЦЕНКА УДЕЛЬНЫХ ЗАТРАТ НА ПОЛУЧЕНИЕ ИЗОТОПА СВИНЕЦ-208 НА ГАЗОВЫХ ЦЕНТРИФУГАХ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ РАЗЛИЧНОГО СЫРЬЯ Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «ОЦЕНКА УДЕЛЬНЫХ ЗАТРАТ НА ПОЛУЧЕНИЕ ИЗОТОПА СВИНЕЦ-208 НА ГАЗОВЫХ ЦЕНТРИФУГАХ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ РАЗЛИЧНОГО СЫРЬЯ»

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2012, том 46, № 4, с. 463-469

УДК 621.039.3

ОЦЕНКА УДЕЛЬНЫХ ЗАТРАТ НА ПОЛУЧЕНИЕ ИЗОТОПА СВИНЕЦ-208 НА ГАЗОВЫХ ЦЕНТРИФУГАХ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ

РАЗЛИЧНОГО СЫРЬЯ © 2012 г. А. Ю. Смирнов, В. Д. Борисевич, Г. А. Сулаберидзе

Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", Москва

a.y.smirnojf@rambler.ru Поступила в редакцию 28.12.2011 г.; после доработки 07.02.2012 г.

Выполнены оценки удельных затрат на производство на газовых центрифугах высокообогащенного изотопа 208РЬ, который может быть использован в качестве теплоносителя и отражателя нейтронов в перспективных реакторах на быстрых нейтронах. Для расчетов использована методика, разработанная для разделительных аппаратов колонного типа. В качестве исходного сырья рассмотрены природная смесь изотопов свинца и "радиогенный" свинец, в котором содержание целевого изотопа почти в полтора раза выше, чем в природной смеси. Установлена ценовая граница стоимости "радиогенного" свинца, до которой достигаются меньшие удельные затраты на производство высоко-обогащенного 208РЬ по сравнению с природной изотопной смесью.

ВВЕДЕНИЕ

По заявлениям экспертов, будущее широкомасштабное развитие ядерной энергетики невозможно без значительного увеличения доли быстрых реакторов с воспроизводством топлива [1, 2]. В связи с этим важным аспектом проектирования таких установок является выбор функциональных и конструкционных материалов, в том числе для нейтронного отражателя и теплоносителя ядерного реактора. В одной из возможных концепций перспективных быстрых ядерных реакторов рассматривается возможность использования в качестве теплоносителя жидкого свинца [1—3]. Свинец является химически пассивным и слабо активируемым элементом с высокой температурой кипения (1740°С). Как показали недавно проведенные исследования, применение в качестве теплоносителя в быстрых реакторах свинца с повышенным содержанием изотопа 208РЬ позволяет улучшить нейтронно-физические и тепло-гидравлические характеристики таких установок, по сравнению со случаем использования обычного или природного свинца (содержание 208РЬ в природной смеси составляет приблизительно 52%). Основные причины заключаются в том, что изотоп 208РЬ слабее остальных изотопов свинца поглощает и замедляет нейтроны. Кроме того, использование изотопа 208РЬ в качестве отражателя нейтронов повышает безопасность работы реактора [3]. Это позволяет рассматривать быстрые реакторы с изотопомодифицированным свинцом (смесью изотопов свинца с содержанием 208РЬ выше 95%) как одно из перспективных направлений развития таких быстрых реакторов. В последнее

время обсуждается вопрос об использовании в качестве теплоносителя с повышенным содержанием изотопа 208РЬ так называемого "радиогенного" свинца, который может быть выделен из торие-вых или уран-ториевых руд. Содержание изотопа 208РЬ в таком материале может колебаться в пределах 87—93% [3]. Однако и в этом случае свинец придется дообогащать, так как максимальных преимуществ в характеристиках быстрых реакторов можно добиться только при использовании в качестве теплоносителя практически чистого 208РЬ.

Рассмотрим, какие технологии разделения изотопов применимы для получения больших количеств высокообогащенного изотопа 208РЬ. Это метод газового центрифугирования, лазерный метод разделения и метод ионно-циклотронного резонанса [4, 5]. Однако среди перечисленных методов в настоящее время только центробежный метод используется для производства на промышленном уровне стабильных изотопов более 25 химических элементов [6]. Для ионно-цикло-тронного резонанса выполнены только теоретические оценки параметров установки для разделения ряда изотопов, в том числе и свинца [5], а вопросы получения 208РЬ лазерным методом лишь частично отработаны в лабораторных условиях [4].

В качестве сырья для получения 208РЬ может быть использована либо природная смесь изотопов свинца, либо "радиогенный" свинец. При этом при проведении оценочных расчетов целесообразно определить верхнюю границу стоимости конечного продукта, для чего следует брать "радиогенный" свинец с наименьшим содержанием изотопа 208РЬ. Этому требованию отвечает

"радиогенный" свинец, который может быть выделен из ториевой руды, получаемой при производстве редкоземельных элементов [7]. Содержание целевого изотопа 208РЬ в нем заметно больше, чем в природном сырье, и приблизительно составляет 88%.

Целью настоящего исследования является сравнительная оценка удельных затрат на производство высокообогащенного изотопа 208РЬ методом газового центрифугирования для двух различных вариантов исходного сырья и сравнение полученных данных с опубликованными данными об удельных затратах на производство высоко-обогащенного изотопа 208РЬ другими методами разделения.

ТЕОРЕТИЧЕСКИМ АНАЛИЗ

При использовании центробежного метода разделения для получения нужного количества и необходимой концентрации требуемого изотопа применяют многоступенчатые разделительные установки (каскады), содержащие большое количество газовых центрифуг. Расчет реальных каскадных установок для производства изотопной продукции является сложной и трудоемкой задачей. Поэтому в теории разделения изотопов в каскадах для проведения оценочных расчетов и выявления качественных закономерностей изото-по-селективного массопереноса используют так называемые "модельные" каскады. Математические модели таких каскадов в полной мере отвечают физике процесса разделения в реальных установках, но при этом позволяют заметно упростить необходимые расчеты [8]. Поэтому для оценки удельных затрат, т.е. затрат на производство единицы обогащенного продукта, здесь будут использованы именно такие физико-математические модели. Для случая разделения многокомпонентных смесей, к которым относится смесь изотопов свинца, часто используют модель "квазиидеального" каскада, являющуюся аналогом "идеального" каскада для разделения бинарных изотопных смесей [9, 10]. Именно эта модель и будет применена в настоящей работе.

При разделении изотопов свинца на газовых центрифугах в качестве рабочего вещества применяют металлоорганическое соединение — тет-раметил свинца РЬ(СН3)4 [11]. Для расчета удельных затрат на производство изотопного продукта заданной концентрации используем универсальный подход, разработанный в [12, 13] для разделительных аппаратов колонного типа, к которым относится газовая центрифуга. Формула для

оценки удельных затрат, выведенная в этих работах, имеет следующий вид:

S =

цРау t(

N { ak1 + aEbE | + ^ - F + a^

P atc

■ + aF

P + P а

(1)

где N — число разделительных элементов в каскаде; P и F — потоки отбора и питания каскада, соответственно; п — КПД формы каскада (величина показывающая эффективность работы разделительной установки); а — доля металлического свинца в рабочем веществе; akl — стоимость разделительного элемента; ak2 — затраты, связанные с работой конденсационно-испарительных установок; aE — стоимость единицы электроэнергии; aF — стоимость исходного продукта (включающая стоимость сырья в металлическом виде и его перевод в газообразную форму); bE — мощность, подводимая к одиночному разделительному аппарату; tc — срок службы каскада; aSal — заработная плата обслуживающего персонала в единицу времени.

Как показывают выполненные оценки, основной вклад в удельные затраты вносят величины N/P и F/P. Поэтому для снижения производственных затрат целесообразно уменьшать указанные параметры. Однако из теории каскадов известно, что эти величины по-разному изменяются в зависимости от одних и тех же характеристик разделительной установки. Например, для уменьшения отношения потока питания в каскад к потоку отбора F/P, следует повысить степень извлечения целевого компонента из разделяемой изотопной смеси, определяемую как [10]

PCP

R = Pcn-

FCF

(2)

где Cn, Cn — концентрации целевого компонента в потоках P и F, соответственно.

В то же время повышение степени извлечения ведет к увеличению отвальной (исчерпывающей) части каскада, т.е. той части каскада, в которой концентрация целевого компонента становится меньше, чем в потоке питания каскада. Удлинение отвальной части, в свою очередь, обусловливает рост суммарного потока в каскаде и, соответственно, величины N/P. Отсюда следует, что величина удельных затрат может иметь минимум в зависимости от комбинации величин N/P и F/P, для нахождения которого необходимо проводить исследование с использованием степени извлечения и длины отвальной части в качестве параметров оптимизации.

Таблица 1. Состав природной смеси изотопов свинца

Изотоп 204РЬ 206рь 207РЬ 208РЬ

Порядковый номер компонента 1 2 3 4

Концентрация компонента с номером 1 в 1.40 24.1 22.1 52.40

потоке питания каскада, с[, %

Таблица 2. Параметры разделительного каскада и удельные затраты на производство изотопного продукта, получаемого из природного свинца, при различных величинах степени извлечения

№ п/п Я Р/Р И, шт дол. США/г

1 0.9527 0.5043 9555 7.48

2 0.9426 0.4989 9343 7.33

3 0.9323 0.4935 9160 7.19

4 0.9218 0.4879 8998 7.07

5 0.9111 0.4822 8853 6.96

6 0.9001 0.4764 8720 6.86

7 0.8888 0.4705 8598 6.77

8 0.8773 0.4644 8485 6.68

9 0.8656 0.4581 8379 6.60

10 0.8535 0.4518 8279 6.53

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

В работе проведен цикл расчетов с целью оценки удельных затрат на производство 1 грамма изотопа 208РЬ с обогащением 99%, получаемого из двух различных видов сырья: природного и "радиогенного" свинца. Величины параметров каскада (Л/Р и Е/Р) определяли с использованием модели "квазиидеального" каскада. При этом задавали следующие параметры каскадной установки, характерные для производства изотопной продукции на газовых центрифугах.

1. Степень извлечения целевого изотопа составляет не менее 80%.

2. КПД формы каскада равен 80%.

3. Отбор каскада составляет 150 кг/год металлического свинца при концентрации целевого компонента в потоке отбора 99% [2].

4. Коэффициент разделения, приходящийся на единичную разность массовых чисел разделяемых компонентов, равен = 1.06 [14].

5. Мощность электропривода одиночной газовой центрифуги составляет 60 Вт [15].

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком