научная статья по теме РАСЧЕТНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРИ ОБОГАЩЕНИИ ИЗОТОПОВ КАДМИЯ НА ГАЗОВЫХ ЦЕНТРИФУГАХ Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «РАСЧЕТНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРИ ОБОГАЩЕНИИ ИЗОТОПОВ КАДМИЯ НА ГАЗОВЫХ ЦЕНТРИФУГАХ»

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2007, том 41, № 6, с. 655-661

УДК 621.039.3(075)

РАСЧЕТНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРИ ОБОГАЩЕНИИ ИЗОТОПОВ КАДМИЯ НА ГАЗОВЫХ ЦЕНТРИФУГАХ

© 2007 г. В. Д. Борисович, Ю. В. Литвин, Г. А. Сулаберидзе

Московский инженерно-физический институт (государственный университет)

¥ВБот,еУ1сИ@терИ1 ги Поступила в редакцию 31.01.2007 г.

На примере разделения изотопов кадмия в виде металлоорганического соединения диметила кадмия рассмотрены возможности расчетно-теоретических исследований изотопно-селективного мас-сопереноса в центробежном каскаде постоянной ширины при потерях рабочего вещества.

Стабильные изотопы кадмия используют для получения источников у-излучения, применяющихся в медицине, физических исследованиях полупроводниковых кристаллов, спектрометрических исследованиях [1]. В 1980-х гг. на смену электромагнитному методу обогащения изотопов кадмия пришел экономически более выгодный -центробежный. Применение изотопно-обогащенного кадмия в исследованиях по двойному в-распа-ду, а также при изготовлении активных элементов гелий-кадмиевых лазеров привело к необходимости проведения работ по совершенствованию метода разделения изотопов кадмия на газовых центрифугах для получения требуемых количеств изотопного продукта необходимой концентрации за короткие сроки и по достаточно низкой себестоимости.

Настоящая работа посвящена расчетно-теоре-тическим исследованям в процессе центробежного обогащения изотопов кадмия.

ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Газовой центрифугой называют устройство, в котором для разделения газообразной смеси двух или более компонентов, имеющих различные молекулярные массы, используют возникающее при быстром вращении газа поле центробежных сил. Однако даже при достигнутых в современных центрифугах больших скоростях вращения эффект разделения изотопных смесей по радиусу ротора оказывается небольшим. В связи с этим его многократно увеличивают, возбуждая внутри ротора осевое противоточное течение [1]. Но и этот разделительный эффект для получения вы-сокообогащенного продукта также оказывается недостаточным. Для его увеличения используют каскады центрифуг [1]. Центробежный каскад состоит из последовательно соединенных разделительных ступеней, каждая из которых может содержать одну или несколько центрифуг, соеди-

ненных параллельно и работающих в одном и том же гидравлическом и разделительном режимах. Количество центрифуг определяет поток протекающего через ступень рабочего вещества и характеризует ширину ступени, которой зависит количество вещества, подвергающегося разделению. Количество ступеней определяет степень обогащения конечного продукта. Чем выше коэффициенты разделения используемых центрифуг, тем меньше нужно разделительных ступеней. Если все ступени каскада имеют одну и ту же ширину, такой каскад называют прямоугольным.

В каскаде по всей его длине располагают трассу питания, из которой подают исходное рабочее вещество на нужную ступень. С концевых ступеней каскада отбирают легкую и тяжелую фракции в заданном соотношении. Суммарный поток отбора легкой и тяжелой фракции из каскада равен подаваемому в каскад потоку питания, если отсутствуют потери рабочего вещества в каскаде.

Разделительные ступени каскадов снабжают различными регулировочными органами (регуляторы потоков и давлений, критические шайбы, ламинарные сопротивления), позволяющими выполнить условия каскадирования. Возможность перестраивать конфигурацию каскадов (длину и ширину ступеней) и варьировать место подачи потока питания позволяет реализовать наиболее производительные режимы разделения. Конденса-ционно-испарительные установки обеспечивают возможность отбора требуемых величин потоков.

ОБОГАЩЕНИЕ ИЗОТОПОВ КАДМИЯ НА ГАЗОВЫХ ЦЕНТРИФУГАХ

Экспериментальные исследования. Основным критерием применения центробежного метода обогащения изотопов является наличие у химического соединения, содержащего разделяемые изотопы, летучего соединения с давлением насыщенных паров не менее 0.67-1.33 кПа при нор-

Таблица 1. Природная распространенность изотопов кадмия

Изотоп, а.е.м. С, % Изотоп, а.е.м. С, %

106 1.25 112 24.13

108 0.89 113 12.22

110 12.49 114 28.73

111 12.80 116 7.49

мальных условиях [1]. В противном случае не достигается необходимое газонаполнение (газосодержание) в центрифуге, нужное для создания осевого циркуляционного течения, умножающего радиальный эффект разделения. Кадмий не имеет летучих фторидов, удобных для центробежного разделения изотопов. В связи с этим для обогащения изотопов кадмия используют ме-таллорганическое соединение диметил кадмия С^СИ3)2, давление насыщенных паров которого при температуре 296 К около 4 кПа [2].

На первом этапе создания технологии обогащения стабильных изотопов на газовых центрифугах экспериментальные исследования часто проводят с помощью экспериментальной установки, моделирующей одиночную разделительную ступень. Найденные на ней значения относи-

сс

тельных коэффициентов разделения = -- ,

с) С

где С\) и С) - концентрации 7-го и)-го компонентов в выходных потоках из ступени, 7,) = 1, т , т -число компонентов разделяемой смеси, используют для определения необходимых разделительных параметров каскада [3].

В практике центробежного разделения изотопов чаще всего применяют каскады постоянной ширины, в которых все разделительные ступени содержат одинаковое количество центрифуг, соединенных параллельно.

Используемые в качестве рабочего вещества химические соединения должны обладать достаточной химической и термической стойкостью, т.е. не переходить в больших количествах в нелетучие формы и не вызывать коррозию материалов, из которых изготовлена разделительная установка. В случае частичной деструкции рабочего вещества, как это происходит в случае диметила -кадмия, возникают его потери в разделительных ступенях каскада. Потери приводят к нарушению изотопного баланса в ступенях и концевых (выходных) потоках каскада.

При разделении изотопов на каскадах центрифуг учитывают, какой компонент разделяемой смеси является целевым, а также какая концентрация целевого изотопа и его количество долж-

ны быть получены. Эти факторы определяют последовательность разделительных этапов и необходимую массу исходного рабочего вещества. Для определения оптимальных условий процесса разделения обычно проводят комплекс расчетно-теоретических исследований, в котором используют различные методики расчета прямоугольного каскада.

Расчетные исследования. Вследствие того, что в молекулу диметила кадмия входят не только изотопы разделяемого химического элемента кадмия, учет изотопии всех химических элементов, входящих в молекулы рабочего вещества, приводит к явлению, называемому "изотопным перекрытием" или "изотопным расщеплением" компонентов, когда молекулы могут быть образованы из разных изотопов, но имеют одинаковую молекулярную массу.

При исследовании влияния изотопного состава на процесс обогащения изотопов кадмия в виде диметила кадмия изотопией водорода часто пренебрегают, так как природное содержание изотопа 2Н (0.015%) незначительно по сравнению с основным изотопом ХН (99.985%). Без учета изотопии водорода возникают следующие компоненты диметила -кадмия: 112Са(13СН3)(13СН3), ..., 113Са(12СН3) (13СН3) и 114С^12СН3)(12СН3), включающие разные изотопы кадмия, но имеющие одно и то же массовое число, равное 144. В результате при обогащении методом центрифугирования молекулярной смеси компонентом массой 144 будут извлекаться содержащиеся в ней изотопы кадмия 112, 113 и 114.

В табл. 2 представлены молекулярные компоненты диметила кадмия). Как видно, молекулярных компонентов заметно больше, чем распространенных в природе (С, %) изотопов кадмия.

В табл. 2 приведено рассчитанное с помощью специального компьютерного кода [4] их процентное содержание молекулярных компонентов, не совпадающее с природной распространенностью изотопов кадмия. Там же представлено содержание в каждой молекулярной массе изотопов 114Са и 116Са.

Из табл. 2 следует, что изотопное перекрытие приводит к появлению теоретического предела концентрации обогащаемого изотопа. Предельное обогащение по изотопу 116Cd составляет 100% при условии, что в процессе разделения выделяются компоненты массами 147 и 148. Если одновременно извлекать и компонент молекулярной массы 146, то предельное обогащение уменьшится до 99.95%. Для всех не крайних изотопов предельное обогащение всегда будет меньше 100%, например, для 112Cd оно составляет 98.82%.

Частичное разложение диметила кадмия с образованием метана осложняет перенос целевой фракции по каскаду. В связи с этим при создании центробежных аппаратов, используемых для обогащения

стабильных изотопов, стараются уменьшить потери рабочего вещества путем повышения чистоты рабочего газа и устранения из конструкции центрифуг материалов с ним взаимодействующих.

Специфика алгоритмов расчета каскадов для обогащения неурановых изотопов связана с тем, что коэффициенты разделения на центробежных разделительных ступенях каскада могут быть заметно больше, чем в классической теории разделения изотопов урана [5]. Особенностям расчетов каскадов при разделении неурановых изотопов посвящены, например, работы [6-12]. Дополнительной проблемой, осложняющей расчет каскадов, используемых для обогащения изотопов ряда химических элементов, является необходимость учета потерь рабочего вещества в разделительных элементах [13, 14].

Целью расчета каскада является определение концентраций в выходных потоках из каскада, а также распределение концентраций компонентов по ступеням каскада. При этом заданными величинами считают потоки питания, отбора и отвала, концентрации компонентов в питающем каскад потоке и потери рабочего вещества, постоянные на всех ступенях каскада. Одинаковыми на всех ступенях каскада задают также величины потока питания ступеней ("ширина" каскада) и коэффициентов разделения.

Простейшая схема противоточного каскада с потерями представлена на рис. 1. В каскад подают поток питания F, а из него выходят два потока -отбора P и отвала W. Каскад состоит из f - 1 ступеней отвальной части и N

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

Пoхожие научные работыпо теме «Химическая технология. Химическая промышленность»