Обогащение урана - Беккер Е.
Скачать (прямая ссылка):
232
ГЛАВА 5
РАЗДЕЛИТЕЛЬНОЕ СОПЛО
Е. В. Беккер
В методе разделительного сопла разделение изотопов урана1 обусловлено действием центробежных сил, развивающихся в высокоскоростном потоке гексафторида урана и легкого вспомогательного газа. Метод разрабатывался Центром научных исследований в Карлсруэ совместно с фирмой «Штеаг» (ФРГ). В 1975 г. фирмы «Нуклебрас» (Бразилия) и «Интератом» (ФРГ) объединили свои усилия. Первоначальная цель их деятельности состояла в конструировании демонстрационного разделительного завода (Бразилия). Здесь рассматриваются основные стороны и наиболее важные этапы разработки технологии метода разделительного' сопла.
5.1. ВВЕДЕНИЕ
Общие представления, касающиеся газодинамического метода разделения изотопов урана, были известны давно. Из отчета, опубликованного в Харуэлле и рассекреченного в 1953 г. [5.1], следует, что еще во время второй мировой войны Дирак высказывал идею о принципиальной осуществимости разделительного механизма газовой центрифуги без использования движущихся частей (узлов) путем предоставления газу возможности истекать с большой скоростью в виде струи, имеющей искривленные линии тока. Однако проверка этого эффекта, выполненная в Великобритании на модельных газах, показала, что метод не может быть использован для разделения изотопов в больших масштабах [5.2].
Первые сообщения об успешных экспериментах по разделению изотопов на основе газодинамического принципа были опубликованы в 1955 г. (Аг и Хе) [5.3] и в 1956 г. (UF6) [5.4]. Однако возможность использования метода для крупномасштабного производства по обогащению урана изотопом 235U стала понятной только после того, как было установлено существенное увеличение разделительного эффекта при разбавлении UF6 легким вспомогательным газом [5.5, 5.6].
Положительное влияние легкого газа (обычно используется Н2 или Не), добавляемого к гексафториду урана в большом молярном избытке, в основном связано с тем, что этот легкий газ заметно увеличивает скорость источника UFs при данном значении коэффициента расширения. В то же самое время парциальное число Маха Muf, может значительно превысить свой звуковой предел при наличии дозвукового или близкого к звуковому течению смеси, характеризуемого относительно небольшими потерями. Увеличение центробежной разделительной силы поясняется на рис. 5.1, из которого видно, что в смеси H2/UFe с моляр-
233
Молярная концентрация Нг
Рис. 5.1. Возрастание действующих на молекулы UF6 в системе разделительного сопла
центробежных сил при разбавлении гексафторида урана водородом
IV
Рис. 5.2. Схема некоторых систем, исследованных при разработке метода разделительного сопла (F — питание, Р — отбор, W — отвал)
ной долей водорода 95% действующие на молекулы UFe центробежные силы примерно в 20 раз больше, чем в случае чистого гексафторида. Кроме того, дополнительное положительное воздействие, оказываемое присутствием легкого газа, обусловлено различием скоростей диффузии изотопов в процессе установления равновесного распределения плотности [5.7]. Представляется, что затраты, связанные с добавлением легкого газа, вполне компенсируются получаемыми в этом случае преимуществами.
Очевидно, что при использовании вспомогательного легкого газа в так называемом методе разделительного сопла одновременно с разделением изотопных составляющих имеет место существенное разделение гексафторида урана и добавки. Действие этого нежелательного эффекта, однако, компенсируется без ущерба для основного процесса разделения изотопов, если разделительные элементы соединяются в каскад (см. разд. 5.2.3).
Необходимая для осуществления процесса разделения кривизна линий тока может быть получена различными путями. На рис. 5.2 показаны некоторые из исследованных устройств. При проведении первых систематических экспериментов с UF6 [5.8] использовали сопло, конструкция которого приведена на рис. 5.2, а. В этом случае кривизна линий тока в основном обу-словлева задерживающим действием отсекателя, применяемого для расщепления струи. Лентообразная форма струи, изображенная на рис. 5.2, б, образуется за счет отклонения потока на полу-
234
цилиндрической стенке [5.9, 5.10]. На рис. 5.2, в показано приспособление, с помощью которого два противоположно направленных струйных потока лентообразной формы испытывают взаимное отклонение [5.11, 5.12]. В соответствии с изображенной на рис. 5.2, г схемой поток питания подается радиально в разделительное пространство через кольцевое сопло и расщепляется с помощью кольцевых отсекателей [5.13]. Наиболее детально изучали вариант, показанный на рис. 5.2, б. Он является основой промышленной разделительной системы (см. § 5.3). Рисунки 5.2, в, г иллюстрируют пути дальнейшего усовершенствования метода разделительного сопла (см. разд. 5.4).
Следует упомянуть, что так называемый иСОК*-метод [5.14], разработанный в ЮАР в обстановке секретности, является газодинамическим методом, используемым в режиме с большой молярной концентрацией водорода. Он был назван авторами методом усовершенствованной вихревой трубы. Ограниченность публикаций, касающихся разделения изотопов урана в вихревых трубах [5.15J, не позволяет оценить преимущества таких устройств перед системами, показанными на рис. 5.2.
