Экономика ядерной энергетики: Основы технологии и экономики производства ядерного топлива. 3-е изд. - Синев Н.М.
Скачать (прямая ссылка):
В уран-ториевом цикле накопление 232U создает серьезные трудности обращения с 233U при фабрикации топлива, если содержание 232U в нем превышает 5-10-1%.
Максимальная общая -у- и ^-активность, обусловленная продуктами деления, % активности природного ураиа . . . . 10 и 20
Максимальная а-активность, обусловленная всеми трансурановыми элементами, иа 1 г урана, расп./мии.....1500
Установлены,также .жесткие правила отбора проб и анализов для контроля на соответствие качества UF6 указанным выше техническим требованиям.
8.2. РАЗДЕЛЕНИЕ ИЗОТОПОВ УРАНА МЕТОДОМ ГАЗОВОЙ ДИФФУЗИИ (ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ)
Газовой диффузией в физике называется процесс переноса массы и процесс перемешивания соприкасающихся газов, происходящий в результате их теплового движения и сопровождающийся выравниванием парциального давления и плотности во всем объеме.
В 1896 г. английский физик Рэлей показал, что «...смесь двух газов различных атомных весов может быть частично разделена, если заставить смесь продиффундировать через пористую перегородку в вакуум». В методе газовой диффузии, примененном для разделения изотопов урана, используются различие в скоростях теплового движения тяжелых и легких молекул и закономерности молекулярного течения газа через тонкие пористые перегородки, в которых размер пор или капиллярных каналов меньше, чем средняя длина свободного пробега молекул. Попадая в эти поры, молекулы гексафторида 235U и 238U между собой почти не сталкиваются, а проходят через перегородку, взаимодействуя только со стенками капиллярного канала, при этом какая-то часть молекул не пройдет, а, отразившись от стенки, вернется в исходный объем.
Однако легкие молекулы более «проворны». При одинаковой температуре средняя скорость теплового движения молекул гексафторида 235U несколько выше, чем гексафторида 238F, что позволяет получить большую концентрацию молекул этого изотопа по другую сторону пористой перегородки (рис. 8.3).
Основываясь на принципе газовой диффузии через мелкопористую мембрану, немецкий физик Г. Герц в 1932 г. в лабораторных условиях впервые разделил смесь двух легких газов. 17*
Рг<Рі t=const
Рис. 8.3. Схема диффузии через пористую перегородку
Для лучшего уяснения физических принципов этого процесса напомним некоторые сведения из молекулярной физики.
Зависимость тепловой скорости молекулы от ее массы. Одна грамм-молекула содержит 6,02•1O23 молекул (число Авогадро). .При нормальных условиях [760 мм рт. ст. (~0,1 МПа), 2O0C] в 1 см3 идеального газа содержится 2,7•1O19 молекул (число Лош-мидта).
Средняя кинетическая энергия газа или жидкости зависит только от температуры:
тс212=Ш/2, (8.1)
где т—масса одной молекулы; с — средняя скорость; k — постоянная Больцмана; T — абсолютная температура газа, К-
Рассмотрим смесь двух газов. В этой смеси, имеющей одинаковую температуру (7=const), средняя кинетическая энергия легких и тяжелых молекул будет одинакова, т. е.
m,^=ffiTc2t, (8.2)
где тл — масса молекулы легкого газа; /иТ — масса молекулы тяжелого газа.
Но так как /гал<тт, то сл>ст, т. е. средняя скорость молекулы легкого газа при данной температуре будет больше средней скорости молекулы тяжелого газа. По формуле (8.1) средняя скорость с теплового движения молекулы газа, имеющего массу /га, может быть выражена так: c=Y3kT/m. При постоянной температуре средняя скорость молекул газа обратно пропорциональна корню квадратному из его молекулярной массы. Например, для азота при 760 мм рт. ст. (~ 0,1 МПа) и температуре 200C (293 К) с=470 м/с, для водорода в тех же условиях « 1800 м/с.
Длина свободного пробега молекулы. Почему же при столь больших скоростях движения процессы свободного диффузионного перемешивания газов (перенос массы) в действительности проходят очень медленно? Это объясняется тем, что свободному тепловому движению молекул и атомов препятствуют столкновения между ними, что приводит к многократным изменениям направления движения молекул в газе. Чем плотнее газ, т. е. чем больше его давление, чем больше содержится в единице объема молекул газа и больше упругих столкновений в единицу времени будет испытывать каждая молекула. И наоборот, чем разреженнее газ, тем меньше происходит соударений между его молекулами в единицу времени. При данных установившихся условиях (плотности газа или его давлении и температуре) процесс движения и столкновений молекул газа_ характеризуется средней длиной свободного пробега молекулы К, т. е. расстоянием, которое проходит молекула между двумя последовательными соударениями.
Установлено, что газообразный гексафторид урана ведет себя подобно идеальному газу. Это облегчает изучение и анализ его молекулярных процессов.
Средняя длина свободного пробега молекул выражается формулой
Я=0,057/ (r2n) « а/р; lp=const. (8.3)
Здесь г — радиус молекулы (для воздуха 1,9•1O-8 см); п — число молекул в единице объема, см-3; р — давление газа, мм рт. ст.; а — коэффициент пропорциональности.
Число столкновений z молекулы в 1 с описывается простым соотношением
