Экономика ядерной энергетики: Основы технологии и экономики производства ядерного топлива. 3-е изд. - Синев Н.М.
Скачать (прямая ссылка):
На основе теории Бермана шведскими исследователями центрифуг вычислена ориентировочная зависимость КПД от окружной скорости центрифуги при разделении изотопов урана для ротора длиной 100 см и г2=Ю см при условии оптимальной циркуляции при температуре ^500C (323 К) и предположении симметричного разделения потоков. Согласно расчетам максимум КПД наблюдается (рис. 8.12) при скорости —-280 м/с (г)я&62%), а при скоростях 500—600 м/с КПД уменьшается до 30—22%. На рис. 8.13 приведена зависимость теоретической и реальной разделительной мощности указанной выше центрифуги от окружной скорости вращения ротора.
Механическая прочность и устойчивость роторов. Как видно из формулы (8.29), любое увеличение окружной скорости вращения ротора выгодно, если при этом на эффект увеличения разделитель-
ной работы не столь сильно влияет снижение КПД. Выгодно иметь и возможно большую длину ротора. Однако напряжения в материале' ротора, возникающие1' при'его' вращении от центробежных рил, жестко ограничивают.увеличение окружной скорости, что вид-йо из соотношения
¦ УтЧЙ^—ОГраб/р^СГтек/р,1- '; (8.31)
где аРаб — рабочее напряжение в материале; г — радиус цилиндрического ротора; р — плотность материала; аТек — предел текучести материала ротора. Ротор будет разрушен, если тангенциальные напряжения аРаб будут больше или равны пределу текучести материала.
Увеличение длины жесткого ротора Z ограничено критическим значением его собственной частоты колебаний (для тонкостенной жесткой трубы):
„_ % = -jrу -щ- или укр = —J/ (8.32)
где К — коэффициент; E — модуль упругости.
. Существующие-материалы позволяют создать «докритическую» центрифугу лишь при соотношении Z/(2r)^5. Таким образом, в конструкциях центрифуг с жестким ротором, которые называются докритическими, длина и диаметр ротора жестко связаны. Материалы и конструкция роторов должны быть такими, чтобы отношения параметров а/р и ?/р для них имели наибольшие значения.
^Ниже приведены соотношения между окружной скоростью вращения ротбра и рабочими расчетными (с коэффициентом запаса 1,5) тангенциальными напряжениями [в соответствии с формулой (8.31)]:
350 400 500 550 12 20 25 30 18 30 37 45
По данным английских специалистов таким требованиям могут удовлетворить высокопрочные алюминиевые сплавы (р=2,8 г/см3) лишь для скоростей не выше 400 м/с, особые легированные стали (р=7,8 г/см3) до скоростей 500 м/с, титановые сплавы (р= = 4,6 г/см3) до скоростей 450 м/с, стекловолокно—пластмасса (р= =1,8 г/см3) и углеволокно (р=1,6 г/см3) —от 500 до 730 м/с.
Таким образом, увеличение окружных скоростей вращения предъявляет очень высокие требования к долговременной прочности и качеству материала ротора. Прогресс центрифужного метода в определяющей степени обусловлен созданием высокопрочных материалов для высокоскоростных ультрацентрифуг.
В табл. 8.4 приведены характеристики материалов для роторов и соответствующие максимальные скорости их вращения. 284
V, м/с . . ораб/(>, км .
Ярасч/Р, КМ.
Таблица 8.4. Характеристика материалов для роторов
Материал
Предел прочности.
Плотность,
Максимальная ско-
кгс/мм5
г/см2
рость ротора, м/с
Легкий сплав
50
2,3
425
Титаи
90
4,6
440
Легированная сталь
170
8,0
455
Мартеисито-стареющая сталь
250—300
8,1
550—600
Стекловолокно — пластмасса
70
1,9
600
Углеволокио
160
1,55
950
Нейлои
150
1,3
1100
Увеличения коэффициента разделения за счет возможно большей длины ротора можно достичь в конструкции надкритических ультрацентрифуг, имеющих «гибкие» роторы [Z/(2г)Э>5]. Такие центрифуги работают при угловых скоростях, превышающих собственную частоту колебаний. Конструкционные и технологические особенности создания и массового применения надежно работающих надкритических центрифуг требуют решения еще более сложных задач, чем докритические центрифуги. В институтах «Тройки», по опубликованным данным, проведены разработки того и другого типа наряду с поисками высокопрочных сплавов и полимерных материалов для высоконапряженных роторов. Надкритическими центрифугами оборудован завод в Алмело. Им было отдано предпочтение и в США.
8.6. КОНСТРУКЦИИ ПРОТИВОТОЧНЫХ ЦЕНТРИФУГ
Для промышленного разделительного производства, как указано выше, рассматривается только один тип центрифуги — противо-точный, в первую очередь потому, что при этом эффективное использование внутреннего потока циркуляции приводит к умножению во много раз эффекта элементарных процессов, происходящих в радиальной плоскости, и единичная противоточная центрифуга действует как небольшой разделительный каскад.
О реальных конструкциях центрифуг, разрабатываемых или уже построенных в различных странах, их габаритах и других показателях пока известно очень мало, так как во всех странах конструкции и характеристики центрифуг не публикуются. Поэтому представление о возможных конструкционных решениях можно получить только на основе опубликованных в зарубежной прессе отдельных материалов, в том числе по открытой патентной информации. Ниже приводится такая краткая информация.
