Экономика ядерной энергетики: Основы технологии и экономики производства ядерного топлива. 3-е изд. - Синев Н.М.
Скачать (прямая ссылка):
В физико-химических методах (ректификация, изотопный химический обмен в системах газ—газ, газ—жидкость, газ—твердое тело, жидкость—жидкость, жидкость—твердое тело) используются различия изотопного состава в двух различных равновесных физических или химических фазах. Для тяжелых элементов, в том числе для урана, эти различия невелики, но они значительно возрастают для легких элементов. Поэтому физико-химические методы получили практическое применение для разделения изотопов легких элементов (водорода, кислорода, азота, углерода).
См. § 7 9.
В США и некоторых других странах разрабатывается лазерный метод разделения изотопов элементов в двух вариантах — с использованием молекулярных соединений (UF6) и с использованием атомов (в парообразном состоянии) * химических элементов. В случае урана идея первого варианта заключается в том, что гексафторид урана, т. е. смесь 235UF6 и 238UF6, предполагается облучать инфракрасным излучением лазера с такой длиной волны, которая поглощается только одним типом молекул, например 235UF6. Поглощая свет, эти молекулы переходят в возбужденное состояние с более высокой энергией. Смесь возбужденных и невозбужденных молекул можно подвергнуть действию мощного ультрафиолетового или инфракрасного излучения, при поглощении которого возбужденные молекулы 235UF6 диссоциируют с образованием твердого соединения (порошка) 235UFs, которое может быть выделено тем или иным физическим методом. Невозбужденные молекулы при таком дополнительном облучении диссоциации не подвергаются.
Во втором варианте селективное возбуждение атомов 235U, находящихся в виде металлического пара, проводится излучением перестраиваемых лазеров в видимой части спектра. Возбужденные атомы 235U при дополнительном облучении могут быть ионизированы, а образовавшиеся ионы извлечены из смеси с нейтральными атомами электромагнитными методами.
В идеальных условиях лазерным методом может быть достигнуто полное разделение изотопов. В реальных условиях высокое обогащение может быть получено в однократной операции (в одной ступени разделения).
«-В США. разрабатывается также плазменный метод разделения, основанны^ на использовании ионного циклотронного резонанса. В однородном магнитном поле частота обращения иона по круговой орбите (ионная циклотронная частота) зависит от массы иона и напряженности магнитного поля, причем радиус орбиты зависит от энергии иона. Ионные циклотронные частоты изотопов 235U и 238U различаются примерно на 1 %¦• Если направить в плазму электромагнитное излучение, частота которого совпадает с ионной циклотронной частотой иона 235U, то оно будет поглощаться только этими ионами; тогда энергия ионов 235U будет возрастать, радиус их орбиты увеличится, так что в результате произойдет пространственное разделение орбит ионов 235U и 238U, и каждый из этих изотопов может быть собран на соответственно расположенных коллекторах. Этот метод может обеспечить высокое обогащение на одной разделительной ступени.
7.2. ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА ПРОИЗВОДСТВА ОБОГАЩЕННОГО УРАНА. КОЭФФИЦИЕНТ РАСХОДА СЫРЬЯ
В настоящее время основным, а до недавнего времени единственным промышленным методом производства обогащенного урана был газодиффузионный. В последние годы получает все боль-
* О лазерном методе см. подробнее в § 7.11 и § 7.14.
Точка Ввода питания
Отвал обедненного урана
На склад для длительного хранения
F, с0 (природный уран) ипи
F1 хк (регенерат отработавшего топлива)
Система каскадов, состоящих из блоков разделительных ступеней диффузионного или центрифужного задода
Отбор обогащенного урана
Р.х.
Па задод для производства ядерного топлива
Рис. 7.1. Принципиальная схема производства обогащенного урана
шее промышленное развитие конкурирующий с ним центрифужный, (центробежный) метод разделения изотопов урана, основанный^ на применении высокоскоростных газовых ультрацентрифуг. В обоих методах применяют уран в виде гексафторида UF6. В газообразной фазе гексафторид урана является наиболее удобным рабочим материалом технологического процесса.
Промышленные методы разделения изотопов урана для получения высокообогащенного 235U продукта были впервые разработаны в США в связи с программой создания атомной бомбы (электромагнитный, центрифужный и газодиффузионный методы). Позднее газодиффузионная технология, как наиболее отработанная, была использована в США и некоторых других странах для промышленного производства обогащенного урана как ядерного топлива для ядерной электроэнергетики и атомного флота.
Принципиальная схема производства обогащенного урана методами газовой диффузии или газовых центрифуг приведена на рис. 7.1. Эффекты разделения в единичной операции для этих мо-лекулярно-кинетических методов сравнительно невелики, и для получения продукта с желаемой степенью обогащения требуется многократное повторение единичной операции. С этой целью разделительные элементы (газодиффузионные ступени или газовые центрифуги) соединяются по схеме противоточного каскада, обеспечивающего необходимое умножение единичного эффекта разделения.
