Gasdiffusion

Gasformig diffusion  er en teknologi, der bruges til at producere beriget uran ved at lede gasformigt uranhexafluorid (UF 6 ) under tryk gennem semipermeable membraner . Dette resulterer i en lille adskillelse mellem molekyler indeholdende uranium-235 ( 235 U) og uranium-238 ( 238 U). Ved hjælp af en kaskadeforbindelse af et stort antal installationer (trin) kan der opnås en høj grad af isotopadskillelse. Det var den første proces, der er udviklet til at producere industrielt beriget uran.

Gasdiffusion blev udviklet af Francis Simon og Nicholas Curti ved Clarendon Laboratory i 1940, da IAUD-komiteen fik til opgave at finde en metode til at adskille uranium-235 fra uranium-238 for at lave en bombe som en del af Tube Alloys -projektet . Et prototype gasdiffusionsanlæg blev bygget af Metropolitan-Vickers (MetroVick) i Trafford Park , Manchester til en pris af £150.000 for fire enheder til MS Factory, Valley . Værket blev senere overført til USA, da Tube Alloys-projektet blev en del af det senere Manhattan-projekt [1] .

Teoretisk information

Gasdiffusionsmetoden bruges til at adskille isotoper af grundstoffer, for hvilke der er kemikalier, som er i gasform ved en tilstrækkelig lav temperatur. For eksempel er denne metode egnet til uranberigelse, da uranhexafluorid ved atmosfærisk tryk passerer ind i gasfasen ved en temperatur på 56,4 ° C.

Metoden er baseret på fænomenet molekylær diffusion. Ved termisk ligevægt af en gas i en lukket beholder har lettere molekyler en højere hastighed og derfor en større sandsynlighed for at passere gennem en permeabel membran. Således, hvis der i begyndelsen ikke var nogen begyndelsesstoffer i volumenet af beholderen bag membranen, vil koncentrationen af ​​lettere molekyler som følge af indtrængning af molekyler gennem membranen, indtil termodynamisk ligevægt er nået, være højere end i den oprindelige blanding. . Eksperimentelt blev dette fænomen først verificeret i Grahams (1846, 1863) forsøg [2] [3] med porøse materialer og i Knudsens (1909) [4] forsøg med små huller og kapillærer. I praksis blev metoden først brugt af Ramsay (1895) til at rense helium ved at lede gasblandingen gennem et lerfilter [5] .

Af de 33 kendte radioaktive primordiale nuklider er to ( 235 U og 238 U) isotoper af uran . De to isotoper ligner hinanden på mange måder, bortset fra at kun 235 U er fissile (i stand til at opretholde en fissionskædereaktion via termiske neutroner ). 235 U er den eneste naturlige fissile isotop [6] . Da naturligt uran kun indeholder omkring 0,72 % 235 U efter masse, skal det beriges til en koncentration på 2-5 % [7] for at opretholde en nuklear reaktion (hvis almindeligt vand bruges som neutronmoderator). Produktet af denne berigelsesproces kaldes beriget uran.

Teknologi

Grundlæggende principper

Det grundlæggende element i gasdiffusionsanlægget er en diffusionscelle opdelt i to dele af en porøs skillevæg. Der skabes en trykforskel mellem cellens dele, hvorved gassen delvist trænger gennem skillevæggen, beriges i den lettere fraktion, mens indholdet af den lette fraktion i den ikke-diffunderede gas falder. Cellen har et indløb til tilførsel af den oprindelige blanding under højt tryk og to udløb til at dræne den fyldige og magre blanding. Da en celle kun øger koncentrationen af ​​den lette fraktion lidt, gentages processen mange gange med et stort antal kaskadeformede celler. Strømningen styres af en mager udløbsventil [8] :52 .

Videnskabeligt grundlag

Gasdiffusion er baseret på Grahams lov , som siger, at den hastighed, hvormed en gas strømmer ud, er omvendt proportional med kvadratroden af ​​dens molekylvægt . For eksempel, i en beholder med en semipermeabel membran, der indeholder en blanding af to gasser, vil lettere molekyler forlade beholderen hurtigere end tungere. Gassen, der forlader beholderen, er noget beriget med lettere molekyler, mens den resterende gas er noget udtømt for dem. En separat beholder, hvor berigelsesprocessen foregår ved hjælp af gasdiffusion, kaldes en diffuser .

Uranhexafluorid

UF 6 er den eneste uranforbindelse, der er flygtig nok til at blive brugt i en gasdiffusionsproces. Derudover består fluor kun af én 19 F isotop, så forskellen i molekylvægte på 1 % mellem 235 UF 6 og 238 UF 6 skyldes kun forskellen i massen af ​​uranisotoper. Af disse grunde er UF 6 det eneste valg som råmateriale til gasdiffusionsprocessen [9] . UF 6 , et fast stof ved stuetemperatur, sublimerer ved 56,5° C. ved et tryk på 1 atm [10] . Trepunktsparametrene er 64,05  °C og 1,5 bar [11] . Ved at anvende Grahams lov på uranhexafluorid får vi:

hvor

Rate 1  - output 235 UF 6 ; Rate 2  - output 238 UF 6 ; M 1  er den molære masse af 235 UF 6 = 235,043930 + 6 × 18,998403 = 349,034348 g mol -1 ; M 2  er den molære masse af 238 UF 6 = 238,050788 + 6 × 18,998403 = 352,041206 g mol −1 .

Dette forklarer forskellen på 0,4 % i den gennemsnitlige udstrømningshastighed for 235 UF 6 molekyler sammenlignet med 238 UF 6 molekyler [12] .

UF 6 er stærkt ætsende . Det er et oxidationsmiddel [13] og en Lewis-syre , som er i stand til at binde med fluorid . For eksempel rapporteres reaktionen af ​​kobber(II)fluorid med uranhexafluorid i acetonitril med dannelsen af ​​kobber(II)heptafluorouranat (VI), Cu(UF 7 ) 2 [14] . Det reagerer med vand og danner en fast forbindelse og er meget vanskelig at behandle kommercielt [9] . Som følge heraf skal de indre gasbaner være lavet af austenitisk rustfrit stål og andre varmestabiliserede metaller. Ikke-reaktive fluorpolymerer , såsom Teflon , skal påføres som belægning på alle ventiler og tætninger i et system.

Membranmaterialer

Aggregatbarrierer (porøse membraner) lavet af sintret nikkel eller aluminium med en porestørrelse på 10-25 nm (mindre end en tiendedel af den gennemsnitlige frie vej for et UF 6 -molekyle ) [6] [9] bruges normalt i gasdiffusionsinstallationer . Der kan også anvendes filmlignende barrierer, som er fremstillet ved at danne porer i et iboende ikke-porøst medium. En metode til fremstilling af sådanne membraner er at fjerne en komponent i legeringen, for eksempel ved at bruge hydrogenchlorid til at fjerne zink fra en sølv -zink (Ag-Zn) legering.

Energiomkostninger

Da molekylvægtene af 235 UF 6 og 238 UF 6 er næsten lige store, er graden af ​​adskillelse af 235 U og 238 U i én passage gennem membranen meget lille. Derfor er det nødvendigt at forbinde et stort antal diffusorer i serie ved at bruge produktet fra det foregående trin som udgangsmateriale til det næste. Denne sekvens af trin kaldes en kaskade. I praksis kræver diffusionskaskader tusindvis af trin, afhængigt af det ønskede berigelsesniveau [9] .

Alle komponenter i diffusionsanlægget skal holdes på passende temperatur og tryk for at holde UF 6 i gasfasen. Gassen skal komprimeres i hvert trin for at kompensere for tryktabet over diffusoren. Dette resulterer i kompressionsopvarmning af gassen, som derefter skal afkøles, inden den kommer ind i diffusoren. Krav til pumpe og afkøling gør diffusionsanlæg til store forbrugere af elektricitet . På grund af dette er gasdiffusion den dyreste metode, der i øjeblikket bruges til at fremstille beriget uran [15] .

Historie

Ansatte ved Manhattan Project i Oak Ridge , pc. Tennessee, har udviklet flere metoder til isotopadskillelse . De tre fabrikker ved Oak Ridge brugte tre forskellige metoder til at producere 235 U til den første amerikanske " Baby (bombe) " atombombe og anden tidlig atomammunition . I første fase brugte S-50 uranberigelsesanlægget en termisk diffusionsproces til at berige uran fra 0,7 % til næsten 2 % 235 U. Dette produkt blev derefter tilført gasdiffusionsprocessen på K-25 anlægget , som gav ca. 23% 235 U. Til sidst blev dette materiale tilført calutronerne på Y-12- anlægget . Disse maskiner (en type massespektrometer ) brugte elektromagnetisk isotopadskillelse til at hæve den endelige koncentration på 235 U til omkring 84%.

Forberedelsen af ​​UF 6 -råmaterialet til K-25-gasdiffusionsanlægget var den første kommercielle produktion af fluor nogensinde, og både fluor- og UF 6 -behandling stod over for betydelige forhindringer. For at bygge gasdiffusionsanlægget K-25 var det for eksempel først nødvendigt at udvikle inerte kemiske forbindelser , der kunne bruges som belægninger, smøremidler og pakninger til overflader, der kommer i kontakt med gasformig UF 6 (et meget reaktivt og ætsende stof) . Forskerne fra Manhattan Project hyrede William T. Miller , en professor i organisk kemi ved Cornell University , til at syntetisere og udvikle sådanne materialer på grund af hans baggrund inden for organisk fluorkemi . Miller og hans team udviklede flere nye ikke-reaktive chlorfluorcarbonpolymerer , som blev brugt i dette arbejde [16] .

Calutrons var ineffektive og dyre at bygge og drive. Da de tekniske forhindringer skabt af gasdiffusionsprocessen var overvundet, og gasdiffusionskaskaderne blev operationelle ved Oak Ridge i 1945, blev alle calutroner lukket ned. Gasdiffusionsmetoden blev derefter den foretrukne metode til at opnå beriget uran [6] .

Under byggeriet i begyndelsen af ​​1940'erne var gasdiffusionsanlæggene blandt de største bygninger, der nogensinde er bygget. Store gasdiffusionsanlæg blev bygget af USA, Sovjetunionen (inklusive et anlæg nu beliggende i Kasakhstan ), Storbritannien , Frankrig og Kina . De fleste af dem er allerede lukket eller forventes at lukke, ude af stand til at konkurrere økonomisk med nye berigelsesteknologier. Noget af den teknologi, der bruges i pumper og membraner, er dog stadig tophemmelige, og nogle materialer, der er blevet brugt, er fortsat underlagt eksportkontrol som en del af den igangværende indsats for at kontrollere nuklear spredning .

I alt blev der bygget tre gasdiffusionsanlæg i USA, som i spidsbelastningsperioden forbrugte 7 % af den producerede elektricitet i USA.

I USSR var det første gasdiffusionsanlæg Ural elektrokemiske anlæg i Sverdlovsk (nu Jekaterinburg ). I 1953 var 15.000 gasdiffusionsanlæg i drift der. I 1950'erne blev der bygget yderligere tre anlæg i USSR:

I perioden med topproduktivitet forbrugte fire anlæg 3% af den elektricitet, der blev produceret i USSR.

I 1956 blev et anlæg sat i drift i Capenhurst ( Storbritannien ), i 1960 - i nærheden af ​​Hangzhou ( Kina , med teknisk bistand fra USSR), i 1964 - i Pierrelatte og Tricasten ( Frankrig ).

Nuværende tilstand

I 2008 producerede gasdiffusionsanlæg i USA og Frankrig stadig 33 % af verdens berigede uran [15] . Det franske anlæg lukkede dog permanent i maj 2012 [17] og anlægget i Paducah , stk. Kentucky , drevet af United States Enrichment Corporation (USEC) (det sidste fuldt operationelle uranberigelsesanlæg i USA til at bruge gasdiffusionsprocessen [7] [1] ), indstillede driften i 2013 [18] . Det eneste sådanne anlæg i USA, Portsmouth Gas Diffusion Plant i pc. Ohio, lukket i 2001 [7] [19] [20] . Siden 2010 er Ohio-stedet primært blevet brugt af det franske konglomerat AREVA til at omdanne forarmet UF 6 til urandioxid [21] [22] .

På nuværende tidspunkt er gasdiffusionsteknologi forældet og bliver universelt erstattet af gascentrifugeteknologi , som kræver mindre energi for at producere en tilsvarende mængde beriget uran. Det franske firma AREVA erstattede Georges Besse gasdiffusionsenheden med Georges Besse II centrifugen [2] .

Se også

Noter

  1. ↑ Colin Barber. Rørlegeringsprojektet . Rhydymwyn Valley History Society. Hentet 26. juli 2019. Arkiveret fra originalen 16. januar 2019.
  2. ↑ T. Graham: Philos. Mag. 136 , 573 (1846).
  3. ↑ T. Graham: Philos. Mag. 153 , 385 (1863).
  4. ↑ M. Knudsen: Ann. Phys. 28 , 75 (1909).
  5. ↑ W. Ramsey: Nature 52 , 7 (1895).
  6. ↑ 1 2 3 Bomuld S. Uranhexafluorid og isotopseparation // Lanthanid og actinid kemi  (neopr.) . — 1. - Chichester, West Sussex, England: John Wiley and Sons, Ltd., 2006. - S. 163-165. - ISBN 978-0-470-01006-8 .
  7. ↑ 123 USA _ _ Nuklear Reguleringskommission. Faktaark om gasdiffusion . Washington, DC: US ​​Nuclear Regulatory Commission. Hentet 20. november 2010. Arkiveret fra originalen 16. november 2011.
  8. ↑ Uranberigelse / Ed. S. Villani. — M.: Energoatomizdat, 1983, 320 s.
  9. ↑ 1 2 3 4 Beaton L. Nedgangen i produktionen af ​​atomsprængstoffer  // New Scientist  : magazine  . - 1962. - Bd. 16 , nr. 309 . - S. 141-143 .
  10. ↑ http://nuclearweaponarchive.org/Library/Glossary
  11. ↑ Uraniumhexafluorid: Kilde: Appendiks A til PEIS (DOE/EIS-0269): Fysiske egenskaber (link ikke tilgængeligt) . Hentet 18. november 2010. Arkiveret fra originalen 29. marts 2016. 
  12. ↑ Gasformig diffusionsuranberigelse . GlobalSecurity.org (27. april 2005). Hentet 21. november 2010. Arkiveret fra originalen 23. august 2017.
  13. ↑ Olah G.H., Welch J. Syntetiske metoder og reaktioner. 46. ​​Oxidation af organiske forbindelser med uranhexafluorid i haloalkanopløsninger  (engelsk)  // Journal of the American Chemical Society : journal. - 1978. - Bd. 100 , nej. 17 . - P. 5396-5402 . - doi : 10.1021/ja00485a024 .
  14. ↑ Berry JA, Poole RT, Prescott A., Sharp DW, Winfield JM De oxiderende og fluoridionacceptoregenskaber af uranhexafluorid i acetonitril  //  Journal of the Chemical Society : journal. - Chemical Society , 1976. - Nej. 3 . - S. 272-274 . - doi : 10.1039/DT9760000272 .
  15. ↑ 12 Michael Goldsworthy . Lodge Partners Mid-Cap konference . Lucas Heights, New South Wales, Australien: Silex Ltd. Hentet 20. november 2010. Arkiveret fra originalen 18. august 2011.
  16. ↑ Blaine P. Friedlander, Jr. William T. Miller, videnskabsmand i Manhattan-projektet og Cornell-professor i kemi, dør 87 år gammel . Cornell News . Ithaca, New York: Cornell University (3. december 1998). Hentet 20. november 2010. Arkiveret fra originalen 7. juni 2011.
  17. ↑ Aravea: Tricastin-sted: Georges Besse II-berigelsesanlægget Arkiveret 27. september 2012 ved Wayback Machine Gaseous diffusion, som blev brugt af AREVA på Georges Besse-anlægget indtil maj 2012
  18. ↑ US DOE Gaseous Diffusion Plant Arkiveret 2. januar 2017 ved Wayback Machine Operation of the GDP af USEC ophørte med driften i 2013
  19. ↑ United States Enrichment Corporation. Oversigt: Portsmouth gasdiffusionsanlæg . Gasdiffusionsanlæg . Bethesda, Maryland: USEC, Inc. Hentet 20. november 2010. Arkiveret fra originalen 24. november 2010.
  20. ↑ United States Enrichment Corporation. Historie: Paducah gasdiffusionsanlæg . Gasdiffusionsanlæg . Bethesda, Maryland: USEC, Inc. Hentet 20. november 2010. Arkiveret fra originalen 2. januar 2011.
  21. ↑ Tom Lamar . AREVA starter operationer på Portsmouth Facility , Waynesboro, Virginia: Nuclear Street (10. september 2010). Arkiveret fra originalen den 22. december 2015. Hentet 20. november 2010.
  22. ↑ AREVA Inc. DOE giver AREVA Joint Venture tilladelse til at begynde operationel test af New Ohio Facility . Pressemeddelelse . Bethesda, Maryland: AREVA, Inc. Hentet 20. november 2010.  (dødt link)

Links

  Gå til Wikidata-elementet  Ordbøger og encyklopædier