Gasdiffusion

Gasdiffusion  är en teknik som används för att producera anrikat uran genom att passera gasformig uranhexafluorid (UF 6 ) under tryck genom semipermeabla membran . Detta resulterar i en liten separation mellan molekyler som innehåller uran-235 ( 235 U) och uran-238 ( 238 U). Med hjälp av en kaskadkoppling av ett stort antal installationer (steg) kan en hög grad av isotopseparation uppnås. Det var den första processen som utvecklades för att producera industriellt anrikat uran.

Gasdiffusion utvecklades av Francis Simon och Nicholas Curti vid Clarendon Laboratory 1940 när IAUD-kommittén fick i uppdrag att hitta en metod för att separera uranium-235 från uran-238 för att göra en bomb som en del av Tube Alloys -projektet . En prototyp av gasdiffusionsanläggning byggdes av Metropolitan-Vickers (MetroVick) i Trafford Park , Manchester till en kostnad av £150 000 för fyra enheter till MS Factory, Valley . Verket överfördes senare till USA när Tube Alloys-projektet blev en del av det senare Manhattan-projektet [1] .

Teoretisk information

Gasdiffusionsmetoden används för att separera isotoper av grundämnen för vilka det finns kemikalier som är i gasform vid tillräckligt låg temperatur. Till exempel är denna metod lämplig för urananrikning, eftersom uranhexafluorid vid atmosfärstryck passerar in i gasfasen vid en temperatur av 56,4 ° C.

Metoden bygger på fenomenet molekylär diffusion. Vid termisk jämvikt för en gas i ett slutet kärl har lättare molekyler en högre hastighet och därför en större sannolikhet att passera genom ett permeabelt membran. Således, om det initialt inte fanns några initiala ämnen i volymen av kärlet bakom membranet, kommer koncentrationen av lättare molekyler att vara högre än i den initiala blandningen som ett resultat av penetrationen av molekyler genom membranet tills termodynamisk jämvikt uppnås. . Experimentellt verifierades detta fenomen först i Grahams experiment (1846, 1863) [2] [3] med porösa material och i Knudsens experiment (1909) [4] med små hål och kapillärer. I praktiken användes metoden först av Ramsay (1895) för att rena helium genom att passera gasblandningen genom ett lerfilter [5] .

Av de 33 kända radioaktiva urnukliderna är två ( 235 U och 238 U) isotoper av uran . De två isotoperna är lika på många sätt, förutom att endast 235 U är klyvbart (kan upprätthålla en klyvningskedjereaktion via termiska neutroner ). 235 U är den enda naturliga klyvbara isotopen [6] . Eftersom naturligt uran endast innehåller cirka 0,72 % 235 U i massa, måste det anrikas till en koncentration av 2–5 % [7] för att upprätthålla en kärnreaktion (om vanligt vatten används som neutronmoderator). Produkten av denna anrikningsprocess kallas anrikat uran.

Teknik

Grundläggande principer

Grundelementet i gasdiffusionsanläggningen är en diffusionscell uppdelad i två delar av en porös skiljevägg. En tryckskillnad skapas mellan cellens delar, som ett resultat av att gasen delvis penetrerar genom skiljeväggen, anrikas i den lättare fraktionen, medan halten av den lätta fraktionen i den icke-diffuserade gasen minskar. Cellen har ett inlopp för tillförsel av den initiala blandningen under högt tryck och två utlopp för att dränera den feta och magra blandningen. Eftersom en cell endast något ökar koncentrationen av den lätta fraktionen, upprepas processen många gånger med ett stort antal kaskadkopplade celler. Flödet styrs av en mager utloppsventil [8] :52 .

Vetenskaplig grund

Gasformig diffusion är baserad på Grahams lag , som säger att hastigheten med vilken en gas strömmar ut är omvänt proportionell mot kvadratroten av dess molekylvikt . Till exempel, i en behållare med ett semipermeabelt membran som innehåller en blandning av två gaser, kommer lättare molekyler att lämna behållaren snabbare än tyngre. Gasen som lämnar behållaren är något anrikad på lättare molekyler, medan restgasen är något utarmad på dem. En separat behållare där anrikningsprocessen sker med hjälp av gasdiffusion kallas diffusor .

Uranhexafluorid

UF 6 är den enda uranföreningen som är tillräckligt flyktig för att användas i en gasdiffusionsprocess. Dessutom består fluor av endast en 19 F isotop, så skillnaden i molekylvikter på 1 % mellan 235 UF 6 och 238 UF 6 beror endast på skillnaden i massa av uranisotoper. Av dessa skäl är UF 6 det enda valet som råvara för gasdiffusionsprocessen [9] . UF 6 , ett fast ämne vid rumstemperatur, sublimeras vid 56,5°C vid ett tryck av 1 atm [10] . Trippelpunktsparametrarna är 64,05  °C och 1,5 bar [11] . Genom att tillämpa Grahams lag på uranhexafluorid får vi:

var

Rate 1  - output 235 UF 6 ; Rate 2  - output 238 UF 6 ; M 1  är den molära massan av 235 UF 6 = 235,043930 + 6 × 18,998403 = 349,034348 g mol -1 ; M 2  är den molära massan av 238 UF 6 = 238,050788 + 6 × 18,998403 = 352,041206 g mol −1 .

Detta förklarar skillnaden på 0,4 % i den genomsnittliga utflödeshastigheten för 235 UF 6 molekyler jämfört med 238 UF 6 molekyler [12] .

UF 6 är mycket frätande . Det är ett oxidationsmedel [13] och en Lewis-syra , som kan binda med fluorid . Till exempel rapporteras reaktionen av koppar(II)fluorid med uranhexafluorid i acetonitril med bildning av koppar(II)heptafluorouranat (VI), Cu(UF 7 ) 2 [14] . Den reagerar med vatten för att bilda en fast förening och är mycket svår att bearbeta kommersiellt [9] . Som en konsekvens måste de inre gasvägarna vara gjorda av austenitiskt rostfritt stål och andra värmestabiliserade metaller. Icke-reaktiva fluorpolymerer , såsom Teflon , måste appliceras som en beläggning på alla ventiler och tätningar i systemet.

Membranmaterial

Aggregatbarriärer (porösa membran) gjorda av sintrad nickel eller aluminium med en porstorlek på 10–25 nm (mindre än en tiondel av medelfri väg för en UF 6 -molekyl ) [6] [9] används vanligtvis i gasdiffusionsinstallationer . Barriärer av filmtyp kan också användas, vilka är gjorda genom att bilda porer i ett i sig icke-poröst medium. En metod för att tillverka sådana membran är att avlägsna en komponent i legeringen, till exempel genom att använda väteklorid för att avlägsna zink från en silver -zink (Ag-Zn) legering.

Energikostnader

Eftersom molekylvikterna för 235 UF 6 och 238 UF 6 är nästan lika, är graden av separation av 235 U och 238 U i en passage genom membranet mycket liten. Därför är det nödvändigt att ansluta ett stort antal diffusorer i serie med produkten från föregående steg som utgångsmaterial för nästa. Denna sekvens av steg kallas en kaskad. I praktiken kräver diffusionskaskader tusentals steg, beroende på önskad nivå av anrikning [9] .

Alla komponenter i diffusionsanläggningen måste hållas vid lämplig temperatur och tryck för att hålla UF 6 i gasfas. Gasen måste komprimeras i varje steg för att kompensera för tryckförlusten över diffusorn. Detta resulterar i kompressionsuppvärmning av gasen, som sedan måste kylas innan den kommer in i diffusorn. Kraven på pumpar och kyla gör diffusionsanläggningar till stora förbrukare av el . På grund av detta är gasdiffusion den dyraste metoden som för närvarande används för att producera anrikat uran [15] .

Historik

Anställda vid Manhattan Project i Oak Ridge , st. Tennessee, har utvecklat flera metoder för isotopseparation . De tre fabrikerna vid Oak Ridge använde tre olika metoder för att producera 235 U för den första amerikanska " Baby (bomb) " atombomben och andra tidiga kärnvapen . I det första steget använde S-50 urananrikningsanläggningen en termisk diffusionsprocess för att anrika uran från 0,7 % till nästan 2 % 235 U. Denna produkt matades sedan in i gasdiffusionsprocessen vid K-25 anläggningen , vilket gav ca. 23% 235 U. Slutligen matades detta material in i kalutronerna i Y -12- anläggningen . Dessa maskiner (en typ av masspektrometer ) använde elektromagnetisk isotopseparation för att höja den slutliga koncentrationen på 235 U till cirka 84%.

Beredningen av UF 6 -råvaran för K-25-gasdiffusionsanläggningen var den första kommersiella produktionen av fluor någonsin, och både fluor- och UF 6 -bearbetning stod inför betydande hinder. Till exempel, för att bygga gasdiffusionsanläggningen K-25, var det först nödvändigt att utveckla inerta kemiska föreningar som kunde användas som beläggningar, smörjmedel och packningar för ytor som kommer i kontakt med gasformig UF 6 (ett mycket reaktivt och korrosivt ämne) . Forskarna från Manhattan Project anlitade William T. Miller , professor i organisk kemi vid Cornell University , för att syntetisera och utveckla sådana material på grund av hans bakgrund inom organisk fluorkemi . Miller och hans team utvecklade flera nya icke-reaktiva klorfluorkolpolymerer som användes i detta arbete [16] .

Calutrons var ineffektiva och dyra att bygga och driva. När de tekniska hindren som skapades av gasdiffusionsprocessen övervanns och gasdiffusionskaskaderna blev operativa vid Oak Ridge 1945, stängdes alla kalutroner. Gasdiffusionsmetoden blev då den föredragna metoden för att erhålla anrikat uran [6] .

Under byggandet i början av 1940-talet var gasdiffusionsanläggningarna bland de största byggnaderna som någonsin byggts. Stora gasdiffusionsanläggningar byggdes av USA, Sovjetunionen (inklusive en anläggning som nu ligger i Kazakstan ), Storbritannien , Frankrike och Kina . De flesta av dem har redan stängt eller förväntas stänga, oförmögna att konkurrera ekonomiskt med ny anrikningsteknik. En del av tekniken som används i pumpar och membran är dock fortfarande topphemlig, och vissa material som har använts är fortfarande föremål för exportkontroll som en del av pågående ansträngningar för att kontrollera kärnvapenspridning .

Totalt byggdes tre gasdiffusionsanläggningar i USA, som förbrukade 7 % av den el som producerades i USA under toppperioden.

I Sovjetunionen var den första gasdiffusionsanläggningen Ural Electrochemical Plant i Sverdlovsk (nu Jekaterinburg ). År 1953 var 15 000 gasdiffusionsanläggningar i drift där. På 1950-talet byggdes ytterligare tre anläggningar i Sovjetunionen:

Under perioden med toppproduktivitet förbrukade fyra anläggningar 3 % av den elektricitet som producerades i Sovjetunionen.

1956 togs en anläggning i drift i Capenhurst ( Storbritannien ), 1960 - i närheten av Hangzhou ( Kina , med tekniskt bistånd från Sovjetunionen), 1964 - i Pierrelatte och Tricasten ( Frankrike ).

Nuvarande tillstånd

2008 producerade gasdiffusionsanläggningar i USA och Frankrike fortfarande 33 % av världens anrikade uran [15] . Den franska anläggningen stängde dock permanent i maj 2012 [17] och anläggningen i Paducah , pc. Kentucky , som drivs av United States Enrichment Corporation (USEC) (den sista fullt fungerande urananrikningsanläggningen i USA för att använda gasdiffusionsprocessen [7] [1] ), upphörde med sin verksamhet 2013 [18] . Den enda sådana anläggningen i USA, Portsmouth Gas Diffusion Plant i pc. Ohio, stängt 2001 [7] [19] [20] . Sedan 2010 har platsen i Ohio främst använts av det franska konglomeratet AREVA för att omvandla utarmat UF 6 till urandioxid [21] [22] .

För närvarande är gasdiffusionsteknik föråldrad och ersätts allmänt av gascentrifugteknik , som kräver mindre energi för att producera en motsvarande mängd anrikat uran. Det franska företaget AREVA ersatte Georges Besse gasdiffusionsenhet med Georges Besse II-centrifugen [2] .

Se även

Anteckningar

  1. ↑ Colin Barber. The Tube Alloys Project . Rhydymwyn Valley History Society. Hämtad 26 juli 2019. Arkiverad från originalet 16 januari 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 Bomull S. Uranhexafluorid och isotopseparation // Lantanid- och  aktinidkemi (neopr.) . — 1:a. - Chichester, West Sussex, England: John Wiley and Sons, Ltd., 2006. - S. 163-165. - ISBN 978-0-470-01006-8 .
  7. ↑ 123 USA _ _ Nuclear Regulatory Commission. Faktablad om gasdiffusion . Washington, DC: US ​​Nuclear Regulatory Commission. Hämtad 20 november 2010. Arkiverad från originalet 16 november 2011.
  8. ↑ Urananrikning / Ed. S. Villani. — M.: Energoatomizdat, 1983, 320 sid.
  9. ↑ 1 2 3 4 Beaton L. Avmattningen av kärnvapenexplosiv produktion  // New Scientist  : magazine  . - 1962. - Vol. 16 , nr. 309 . - S. 141-143 .
  10. ↑ http://nuclearweaponarchive.org/Library/Glossary
  11. ↑ Uranium Hexafluoride: Källa: Appendix A i PEIS (DOE/EIS-0269): Fysiska egenskaper (länk ej tillgänglig) . Hämtad 18 november 2010. Arkiverad från originalet 29 mars 2016. 
  12. ↑ Anrikning av uran i gasformig diffusion . GlobalSecurity.org (27 april 2005). Hämtad 21 november 2010. Arkiverad från originalet 23 augusti 2017.
  13. ↑ Olah G.H., Welch J. Syntetiska metoder och reaktioner. 46. ​​Oxidation av organiska föreningar med uranhexafluorid i haloalkanlösningar  (engelska)  // Journal of the American Chemical Society : journal. - 1978. - Vol. 100 , nej. 17 . - P. 5396-5402 . - doi : 10.1021/ja00485a024 .
  14. ↑ Berry JA, Poole RT, Prescott A., Sharp DW, Winfield JM De oxiderande och fluoridjonacceptoregenskaperna hos 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-konferens . Lucas Heights, New South Wales, Australien: Silex Ltd. Hämtad 20 november 2010. Arkiverad från originalet 18 augusti 2011.
  16. ↑ Blaine P. Friedlander, Jr. William T. Miller, Manhattan Project-forskare och Cornell-professor i kemi, dör vid 87 år . Cornell News . Ithaca, New York: Cornell University (3 december 1998). Hämtad 20 november 2010. Arkiverad från originalet 7 juni 2011.
  17. ↑ Aravea: Tricastin-plats: Georges Besse II-anrikningsanläggningen Arkiverad 27 september 2012 vid Wayback Machine Gaseous diffusion, som användes av AREVA vid Georges Besse-anläggningen fram till maj 2012
  18. ↑ US DOE Gaseous Diffusion Plant Arkiverad 2 januari 2017 på Wayback Machine Operation of the GDP av USEC upphörde att fungera 2013
  19. ↑ United States Enrichment Corporation. Översikt: Portsmouth gasdiffusionsanläggning . Gasdiffusionsanläggningar . Bethesda, Maryland: USEC, Inc. Hämtad 20 november 2010. Arkiverad från originalet 24 november 2010.
  20. ↑ United States Enrichment Corporation. Historik: Paducah gasdiffusionsanläggning . Gasdiffusionsanläggningar . Bethesda, Maryland: USEC, Inc. Hämtad 20 november 2010. Arkiverad från originalet 2 januari 2011.
  21. ↑ Tom Lamar . AREVA startar verksamhet vid Portsmouth Facility , Waynesboro, Virginia: Nuclear Street (10 september 2010). Arkiverad från originalet den 22 december 2015. Hämtad 20 november 2010.
  22. ↑ AREVA Inc. DOE ger AREVA Joint Venture tillstånd att påbörja operativa tester av New Ohio Facility . Pressmeddelande . Bethesda, Maryland: AREVA, Inc. Hämtad 20 november 2010.  (död länk)

Länkar

  Gå till Wikidata-objektet  Ordböcker och uppslagsverk