Difuzia gazelor

Difuzia gazoasă  este o tehnologie folosită pentru a produce uraniu îmbogățit prin trecerea hexafluorură de uraniu gazoasă (UF 6 ) sub presiune prin membrane semi-permeabile . Aceasta are ca rezultat o ușoară separare între moleculele care conțin uraniu-235 ( 235 U) și uraniu-238 ( 238 U). Cu ajutorul unei conexiuni în cascadă a unui număr mare de instalații (etape), se poate obține un grad ridicat de separare a izotopilor. A fost primul proces dezvoltat capabil să producă uraniu îmbogățit industrial.

Difuzia gazoasă a fost dezvoltată de Francis Simon și Nicholas Curti la Laboratorul Clarendon în 1940, când Comitetul IAUD a fost însărcinat cu găsirea unei metode de separare a uraniului-235 de uraniu-238 pentru a face o bombă ca parte a proiectului Tube Alloys . Metropolitan-Vickers (MetroVick) a construit un prototip de instalație de difuzie gazoasă la Trafford Park , Manchester, la un cost de 150.000 GBP pentru patru unități către MS Factory, Valley . Lucrarea a fost ulterior transferată în Statele Unite când proiectul Tube Alloys a devenit parte a proiectului Manhattan de mai târziu [1] .

Informații teoretice

Metoda de difuzie a gazelor este utilizată pentru a separa izotopii elementelor pentru care există substanțe chimice care se află în stare gazoasă la o temperatură suficient de scăzută. De exemplu, această metodă este potrivită pentru îmbogățirea uraniului, deoarece hexafluorura de uraniu la presiunea atmosferică trece în faza gazoasă la o temperatură de 56,4 ° C.

Metoda se bazează pe fenomenul difuziei moleculare. La echilibrul termic al unui gaz într-un vas închis, moleculele mai ușoare au o viteză mai mare și, prin urmare, o probabilitate mai mare de a trece printr-o membrană permeabilă. Astfel, dacă inițial nu existau substanțe inițiale în volumul vasului din spatele membranei, atunci ca urmare a pătrunderii moleculelor prin membrană până la atingerea echilibrului termodinamic, concentrația de molecule mai ușoare va fi mai mare decât în ​​amestecul inițial. . Experimental , acest fenomen a fost verificat pentru prima dată în experimentele lui Graham (1846, 1863) [2] [3] cu materiale poroase și în experimentele lui Knudsen (1909) [4] cu găuri mici și capilare. În practică, metoda a fost folosită pentru prima dată de Ramsay (1895) pentru a purifica heliul prin trecerea amestecului de gaz printr-un filtru de argilă [5] .

Din cei 33 de nuclizi primordiali radioactivi cunoscuți , doi ( 235 U și 238 U) sunt izotopi ai uraniului . Cei doi izotopi sunt similari în multe privințe, cu excepția faptului că doar 235 U este fisionabil (capabil să susțină o reacție în lanț de fisiune prin neutroni termici ). 235 U este singurul izotop natural fisionabil [6] . Deoarece uraniul natural conține doar aproximativ 0,72% 235 U în masă, trebuie să fie îmbogățit la o concentrație de 2–5% [7] pentru a menține o reacție nucleară (dacă apa obișnuită este folosită ca moderator de neutroni). Produsul acestui proces de îmbogățire se numește uraniu îmbogățit.

Tehnologie

Principii de bază

Elementul de bază al instalației de difuzie a gazelor este o celulă de difuzie împărțită în două părți printr-o partiție poroasă. Se creează o diferență de presiune între părțile celulei, în urma căreia gazul pătrunde parțial prin pereție, fiind îmbogățit în fracțiunea mai ușoară, în timp ce conținutul de fracțiune ușoară în gazul nedifuz scade. Celula are o intrare pentru alimentarea amestecului inițial la presiune ridicată și două orificii de evacuare pentru scurgerea amestecului bogat și slab. Deoarece o celulă crește doar puțin concentrația fracției luminoase, procesul se repetă de multe ori cu un număr mare de celule în cascadă. Debitul este controlat de o supapă de evacuare slabă [8] :52 .

Baze științifice

Difuzia gazoasă se bazează pe legea lui Graham , care spune că viteza cu care un gaz curge este invers proporțională cu rădăcina pătrată a greutății sale moleculare . De exemplu, într-un recipient cu o membrană semi-permeabilă care conține un amestec de două gaze, moleculele mai ușoare vor ieși din container mai repede decât cele mai grele. Gazul care părăsește recipientul este oarecum îmbogățit în molecule mai ușoare, în timp ce gazul rezidual este oarecum epuizat de ele. Un recipient separat în care are loc procesul de îmbogățire prin difuzie gazoasă se numește difuzor .

Hexafluorura de uraniu

UF 6 este singurul compus de uraniu suficient de volatil pentru a fi utilizat într-un proces de difuzie gazoasă. În plus, fluorul constă dintr-un singur izotop 19 F, deci diferența de greutăți moleculare de 1% între 235 UF 6 și 238 UF 6 se datorează doar diferenței de masă a izotopilor de uraniu. Din aceste motive, UF 6 este singura alegere ca materie primă pentru procesul de difuzie gazoasă [9] . UF6 , un solid la temperatura camerei, se sublimează la 56,5°C la o presiune de 1 atm [10] . Parametrii punctului triplu  sunt 64,05°C și 1,5 bar [11] . Aplicând legea lui Graham la hexafluorura de uraniu, obținem:

Unde

Rate 1  - ieșire 235 UF 6 ; Rate 2  - ieșire 238 UF 6 ; M 1  este masa molară a 235 UF 6 = 235,043930 + 6 × 18,998403 = 349,034348 g mol −1 ; M 2  este masa molară a 238 UF 6 = 238,050788 + 6 × 18,998403 = 352,041206 g mol −1 .

Aceasta explică diferența de 0,4% în viteza medie de scurgere a 235 molecule UF 6 comparativ cu 238 molecule UF 6 [12] .

UF 6 este foarte coroziv . Este un agent oxidant [13] și un acid Lewis , care este capabil să se lege cu fluorura . De exemplu, este raportată reacția fluorurii de cupru (II) cu hexafluorura de uraniu în acetonitril cu formarea heptafluorouranat (VI) de cupru (II), Cu (UF 7 ) 2 [14] . Reacționează cu apa pentru a forma un compus solid și este foarte dificil de prelucrat comercial [9] . În consecință, căile gazoase interne trebuie să fie realizate din oțel inoxidabil austenitic și alte metale termostabilizate . Fluoropolimerii nereactivi , cum ar fi teflonul , trebuie aplicați ca acoperire pe toate supapele și etanșările dintr-un sistem.

Materiale membranare

Barierele de agregat (membrane poroase) din nichel sinterizat sau aluminiu cu o dimensiune a porilor de 10–25 nm (mai puțin de o zecime din calea liberă medie a unei molecule de UF 6 ) [6] [9] sunt de obicei utilizate în instalațiile de difuzie a gazelor. . Pot fi de asemenea utilizate bariere de tip film, care sunt realizate prin formarea de pori într-un mediu inerent neporos. O metodă de fabricare a unor astfel de membrane este îndepărtarea unei componente din aliaj, de exemplu prin utilizarea clorurii de hidrogen pentru a îndepărta zincul dintr-un aliaj argint -zinc (Ag-Zn).

Costurile energiei

Deoarece greutățile moleculare ale 235 UF 6 și 238 UF 6 sunt aproape egale, gradul de separare a 235 U și 238 U într-o singură trecere prin membrană este foarte mic. Prin urmare, este necesar să conectați un număr mare de difuzoare în serie, folosind produsul din etapa anterioară ca materie primă pentru următoarea. Această secvență de pași se numește cascadă. În practică, cascadele de difuzie necesită mii de pași, în funcție de nivelul dorit de îmbogățire [9] .

Toate componentele instalației de difuzie trebuie menținute la temperatura și presiunea corespunzătoare pentru a menține UF 6 în faza gazoasă. Gazul trebuie comprimat în fiecare treaptă pentru a compensa pierderea de presiune pe difuzor. Acest lucru are ca rezultat încălzirea prin compresie a gazului, care trebuie apoi răcit înainte de a intra în difuzor. Cerințele de pompare și răcire fac ca instalațiile de difuzie să fie mari consumatori de energie electrică . Din această cauză, difuzia gazoasă este cea mai costisitoare metodă utilizată în prezent pentru a produce uraniu îmbogățit [15] .

Istorie

Angajații Proiectului Manhattan din Oak Ridge , pc. Tennessee, au dezvoltat mai multe metode de separare a izotopilor . Cele trei fabrici de la Oak Ridge au folosit trei metode diferite pentru a produce 235 U pentru prima bombă atomică americană " Baby (bomb) " și alte muniții nucleare timpurii . În prima etapă, instalația de îmbogățire a uraniului S-50 a folosit un proces de difuzie termică pentru a îmbogăți uraniul de la 0,7% la aproape 2% 235 U. Acest produs a fost apoi alimentat în procesul de difuzie gazoasă de la instalația K-25 , care a furnizat aproximativ 23% 235 U. În cele din urmă, acest material a fost introdus în calutronii uzinei Y - 12 . Aceste mașini (un tip de spectrometru de masă ) au folosit separarea izotopilor electromagnetici pentru a ridica concentrația finală de 235 U la aproximativ 84%.

Pregătirea materiei prime UF 6 pentru instalația de difuzie gazoasă K-25 a fost prima producție comercială de fluor, iar atât prelucrarea fluorului, cât și UF 6 s-au confruntat cu obstacole semnificative. De exemplu, pentru a construi instalația de difuzie gazoasă K-25, a fost mai întâi necesar să se dezvolte compuși chimici inerți care să poată fi utilizați ca acoperiri, lubrifianți și garnituri pentru suprafețele care vin în contact cu UF 6 gazos (o substanță foarte reactivă și corozivă) . Oamenii de știință din cadrul Proiectului Manhattan l-au angajat pe William T. Miller , profesor de chimie organică la Universitatea Cornell , pentru a sintetiza și dezvolta astfel de materiale datorită experienței sale în chimia organofluorului . Miller și echipa sa au dezvoltat câțiva noi polimeri de clorofluorocarburi nereactivi care au fost utilizați în această lucrare [16] .

Calutronele erau ineficiente și costisitoare de construit și de exploatat. Odată ce obstacolele de inginerie create de procesul de difuzie gazoasă au fost depășite și cascadele de difuzie gazoasă au devenit operaționale la Oak Ridge în 1945, toți calutronii au fost opriți. Metoda difuziei gazoase a devenit apoi metoda preferată pentru obținerea uraniului îmbogățit [6] .

În timpul construcției de la începutul anilor 1940, instalațiile de difuzie gazoasă au fost printre cele mai mari clădiri construite vreodată. Mari instalații de difuzie gazoasă au fost construite de Statele Unite, Uniunea Sovietică (inclusiv o fabrică aflată acum în Kazahstan ), Marea Britanie , Franța și China . Cele mai multe dintre ele s-au închis deja sau se așteaptă să se închidă, neputând concura din punct de vedere economic cu noile tehnologii de îmbogățire. Cu toate acestea, o parte din tehnologia folosită în pompe și membrane este încă extrem de secret, iar unele materiale care au fost utilizate rămân supuse controalelor la export, ca parte a eforturilor continue de control al proliferării nucleare .

În total, în SUA au fost construite trei instalații de difuzie a gazelor, care au consumat 7% din energia electrică produsă în SUA în perioada de vârf.

În URSS, prima instalație de difuzie a gazelor a fost Uzina Electrochimică Ural din Sverdlovsk (acum Ekaterinburg ). În 1953, acolo funcționau 15.000 de instalații de difuzie gazoasă. În anii 1950, în URSS au fost construite încă trei fabrici:

În perioada de vârf de productivitate, patru centrale au consumat 3% din energia electrică produsă în URSS.

În 1956, o fabrică a fost pusă în funcțiune la Capenhurst ( Marea Britanie ), în 1960 - în vecinătatea Hangzhou ( China , cu asistența tehnică a URSS), în 1964 - în Pierrelatte și Tricasten ( Franța ).

Starea actuală

În 2008, instalațiile de difuzie gazoasă din Statele Unite și Franța încă mai produceau 33% din uraniul îmbogățit din lume [15] . Cu toate acestea, fabrica franceză s-a închis definitiv în mai 2012 [17] , iar uzina din Paducah , pc. Kentucky , operat de United States Enrichment Corporation (USEC) (ultima fabrică de îmbogățire a uraniului complet operațională din Statele Unite care a folosit procesul de difuzie gazoasă [7] [1] ), și-a încetat activitatea în 2013 [18] . Singura astfel de instalație din Statele Unite, Portsmouth Gas Diffusion Plant în computer. Ohio, închis în 2001 [7] [19] [20] . Din 2010, situl Ohio a fost folosit în principal de conglomeratul francez AREVA pentru a converti UF 6 epuizat în dioxid de uraniu [21] [22] .

În prezent, tehnologia de difuzie gazoasă este învechită și este înlocuită universal de tehnologia centrifugelor cu gaz , care necesită mai puțină energie pentru a produce o cantitate echivalentă de uraniu îmbogățit. Compania franceză AREVA a înlocuit unitatea de difuzie a gazelor Georges Besse cu centrifuga Georges Besse II [2] .

Vezi și

Note

  1. ↑ Colin Barber. Proiectul aliaje de tuburi . Societatea de istorie a Văii Rhydymwyn. Preluat la 26 iulie 2019. Arhivat din original la 16 ianuarie 2019.
  2. ↑ T. Graham: Philos. Mag. 136 , 573 (1846).
  3. ↑ T. Graham: Philos. Mag. 153 , 385 (1863).
  4. ↑ M. Knudsen: Ann. Fiz. 28 , 75 (1909).
  5. ↑ W. Ramsey: Nature 52 , 7 (1895).
  6. ↑ 1 2 3 Cotton S. Hexafluorura de uraniu și separarea izotopilor // Chimia lantanidelor și actinidelor  (neopr.) . — 1-a. - Chichester, West Sussex, Anglia: John Wiley and Sons, Ltd., 2006. - P. 163-165. - ISBN 978-0-470-01006-8 .
  7. ↑ 123 S.U.A. _ _ Comisia de Reglementare Nucleară. Fișă informativă despre difuzia gazoasă . Washington, DC: Comisia de Reglementare Nucleară din SUA. Consultat la 20 noiembrie 2010. Arhivat din original pe 16 noiembrie 2011.
  8. ↑ Îmbogățirea uraniului / Ed. S. Villani. — M.: Energoatomizdat, 1983, 320 p.
  9. ↑ 1 2 3 4 Beaton L. Încetinirea producției de explozivi nucleari  // New Scientist  : revistă  . - 1962. - Vol. 16 , nr. 309 . - P. 141-143 .
  10. ↑ http://nuclearweaponarchive.org/Library/Glossary
  11. ↑ Hexafluorura de uraniu: Sursa: Anexa A din PEIS (DOE/EIS-0269): Proprietăți fizice (link nu este disponibil) . Consultat la 18 noiembrie 2010. Arhivat din original pe 29 martie 2016. 
  12. ↑ Îmbogățirea uraniului prin difuzie gazoasă . GlobalSecurity.org (27 aprilie 2005). Consultat la 21 noiembrie 2010. Arhivat din original la 23 august 2017.
  13. ↑ Olah G.H., Welch J. Metode și reacții sintetice. 46. ​​​​Oxidarea compușilor organici cu hexafluorura de uraniu în soluții de haloalcani  (engleză)  // Journal of the American Chemical Society : jurnal. - 1978. - Vol. 100 , nr. 17 . - P. 5396-5402 . - doi : 10.1021/ja00485a024 .
  14. ↑ Berry JA, Poole RT, Prescott A., Sharp DW, Winfield JM Proprietățile de oxidare și acceptor de ioni de fluorură ale hexafluorurii de uraniu în acetonitril  //  Journal of the Chemical Society : jurnal. - Societatea de Chimie , 1976. - Nr. 3 . - P. 272-274 . - doi : 10.1039/DT9760000272 .
  15. ↑ 12 Michael Goldsworthy . Lodge Partners Mid-Cap Conference . Lucas Heights, New South Wales, Australia: Silex Ltd. Consultat la 20 noiembrie 2010. Arhivat din original pe 18 august 2011.
  16. ↑ Blaine P. Friedlander, Jr. William T. Miller, om de știință al Proiectului Manhattan și profesor de chimie la Cornell, a murit la 87 de ani . Știri Cornell . Ithaca, New York: Universitatea Cornell (3 decembrie 1998). Consultat la 20 noiembrie 2010. Arhivat din original pe 7 iunie 2011.
  17. ↑ Aravea: Situl Tricastin: uzina de îmbogățire Georges Besse II Arhivat 27 septembrie 2012 la Wayback Machine Difuziune gazoasă, care a fost folosit de AREVA la uzina Georges Besse până în mai 2012
  18. ↑ US DOE Gazeous Diffusion Plant Arhivat 2 ianuarie 2017 la Wayback Machine Operation of the GDP de către USEC și-a încetat activitatea în 2013
  19. ↑ United States Enrichment Corporation. Prezentare generală: Uzina de difuzie gazoasă Portsmouth . Instalatii de difuzie gazoasa . Bethesda, Maryland: USEC, Inc. Consultat la 20 noiembrie 2010. Arhivat din original pe 24 noiembrie 2010.
  20. ↑ United States Enrichment Corporation. Istoric: Uzina de difuzie gazoasă Paducah . Instalatii de difuzie gazoasa . Bethesda, Maryland: USEC, Inc. Consultat la 20 noiembrie 2010. Arhivat din original pe 2 ianuarie 2011.
  21. ↑ Tom Lamar . AREVA începe operațiunile la instalația Portsmouth , Waynesboro, Virginia: Nuclear Street (10 septembrie 2010). Arhivat din original pe 22 decembrie 2015. Consultat la 20 noiembrie 2010.
  22. ↑ AREVA Inc. DOE acordă companiei în comun AREVA permisiunea de a începe testarea operațională a noii unități din Ohio . Comunicat de presă . Bethesda, Maryland: AREVA, Inc. Preluat la 20 noiembrie 2010.  (link mort)

Link -uri

  Accesați articolul Wikidata  Dicționare și enciclopedii