Разделение изотопов легких элементов методом газовой термодиффузии

• Автор: Пьи, Пью Аунг
• Шифр специальности: 05.17.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 124 с. : 9 ил.

ВВЕДЕНИЕ
Термодиффузия является одним из первых методов разделения изотопов. Методом термодиффузии впервые были сконцентрированы многие стабильные изотопы, такие как гелий-3, углерод-13, неон-22 и др. Основное развитие метод получил в 40-50 годы. В последующие годы для основных коммерческих изотопов были реализованы более эффективные, производительные процессы, и количество работ в области термодиффузии резко уменьшилось. Однако в настоящее время возник ряд важных задач, для решения которых использование термодиффузии может быть экономически оправдано. Эго связано с основными преимуществами метода:
- простота и низкая стоимость оборудования имеет огромное значение при малом масштабе производства, (например, при производстве изо гопа 22№, потребность в котором для России оценивается в несколько десятков литров в год);
- малая задержка вещества в установке особенно важна при высокой стоимости сырья и самого изотопа (например, при концентрировании изотопа 170, очистке 3Не от следов 4Не), а также при разделении радиоактивных изотопов (например, трития, |4С).
Ишерес представляет также возможность использования гермодиффузии для разделения изотопов тех элементов, которые имеют газообразные соединения только при сравнительно высокой температуре, при которой не могут быть применены универсальные газовые цен трифуги.
Для расчета термодиффузпонных разделительных колонн, как и любых

других колонн разделения изотопов, необходимо знать коэффициент разделения, высоту теоретической ступени разделения, поток по колонне (который в случае термодиффузии невозможно непосредственно задать и экспериментально измерить), а также зависимость этих величин от рабочих условий процесса. Для теоретического расчета этих параметров в соответствии с достаточно детально разработанной теорией термодиффузии требуется значи гельное число характеристик газа в широком температурном интервале -от температуры холодной стенки колонны до температуры горячей стенки, которая может достигать нескольких сотен градусов Цельсия. Обычно эги величины известны лишь по эмпирическим уравнениям с небольшой точностью. Сложно также учесть погрешности в изготовлении колонн, а именно неточности в центровке горячей и холодной стенки относительно друг друга, шероховатость этих стенок, что существенно влияет в худшую сторону на эффективность разделения. Поэтому реальные параметры разделительной установки могут значительно отличаться от расчетных. Экспериментальное уточнение указанных выше параметров является необходимой стадией создания изотопных производств, основанных на методе термодиффузии. Эго позволяет определить оптимальные рабочие' условия для конкретной задачи разделения и нанлучшим образом организовать схему разделительной установки. Наиболее целесообразно для этой цели создание универсальной экспериментальной установки с термодиффузионной разделительной колонной и проведение на ней экспериментов по разделению требуемых газовых
изотопных смесей при различных условиях. Экспериментально полученная зависимость степени разделения колонны от давления позволяет определить давление, при котором достигается максимальная степень разделения для конкретной разделяемой смеси. Зависимость степени разделения колонны при работе ее с отбором продукта позволяет уточнить коэффициент разделения и поток газа в колонне. В соответствии с вышесказанным, целью настоя щей работы является создание такой исследовательской термодиффузионной установки и наработка на ней массива данных, позволяющих оптимальным образом организовать термодиффузионное производство ряда изотопов легких элементов, представляющих в настоящее момент коммерческий интерес.

этого термодиффузионной установки была использована [37] при создании трехступенчатого каскада (табл. 1.3).
Ступени 1 и 2 пыли соединены короткой (11 см) трубкой диаметром 60 мм, что исключаю необходимость установки термосифона. Секции 2 и 3 были соединены циркуляционным контуром из трубок диаметром 4 мм, принудительное движение в котором осуществлялось центробежной газодувкой. В этот контур была встроена палладиевая втулка для поглощения примеси водорода, присутствие которого даже в виде следов, как отмечают авторы, весьма отрицательно сказывается на процессе разделения. Установка была рассчитана на работу в режиме отбора при р = 0,765 МПа. При отборе 14 см3/сут (при нормальных условиях) концентрация 'Не через 14 суток составляла вверху третьей ступени 0,211 ат. %, а вверху второй ступени 1,0 • 10'4 ат.%, т.е. третья ступень давала степень разделения более 104. Таким образом, удалось получить несколько сот кубических сантиметров гелия с отношением 3Не/4Не = 0,0086. Эта работа представляет интерес также в том отношении, что в ней проводится сопоставление экспериментальных и расчетных данных, показавшее их удовлетворительное согласие. В аналогичном исследовании [38], в отличие от работы [37], в которой внизу первой ступени поддерживалась концентрация 3Не, равная исходной, использовалась одна колонна высотой 1,3 м как очиститель и свежий газ подавался в термосифон, соединяющий очиститель с концентрирующей частью установки. Сама установка состояла из двух последовательно соединенных термосифонами термодиффузионных колонн,