Разделение изотопов легких элементов методом газовой термодиффузии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.01, кандидат технических наук Пьи, Пью Аунг

• Пьи, Пью Аунг
• кандидат технических наук
• 2011

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разделение изотопов легких элементов методом газовой термодиффузии»

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 22Ые, 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

1Л изотопов (например, трития, С).

Ишерес представляет также возможность использования термодиффузии для разделения изотопов тех элементов, которые имеют газообразные соединения только при сравнительно высокой температуре, при которой не могут быть применены универсальные газовые центрифуги.

Для расчета термодиффузионных разделительных колонн, как и любых

А- 4 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 значительное число характеристик газа в широком температурном интервале -от температуры холодной стенки колонны до температуры горячей стенки, которая может достигать нескольких сотен градусов Цельсия. Обычно эти 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. Это позволяет определить оптимальные рабочие' условия для конкретной задачи разделения и наилучшим 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 г. 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.

Заключение диссертации по теме «Технология неорганических веществ», Пьи, Пью Аунг

выводы

1. Разработана конструкция термодиффузионной колонны и схема установки с непрерывным питанием и отбором продукта и отвала, отличительными особенностями которых являются:

- наличие сильфона, обеспечивающего постоянное натяжение стержня горячей стенки и компенсацию его удлинения.

- обеспечение в одной колонне как концентрирования, так и регулируемого извлечения целевого изотопа без изменения местоположения точки питания.

2. Выявлена экстремальная зависимость степени разделения изотопов в термодиффузионной колонне от давления. Установлено, что оптимальное рабочее давление, обеспечивающее максимальную степень разделения колонны в безотборном режиме составляет 6 атм для водорода, 5,6 атм для гелия, 2 атм для неона и 1 атм для кислорода.

3. Разработан способ определения потока газа в термодиффузионной колонне по экспериментальной зависимости степени разделения колонны от отбора /■ продукта. Показано, что при диаметре колонны 13 мм и разности температур 200 — 700 К для исследованных газов поток по колонне составляет 9-13 л/час в пересчете на нормальные условия).

4. Показано, что высота теоретической ступени разделения в разработанной термодиффузионной колонне при оптимальном давлении составляет 0,75 см, что практически совпадает с расчетной величиной (0,72 мм) для идеальной геометрии термодиффузионной колонны.

5. На основании полученных в работе данных рассчитаны термодиффузионные разделительные установки для решения ряда промышленных задач

22 IV 3 14 концентрирования изотопов О, Не, С и трития.

6. Создана и внедрена на предприятии ОАО «Раменский приборостроительный завод» установка термодиффузионного разделения изотопов неона с колонной высотой 3 м диаметром 13 мм, производительностью до 130 л/год по ~ Ие с концентрацией 50 ат.%. Проведена оптимизация рабочего режима установки и наработка опытного образца 8 л газа, который по изотопному и химическому составу полностью соответствует требованиям Заказчика.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. Пьи Пью Аунг, И.Л. Селиваненко. Получение изотопов неона, водорода и кислорода методом газовой термодиффузии // Перспективные материалы.-спец. Выпуск (8).-февраль 2010.-С.225-229. О

2. Пьи Пью Аунг, И.Л. Селиваненко. Эффективность разделения изотопов методом газовой термодиффузии // Успехи в химии и химической технологии: сб. научных трудов.-т. XXIV, № 8.-М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2010.-С.35-39.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Пьи, Пью Аунг, 2011 год

1. Шашков А.Г., Золотухина А.Ф., Василенко В.Б. Фактор термодиффузии газовых смесей. Методы определения. Минск "Белорусская наука", под. ред. академика С.А. Жданка.-2007 г.-240 с.

2. Рабинович Т.Д. Разделение изотопов и других смесей термодиффузией. Москва, Атомиздат.-1982 г.-144 с.

3. Чепмен С., Каулинг Т. Математическая теория неоднородных газов.-ИЛ.-М.,1960.-187 с.

4. Kihara T.J. // Phys.Soc.Jap.-1951,Vol.6.-p.l84.

5. Косов Н.Д., Богатырев А.Ф., Курлапов Л.И. Неизотермическая диффузия в газах. Сб. "Тепло- и массоперенос", т.7. Физические параметры тепло- и массопереноса. Минск, 1968.-С.507-517.

6. Богатырев А.Ф. Термодиффузия в разреженных и умеренно плотных газовых смесях. Дисс. д-ра техн. наук, Алма-Ата, 1981.-236 с.

7. A.M. Розен. Теория разделения изотопов в колоннах. Издательство государственного комитета Совета министров СССР по использованию атомной энергии.-Москва, 1960 г.- 439 с.

8. Джонс К., Ферри В. Разделение изотопов методом термодиффузии. М., Изд-во иностр. лит.-l947.-365 с.

9. Clusius К., Dickel G.//Z.phys.chem.-1939/-Abt. В, BD 44, N 5/6, s.451-473

10. Schwind R.A., Rutherford W.M./ in: Radiophann. Label. Compounds,

11. Proc.Symph.New Develop. Radiopharm Label Compounds. 1973, В 2, p.255-266 IAEA, Vienna, Austria.

12. Clusius K., Dickel G.//Z.phys.chem.-1939/-Abt. B, BD 44, N 5/6, s.397-450

13. Meinrenken J./Z.Naturforsch., 1967, Bd 22a, S. 1261-1266.

14. Vasaru G. Separarea isotopilor prin termodifuzie. — Bucuresti, Ed. Acad. R.S. Romania, 1972.

15. Alexander K.F., Krecker U. Kernenergie, 1958, Bd 1, N 6, S. 437-439

16. Schirdewahn J., Klemm A., Waldmann L. Z. Naturlorsch., 1961, Bd 16a, N2, S. 133-144

17. Slieker C.J.G., de Vries A.S. — J. chim. phys. et phys.-chim. biolog., 1963, v. 60, N 1-2, p. 172-179

18. Девятых Г.Г., Борисов Г.К. —Жури. физ. химии, 1963, т. 37, № 9 с. 1985—1988

19. Резерфорд В.М., Уилер Ф.В., Эк К.Ф. Приборы для научных иссле дований. Пер. с англ. М., Мир, 1968, № 1, с. 96—102

20. Thermal diffusion column. Berlin, YEB Deutscher Verlag der Wissenschaften, 1969. Aut.:G. Vasaru, G. Muller, G. Reinhold e.a.

21. Jones A.L., Milberger E.G. US Patent N 2742154, Apr. 17, 195621. де Гроот С.Р. Термодинамика необратимых процессов. М., ГИТТЛ, 1956.

22. Гола С., Кураш М., Ланда С. — В кн.: Сб. хим.-технол. инугав Праге.1. Прага, 1964, с. 45—74

23. Jones A.L., Huges E.G. -US Patent N 2541069, Feb. 13, 1951

24. Jones A.L., Milberger B.C. US Patent N 2712386, July 5, 1955

25. Ямамото M., Такахаси M., Имаока M„ Хасиока Т. — Нихон Кагаку дзасси, 1968, т. 89, № 9, с, 339—843. (Пер. с японского № 10158, Белор. торг .-пром. палата)

26. Meinrenken J. Z. Naturforsch., 1967, Bd 22a, S. 1261-1266

27. Roos W.J., Rutherford W.M. J. Chem. Phys., 1969, v. 50, N 1 p. 424-429

28. Heintz A., Lichtenthaler R.N., Schdfer K. Ber. Bunsen - Ges., 19711, Bd 79, N5,8.426-432

29. Rutherford W.M. J. Chem. Phys., 1965, v. 42, N 3, p. 869-872

30. Clusius K., Dickel G. Naturwissenschaften, 1939, Bd 27, N 9, S. 148-149i

31. Korsching H., Wirtz K. Naturwissenschaften, 1939, Bd 27, N 20/21, S. 367-368

32. Israel G.W. Z. Naturforsch., 1962, Bd 17a, N 10, S. 925-929

33. GonsiorB. Z. angew. Phys., 1961, Bd 13, N 12, S. 545-54

34. Buttler H., WiikB. -Science, 1965, v. 149. N 3690, p. 1371-1373

35. Almqmst E.,' Allen K.W., Sanders J.H. Rev. Sclent. Instrum., 1955, v. 26, N7, p. 649-651

36. Thermal diffusion column. Berlin, VEB Deutscher Verlag der Wissenschaften, 1969. Aut.:G. Vasaru, G. Muller, G. Reinhold e.a.

37. Vasaru G. Separarea isotopilor prin termodifuzie. — Bucuresti, Ed. Acad. R.S. Romania, 1972

38. Mclnteer B.B., Aldrich L.T., Nier A.O. Phys. Rev., 1948, v. 74, N 8, p. 946-949

39. Schuette O.F., Zucker A., Watson W.W. Rev. Sei. Instrum., 1950, v. 21, N 12,p. 1016-1018

40. Liner J.C. AEG Research and Develop., Rep. MLM-2296, 1975

41. Nier A.O. Phys. Rev., 1940, v. 57, N 1, p. 30-34

42. Clusius K., Dickel G. Heiv. phys.-acta, 1950, v. 23, p. 103-107

43. Clusius K., Bilhler H.H. Z. Naturforsch., 1954, Bd 9a, N 9, S 775-783

44. Rutherford W.M., Keller J.M. J. Chem. Phys., 1966, v. 44, N2 p. 723-731

45. SchwindR.A., Chem. and Process Engng, 1969, N 7, p. 75-78

46. Alexander K.F., Krecker U. Kernenergie, 1958, Bd 1, N 6, S. 437-439

47. Панченков Г.М., Моисеев В.Д. — Жури. физ. хим., 1956, т. 30. № 7, с. 1662—1667

48. Sakata Н. Matsuda К., Takeda Е. J. Phys. Soc. Japan, 1953, v. 8, N 3, p. 313-317

49. Туницкий H.H., Девятых Г.Г., Тихомиров M.B. и др. —В кн.: Полу чение изотопов. М., АН СССР, 1958

50. Anderson B.C., Libby W.F. Phys. Rev., 1947, v. 72, N 10, p. 931-936

51. Grootes P.M., de Vries A.E., Mook W.G. e.a. Z. Naturforsch., 1975,1. Bd30a,Nl,p. 1-14

52. Clusius К. -Helv.chim. acta, 1950, v. 33, N 7, p. 2134-2152

53. Рабинович Г.Д. —Инж.-физ. журн., 1974, т. 26, №1,с. 68—78

54. Spindel W., Taylor T.L. J. Chem. Phys., 1955, v. 23, N 7,1 p. 1318-1322

55. Clusius K., Franzosini P. Z. Naturforsch., 1957, Bd 12 a, S. 621-629

56. Clusius K., Dickel G., Becker E. Naturwissenschaften, 1943, Bd 31, S. 210

57. Clusius K., Schleich K. Helv. chim. acta, 1962, v. 45, N 5 p.1702-1721

58. Семиохин И.А., Агеев Е.П., Панченков Г.М. и др. —-Журн. физ. хим., 1962, т. 36, № 1, с. 124—129

59. Агеев Е.П., Панченков Г.М, — Атомная энергия, 1963, т. 14, № 5, с. 494—496

60. Ямамото М., Такахаси М., Имаока М„ Хасиока Т. — Нихон Кагаку дзасси, 1968, т. 89, № 9, с, 339—843. (Пер. с японского № 10158, Белор. торг .-пром. палата)

61. Rutherford W.M., Roos W.J., Kaminski K.J. J. Chem. Phys., 1969, v. 50, N 12. d. 5359-5365

62. Narten A.H., Landau L. -J. Chem. Phys., 1965, v. 43,N2,p. 751-755

63. Clusius K., Schleich K. Helv. chim. acta, 1962, v. 45, N 5 p. 1702-1721

64. Clusius K., Dickel G. Naturwissenschaften, 1938, Bd 26, J 33, S. 546

65. Dickel G., Clusius K. Z. Naturforsch., 1940, Bd 28, N 29, S. 461-462

66. Watson W.W., Onsager L., Zucker A. Rev. Sci. Instrum., 1949, v. 20, N 12, p. 924-927

67. Котоусов JI.C., Мартынов E.M., Степанов Ю.П. — Атомная энергия, 1961, т. 10, №6, с. 632—633

68. Clusius К., Huber М., Hurzeler Н., Schumacher Е. — Z. Naturforsch., 1956, Bdalla, S. 702-709

69. Rutherford W.M. AEC Res. and Dev. Rep. MLM 2118, 1974

70. Физические величины. Справочник под. ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова.-М.,"Энергоатомиздат".-1991.-1232 с.70. Гелий-3. ТУ 95 783-90Е

71. П.Л. Капица. О сверхтекучести гелия-П // М., 1944.-Успехи физических наук.-т. XXVI, вып.2.-с.133-143

72. Н. Yamakawa, S.Mori, Y. Takenag et all., Effect of Cold Wall Temperature of Thermal Diffusion Column on 14N15N-I4N2 Isotope Separation // Journal of Nuclear Science and Technology, Vol.8, No 8.(August 2000)-p.710-715

73. H. Yamakawa, K. Matsumoto, Y. Enokida et all., Numerical Analysis of Dynamic Behavior at Start-up of the Thermal Diffusion Column for Hydrogen Isotope Separation // Journal of Nuclear Science and Technology, Vol.36, No 2. (February 1999)-p. 198-203

74. N. Kobayashi, R. Hirano, Y. Enokida et all. Isotope Separation of H2-HD Gas Mixture with "Cryogenic-Wall" Thermal Diffusion Column with a Heated Tube // Journal of Nuclear Science and Technology, Vol.39, No 4.(April 2002)-p.431-434