Разделение многокомпонентной изотопной смеси в процессе заполнения каскада газовых центрифуг

30.09.2019 2019 - №03 Топливный цикл и радиоактивные отходы

А.А. Орлов А.А. Ушаков В.П. Совач

https://doi.org/10.26583/npe.2019.3.07

Широкое применение в ядерной энергетике, медицине, фундаментальных исследованиях, сельском хозяйстве и других областях нашли изотопно-модифицированные материалы с изотопным составом, отличным от природного. Интерес исследователей прикован к разделению многокомпонентных изотопных смесей в каскадах газовых центрифуг. Стационарному режиму разделения многокомпонентной изотопной смеси в каскаде газовых центрифуг предшествует нестационарный процесс, который условно можно разделить на две стадии: заполнение каскада рабочим веществом и установление равновесных концентраций компонентов в каскаде. Изучение процесса заполнения каскада до настоящего времени не проводилось, поэтому для расчета второй стадии при задании начальных условий использовалось допущение, что концентрации компонентов в ступенях каскада после его заполнения соответствуют их концентрациям в исходной многокомпонентной изотопной смеси. Учитывая, что от начальных условий зависит характер изменения концентраций компонентов в ходе нестационарного процесса и его длительность, целесообразно провести исследование процесса разделения многокомпонентной изотопной смеси в ходе заполнения каскада и проверить справедливость этого допущения.

Приведены результаты моделирования процесса заполнения каскада при различном количестве ступеней каскада и величине потока питания, а также при подаче потока питания в различные ступени каскада на примере разделения изотопов германия. Определены закономерности изменения концентраций изотопов Ge в ступенях и потоках каскада. В процессе заполнения каскада происходит разделение изотопов Ge и их распределение по ступеням каскада в соответствии с их массовыми числами. Увеличение потока питания приводит к уменьшению продолжительности заполнения каскада, снижению максимальных концентраций изотопов и перераспределению их по каскаду. Концентрации каждого изотопа Ge в каскаде после его заполнения находятся в широком диапазоне значений. Показано, что допущение о равенстве концентраций изотопов в ступенях после заполнения каскада концентрациям в исходной смеси (потоке питания) является достаточно грубым приближением. Использование этого допущения при задании начальных условий для моделирования нестационарного разделительного процесса приводит к изменению расчетной динамики концентраций изотопов в потоках каскада.

Ссылки

1. Borisevich V.D., Pavlov A.V., Okhotina I.A. Depleted zinc: properties, application, production. // Applied Radiation and Isotopes. – 2009. – Vol. 67. – PP. 1167-1172. Электронный ресурс: https://doi.org/10.1016/j.apradiso.2009.02.063 (дата доступа 17.09.2018).
2. Смирнов А.Ю., Сулаберидзе Г.А. Особенности массопереноса промежуточных компонентов в прямоугольном каскаде из газовых центрифуг для разделения многокомпонентных смесей // Теоретические основы химической технологии. – 2014. – Т. 48. – P. 572.
3. Cohen K. The Theory of Isotope Separation as Applied to the Large-Scale Production of U-235. First ed. – McGraw Hill, New York, 1951. – 184 p.
4. Glaser A. Characteristics of the gas centrifuge for uranium enrichment and their relevance for nuclear weapon proliferation. // Science and Global Security. – 2008. – Vol. 16. – PP. 1-25. Электронный ресурс: https://doi.org/10.1080/08929880802335998 (дата доступа 17.09.2018).
5. Igumenov I.K., Turgambaeva A.E., Krisyuk V.V. Volatile zirconium compounds: prospects for use in gas-phase isotope separation. // Russian Journal of Applied Chemistry. – 2016. – Vol. 89. – PP. 1903-1931. Электронный ресурс: https://doi.org/10.1134/S1070427216120016 (дата доступа 17.09.2018).
6. Власов В.А., Бутов В.Г., Голдобин Д.Н., Орлов А.А., Тимченко С.Н. Моделирование нестационарных процессов в центробежных каскадах. // Известия Томского политехнического университета. – 2007. – Т. 310. – С. 103-106.
7. Orlov A.A., Timchenko S.N., Sidorenko V.S. Mathematical model of nonstationary hydraulic process occurring in gas centrifuges for uranium enrichment. // Advanced Materials Research. – 2015. – Vol. 1084. – P. 673. Электронный ресурс: https:/doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.1084.673 (дата доступа 17.09.2018).
8. Levin E.V., Laguntcov N.I., Sulaberidze G.A. One method of numerical research of nonstationary processes in cascades for separation of multicomponent isotope mixtures. // Journal of Engineering Physics. – 1982. – Vol. 43. – PP. 456-462.
9. Smirnov A.Yu., Bonarev A.K., Sulaberidze G.A., Borisevich V.D., Zeng S., Jiang D., Zhang Y.N. Peculiarities of the transient processes in cascades for separation of isotope mixtures with various numbers of components. // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2016. Электронный ресурс: https://doi.org/10.1088/1742-6596/751/1/012006 (дата доступа 17.09.2018).
10. Quanxin X., Liming W., Zengguang L. Transient Characteristics of Intermediate Components in a Cascade for Separation of Multicomponent Isotope Mixtures. // Perspective Materials. – 2011. – No. 10. – PP. 25-28.
11. Zeng S., Ying C. Transient Process in Gas Centrifuge Cascades for Separation of Multicomponent Isotope Mixture. // Separation Science and Technology. – 2001. – Vol. 36. – PP. 3439-3457.
12. Zeng S., Zhou M., Ying C. Theoretical and Experimental Study of a Non-Stationary Isotope Separation Process in a Gas Centrifuge Cascade. // Separation Science and Technology. – 2003. – Vol. 38. – PP. 2375-2394. Электронный ресурс: https://doi.org/10.1081/SS120022278 (дата доступа 17.09.2018).
13. Orlov A.A., Ushakov A.A., Sovach V.P. Mathematical model of nonstationary hydraulic processes in gas centrifuge cascade for separation of multicomponent isotope mixtures. //MATEC Web of Conferences. – 2017. Электронный ресурс: https://doi.org/10.1051/matecconf/20179201033 (дата доступа 17.09.2018).
14. Orlov A.A., Ushakov A.A., Sovach V.P., Mymrina D.F. Modeling of nonstationary processes during separation of multicomponent isotope mixtures. // Separation Science and Technology. – 2018. – Vol. 53. – PP. 796-806. Электронный ресурс: https://doi.org/10.1080/01496395.2017.1399910 (дата доступа 17.09.2018).
15. Орлов А.А., Ушаков А.А., Совач В.П., Малюгин Р.В. Математическое моделирование нестационарных разделительных процессов в каскаде газовых центрифуг для разделения изотопов вольфрама // Инженерно-физический журнал. – 2018. – Т. 91. – С. 566-573.
16. Meija J. et al. Isotopic compositions of the elements 2013 (IUPAC Technical Report). //Pure Applied Chemistry. – 2016. – Vol. 88. – PP. 293-306. Электронный ресурс: https://doi.org/10.1515/pac-2015-0503 (дата доступа 17.09.2018).

математическое моделирование каскад разделение изотоп заполнение нестационарный процесс германий газовая центрифуга концентрация ступень

Ссылка для цитирования статьи: Орлов А.А., Ушаков А.А., Совач В.П. Разделение многокомпонентной изотопной смеси в процессе заполнения каскада газовых центрифуг. // Известия вузов. Ядерная энергетика. – 2019. – № 3. – С. 75-87. DOI: https://doi.org/10.26583/npe.2019.3.07 .