Метод газовой диффузии

Газовой диффузией в физике называется процесс переноса массы или процесс перемешивания соприкасающихся газов, происходящий в результате их теплового движения и сопровождающийся выравниванием парциального давления и плотности во всем объеме.

В 1896 г английский физик Рэлей показал, что «…смесь двух газов различных атомных весов может быть частично разделена, если заставить смесь продиффундировать через пористую перегородку в вакуум». В методе газовой диффузии, примененном для разделения изотопов урана, используются различие в скоростях теплового движения тяжелых и легких молекул и закономерности молекулярного течения газа через тонкие пористые перегородки, в которых размер пор или капиллярных каналов меньше, чем средняя длина свободного пробега молекул. Попадая в эти поры, молекулы гексафторида ²³⁵U и ²³⁸U между собой почти не сталкиваются, а проходят через перегородку, взаимодействуя только со стенками капиллярного канала. При этом какая-то часть молекул не пройдет, а, отразившись от стенки, вернется в исходный объем.

Однако легкие молекулы более «проворны». При одинаковой температуре средняя скорость теплового движения молекул гексафторида ²³⁵U несколько выше, чем гексафторида ²³⁸U, что позволяет получить большую концентрацию молекул этого изотопа по другую сторону пористой перегородки.

Средняя кинетическая энергия газа или жидкости зависит только от температуры:

Значит скорость теплового движения молекулы газа, имеющей массу , может быть выражена как:

.

Например, для азота при нормальных условиях эта скорость составит 470 м/с, а водорода ~ 1800 м/с.

Почему же при столь больших скоростях движения процессы свободного диффузионного перемешивания не приводят к заметной сегрегации газов в окружающей среде. На самом деле они имеют место, но проходят очень медленно, чему активно препятствует открытость систем (перемешивание газов различными потоками), а также столкновения между атомами и молекулами, препятствующие свободному тепловому движению (броуновское движение).

Поэтому разделение газов может быть достигнуто путем создания потока газов за счет перепада давления на поверхности и за мембранной перегородкой при условии достаточного разряжения входящего потока.

Основываясь на принципе газовой диффузии через мелкодисперстную мембрану, немецкий физик Г.Герц в 1932г. В лабораторных условиях впервые разделил смесь двух легких газов.

Основными величинами, характеризующими процесс диффузионного разделения газов, являются коэффициент разделения и коэффициент обогащения. Коэффициентом разделения α при диффузии газа через пористую перегородку называется относительное увеличение концентрации газа, продиффундировавшего через перегородку, к его исходной концентрации.

Таким образом, максимальное (теоретическое) значение α для гексафторида урана, основанное на различии средних скоростей теплового движения без учета влияния каких либо иных факторов составляет 1,00429.

Максимальный (теоретический) коэффициент обогащения , т.е. разность их относительных концентраций после и до диффундирования равен:

Это - теоретический предел. Он означает, что в идеальном случае при однократном пропускании через пористую перегородку некоторой части двухкомпонентной смеси гексафторида можно иметь на выходе из разделительного элемента концентрацию легкого изотопа урана, равную 1,0043 его исходной концентрации, или обогащение на 0,43% (например, если на входе – 0,71%, то на выходе ~ 0,714%). Этот эффект разделения очень мал, и для получения в газовой двухкомпонентной смеси необходимого, существенно большего обогащения легкими компонентами, процесс повторяется многократно, создавая каскады из последовательно соединенных разделительных элементов (диффузионных машин), которые принято называть ступенями.

Реальные коэффициенты разделения и обогащения имеют существенно меньшие значения, чем теоретические α и ε из-за ряда факторов. Среди основных факторов уменьшения следует назвать учет того факта, что соединяя последовательно разделительные ступени в каскад, необходимо пропускать через каскад только половину потока, т.е. делить поток приблизительно пополам: одна часть потока - обогащенная (легкая фракция), вторая – обедненная (тяжелая фракция). В противном случае очень сложно обеспечить равномерную работу всех ступеней и гидравлическую устойчивость процесса в каскаде. Следующий фактор – зависимость процесса от давления перед перегородкой и разности давлений перед и за перегородкой. Этот коэффициент зависит также от среднего радиуса пор и наличия некондиционных пор, имеющих сечение меньшее, чем длина свободного пробега молекул. Пористые перегородки, имеющие средний диаметр пор меньше десятых и сотых долей микрометра, позволяют работать при большем рабочем давлении газа перед фильтром с высоким коэффициентом обогащения. Увеличение давления, а следовательно, и плотности рабочего газа (UF₆) дает возможность увеличить удельную пропускную способность пористой перегородки. Третий из основных факторов – наличие пограничного слоя вблизи и внутри пор, снижающих коэффициент обогащения и зависящих от режима течения газа в порах.

Важнейшим параметром пористой перегородки является коэффициент пропускания газа. Он характеризует расход газа , проходящего через единицу площади перегородки в единицу времени при разности давлений до и после перегородки:

Каждая пористая перегородка подвергается контролю по этому параметру до того, как она будет установлена в разделительной ступени. При этом проверяется и ее добротность в отношении наличия капиллярных каналов увеличенных сечений, через которые могут иметь место «проскоки» газа. Кроме того необходима стабильность коэффициента пропускания газа в течение многих лет эксплуатации. С этой целью проводится предварительная (химическая) обработка перегородок, их пассивация, так как недопустимо ни забивание пор, ни их раскрытие. При забивании пор будет падать расход газа в ступени, при раскрытии – уменьшаться коэффициент обогащения.

Несмотря на развитую теорию диффузии газа через перегородку, фактический эксплуатационный коэффициент обогащения определяется экспериментально на реальном каскаде.

Создание высокоэффективных пористых перегородок считается главной и наиболее сложной проблемой диффузионного метода. Следует учесть, что перегородка должна быть очень тонкой (доли миллиметра) и прочной, чтобы противостоять перепадам давления и вибрациям. Ее делают двухслойной – с несущим и делящим слоями. Делящий слой должен иметь равномерную и очень высокую пористость при толщине несколько микрометров. А средний радиус пор должен быть 0,005-0,03 мкм. При температуре до 70−90 ºС перегородки должны быть устойчивы к коррозионному воздействию гексафторида урана.

Непрерывно ведутся исследования и работы по усовершенствованию пористых перегородок (особенно интенсивно в США и Франции). Методы их изготовления и характеристики остаются в высшей степени засекреченными. В качестве пористых материалов рассматривались металлы (Au, Ag, Ni, Al, Cu), окислы металлов (Al₂O₃, керамика), фториды (CaF₂) или нитриды (Ni) и фторопласты (тефлон). В зависимости от структуры пористые фильтры можно подразделить на два вида: пленочные, в которых поры протравливаются в первоначально непористой фольг, и агрегатные, в которых поры представляют собой пустоты, остающиеся при спрессовывании под давлением тонких порошков или спекании их при соответствующей температуре.

В пористых фильтры пленочного типа поры могут образовываться в результате удаления одного из компонентов мелкодисперсного сплава. Один из первых пористых фильтров с радиусом пор около 10 нм был получен в США путем вытравливания Zn соляной кислотой из сплава AgZn. Хорошие пористые фильтры получаются вытравливанием Ag азотной кислотой из сплава 40−60 AuAg.

Другой метод создания пор заключается в электролитическом травлении алюминиевой фольги в сернокислотной ванне. При этом получаются пористые фильтры из окиси алюминия.

Пористые фильтры агрегатного типа могут быть получены при спекании порошков (например, никелевые порошки, окиси алюминия).

Для достижения необходимого уровня обогащения пористые фильтры объединяются в разделительные элементы, ступени и формируют единый каскад. Разделительным элементом называется наименьшая часть установки для разделения изотопов, в которой питающая смесь разделяется на «обогащенную фракцию» с повышенным содержанием концентрируемого изотопа и «обедненную фракцию» с пониженным содержанием этого изотопа. Несколько разделительных элементов, соединенных параллельно, образуют «ступень»; во всех элементах одной ступени питающая смесь характеризуется одним и тем же изотопным составом, причем это справедливо как в отношении обогащенной, так и обедненной фракций. Размеры ступени пропорциональны питающему потоку.

Требуемой концентрации выделяемого изотопа можно достичь путем последовательного соединения нескольких ступеней; в этом случае совокупность ступеней образует «каскад».

Простейшей схемой последовательно соединенных ступеней является «простой каскад», в котором обогащенная фракция любой ступени служит питанием следующей ступени, в то время как обедненные фракции, выходящие из каждой ступени, повторной обработке не подвергаются.

На заводах по разделению изотопов обычно используется каскад, собранный по противоточной схеме, в которой обедненная фракция каждой ступени подвергается дальнейшему фракционированию в предыдущих ступенях (рис.7). По сравнению с простым каскадом применение противоточного каскада позволяет достичь более высокого выхода продукта.

В идеальном каскаде межступенчатый поток от ступени к ступени меняется непрерывно: аналогичным образом изменяются и размеры ступеней. Таким образом, несмотря на тот факт, что идеальный каскад минимизирует потребление энергии и общие размеры завода, практическое создание его невыгодно с точки зрения затрат на строительство самого каскада. Это особенно относится к случаю, когда число ступеней велико. Значительного уменьшения стоимости разделительных элементов достигается путем их унификации, заменяя идеальный каскад системой прямоугольных каскадов, соединенных по схеме прямоугольно-ступенчатого каскада.

Так как объемы газовых полостей ступеней и каскадов значительны и содержание газа в них велико, то для достижения равновесного состояния по концентрациям газа в каждой ступени (после чего только и можно брать отбор обогащенного продукта заданной концентрации) должно пройти значительное время (например, несколько недель) безостановочной работы. Это создает громадные трудности в эксплуатации и связано с большими затратами. Следовательно, недопустима остановка диффузионного каскада по любой причине (потеря электропитания, срыв охлаждения и т.п.), так как это приводит к перемешиванию потоков различной концентрации, к длительному нарушению процесса, большим затратам энергии и потере продукта. Отсюда вытекают и чрезвычайно высокие требования к длительной надежности, безотказности и отработанности всего технологического оборудования, приборов и автоматики. Чтобы смягчить тяжелые последствия возможных аварийных установок (а также в ремонтных целях), каскады диффузионных заводов разделяются на малые группы ступеней, автоматически отключаемые и байпасируемые по газу. Оборудование диффузионного завода должно быть взаимозаменяемым и ремонтопригодным, с высокой степенью унификации и стандартизации.

Диффузионные заводы обладают большим энергопотреблением. Вся эта энергия переходит в тепло, которое отводится водой с малым перепадом температур. Для этого требуется огромное количество воды. Так потребности завода в Падьюке (первый разделительный завод в мире, построенный в США) в несколько раз превышли расход воды сети г. Нью-Йорка. Во избежание остановок завода система электроснабжения и водоснабжения должна быть гарантированной и иметь необходимое резервирование. Не меньшее значение имеют строгое и непрерывное поддержание вакуума во всей технологической цепочке каскадов и автоматическая защита от аварийных случаев нарушения вакуума, а также обеспечение точного автоматического регулирования газовых потоков.