Учебное пособие для магистрантов по специальности «Физика кинетических явлений» Часть первая icon

Учебное пособие для магистрантов по специальности «Физика кинетических явлений» Часть первая


2 чел. помогло.
Смотрите также:
Рабочая программа учебной дисциплины Физика (0А01) рп фти 1/УД. 011...
Учебное пособие томск 2010 удк 519. 2...
Учебное пособие Часть первая...
Сборник задач. Часть I. Механика. Молекулярная физика. Термодинамика: Учебное пособие...
Учебное пособие для студентов вузов в 2-х частях часть 1...
Учебно-производственный план 2005/2006 г факультет физико-технический, курс Yномера групп...
Практикум по дифференциальным уравнениям...
Учебное пособие историко-культурные туристские ресурсы Северного Кавказа для студентов по...
Учебное пособие историко-культурные туристские ресурсы Северного Кавказа для студентов по...
Методические указания, программа и вопросы к самостоятельной работе для магистрантов...
Учебное пособие для студентов технических специальностей Павлодар...
Лекционный курс по биологической физике учебное пособие для студентов...



Загрузка...
страницы: 1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   16
вернуться в начало
скачать

^ 1.3.3. Работа разделения, мощность разделения. Огромные масштабы разделительной промышленности потребовали максимально экономного проектирования разделительных элементов и предприятии, способных в заданное время произвести нужное количество продукции заданного обогащения при заданной концентрации отвала.

Поскольку термодинамические свойства UF6 почти не зависят от изотопа урана, работа разделительного элемента будет происходить одинаково, какую бы концентрацию изотопной смеси мы не подавали на его вход. Это позволяет сформулировать условное понятие работы разделения, которое можно исполь­зовать для количественного сопоставления усилий, или времени работы, тре­бующейся для проведения одной операции обогащения по сравнению с другой операцией, имеющей совсем другие начальные и конечные параметры, если мы располагаем одним и тем же оборудованием.

Работа разделения математически формулируется через разность специ­ально определённых разделительных потенциалов сырья, отбора и отвала. Мы не будем приводить здесь вывод соответствующих соотношений, отсылая читателя к [19], а приведём лишь математическую формулировку работы разделения.

Здесь Р, W, F — количество полученного обогащенного продукта, отвала и израсходованного сырья соответственно, а хр, хω, хf — концентрации целевого изотопа в соответствующих фракциях отбора, отвала и сырья.

Если массу продуктов измерять, как это принято, в килограммах, то и работа разделения имеет размерность килограммов, хотя напрямую с массой переработанного вещества не связана.

Понятие работы разделения позволяет сравнивать трудоёмкость различ­ных разделительных задач. Например, согласно подробной таблице, приве­дённой в [19], для получения одного килограмма урана, обогащенного до 4% при отвале 0,26% нужно затратить 8,29 кг природного урана и 5,7 ЕРР — единиц работы разделения. Для получения того же килограмма 4% урана при концентрации отвала 0,1% нужно затратить 6,38 кг природного урана, но уже 8,95 ЕРР.

Получение высокообогащённого урана требует существенно больших за­трат. Например, получение одного килограмма урана с обогащением 90% при отвале 0,26% требует 199 кг сырья и 204,7 ЕРР, а та же операция при отвале 0,1% требует 147 кг сырья и 292,7 ЕРР. Однако отметим, что в расчёте на переработку заданного количества сырья — природного урана, затраты работы разделения концентрируются вблизи невысоких обогащений. Из приведённых цифр следует, что на один килограмм сырья, превращаемого в 4% уран, затрачивается 1,4 ЕРР, а при его обогащении до 90% —- 2 ЕРР, то есть ненамного больше.

Мощность разделения характеризует способность отдельного устройства, или каскада, или завода, проделать заданный объём работы разделения в течение года (так принято). Поэтому мощность разделения обозначают ЕРР/год.


^ 1.3.4. Механика ротора газовой центрифуги. Для увеличения производительности ротора проще всего, казалось бы, увеличивать его длину. Это не требует более прочных материалов, как в случае увеличения окружной скорости вращения ротора. Но уже при длине ротора, превосходящей диаметр в пять-шесть раз, его изгибная резонансная частота оказывается ниже рабочей частоты, определяемой прочностью материала трубы, и такой ротор, не достигнув заданных оборотов, подходит к первому изгибному резонансу.

Поэтому для классификации типов центрифуг в качестве характерного параметра было выбрано отношение длины ротора к его диаметру (или радиусу). Основываясь на этом параметре, выделяют два возможных типа роторов центрифуг:

1) докритический;

2) надкритический.

Для докритического ротора отношение длины к диаметру равно 4-5, а для надкритического обычно превышает 10. Промежуточные значения этого

отношения стремятся не использовать ввиду того, что нет препятствий (кро­ме структуры размещения центрифуг в каскадах) для максимизации длины ротора вплоть до следующего критического режима.

Первая докритическая газовая центрифуга, созданная Бимсом в 1938 г. имела отношение длина/диаметр ротора равный 3,67. Вскоре затем Бимс раз­работал новую машину с более длинным ротором, отношение длина/диаметр которого было равно 5,07.

При увеличении этого отношения в процессе разгона ротора до рабочей

скорости он может подойти к критическому режиму, когда частота вращения равна частоте изгибного резонанса, и влияние любой неуравновешенной силы будет приводить к возникновению возрастающего изгиба ротора, что может повлечь за собой повреждение или разрушение конструкции.

Принципы создания надкритических роторов, видимо, впервые были от­работаны в ходе выполнения Манхэттенского проекта. Во время Второй мировой войны два варианта надкритических центрифуг с размерами 3 м в длину и 0,2 м в диаметре были созданы в университете штата Вирджиния и на фирме «Вестингауз». Основная разница в конструкциях этих машин состояла в различном уровне их демпфирования для прохождения крити­ческих скоростей. Из опубликованных сведений известно, что центрифуга, разрабатывавшаяся в университете штата Вирджиния, успешно разгонялась до частоты вращения 350 Гц (это всего лишь 220 м/с), и на ней был выполнен большой объём экспериментальных работ в период с 3 сентября 1943 г. по 31 января 1944 г.

Изгибный резонанс при выходе на номинальные обороты проходят многие вращающиеся валы и роторы, например, валы мощных паровых турбин, нагруженных дисками лопаток, и т.п.

Свободно вращающийся на упругих подвесах или в пространстве гибкий вал может пройти изгибный резонанс только очень быстро, при большой величине производной dω/dt, так как его вращение на резонансной часто­те абсолютно неустойчиво без приложения внешних сил и сопровождается неограниченным возрастанием изгиба вплоть до разрушения изделия. Поэто­му конструктор центрифуги вынужден ограничить длину её ротора внешним отношением L/D порядка четырёх или разработать такую конструкцию рото­ра и систему демпфирования его изгиба, которые позволяли бы преодолевать резонансы в квазистатическом режиме, при небольшой скорости разгона, так как двигатель центрифуги не может обеспечить очень быстрый разгон.

Поскольку в массе ротора преобладает масса его трубы, можно с до­статочной для грубых оценок точностью рассчитать систему резонансных частот ротора с однородной трубой с помощью формулы для трубы с большим отношением L/D и без концевых сосредоточенных масс:

(1.3.6)

где: n — номер гармоники; D — диаметр трубы; L — длина трубы; Е — продольный модуль упругости материала трубы; р — плотность материала трубы.

Для стальной трубы ротора длиной 1 м и диаметром 15 см, подставив константы для стали Е = 2 · 1011 н/м2, р = 7,8 · 103 кг/м3 и геометрические параметры трубы, получим: ƒрез = 421 Гц · n2.

При выбранном диаметре 15 см и достижении первой резонансной ча­стоты окружная скорость составит 200 м/с, и по оценочной формуле (1.3.5) получается разделительную способность центрифуги равной 1 ЕРР/год.

Растягивающее тангенциальное напряжение во вращающемся отрезке тру­бы равно:

(1.3.7)

что в рассматриваемом случае составит 31 кГс/мм2. Это много меньше напряжения, которое может выдержать высокопрочная сталь. Таким образом, из-за излишней длины трубы ротора резонанс достигается гораздо раньше, чем выход на предельно допустимую для высокопрочной стали скорость вращения.

На ситуацию можно повлиять, изменив длину ротора так, чтобы достичь резонансной частоты, когда будет, достигнут предел прочности на растяжение. Мартенситно стареющая сталь (МСС) допускает напряжение до 200 кГс/мм2, что по формуле (1.3.7) соответствует скорости 500 м/с, и для выбранного диаметра ротора центрифуги — частоте вращения 1060 Гц. Пользуясь форму­лой (1.3.6), получим, что длина ротора с данной резонансной частотой равна 0,614 м и по оценочной формуле (1.3.5) разделительная способность ротора с оптимизированной длиной составит 4,1 ЕРР/год.

Таким образом, оптимально укоротив трубу и не преодолевая резонанс, можно получить оценку максимальной разделительной способности подкритического ротора центрифуги, которая будет намного выше, чем для более длинного ротора из того же материала.



Рис. 1.3.4. Схема укладки нитей в цельнокомпозитной трубе ротора. 1 — танген­циальный слой высокопрочной нити, 2 — ужесточающий слой, расположенный под углом 25-65 градусов к образующей


Теперь посмотрим, что может дать замена высокопрочной стали на более современный и гораздо более лёгкий композиционный материал. Как известно, углеродные волокна являются одними из самых прочных и жёстких волокон, к тому же не обладающими долговременной ползучестью [11]. Они делятся на высокомодульные, с модулем упругости, более чем вдвое превыша­ющим модуль стали (50·103 кГс/мм2), и высокопрочные, с модулем порядка 25·103 и прочностью на разрыв от 300 до 500 кГс/мм2. Если изготовить из этих нитей трубу ротора по следую­щей схеме (рис. 1.3.4): внутренние два слоя уложить из высокомодульной нити по винтовой линии вдоль ротора, под углом порядка 20-30 градусов к обра­зующей, один слой с правым винтом и один — с левым, то получится мак­симальная продольная жёсткость арми­рованной конструкции. Сверху слоев, обеспечивающих изгибную жёсткость, укладывается рядовая тангенциальная обмотка из высокопрочной нити с общей толщиной, примерно вдвое превосходящей суммарную толщину слоев высокомодульной нити, Схемы обмоток высокопрочных труб изложены в це­лом ряде открытых зарубежных патентов и научных работ [12].

Средняя удельная масса углекомпозита равна примерно 1,5 г/см3. Про­дольный модуль всей трубы, взятый с учётом доли использованных высоко­модульных слоев в общей массе трубы, составит около 104 кГс/мм2, а допустимую тангенциальную центробежную нагрузку на весь материал трубы, в котором 2/3 занимает высокопрочная тангенциальная обмотка, примем рав­ной 120 кГс/мм2. Допустимая окружная скорость трубы такой конструкции будет 816 м/с, соответствующая частота — 1730 Гц, и согласно форму­ле (1.3.6) допустимая длина такой трубы, ограниченная первым резонансом, будет равняться 0,656 м. Оценивая разделительную способность полученного подкритического модуля по формуле (1.3.5), получим δU = 11,7 ЕРР/год.

Таким образом, не вдаваясь глубоко в инженерные тонкости и поль­зуясь информацией, опубликованной в [13], можно получить, во-первых, обоснование того, что длина ротора, его диаметр и допустимая окружная скорость взаимозависимы и позволяют образовать подкритический модуль для газовой центрифуги с максимально возможной для данного диаметра и использованного сочетания материалов разделительной способностью. Во-вторых, на численном примере можно убедится, что использование лёгких композиционных конструкций позволяет намного превзойти конструкции из высокопрочных сплавов.

Кроме проведённого численного сравнения двух крайних вариантов кон­струкции трубы ротора — металлической и цельнокомпозитной конструк­ций, существует и используется также и промежуточный вариант: ротор с металлической трубой-основой, упрочнённой в тангенциальном направлении обмоткой из высокопрочного армированного пластика. По своим расчётным параметрам ротор с трубой-основой несколько уступает цельнокомпозитному, намного превосходя цельнометаллический, но его трубу легче производить на промышленном оборудовании.

Надкритические роторы. Как показала многолетняя практика по созда­нию центрифуг для разделения изотопов в разных странах, оптимальный диа­метр ротора центрифуги лежит в диапазоне 12 ÷ 16 см. При таком диаметре длина подкритического ротора оказывается меньше метра, что невыгодно для масштабного производства в высоких производственных цехах. Поэтому при организации разделительного производства по обогащению урана в промыш­ленных масштабах рано или поздно встаёт вопрос о переходе от простых подкритических моделей к надкритическим роторам, работающим за первым или более высокими резонансами и имеющим длину, соответственно, вдвое или более чем вдвое превышающую длину подкритического ротора того же диаметра.

Трудность прохождения ротором с однородной жёсткой трубой резонансов с системой частот ƒ, 4ƒ, 9ƒ, 16ƒ и т.д. (см. формулу (5.6.6)) связана с тем, что первая из них или последующие (при более длинном роторе) будут рас­положены в диапазоне многих сотен герц. Прохождение таких резонансных частот требует тщательной балансировки ротора с нанесением целого ряда балансировочных масс на заданные позиции по его длине и хорошо спон­сированной системы демпфирования изгибных колебаний. Тем не менее, практически это возможно, и не исключено, что некоторые из конструкций надкритических центрифуг могут иметь жёсткую трубу ротора.

Однако есть и другая возможность прохождения резонансных частот, Для этого необходимо изготовить ротор из подкритических жёстких секций, соединив их гибкими элементами — одногофровыми сильфонами, и тем самым одновременно сильно понизив и сузив весь спектр проходимых ротором резонансов. Ротор такого типа называется неоднородным. Он существенно южнее по конструкции, а значит и технологии изготовления, а гибкие эле­менты могут вносить возмущение в циркуляционный поток вблизи стенки ротора и вследствие этого уменьшать разделительную способность центрифуги. Но с точки зрения механики прохождения резонансных частот неоднородный ротор намного совершеннее: его резонансные частоты не должны выходить за пределы 100-200 Гц, а далее он будет раскручиваться до рабочей частоты, не проходя опасных высокочастотных резонансов.

Есть у такого ротора и ещё одно существенное преимущество: большая устойчивость к нутационным возмущениям вращения выше резо­нансных частот. Гибкие металлические сильфоны обладают упругостью, ко­торая гораздо ближе к идеальной. Они имеют меньший декремент затухания колебаний, чем пропитанный органическим связующим композит. Точные уравнения механики гироскопов показывают, что гибкий ротор вращается за резонансными частотами тем устой­чивее, чем выше его упругость и чем ниже в нём затухание изгибных ко­лебаний. На практике реализованы и успешно работают неоднородные надкритические роторы, как с цельно­металлическими, так и с композитными трубами (рис. 1.3.5).



Рис. 1.3.5. Одногафровые сильфоны для гибкого сочленения отрезков труб надкритических роторов. а – сильфоновый гофр, накатанный на цельнометалличемкой трубе ротора. б - сильфоновый гофр, соединяющий два цельнокомпозитных отрезка трубы ротора.

Создавая комбинированную кон­струкцию из металла и компози­та, необходимо учитывать, что наи­большим преимуществом над метал­лом обладает одноосно армированный пластик при одноосном его нагружении строго вдоль волокон. Для тру­бы ротора это свойство обеспечивает противодействие наиболее интенсив­ным тангенциальным центробежным силам со стороны тангенциальной ря­довой обмотки. Если же деталь на­гружается в двух, а тем более в трёх измерениях, что характерно для концевых элементов ротора — крышек и диа­фрагм, то металл, равнопрочный на растяжение, сжатие, изгиб, кручение, сдвиг во всех направлениях, и обладающий к тому же пластичностью, может превосходить композитную конструкцию.

Концевые элементы роторов — крышки и диафрагмы. Труба ротора находится в условиях наибольших центробежных напряжений, определяемых линейной окружной скоростью и удельной массой её материала. Для конце­вых элементов ротора такой прямой связи нет, и, выбирая профиль толщины диска крышки или диафрагмы близким к известному профилю диска с равны­ми напряжениями, можно получить на периферии диска из высокопрочного металла окружную скорость, заметно большую, чем для трубы ротора (до 1000 м/с и более).

Тем не менее, задача сопряжения концевых деталей и гибких элементов с трубой ротора достаточно сложна по следующей причине. При ускорении вращения ротора и возрастании в его тангенциальной обмотке напряжений пропорционально квадрату окружной скорости диаметр трубы из композит­ного материала может увеличиться на 1,5%. Однако известные в настоящее время высокопрочные сплавы не обладают способностью в той же степени увеличивать свои размеры при упругом растяжении. Поэтому крышка, плотно вставленная в покоящийся ротор, при его вращении в зоне упругих дефор­маций будет увеличивать свой диаметр меньше, чем труба, образуя между этими сопряжёнными деталями недопустимый зазор. Разумеется, эта задача существует не только для роторов центрифуг. Так, например, если на быстро вращающийся вал надеть на точной посадке диск существенно большего внешнего диаметра, то его растяжение будет много больше, чем у вала, и посадка прослабится, точность вращения диска будет потеряна. Подобная проблема имеет место в авиационных двигателях, паровых турбинах, мощных газоперекачивающих турбокомпрессорах и т. д.

Авторы сознательно подчёркивают общетехнический характер целого ряда задач, стоящих перед конструкторами газовых центрифуг для разделения изотопов. Существующий «особый статус» центрифуг среди других высоко­технологичных изделий связан с особым вниманием к ядерно-чувствительным технологиям, но это вопрос не уникальных особенностей центрифужной тех­ники, а особенностей её использования.

Как отмечают авторы работы [13], сопряжение концевых деталей и трубы ротора, монтаж гибких элементов в неоднородный надкритический ротор, являются наиболее сложными задачами для конструкторов современных вы­сокоскоростных и надкритических центрифуг.

Опорные узлы, демпферы и электропривод роторов центрифуг. В отличие от большинства быстровращающихся изделий, например, роторов гиро­скопов, роторы газовых центрифуг для разделения изотопов могут вращаться на опорах, допускающих колебания оси вращения ротора по отношению к установочным осям деталей корпуса. Это упрощает конструкцию опор и снижает требования к балансировке, особенно для подкритических роторов. Если у ротора гироскопа подшипники жёстко закреплены на его оси, то у центрифуги опора может быть вынесена от нижней крышки на упругой игле [14], или ротор может быть подвешен в магнитном поле [15], что позволяет оси эллипсоида инерции ротора несколько отклоняться от осей

опорных узлов. Это относится как к нижней опоре, так и к верхней опоре (подвеске) ротора. Поскольку ротор должен иметь открытый сверху люк, через который подводятся коммуникации для ввода потока питания и вывода потоков обогащенной и обеднённой фракций, то верхний «подшипник» ротора обязан быть бесконтактным — магнитным или электромагнитным. Одно из первых решений верхней и нижней опор центрифуги описано в [14]. Нижний конец иглы ротора опирается на чашку шарового подшипника, а верхняя крышка, на которой закреплено ферромагнитное кольцо, подтягивается рас­положенным над ней неподвижным магнитом вверх, придавая ротору верти­кальную устойчивость, и в то же время, не препятствуя ему при прохождении резонансов заметно колебаться по отношению к центрам нижней и верхней опор.

Ротор центрифуги может приводиться во вращение электродвигателями различных конструкций. Однако поскольку режим циркуляционного течения внутри ротора сильно зависит от скорости его вращения, желательно при­менение синхронных двигателей, обеспечивающих вращение всех центрифуг, соединённых в каскад, строго синхронно с частотой питающего напряже­ния. Такие двигатели со сплошными роторами из стали, имеющей широкую петлю гистерезиса, хорошо известны в технике под названием гистерезис-ных двигателей. Ротор этих двигателей сохраняет слабую намагниченность, которая препятствует его проскальзыванию, характерному для асинхронных машин [14].

Система демпфирования колебаний ротора может включать масляный демпфер в его нижней части и пассивный магнитный демпфер или актив­ную электромагнитную систему в верхней части ротора [16, 17]. Вопро­сы оптимального демпфирования всегда сопряжены со спектром наиболее активных резонансов демпфируемой системы. Очевидно, что узлы подвес­ки и демпфирования роторов надкритических и подкритических центрифуг сильно различаются. Некоторые варианты этих решений изложены в целом ряде патентов, которых по различным узлам конструкции газовых центрифуг имеется более ста.


^ 1.3.5. Советские (российские) центрифуги. Советский Союз, преодо­левая недостаток энергетических мощностей и обладая огромным опытом массового производства не очень сложной, но добротной техники, начал одно­временно с продолжением строительства газодиффузионных разделительных мощностей массовое изготовление и совершенствование газовых центрифуг для обогащения урана.

Первый промышленный центрифужный цех был введён в эксплуатацию в 1960—64 гг. За прошедшие десятилетия сменилось уже восемь поколений российских центрифуг, каждое из которых было на 20-30 процентов произ­водительнее предыдущего.

Первые модели центрифуг с коротким ротором было трудно эффективно размещать в высоких производственных цехах, и советские конструкторы нашли, по-видимому, наиболее правильное решение. Центрифуги группиро­вались в заводские агрегаты, по 20 центрифуг в каждом, а агрегаты рас­полагались в цехах на многоярусных опорных колоннах, друг над другом (до семи ярусов). Общий вид цеха разделительного комбината, оснащённого центрифугами одного из последних поколений, показан на рис. 1.3.6 [18].




Таким образом, удалось плотно начинить большие цеха, оставшиеся от газовой диффузии, центрифугами, подняв их разделительную мощность в 2-3 раза и одновременно уменьшив расход электроэнергии на основное производство примерно в десять раз. В результате быстрого развития более экономичного центрифужного производства промышленная эксплуатация газодиффузионного оборудования была прекращена в 1992 г.

Отметим, что преимущество

многоярусного размещения агрега­тов российских центрифуг, безусловно, затрудняет их совершен­ствование в сторону удлинения ро­тора, поскольку агрегат следующе­го поколения намного удобнее раз­мещать в отведённом ему огра­ниченном по высоте пространстве яруса.

Это не мешает российской разделительной промышленности оставаться одной из самых эконо­мичных в мире. В экономической конкуренции газовые центрифуги для разделения изотопов выступают не поодиночке, а в составе предприятий ядерного топливного цикла, и экономика определяется суммарным совершен­ством всех его технических составляющих.


^ 1.3.6. Центрифуги URENCO. Создав первую в Западной Европе серий­ную модель подкритических центрифуг с роторами из мартенситно стареющей стали, имевшими окружную скорость около 500 м/с, д-р Гернот Циппе стал добиваться перехода к более длинным и производительным надкритическим роторам. В итоге были созданы надёжные надкритические роторы, первые из которых были выполнены из стальной трубы с выдавленными сильфонными гофрами. Центрифуги с надкритическими роторами продемонстрировали свои преимущества.

Стало ясно, что надкритические центрифуги позволяют обогащать уран существенно дешевле, чем тот, что производился на газодиффузионных заводах и поставлялся из США. Это быстро привело к значительным капи­таловложениям европейцев в эту область ядерной техники. В 1971 г. был создан международный консорциум URENCO, в который вошли ФРГ, Англия и Нидерланды. Началось быстрое совершенствование надкритических машин, в результате которого стальной ротор был заменён композитным, длина ротора достигла примерно 3-х метров, а окружная скорость — око­ло 700 м/с. Кривая роста производительности и экономичности центрифуг URENCO показана на рис. 1.3.7.



Рис. 1.3.7. Диаграмма роста производительности и снижения удельной стоимости для центри­фуг «URENCO»


Если принять длину роторов этих машин равной 3 м, а окружную скорость — 700 м/с, то по формуле (1.3.5) производительность единичной машины составит 40 ЕРР/год. Сохранился ли на композитном роторе металлический сильфонный гофр, или современные центрифуги URENCO имеют гладкую однородную (или неоднородную) трубу, достоверно не известно.

URENCO продолжает научные исследования в рамках программы по разработке следующего поколе­ния центробежных машин, кото­рые должны придти на смену ма­шине ТС12, являющейся центрифу­гой пятого поколения, разработанно­го этим международным консорциу­мом. Новые машины шестого поко­ления ТС21 обеспечивают в два ра­за большую по сравнению с ТС12 производительность при улучшенных экономических параметрах. В насто­ящее время основной своей задачей URENCO считает дальнейшее усовершенствование машины ТС21, на­ряду с улучшением экономических характеристик разделительного производства.

Вместе с этим учёные консорциума не видят возможности разработки новых (после 6-го) поколений центробежных машин (в терминах длины и скорости). В настоящее время их исследовательские и конструкторские программы в основном базируются на ряде довольно коротких по времени проектов, нацеленных на улучшение характеристик последнего поколения центрифуг, а также производственных улучшений, направленных на уменьше­ние стоимости производства и использование преимуществ новых конструк­ционных материалов. Основной план состоит в том, чтобы перейти от машин ТС12 к новым машинам ТС21 таким образом, чтобы оба типа машин какое-то время были одновременно задействованы в разделительном производстве. Причём планируется осуществлять этот переход таким образом, чтобы пер­воначально машины ТС 12 играли лидирующую роль, но по мере накопления производственного опыта, роль ТС21 постепенно росла, а вклад и роль ТС 12 постепенно сокращалась в течение 3-летнего периода [20].


^ 1.3.7. Центрифуги США. Министерство энергетики США (Department of Energy — DOE) потратило больше чем два десятилетия и около 3 млрд дол­ларов на научные исследования по разработке и усовершенствованию метода газовой центрифуги для разделения изотопов урана. Интенсивно развернув исследования, специалисты США раз­работали серию центрифуг с разде­лительной способностью от 200 до 500 ЕРР/год. Ориентировочные размеры роторов этих центрифуг: длина около 10 м и диаметр около 0,5 м (рис. 5.6.9) [9]. Более тысячи этих вы­сокопроизводительных и весьма слож­ных машин были построены и испыта­ны прежде, чем программа была остановлена в 1985 г. По некоторым сведе­ниям причиной остановки кроме конкуренции в то время с лазерным ме­тодом разделения изотопов урана явилась недостаточная надёжность кон­струкции и довольно высокий процент аварий.



В настоящее время возрождение проекта создания газовой центрифуги в США проводится в сотрудничестве DOE с ныне частной Американской обогатительной корпорацией (US En­richment Corporation? USEC). Экспер­ты URENCO оценивают, что эта новая программа, основанная на газовых центрифугах, разработанных в 80-е годы с роторами из стекловолокна, приве­дёт к созданию нового поколения центрифуг, которые будут намного длиннее и, возможно, быстрее, чем их машина ТС21, а производительность одиночной машины будет не меньше 325 ЕРР/год.

Согласно объявленным планам последовательность в разработке новой американской центрифуги должна быть следующей [21]:

  • Сначала USEC должна продемонстрировать эффективность разрабатыва­емой центрифуги в Ок-Риджской Национальной лаборатории, штат Теннесси;

  • Затем, основываясь на достигнутом успехе, должен быть, создан и за­пущен «пилотный каскад» из центрифуг на одном из ГДЗ DOE;

  • После этого основываясь на соответствующем возврате капиталовло­жений и сильной экономике программы, должен быть создан и запущен коммерческий разделительный завод;

  • За этим должно последовать постепенное расширение коммерческого разделительного завода, нацеленное на замену всего газодиффузионного про­изводства.

Пилотный каскад будет основным стандартным блоком для коммерческого завода по обогащению урана. Он будет состоять из 240 полноразмерных центрифуг, обогащающих уран в замкнутом цикле. Главной целью при его сооружении должны стать снижение стоимости, уточнение плана сооружения и даты запуска для строительства коммерческого центробежного завода, стоимость которого оценивается от 1 до 1,5 млрд долларов. До конца 2002 г. должно быть выбрано место сооружения пилотного каскада в г. Падьюка, штат Кентукки или г. Портсмут, штат Огайо на ГДЗ. Сооружение пилотного каскада должно начаться в 2004 г., а его эксплуатация в конце 2005 г.

Оценки показывают, что даже если эта программа будет успешной на каждом её промежуточном шаге, создание опытной установки с производи­тельностью около 80000 ЕРР/год (как значится в планах) может потребовать 7-8 лет. А вся программа в целом займёт не меньше 10 лет.


^ 1.3.8. Относительная экономическая эффективность центрифуг.

При анализе этого вопроса необходимо искать опору не в оценках себестоимо­сти продукции, связанной с такими факторами, как численность и заработная плата персонала, тарифы на электроэнергию и т.п., а в базовых свойствах конструкций газовых центрифуг, как с точки зрения их изготовления, так и размещения и эксплуатации.

Чтобы проиллюстрировать взаимозависимость многих инженерно-техни­ческих факторов, рассмотрим простой модельный пример: пусть имеются две модели одинаковых по установочным габаритам и производительности центрифуг, но одна из них может работать десять лет, а другая — не менее тридцати. Очевидно, что амортизационные расходы на первую будут втрое больше, чем на вторую, но это далеко не все. Центрифуги первого типа нужно разместить так, чтобы иметь возможность заменять их новыми, по мере исчерпания ресурса каждого блока или агрегата, а центрифуги второго типа можно расположить как электронные элементы в большой интегральной схеме, без всякой возможности извлечь что-то по частям, но зато гораздо ком­пактнее. Таким образом, в интегральную оценку экономичности центрифуг их гарантированная долговечность может войти двояко: и как прямые расходы на замену оборудования, и как фактор различного размещения оборудования разной долговечности.

Экономические сравнения газовой диффузии и центробежного разделения изотопов урана однозначно говорят о следующем. Капиталовложения в центрифужное предприятие оказываются сравнимыми и возможно даже

несколько большими, чем в газодиффузионное, но когда предприятие уже построено, эксплуатационные расходы, включая энергетику, у центрифужного производства намного меньше.

К этому нужно ещё добавить, что разработка центрифуг сложнее и зани­мает больше времени, чем разработка диффузионного оборудования. Поэтому экономичная центрифуга — это, прежде всего, центрифуга, которую данная страна в данных условиях способна достаточно быстро разработать и нала­дить массовое производство надёжных изделий. Это, в частности, и объяс­няет, что российские подкритические центрифуги, сконструированные более двадцати лет назад, остаются экономически вполне конкурентоспособными.

Таким образом, сравнение центрифуг должно исходить из двух основных допущений:

  1. гарантированный ресурс работы рассматриваемых конструкций доста­точно велик;

  2. промышленность без особого труда сможет сравниваемые конструкции изготовить.

Приведём примеры, что это не всегда возможно. Известно, что конструк­ция URENCO ротора с трубой из мартенситно стареющей стали оказалась чрезвычайно трудно изготовляемой, и замена трубы из МСС на цельнокомпозитную связана, в том числе с тем, что последнюю гораздо легче изготовить.

Второй пример: ротор с трубой-основой, упрочнённой тангенциальной обмоткой, весьма технологичен, пока он подкритический, т. е. когда труба-основа короткая и может быть легко изготовлена на станочном оборудовании. Если же речь идёт о роторе длиной несколько метров, то наиболее приемлемый способ её изготовления — обмотка из высокопрочных нитей вокруг извлекаемой многоразовой оправки на специальном намоточном стан­ке, поскольку изготовление тонкостенной трубы-основы большой длины и её напряжённая обмотка без изгибной деформации очень сложны.

Таким образом, можно сделать важный общий вывод: в настоящее время не существует оптимальной для всех стран конструкции газовой центри­фуги. Каждый разработчик должен сопоставить своё стремление сделать центрифугу наиболее современной и производительной с существующими и ожидаемыми в ближайшей перспективе возможностями своих технологов, электронщиков, металлургов.

Вместе с тем есть общий для всех конструкций и принципиальный вопрос об оптимальных геометрических размерах центрифуги: оптимальном диаметре и длине ротора. Здесь, по-видимому, универсальной зависимости не существует: при различных окружных скоростях ротора зависимости будут отличаться, и иметь разные асимптотические пределы. Существует общее правило, согласно которому чем меньше размеры газодинамического устрой­ства (турбины или центрифуги), тем большую роль играют такие негативные и трудно учитываемые факторы как нарушение ламинарного режима течения, трение газа о стенки и т.д. По мере уменьшения диаметра ротора, трудно учесть влияние этих факторов на такие базовые параметры конструкции как расход питания, распределение температуры по длине ротора и ряд других. В связи с этим не вызывает большого доверия формула зависимости производительности от диаметра, согласно которой производительность ротора вначале постоянна, а начиная с некоторого диаметра растёт как (D/0,12)0,4. Это противоречит логике газовой динамики как для малых диаметров ротора центрифуги, когда КПД должен падать, так и для больших, когда произво­дительность должна переставать расти, выходя на асимптоту, характерную для данной скорости ротора. Можно предположить, что достижимый на практике КПД центрифуги должен расти с увеличением диаметра вначале пропорционально степени 0,4, а по мере возрастания диаметра за предел 400 мм рост КПД будет плавно уменьшаться.

Основываясь на описываемой формулой (5.6.5) зависимости, можно про­должить анализ, рассмотрев отдельно три различных случая. Первый из них — подкритический ротор, для которого, как известно, длина при заданной скорости вращения и конструкции пропорциональна диаметру. В этом случае производительность ротора будет пропорциональна диаметру в степени 0,4, умноженному на длину или, что в данном случае то же самое, на диаметр. Таким образом, производительность подкритического ротора растёт с диамет­ром в степени 1,4.

Вторым случаем будет надкритический ротор, длина которого ограниче­на лишь допустимым внешним отношением L/D = 20, связанным как со спектром проходимых резонансных частот, так и с ограничениями на эффек­тивность внутренней циркуляции при увеличении длины [13]. Этот случай реализован в конструкциях западноевропейских и американских центрифуг. Сравнение их производительностей, отличающихся в большей степени, чем длины роторов, свидетельствует о том, что приведённые выше рассуждения зависимости КПД центрифуги от диаметра качественно верны.

И, наконец, третий случай реализуется, если длина надкритического ротора не будет связана с его диаметром. Это может иметь место в том случае, если надкритический ротор нужно разместить в габаритах стандартного российского агрегата, когда длина ротора будет определяться не механикой и газодинамикой циркуляционного течения в роторе, а высотой свободного пространства. Производительность такого ротора будет расти с диаметром существенно медленнее — только пропорционально возрастанию КПД, и, скорее всего, в этом случае значение оптимального диаметра ротора будет другим.

Изложенные соображения приводят к следующим выводам: во-первых, увеличение диаметра ротора в двух наиболее естественных случаях ведёт к более чем пропорциональному возрастанию производительности центрифуги. На другой чаше весов будет находиться сложная сумма стоимостей ма­териалов, изготовления, размещения, прокладки коммуникаций, диагностики состояния машин и ряда других существенных затратных позиций. Детально анализировать соотношение этих стоимостей могут только профессионалы — проектировщики предприятий, но весьма вероятно, что и это не позволит получить однозначное решение. Из общих соображений понятно, что изгото­вить, разместить и обслужить меньшее количество более производительных устройств, проще и дешевле. Поэтому представляется очевидным, что при оптимизации конструкции центрифуги не следует искать предел, за которым дальнейшее уменьшение геометрических размеров ротора неэффективно, а искать тот, за которым уже невыгодно увеличивать размеры, а значит производительность единичной центрифуги. Иначе говоря, центрифуга должна быть настолько большой и производительной, насколько это не противоречит конкретным техническим и экономическим ограничениям [10].

Второй вывод состоит в том, что искусственное ограничение высоты надкритических роторов, не вытекающее из требований механики и газовой динамики внутри ротора, существенно ухудшает экономическую оптимизацию размеров центрифуги.

Заметим, что оптимизация диаметра ротора центрифуги ещё не означает оптимизацию её внешнего, установочного диаметра, определяющего минимум занимаемого ею пространства. Снаружи ротора располагается главное моле­кулярное уплотнение (молекулярный насос), корпус должен быть достаточно прочным, иметь внешние фланцы и рубашки термостатирования. Кроме то­го, известно, что уменьшение зазора между корпусом и ротором ухудшает гироскопическую устойчивость ротора при ухудшении вакуума в зароторном пространстве, связанном с аварийным натеканием воздуха. Поэтому задача конструкторов состоит в том, чтобы, удовлетворив все разумные требования, максимально уменьшить разность диаметра ротора и установочного диаметра центрифуги.

Помимо оптимизации размеров ротора центрифуги необходимо ставить вопрос и об оптимизации окружной скорости вращения ротора. Чем она выше, тем выше разделительная способность, но при этом может падать надёжность, возрастать и становиться недопустимым процент аварий. Все эти факторы разработчики должны учитывать, но одним из самых трудно учитываемых и трудно моделируемых факторов является долговременная надёжность материалов ротора, причём в условиях воздействия коррозионной среды на предельно нагруженные материалы.

Другим важным фактором, определяющим экономичность газовой цен­трифуги, является система защиты, срабатывающая при разрушении ротора и отсекающая менее чем за 0,01 с аварийную машину от соседних в каска­де. Это предотвращает распространение газа, пыли и обломков аварийного ротора, а также перетечку газа через аварийные коммуникации, что привело бы к эффекту смешения потоков, эквивалентному аварии ещё нескольких машин.


^ 1.3.9. Центрифуга как элемент каскада, каскады из центрифуг. На практике разделение изотопов осуществляется большой группой центрифуг, соединённых в каскад как последовательно, так и параллельно. Каскад рабо­тает наиболее эффективно, если потоки, поступающие из нескольких центри­фуг в общую трассу, будут иметь одну и ту же изотопную концентрацию (не будет происходить смешивание потоков с разными концентрациями) и, кроме того, потоки питания всех центрифуг каскада будут примерно одинаковыми, обеспечивающими их оптимальный газодинамический режим и тем самым максимальную работу разделения.

Для того чтобы выходящие из центрифуги потоки тяжёлой и лёгкой фракций могли быть непосредственно использованы для питания других

центрифуг, давление в трассах отбора должно быть существенно выше, чем давление в трассах питания. Тогда при построении устойчиво работающего каскада будет возможность устанавливать на выходе из центрифуг газодина­мические элементы, стабилизирующие режим работы каскада в целом. Это условие должно выполняться в газодинамических трассах ротора.

Как элемент каскада центрифуга характеризуется коэффициентом раз­деления (отношением концентраций изотопов во фракциях отбора и отвала в бинарной смеси), потоком питания и коэффициентом деления потока между отбором и отвалом. При небольших коэффициентах разделения, характерных для подкритических центрифуг, оптимальное деление потока близко к 0,5. Длинная центрифуга может сразу обеспечить стандартную отвальную кон­центрацию 0,25%, при обогащении примерно до 1 % по изотопу 235U. Если же на одной центрифуге необходимо получить сразу «энергетический» продукт (обогащение 2,5% по 235U) и стандартный отвал, то поток обогащенной фракции будет приблизительно в три раза меньше потока отвала, т. е. коэф­фициент деления потока будет сильно несимметричен. Очевидно также, что для центрифуг с большим коэффициентом разделения следующая ступень каскада будет сильно отличаться от предыдущей по числу машин, а для центрифуг с небольшим коэффициентом разделения отличие в количестве центрифуг по соседним ступеням будет невелико.

Целью работы завода по обогащению урана или изотопов других химических элементов является разделение продукта с природной концентрацией сырья на две части: обогащенную и обеднённую, причём концентрация целевой (обычно обогащенной) части, как правило, задана, а концентрация обеднённой части — отвала определяется экономической оптимизацией, с учётом стоимости сырья и работы разделения. Имея заданные и подсчитанные кон­центрации целевого изотопа в сырьё, конечном продукте и отвале и зная технические характеристики имеющихся центрифуг, можно определить, сколько центрифуг необходимо иметь для обеспечения заданной производительности. Для этого нужно подсчитать суммарную разделительную мощность, требую­щуюся для получения заданного по обогащению продукта из заданного сырья при заданной концентрации отвала.

Этот подсчёт не связан с методом разделения, и соответствующие методики расчёта были созданы одновременно с созданием газодиффузионной промышленности. Далее предполагается, что суммарная разделительная способность большого числа центрифуг равна производительности каждой из них, умноженной на их количество. Очевидно, что условие аддитивности разделительной способности совокупности центрифуг (или любых других разделительных устройств) может быть выполнено только при условии несме­шения потоков с разной концентрацией целевого изотопа. Это условие до­статочно легко выполняется, если коэффициенты разделения невелики, и, следовательно, количество ступеней в каскаде значительно. В этом случае теория позволяет рассчитать профиль так называемого идеального каскада, который показан на рис. 1.3.10. Если целевого изотопа мало, то идеальный каскад сильно сужается от точки питания до ступени отбора целевого изотопа и заметно меньше сужается в сторону отвала.





Рис. 1.3.10. Схема идеального каскада


Поток легкой фракции, образованный n-и ступенью каскада подается в точку питания (n+1)-й ступени, а поток тяжёлой фракции — в точку питания (n - 1)-й его ступени.

Правильно рассчитанный для конкретной задачи каскад позволяет полу­чить максимальную суммарную разделительную мощность, что соответствует минимальному смешению потоков с разной концентрацией. В тех случаях, когда планируется использование имеющегося количества центрифуг для решения различных разделительных задач, либо будет теряться часть разде­лительной способности каскада, либо с помощью минимального числа допол­нительных вентилей и коммуникаций можно каскад перестраивать, меняя его профиль.

На практике особое место в силу его простоты занимает каскад постоянной ширины, в котором все ступени имеют одинаковое число центрифуг. Производительность такого каскада может уступать идеальному на десять — тридцать процентов, а при требовании высоких обогащений на разделительной ступени быть ниже идеального каскада в несколько раз. Например, в случае обогащения урана концентрация целевого изотопа в потоке питания — 0,7%, и если почти весь целевой изотоп — 235U достигает последней ступени обогащения с концентрацией 90%, то поток питания последней ступени каскада по отношению к потоку питания каскада сырьём будет меньше раз в пятьдесят. Ясно, что прямоугольный каскад будет в этом случае сильно недогружён на последних ступенях и перегружен вблизи точки питания. Но так будет лишь в случае извлечения высокообогащённого урана, а если конечным продуктом является изотоп U235 с концентрацией 2-4%, то каскад постоянной ширины уже не будет настолько неидеален.

В период «первоначального накопления» обогащенного, в основном ору­жейного урана разделительные каскады десятилетиями работали в заранее заданном по проекту режиме, и возможность перестройки конфигурации кас­када не была существенна. Однако в настоящее время российская урановая разделительная промышленность работает над выполнением разнообразных заказов, отличающихся как по степени обогащения конечного продукта, так и по используемому сырью, в качестве которого может быть природный уран, смесь природного урана и отвала или урана, извлечённого из отработанных ТВЭЛОВ АЭС. В этом случае разделительные каскады должны иметь тех­нические возможности для перестройки конфигурации, позволяющие мини­мизировать потери разделительной способности при выполнении различных задач.

Разделительный каскад обязательно содержит устройства КИУ — кон­денсации и испарения. Поток питания — чистый газообразный гексафторид урана находится в больших ёмкостях вместимостью несколько тонн в конденсированном состоянии. Обеспечить равномерную подачу сырья в режиме точно дозированного испарения достаточно сложно, поэтому испарение осуществляется с некоторым упреждающим запасом, а питание — с помощью автоматических регулирующих устройств. Готовые фракции обогащенного продукта и отвала поступают в охлаждаемые конденсационные ёмкости.

Разделительные каскады создаются годами и стоят очень дорого, поэтому они снабжены большим количеством устройств контроля и защиты. Контро­лируется режим вращения и нагрузка каждой центрифуги, хотя их в каскаде могут быть сотни тысяч; каждая центрифуга имеет свои клапаны защиты, которые автоматически отсекают её от трасс каскада при аварии ротора.

Наиболее серьёзную опасность для всего каскада представляет внезапное отключение электропитания, так как в этом случае сложно убрать из кас­када разделяемое вещество, а если этого не сделать, то после частичного торможения центрифуг их молекулярные уплотнения перестанут эффективно работать, газ попадёт в зароторное пространство, что может вызвать потерю устойчивости вращения роторов и их разрушение. Аналогичную опасность представляет и внезапное возникновение течи в трассах каскада и попадание в них воздуха.

Разумеется, у каждой конструкции центрифуги, включая её размещение в цеху, имеется предел сейсмостойкости, и при размещении предприятия в сейсмоактивном регионе этот предел учитывается не в последнюю очередь.


^ 1.3.10. Газовые центрифуги для разделения изотопов различных элементов, другие применения газовых центрифуг. В научных исследо­ваниях, технике, медицине и самой атомной энергетике требуются подчас достаточно большие количества стабильных или радиоактивных изотопов, и высокая стоимость их получения подчас является преградой для повышения безопасности, мощности лазеров, использующих изотопы, улучшения диагно­стики и лечения.

Центрифужное разделение изотопов средних и тяжёлых масс является наиболее эффективным и дешёвым, и поэтому центрифуги стали использовать для получения неурановых изотопов, как только это стало технически возможно. Для того чтобы разделить изотопы какого-либо элемента, нужно чтобы он сам или одно из его устойчивых соединений обладали заметной упругостью паров при комнатной температуре — не менее 10 мм рт. ст. Элементы криптон и ксенон летучи сами, для многих элементов удачные соединения есть, например, для серы, молибдена, вольфрама — гексафториды, для кремния, германия — тетрафториды, для кадмия и цинка — металлоорганические метальные и этильные производные, для осмия — четырёх-окись осмия, для хрома — хромилфторид, для железа — пентакарбонил железа и т. д. В то же время для многих элементов подходящих летучих соединений не найдено, например, для всех редких земель, а есть и такие случаи, когда эффективность центрифужного разделения ставит под вопрос изотопное перекрытие элементов, входящих в состав летучего соединения. Наиболее типичный пример этого — тетрахлорид титана; наличие у хлора двух изотопов Сl35 и Сl37 при четырёх его атомах в молекуле делает задачу безнадёжной, если только не получить заранее моноизотоп хлора, который затем использовать в химическом цикле.

Центрифуги могут разделять любые летучие вещества с разной молекулярной массой, не обязательно изотопы. Эта их способность успешно продемонстрирована при получении сверхчистых веществ для микроэлектроники, для отделения микрочастиц пыли, разделения веществ, образующих азеотропные смеси, для повышения концентрации примеси, подлежащей анализу.


^ 1.3.11. Сопло Беккера. Различные кинетические методы решения за­дачи разделения изотопов можно классифицировать на методы, использующие разность коэффициентов переноса для молекул различных масс, и на методы, использующие движение разделяемой смеси в потенциальном поле. Наиболее характерным методом второго класса как раз и является метод газовой центрифуги, который, однако, требует даже для лабораторной демонстрации своих грандиозных возможностей весьма впечатляющих опытно-конструкторских работ, в силу абсолютной инженерной «нестандартности» газовой центрифуги. Предложенный, предположительно Дираком, примерно в то же время, что и газоцентрифужный, метод разделительного сопла (сопла Беккера, по имени руководителя первых успешных экспериментальных работ) опирается на тот же базовый принцип — разделение в поле центробежных сил — но свободен от целого ряда инженерных проблем, как то оптимальное сочета­ние прочности быстровращающегося ци­линдра с его резонансными и массогабаритными свойствами, фантастической для промышленных приложений износо­устойчивости опорного узла и др.





Итак, кратко изложим основы работы разделительного сопла. Если между дву­мя параллельными поверхностями быст­ро движется смесь газов с различной молекулярной массой, то при плоских поверхностях смесь останется однородной, но если обе поверхности круто изогнуты, и поток между ними в зоне изгиба как бы вращается, описывая часть окружности, то в зоне поворота

начинают действовать центробежные силы и устанавливаться распределение Больцмана, различное для каждого из газов (рис. 1.3.11). Переход метода от теоретической абстракции к эффективной практической реализации стал возможен, также как и в случае вертикальной циркуляции в ГЦ, благодаря предложению направлять на отклоняющую пластину не чистый гексафторид урана, а его смесь с водородом или гелием — газом-носителем. Увлечение тя­жёлого газа скоростным потоком более лёгкого газа приводит к возрастанию эффективности разделения пропорционально более высокой степени скорости набегающего потока, нежели потери на ускорение последнего.

Для бинарной смеси гексафторидов изотопов урана максимальная скорость потока будет ниже 100 м/с, и изотопная разность градиентов концен­траций будет очень малой, однако если в качестве газа-носителя использовать водород или гелий, скорость звука в которых больше 1000 м/с, то эффект разделения существенно возрастёт. Таким образом, в зоне разворота потока у наружного края, как и у стенки ротора центрифуги, образуется обогащение по урану в целом по отношению к водороду или гелию и обогащение ураном-238 по отношению к урану-235.

Поскольку поток в такой геометрии можно развернуть лишь примерно на 180°, то равновесное распределение не успеет установиться за 10 с, пока газ проходит зону разворота, но теория и эксперимент показали, что достижение обогащения в 1-2% за одно прохождение достигаются для смеси, содержащей примерно 5% UF6 в водороде или гелии. Это существенно меньше, чем в простых центрифугах, но намного больше, чем на газодиффузионных фильтрах. Разумеется, существует сильная зависимость параметра единичного разделения ε от давления газа на входе Р0 (т. е. произведения скорости на массовый расход), в общем случае эта зависимость двузначна. Как и в центрифужном методе, удельный эффект разделения, получаемый на одиночном щелевом сопле, должен быть умножен каскадированием элементов. В работе [21] приведены сведения о режиме работы сопла такой конструкции.

^ Оптимальные рабочие режимы и характеристики сопла.

Смесь UF6 и Н2 с 4,2% UF6.

Давление на входе 0,26 бар (26 кПа),

Коэффициент расширения 2,1,

Коэффициент деления потока 0,25,

Коэффициент разделения 1,48 ∙ 10-2.

Метод разделительного сопла был разработан Центром научных исследований в Карлсруэ (ФРГ). Далее в разработке и промышленном внедре­нии участвовали фирма «Штеаг», бразильская фирма «Нуклебрас», «Интера­том» ФРГ. Фирма «Сименс» (Мюнхен) разработала технологию изготовления элементов сопел методом фототравления. В Южной Африке была разработана модификация метода (вихревая труба), схема которой не публиковалась.

Мощная разделительная ступень этого метода снабжена компрессором с объёмным расходом смеси 100 000 м3/ч; энергозатраты метода — от 2500 до 5500 квт ∙ ч/ЕРР, что примерно вдвое превышает энергозатраты газовой диффузии. Преимущество сопла Беккера перед газовой диффузией состоят в возможности реализации завода для производства высокообогащённого урана при существенно меньшем количестве разделительных ступеней и масштабе производства, чем при использовании газовой диффузии. В то же время метод, по крайней мере, в 60-70-х годах 20-го века показался его авторам более легко реализуемым, чем метод центрифугирования.


1.3.12. Заключение. В настоящее время мировой рынок обогащенного урана не испытывает потребности в разработке новой технологии разделе­ния изотопов урана. Для повышения эффективности экономики той части ядерного топливного цикла, которая связана с обогащением урана, следует использовать технологию газовой центрифуги. Свидетельством этого является возобновление в США и Франции остановленных около 20 лет назад работ по созданию промышленного метода разделения изотопов урана на газовых центрифугах. По оценке экспертов URENCO на разработку нового поколения газовых центрифуг даже в таких высокоиндустриальных странах как США и Франция потребуется от 7 до 10 лет. В то же время требования к экономичности газовых центрифуг для нужд атомной энергетики возрас­тают в связи со стремлением к существенному понижению концентрации урана-235 в отвале.

Пока неясно, может ли стать экономически привлекательной задача по­вторной переработки полутора миллионов тонн накопленного в мире отвального урана, но её решение может быть связано только с очень серьёзным удешевлением стоимости работы разделения. Ещё одна задача — перера­ботка вторичного урана, извлечённого из отработавших ТВЭЛов и содер­жащего гораздо более радиоактивные изотопы урана. Здесь главная про­блема — очистка каскадов от сильнорадиоактивных коррозионных отложений, не повреждающая роторы центрифуг и другие элементы кас­када.

Некоторые страны разработали или позаимствовали центрифуги для ядер­ного самовооружения. Требования к экономичности и производительности таких центрифуг много ниже, чем для центрифуг ядерной энергетики, и сей­час в мире достаточно открытых публикаций, открыто продающихся высоко­прочных волокон и других компонентов, чтобы среднеразвитая страна сама, без кражи секретов, разработала каскад из нескольких тысяч не слишком сложных по современным возможностям центрифуг. Поэтому авторы считают, что борьба с неконтролируемым распространением центрифуг в мире должна вестись прежде всего с помощью инспекций, опирающихся на усовершенство­ванное международное законодательство в этой области.

Разработка высокоскоростных центрифуг с окружной скоростью более 700 м/с может привести к существенному расширению их использования для разделения лёгких изотопов: бора, углерода, азота, кислорода. Сейчас изотопы этих элементов выделяют методами ректификации и химобмена, специально создавая не очень крупные и потому не слишком экономич­ные установки. Центрифужные же каскады могут действовать в составе мощных урановых комбинатов, где их эксплуатация будет в несколько раз дешевле.






оставить комментарий
страница4/16
Дата26.09.2011
Размер3.65 Mb.
ТипУчебное пособие, Образовательные материалы
Добавить документ в свой блог или на сайт

страницы: 1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   16
отлично
  9
Ваша оценка:
Разместите кнопку на своём сайте или блоге:
rudocs.exdat.com

Загрузка...
База данных защищена авторским правом ©exdat 2000-2017
При копировании материала укажите ссылку
обратиться к администрации
Анализ
Справочники
Сценарии
Рефераты
Курсовые работы
Авторефераты
Программы
Методички
Документы
Понятия

опубликовать
Загрузка...
Документы

Рейтинг@Mail.ru
наверх