Получение обогащенного урана. Работа разделения. Методы разделения изотопов урана

12.3  Получение обогащенного урана

Большинство реакторов работают на урановом  топливе, в той или иной степени обогащенном по урану-235:

Низкое обогащение: 1 − 5%

Средняя степень обогащения : 8 − 20%

Высокая степень обогащения : более 20%

Обогащение урана осуществляется в физических процессах, скорость протекания которых различна для различных изотопов урана, и заключается в разделении исходного материала на две фракции (см. рис 12.3.1) бедненную (отвал) и обогащенную (продукт) по легкому или тяжелому изотопу.

Рис 12.3.1 Принципиальная схема процесса обогащения

Критерием процесса обогащения является коэффициент разделения  f или коэффициент обогащения α: пусть r_e − относительное содержание обогащаемого изотопа в обогащенной фракции,  r_d − относительное содержание обогащаемого изотопа в отвале, r_f  − относительное содержание обогащаемого изотопа в исходном продукте, для случая обогащения газообразного соединения (UF₆) урана по урану -235

r_i ≡ [²³⁵UF₆]_i /[²³⁸UF₆]_i ,

тогда

f=r_e/r_d   и  α=r_e/r_f .

12.3.1 Работа разделения

Эффективность процесса обогащения урана определяется  работой  раз­деления РР.

 Эта величина связана с разделительными потенциалами Ф, харак­теризующими единицу массы вещества с заданной концентрацией ^23SU. Разделительный потенциал при концентрации с определяется выражением                                                                                                                                             

            (12.1)

Функция Ф_с выбрана так, чтобы разделительный потенциал был равен нулю, когда концентрация ^23SU равна 0,5. Значение Ф_с увеличивается при увеличении или уменьшении с относительно значения 0,5. Поэтому, если разделять изотопы, находящиеся в веществе с одинаковыми кон­центрациями ²³⁵U и ²³⁸U, то вещество, прошедшее через разделительную установку, дает выход обогащенной и обедненной фракции с положи­тельными значениями разделительного потенциала.

Предположим, что в качестве исходного (питающего) потока исполь­зуется материал с массой М  и концентрацией ²³⁵U, равной с, а на выходе установки масса обогащенного продукта с концентрацией с, равна М_р , а масса обедненного продукта с концентрацией c_wравна M_w. Тогда ра­бота разделения определяется увеличением в этом процессе величины, равной произведению массы на разделительный потенциал, т. е.

S = М_рФ_р + М_wФ_w - МФ.(12.2)

Поскольку Ф — величина безразмерная, то работа разделения изме­ряется в единицах массы¹.

Сохранение полной массы в процессе разделения и сохранение в этом процессе массы ^23SU дают два уравнения сохранения:

М_р + M_w= М,                                                                           (12.3)

М_рС_р + M_wc_w= М_с.(12.4)

Функция Ф выбрана таким образом, что работа разделения, которая затрачивается в разделительной установке," не зависит от концентраций изотопов в потоках питания, обогащения и отвала. Это показано на при­мере, рассмотренном ниже.

Пример 12.1. Обогатительный завод производит из естественного урана 400 т/год обогащенного урана с массовым содержанием 2%. Концентра­ция в отвале по массе составляет 0,25%. Какова разделительная мощ­ность[1] Dзавода в тоннах в год? Сколько урана с 3%-ным обогащением может произвести такой же завод за год, если концентрация в отвале останется 0,25?  Какой будет выход 3%-ного U, если обогащение в отва­ле увеличится до 0,35%?

Используя соотношение12.1 и замечая, что естественный уран содержит 0,711% ²³⁵U, вычисляем разделительные потенциалы обогащенного продукта, отвала и питания: Ф_р= 3,736;  Ф_w= 5,959;  Ф = 4,869.

Если масса отвала за год составляет M_w, то полная масса питания рав­на  (M_w+ 400)  т. Тогда из (12.4) имеем 400 ^. 0,02 + M_w^.0,0025=(M_w + 400) ^. 0,00711, откуда M_w=1118 т/год, а полная масса питания  М   =1518 т/год. Следовательно, мощность разделения согласно (12.2) равна   D = 400 ^. 3,736 +1118 ^. 5,959 - 1518 × 4,869 = 765 т/год.

Если концентрация обогащенного продукта увеличится до 3%, то Ф_р = = 3,2675. Подставляя это значение в (12.2) и (12.4), получаем

М_р ^.3,2675 + M_w^.5,959 - (М_р + M_w) ^.4,869= 765  и

М_р ^.0,03 + M_w ^. 0,0025 = (М_р + M_w) ^. 0,00711. Решая эти уравнения, находим М_р = 201 т/год,

т. е. завод будет производить за год 3%-ного урана в 2 раза меньше