УСТРОЙСТВО КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ ПРИМЕСЕЙ В ГЕКСАФТОРИДЕ УРАНА Российский патент 2008 года по МПК C01G43/06 

Изобретение относится к области анализа материалов, а именно к способам определения содержания примесей в газообразном гексафториде урана, и может быть использовано на предприятиях ядерно-топливного цикла, например на сублиматных или разделительных заводах.

Определение состава и содержания примесей в газообразном гексафториде урана является наиболее актуальным при осуществлении технологического контроля процессов получения или обогащения гексафторида урана (ГФУ). Для контроля обычно используют газовые масс-спектрометры, которые подключают к технологическим коммуникациям, что позволяет проводить измерения с минимальными затратами времени на подготовку проб ГФУ к анализу.

Однако прямое использование газового масс-спектрометра, когда гексафторид урана с присутствующими в нем примесями непосредственно через дозирующий клапан вводится в источник ионов масс-спектрометра [Агафонов И.Л., Девятых Г.Г. Масс-спектрометрический анализ газов и паров особой чистоты. - М.: Наука, 1980. - 336 с.], является неудовлетворительным из-за недостаточной чувствительности такого прямого метода. Предел обнаружения прямого метода измерений составляет около 0,01% молярных, в то время как содержание примесей в гексафториде урана часто необходимо контролировать на уровне 10^-5%.

Для использования газовых масс-спектрометров применяют различные способы концентрирования примесей, которые позволяют повысить чувствительность методов в 10²÷10³ раз. Сущность способов заключается, главным образом, в частичном или полном удалении из анализируемой газовой смеси основного компонента - гексафторида урана.

Например, известен способ концентрирования примесей путем сорбции ГФУ на фтористом натрии (NaF) непосредственно при проведении измерений [Патент RU №2223483 "Способ определения содержания примесей в гексафториде урана", приоритет от 04.07.2001]. Ввод пробы ГФУ в масс-спектрометр осуществляют через реактор с гранулированным NaF при температуре ˜60°С. При этом происходит хемосорбция ГФУ на NaF, в то время как анализируемые примеси свободно поступают в источник ионов газового масс-спектрометра. Существенное увеличение расхода UF₆ в реактор с NaF обеспечивает необходимое увеличение чувствительности метода анализа.

Известен также способ криогенного концентрирования примесей путем частичной конденсации ГФУ [Патент RU №2187799 "Способ определения примесей в гексафториде урана и устройство для его осуществления", приоритет от 29.09.2000]. Для этого в системе ввода пробы газового масс-спектрометра в трубопроводе вдоль потока UF₆ создают равномерный градиент температур от -50 до -80°С. При этом происходит равномерная конденсация ГФУ, а примеси, имеющие более высокие давления насыщенных паров и меньшее в сравнении с UF₆ давление в потоке, свободно поступают в ионизационную камеру масс-спектрометра. Давление ГФУ в ионизационной камере не зависит от расхода UF₆ через концентратор и определяется значением минимально устанавливаемой температуры (-80°С). Для реализации данного криогенного способа концентрирования примесей изобретением [Патент RU №2187799] предусмотрено устройство, которое, являясь близким по технической сущности и достигаемому результату, взято за прототип предлагаемого устройства.

Известное устройство характеризуется тем, что оно выполнено из двух спаянных между собой трубопроводов, помещенных в термоизоляционный кожух. По одному из трубопроводов подают газообразный хладагент, например пары жидкого азота, по-другому анализируемая проба UF₆ поступает в источник ионов масс-спектрометра. Стабилизация температуры осуществляется с помощью обмоток нагрева и термодатчиков (термопар), размещенных на трубопроводе конденсации и включенных в независимые электронные схемы.

Таким образом, заданный градиент температур в устройстве-прототипе поддерживается путем непрерывного охлаждения трубопровода конденсации парами жидкого азота и периодическим подводом тепла с помощью электрических обмоток нагрева.

В качестве недостатков существующего устройства-прототипа можно указать следующие. Во-первых, устройство для реализации этого способа является достаточно громоздким и дорогостоящим, включающим как сам концентратор, так и электронную часть для стабилизации его температуры. Во-вторых, для работы концентратора и поддержания в нем постоянного градиента низких температур необходимо наличие жидкого азота, пары которого постоянно подаются в концентратор. При этом расход азота является достаточно большим: 16 литров жидкого N₂ хватает примерно на 4 часа работы устройства.

Недостатком устройства-прототипа является также то, что при использовании газообразных хладагентов (паров жидкого азота) может существовать поперечный градиент температур, обусловленный различной теплопроводностью материалов и приводящий к низкому КПД криогенной системы в целом (неэффективному использованию подводимого "холода"), что и приводит к большому расходу используемого хладагента. Кроме того, существует возможность образования в концентраторе неравновесных локальных участков переохлаждения вследствие величины температуры паров азота значительно ниже требуемой для конденсации ГФУ и, как следствие, возникновение потерь анализируемых примесей, особенно более гигроскопичных, чем гексафторид урана.

Целью изобретения является создание более простого и надежного устройства для концентрирования примесей со стабильным и полностью предсказуемым распределением температуры вдоль длины трубопровода конденсации. Использование такого устройства приведет к более стабильным аналитическим характеристикам масс-спектрометрического метода измерений и к увеличению продолжительности автономной работы устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемом устройстве для охлаждения трубопровода конденсации используется жидкий хладагент, обладающий в сравнении с газообразным существенно большей теплопроводностью. При этом создание градиента температуры вдоль трубопровода конденсации обеспечивается за счет его теплового контакта с жидким хладагентом, поддерживаемым при заданной постоянной температуре, и теплопроводности материала трубопровода.

Принципиальная схема предлагаемого устройства приведена на фиг.1.

Устройство, устанавливаемое между ионизационной камерой масс-спектрометра МС и дозирующим клапаном 5, состоит из трубопровода 3 для потока газообразного ГФУ, двух камер 1 и 2, расположенных соответственно на концах трубопровода после дозирующего клапана и в месте ввода пробы в масс-спектрометр, заполненных жидким хладагентом и соединенных с холодильными установками 6. С помощью холодильных установок в камерах поддерживаются заданные температуры: -50°С (T₁) и -80°С (Т₂).

Вся система помещена в термоизоляционный кожух 4, который обеспечивает создание равномерного распределения температуры по длине трубопровода конденсации между камерами за счет его теплопроводности.

Длина трубопровода составляет 500-600 мм, внутренний диаметр - не менее 6 мм. Материал трубопровода удовлетворяет двум условиям: обладает коррозионной стойкостью к гексафториду урана и высокой теплопроводностью (например, медь или никель). Объем каждой камеры составляет около 1 литра. Толщина теплоизоляционного слоя (пенопласта) не менее 50 мм.

В качестве жидкого хладагента в конструкции предлагаемого устройства может быть использована любая жидкость с температурой кристаллизации ниже -90°С.

Охлаждение жидкого хладагента может быть проведено с помощью выпускаемых различными производителями небольших автономных холодильных установок, например Immersion cooler TC100E фирмы HUBER (Германия).

Возможно также охлаждение жидкости в камерах 1 и 2 с помощью твердых хладагентов, например диоксида углерода, путем загрузки кусочков СО₂ в камеры с жидким хладагентом. При этом близость температуры сублимации СО₂ (минус 78,5°С) к требуемой температуре камеры 2 (Т₂) позволяет осуществлять избыточную загрузку СО₂ в камеру 2. Температура Т₁ поддерживается путем дозированной подачи сухого льда в камеру 1.

Проведенные исследования показали возможность создания также однокамерного устройства с увеличенной примерно в 2 раза длиной трубопровода конденсации до 1000-1200 мм, находящегося с камерой в хорошо теплоизолированном корпусе. Увеличение длины трубопровода позволяет получить примерно такой же по величине градиент температуры вдоль трубопровода конденсации, как и в случае двухкамерного устройства. Принципиальная схема такого устройства приведена на фиг.2.

Изобретение осуществляется следующим образом. Предлагаемое устройство концентрирования подсоединяют к газовому масс-спектрометру, устанавливают температуру жидкого хладагента в камерах соответственно минус 50°С и минус 80°С при использовании двух камер и минус 80°С при использовании одной камеры. Выдерживают устройство в течение не менее 20-30 минут для установления равновесного распределения градиента температур по длине трубопровода. Путем открытия дозирующего клапана производят напуск гексафторида урана с содержащимися в нем примесями в устройство концентрирования. При этом происходит конденсация UF6 на внутренней поверхности трубопровода. Степень концентрирования примесей пропорциональна отношению потоков гексафторида урана на входе и выходе из устройства и может составлять 1000÷1500 раз. При этом продолжительность непрерывной полностью автономной работы устройства ограничивается полным заполнением трубопровода твердым гексафторидом урана и составляет при непрерывном напуске UF₆ более 6 суток.

Пример. С использованием предлагаемого устройства концентрирования примесей проводилось определение относительным масс-спектрометрическим методом молярной доли следующих примесей в калибровочных смесях гексафторида урана: BF₃; CF₄; SiF₄; CrO₂F₂; PF₅; WF₆; MoF₆. Смеси были приготовлены на основе чистых веществ. Результаты определений приведены в таблице 1.

Анализ приведенных данных подтверждает, что в заявленном изобретении в сравнении с прототипом обеспечиваются такие же чувствительность и точность масс-спектрометрического определения примесей: предел обнаружения составляет ˜1·10^-5%, относительная ошибка единичного определения не превышает 15%.

При этом устройство является более компактным, дешевым в изготовлении, надежным - принципиально исключающим образование локальных участков с температурой меньше минус 80°С, а также обеспечивающим увеличение продолжительности автономной (без вмешательства оператора) непрерывной работы, в сравнении с прототипом, до нескольких суток.

Таблица 1

Молярная доля по приготовлению, %Способ определения содержания примесейИзмеренная молярная доля, %BF₃CF₄SiF₄CrO₂F₂PF₅WF6MoF₆5·10^-5Заявляемое устройство4,5·10^-55,6·10^-55,4-10^-54,8·10^-55,2·10^-54,5·10^-54,8·10^-5Прототип4,3·10^-55,7·10^-55,2-10^-55,2·10^-54,7·10^-55,1·10^-55,3·10^-55·10^-4Заявляемое устройство4,6·10^-45,4·10^-45,6-10^-45,1·10^-44,7·10^-45,7·10^-45,2·10^-4Прототип4,4·10^-45,2·10^-45,7-10^-44,6·10^-45,2·10^-45,5·10^-45,4·10^-4

Изобретение относится к области анализа материалов, а именно к способам определения содержания примесей в газообразном гексафториде урана и может быть использовано на предприятиях ядерно-топливного цикла, например на сублиматных или разделительных заводах. Устройство работает следующим образом: устройство концентрирования подсоединяют к газовому масс-спектрометру, устанавливают температуру жидкого хладагента в камерах соответственно минус 50°С и минус 80°С при использовании двух камер (1 и 2) и минус 80°С при использовании одной камеры. Выдерживают устройство в течение не менее 20-30 минут для установления равновесного распределения градиента температур по длине трубопровода (3). Путем открытия дозирующего клапана (5) производят напуск гексафторида урана с содержащимися в нем примесями в устройство концентрирования. При этом происходит конденсация UF₆ на внутренней поверхности трубопровода. Степень концентрирования примесей пропорциональна отношению потоков гексафторида урана на входе и выходе из устройства и может составлять 1000÷1500 раз. При этом продолжительность непрерывной полностью автономной работы устройства ограничивается полным заполнением трубопровода твердым гексафторидом урана и составляет при непрерывном напуске UF₆ более 6 суток. Результат изобретения: создание более простого и надежного устройства для концентрирования примесей со стабильным и полностью предсказуемым распределением температуры вдоль длины трубопровода конденсации и увеличение продолжительности автономной работы устройства. 5 з.п. ф-лы, 1 табл., 2 ил.

1. Устройство концентрирования примесей в гексафториде урана для определения их содержания методом газовой масс-спектрометрии, содержащее помещенный в термоизоляционный кожух и снабженный средством поддержания градиента температур коррозионно-стойкий трубопровод конденсации гексафторида урана, отличающееся тем, что средство поддержания градиента температур с Т₂, равной минус 80°С, выполнено в виде охватывающей трубопровод камеры охлаждения, расположенной в месте ввода пробы в масс-спектрометр, заполненной жидким хладагентом с температурой кристаллизации не выше минус 90°С и соединенной с автономной холодильной системой, где Т₂ - температура камеры охлаждения.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит вторую камеру охлаждения для обеспечения градиента температур от минус 50 до минус 80°С, причем камеры охлаждения расположены на концах трубопровода,3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что длина теплоизолированной части трубопровода составляет от 1000 до 1200 мм, внутренний диаметр трубопровода - не менее 6 мм.4. Устройство по любому из пп.1 и 2, отличающееся тем, что длина теплоизолированной части трубопровода составляет от 500 до 600 мм, внутренний диаметр трубопровода - не менее 6 мм.5. Устройство по любому из пп.1 и 2, отличающееся тем, что охлаждение жидкого хладагента в камерах производится с помощью диоксида углерода путем загрузки кусочков СО₂ в камеры.6. Устройство по любому из пп.1 и 2, отличающееся тем, что объем каждой камеры охлаждения составляет около 1 л.