СПОСОБ ОБОГАЩЕНИЯ ГАЗОВЫХ ИЛИ ИЗОТОПНЫХ СМЕСЕЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2008 года по МПК B01D59/50 

Изобретение относится к способам обогащения газовых или изотопных смесей в газовых центрифугах и к конструкции таких центрифуг, используемых для осуществления способа центробежного обогащения таких смесей.

Способ разделения смесей газов или изотопных смесей вращением подвижного газа с довольно высокой скоростью известен. Такое разделение известно в технике как газоцентрифужный метод. В типичной центрифуге Г.Циппе, Р.Шеффеля и М.Стеенбека (Патент США №3289925, 06.12.1966) газовые компоненты приводятся во вращение с очень высокой скоростью внутри цилиндрического ротора, заставляя частицы газа, содержащие более тяжелые компоненты, переместиться ближе к стенке ротора. При этом вращение ротора смещает газ в радиальном направлении к стенке ротора таким образом, что значительная часть центра цилиндра оказывается под вакуумом или близка к нему, даже если отбор газа из внутренней полости ротора не производится. Частицы газа стремятся сконцентрироваться у периферийной стенки ротора. Небольшая вертикальная циркуляция создается, например, установкой крючка для отбора фракции газа у верхней крышки внутри ротора, который работает в комбинации с температурной разницей между верхней и нижней крышками ротора с целью вызвать вертикальное осевое перемещение газа на периферийной стенке известным способом. Нижний крючок также устанавливают для отбора другой фракции газа.

Вышеупомянутый способ и используемый для него тип центробежного устройства хорошо известен в технике и описан в статье, озаглавленной "Газовые центрифуги" А.П.Сенченкова, С.А.Сенченкова, В.Д.Борисевича (Изотопы: свойства, получение, применение. T. 1 /Под ред. В.Ю.Баранова. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005, с.168-194). Машина, описанная в статье А.П.Сенченкова и др., особенно полезна в обогащении при увеличении концентрации одного изотопа относительно другого. Использование такого устройства очень экономично, обеспечивается большой коэффициент разделения и достаточная производительность. Такие центрифуги используются в промышленном масштабе для обогащения изотопов урана и стабильных изотопов в ряде стран, однако, их производительность ограничена прочностью существующих материалов и конструктивными особенностями вращающейся полости - ротора.

Для повышения производительности способа изменяют температуру разделяемой газовой или изотопной смеси не только в верхней и нижней частях ротора центрифуги, но и на вводе питающего газа во внутреннюю полость ротора, создавая внутри ротора, например, криогенные температуры (GB 1342012, 1973-12-25, В04В 15/02; В04В 5/08), увеличивающие эффективность способа и разделительную способность центрифуги.

Однако такой способ и устройство для его осуществления требуют эффективной теплоизоляции центрифуг и соединяющих их трубопроводов от окружающей среды, что требует дополнительных материальных и энергетических затрат.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ разделения изотопов и устройство (JP 3016620, 1991-01-24, В01D 59/20), в котором для получения желаемого обогащения изотопа используют следующие операции:

- введение во вращающуюся камеру газовой смеси, включающей изотоп и осадитель, от которой изотоп должен быль отделен;

- вращение камеры и газа внутри нее;

- облучение вращающегося газа волной с длиной или частотой, характерной для поглощения изотопом в атомном или молекулярном газе, тем самым вызывающей химическую реакцию между изотопом и осадителем, для того чтобы образовать осадительный компаунд, и

- сбор осадительного компаунда, который включает изотоп, и отделение его от вращающегося и облученного газа.

Устройство для осуществления этого известного способа представляет собой фотохимический сепаратор изотопов для селективного получения желаемого обогащения выбранного изотопа, который включает:

- камеру, которая может приводиться во вращение вокруг продольной оси;

- устройства, соединенные с камерой, для вращения камеры вокруг упомянутой продольной оси;

- устройства, связанные с камерой, для протока газа в камеру;

- устройства, смонтированные внутри камеры, для облучения вращающегося газа электромагнитной волной длиной или частотой, характерной для поглощения изотопом атомного или молекулярного газа;

- и устройства, установленные внутри, для сбора изотопа.

Известный способ и устройство предназначены, главным образом, для получения выбранного компонента из газовой или изотопной смеси в периодическом процессе с осаждением компонента внутри ротора центрифуги в ограниченных количествах, в результате чего производительность самой центрифуги снижается, а способ затруднительно эффективно использовать в каскадах газовых центрифуг на обогатительных установках или заводах для непрерывного обогащения изотопов.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является создание способа и устройства, позволяющего повысить эффективность работы центрифуг в непрерывном процессе обогащения.

Технический результат, достигаемый настоящим изобретением, заключается в повышении производительности при обогащении изотопов в непрерывно работающей центрифуге, что повышает эффективность работы каскадов таких центрифуг на обогатительных установках или заводах для непрерывного обогащения изотопов.

Для решения поставленной задачи в способе обогащения газовых или изотопных смесей, заключающемся во введении во вращающуюся камеру газовой или изотопной смеси, включающей газ или изотоп, который должен быть обогащен, вращении камеры и смеси внутри нее, облучении вращающейся газовой или изотопной смеси излучением с выбранной длиной или частотой волны и выводе обогащенной и обедненной фракции газовой или изотопной смеси из вращающейся камеры, облучение вращающейся газовой или изотопной смеси выполняют излучением с длиной волны или частотой, характерной для атомного или молекулярного спектра поглощения выбранного газа или изотопа, вызывающим изменение температуры выбранного газа или изотопа.

Дополнительно, облучение вращающейся газовой или изотопной смеси выполняют излучением с длиной волны или частотой, характерной для атомного или молекулярного спектра поглощения газа или изотопа с меньшей молекулярной массой, вызывающим повышение температуры газа или изотопа с меньшей молекулярной массой.

Кроме того, операция облучения газовой или изотопной смеси включает облучение от изотопически обогащенной и отфильтрованной флюоресцентной лампы, излучающей радиацию.

Дополнительно, операция облучения газовой или изотопной смеси включает облучение от лазера.

Кроме того, операция облучения газовой или изотопной смеси включает облучение от полупроводникового лазера.

Для осуществления способа в устройстве для обогащения газовой или изотопной смеси, выполненном в виде газовой центрифуги с полым ротором, содержащим камеру, внутри которой установлены устройства для ввода газовой смеси в камеру, устройства для вывода из камеры обогащенной и обедненной фракции и устройство для облучения вращающейся в камере газовой или изотопной смеси излучением с выбранной длиной или частотой волны, и с устройством для приведения ротора во вращение, внутри камеры установлено устройство для облучения вращающейся газовой или изотопной смеси излучением с длиной волны или частотой, характерной для атомного или молекулярного спектра поглощения выбранного газа или изотопа, вызывающим изменение температуры выбранного газа или изотопа.

Кроме того, внутри камеры установлено устройство для облучения вращающейся газовой или изотопной смеси излучением с длинной волны или частотой, характерной для атомного или молекулярного спектра поглощения газа или изотопа с меньшей молекулярной массой, вызывающим повышение температуры газа или изотопа с меньшей молекулярной массой.

Дополнительно, устройство для облучения газовой или изотопной смеси выполнено в виде зеркала, отражающего излучение от источника излучения.

Кроме того, устройство для облучения газовой или изотопной смеси выполнено в виде световода, подводящего излучение от источника излучения.

Дополнительно, устройство для облучения газовой или изотопной смеси выполнено в виде источника излучения.

Кроме того, что источник излучения выполнен в виде изотонически обогащенной и отфильтрованной флюоресцентной лампы, излучающей радиацию.

Дополнительно, источник излучения выполнен в виде лазера.

Кроме того, источник излучения выполнен в виде полупроводникового лазера.

Сущность способа и устройства для его осуществления поясняется чертежами, на которых схематически показаны варианты устройств для осуществления способа.

На фиг.1 показан вариант осуществления способа в устройстве с флюоресцентной лампой.

На фиг.2 показан вариант осуществления способа в устройстве с отражающим зеркалом.

На фиг.3 показан вариант осуществления способа в устройстве со светодиодом.

На фиг.4 показан вариант осуществления способа в устройстве со световодом.

Наиболее подходящим устройством для осуществления способа является газовая центрифуга. Устройство для обогащения газовой или изотопной смеси, показанное на фиг.1, выполнено в виде газовой центрифуги с вакуумируемым корпусом 1 и полым ротором 2, содержащим внутреннюю камеру 3, в которой установлены устройства для ввода газовой смеси внутрь камеры в виде трубки 4 для подачи потока питания 5, устройства для вывода обогащенной и обедненной фракции из камеры 3 в виде отборников 6 и 7, соединенных с трубками 8 и 9, соответственно. Внутри камеры 3 установлено устройство в виде флюоресцентной лампы 10 для облучения потока питания 5 и циркулирующего преимущественно вблизи внутренней стенки ротора 2 потока 11 вращающейся газовой или изотопной смеси электромагнитным излучением 12 с выбранной длиной или частотой волны. Поток циркуляции 11 отделен от отборника 7 диафрагмой 13. Ротор 2 установлен внутри корпуса 1 на валу 14 с нижней опорой 15 и на верхней опоре в виде магнитного подшипника из неподвижного магнита 16 и установленного на роторе 2 вращающегося магнита 17. Ротор 2 приводится во вращение двигателем 18. Электропитание к лампе 10 подается по проводам 19, расположенным внутри трубки 20 и проходящим через вакуумное уплотнение 21. Лампа 10 производит излучение с длиной волны или частотой, характерной для атомного или молекулярного спектра поглощения выбранного газа или изотопа, вызывающее изменение температуры выбранного газа или изотопа.

В варианте выполнения газовой центрифуги, показанном на фиг.2, устройство для облучения электромагнитным излучением потока питания 5 и циркулирующего вблизи внутренней стенки ротора 2 потока 11 вращающейся газовой или изотопной смеси выполнено в виде зеркала 22, установленного на трубке 9, отражающего излучение 23 от источника излучения 24, закрепленного на корпусе 1. Излучение 23 от источника излучения 24 отражается дополнительным зеркалом 25 и через окно 26 внутри трубки 27 направляется внутрь ротора 2 в камеру 3 на зеркало 22. Отраженное зеркалом 22 электромагнитное излучение 28 облучает поток питания 5 и циркулирующий вблизи внутренней стенки ротора 2 поток 11 вращающейся газовой или изотопной смеси. Источник излучения 24 производит излучение с длиной волны или частотой, характерной для атомного или молекулярного спектра поглощения выбранного газа или изотопа, вызывающее изменение температуры выбранного газа или изотопа, и может быть выполнен в виде лазера.

В варианте выполнения газовой центрифуги, показанном на фиг.3, устройство для облучения электромагнитным излучением потока питания 5 и циркулирующего вблизи внутренней стенки ротора 2 потока 11 вращающейся газовой или изотопной смеси выполнено в виде полупроводникового лазера - светодиода 29, установленного на трубке 9, испускающего излучение 30. Электропитание к светодиоду 29 подается по проводам 19, расположенным внутри трубки 20 и проходящим через вакуумное уплотнение 21. Светодиод 29 производит излучение с длиной волны или частотой, характерной для атомного или молекулярного спектра поглощения выбранного газа или изотопа, вызывающее изменение температуры выбранного газа или изотопа.

В варианте выполнения газовой центрифуги, показанном на фиг.4, устройство для облучения электромагнитным излучением потока питания 5 и циркулирующего вблизи внутренней стенки ротора 2 потока 11 вращающейся газовой или изотопной смеси выполнено в виде установленного на трубке 9 световода 31, испускающего электромагнитное излучение 28, поступающее по световоду 31 от источника излучения 24, расположенного вне центрифуги. Электромагнитное излучение 28, поступающее по световоду 31, облучает поток питания 5 и циркулирующий вблизи внутренней стенки ротора 2 поток 11 вращающейся газовой или изотопной смеси. Световод 31 проходит внутрь ротора 2 по трубке 20 через вакуумное уплотнение 21. Излучение от источника излучения 24 одновременно может поступать по световодам 32 на другие центрифуги, участвующие в процессе обогащения. Источник излучения 24 может быть выполнен в виде лазера, излучающего электромагнитное излучение с длиной волны или частотой, характерной для атомного или молекулярного спектра поглощения выбранного газа или изотопа, вызывающее изменение температуры выбранного газа или изотопа.

Способ осуществляется следующим образом.

Ротор 2 газовой центрифуги приводится во вращение двигателем 18 за вал 14 на опоре 15 внутри вакуумируемого корпуса 1, при этом верхний конец ротора 2 удерживается в вертикальном положении магнитной опорой из магнитов 16 и 17. Газовая или изотопная смесь по трубке 4 подается внутрь камеры 5 вращающегося ротора 2 в виде потока питания 5. Внутри камеры 3 поступивший через поток питания 5 газ раскручивается и центробежной силой прижимается к внутренней стенке ротора 2. Вращение вместе с ротором 2 поступившего в камеру 3 газа создает в камере 3 центробежное поле сил, которое вызывает частичное разделение компонентов газовой смеси вдоль радиуса ротора 2 центрифуги. При этом в каждом поперечном сечении камеры 3 имеет место примерно постоянный градиент концентраций каждой из фракций от пристеночного слоя к внутреннему потоку. Под действием разницы давлений между концами ротора 2, создаваемой отборником 6, разницей температур между концами ротора 2 и градиента температуры вдоль внутренней стенки ротора 2 в камере 3 образуется поток противоточной циркуляции 11, расположенный главным образом вдоль внутренней стенки ротора. Противоточная циркуляция увеличивает радиальный эффект разделения пропорционально длине ротора и позволяет организовать отбор обогащенных фракций на концах ротора 2 через отборники 6 и 7. В известных способах обогащения величина радиального коэффициента разделения, как известно, увеличивается с увеличением разницы масс тяжелой и легкой фракций газовой смеси и уменьшается с увеличением температуры газовых фракций. При этом температуры фракций газовой или изотопной смеси в каждой точке камеры 3 в известном способе равны между собой, хотя и отличаются для различных точек камеры 3.

В настоящем способе обогащения газовая или изотопная смесь в потоке питания 5 и потоке 11 циркуляции облучается внутри камеры 3 при вращении ротора 2 излучением с длиной волны или частотой, характерной для атомного или молекулярного спектра поглощения выбранного газа или изотопа, вызывающим изменение температуры выбранного газа или изотопа. Для газа или изотопа с меньшей молекулярной массой выбирают излучение с длиной волны или частотой, характерной для атомного или молекулярного спектра поглощения выбранного газа или изотопа, вызывающее повышение температуры выбранного газа или изотопа с меньшей молекулярной массой.

В результате облучения выбранного газа или изотопа излучением от флюоресцентной лампы 10, либо излучением от наружного источника излучения 24, например лазера, либо излучением от полупроводникового лазера - светодиода 29 в частицах газа выполняется изотопически-селективное возбуждение электронного или колебательного уровня на квантовом переходе, имеющем отчетливый изотопический сдвиг. Далее возбужденная частица газа или изотопа начнет релаксировать в основное невозбужденное состояние с последующим тепловым возбуждением. В результате этого процесса происходит повышение температуры выбранного газа или изотопа в каждой облученной точке вращающейся камеры 3. При непрерывном облучении газовой смеси во вращающейся камере 3 ротора 2 устанавливается тепловой режим, при котором средняя температура выбранного газа или изотопа оказывается несколько отличной (выше для выбранного газа или изотопа с меньшей молекулярной массой) от средней температуры остального газа. Эта разница температур разделяемых фракций (выбранного газа или изотопа и остального газа) увеличивает среднюю скорость теплового движения молекул выбранного газа или изотопа и, соответственно, увеличивает коэффициент радиального разделения в поле центробежных сил вращающегося вместе с камерой газа и тем самым увеличивает производительность способа центробежного разделения в газовой центрифуге. Обогащенные и обедненные фракции газовой или изотопной смеси, которые потоком 11 циркуляции переносятся, соответственно, в верхнюю и нижнюю часть камеры 3 с концов камеры 3 по отборникам 6 и 7 и трубкам 8 и 9, соответственно, отбираются из ротора 2.

В зависимости от состава обогащаемого газа используемых уровней его возбуждения для изменения температуры выбранного газа или изотопа в качестве источника излучения применяют либо излучение от флюоресцентной лампы 10, либо излучение от наружного источника излучения 24, например лазера, либо излучение от полупроводникового лазера - светодиода 29. Для передачи излучения от источника излучения внутрь камеры 3 ротора 2 может быть использована система зеркал 22, 25 или световоды 31, 32.

Пример реализации способа.

Рассмотрим достижение заявленного в изобретении технического результата на примере разделения изотопной смеси в газовой центрифуге, а именно повышение производительности газовой центрифуги при использовании заявленного способа для разделения изотопов природного урана, который содержит, в основном, два изотопа: 0,7115% ²³⁵U и 99,2831% ²³⁸UF₆ (содержание третьего изотопа ²³⁴U незначительно - 0,0054%).

Известно, что производительность газовой центрифуги определяется многими физическими характеристиками разделяемой газовой смеси и конструктивными параметрами ротора центрифуги, однако, во всех случаях эта производительность зависит от первичного коэффициента разделения. Первичный коэффициент разделения смеси газов с различными молекулярными массами в центрифуге определяется соотношением парциальных давлений газов смеси на стенке ротора и на его оси. При одинаковой температуре разделяемых газов по радиусу ротора на стенке ротора давление более тяжелого газа больше, чем более легкого, а на оси ротора, наоборот, больше давление более легкого газа, чем тяжелого. При увеличении температуры более легкого газа его подвижность увеличивается и его парциальное давление на внутренней стенке ротора центрифуги уменьшается, в результате чего первичный коэффициент разделения увеличивается, и увеличивается, соответственно, производительность центрифуги. Для разделения изотопов урана в центрифуге используют его соединение с фтором, который не имеет изотопов, в виде гексафторида урана UF₆. Гексафторид урана внутри ротора центрифуги, т.е. смесь ²³⁵UF₆ и ²³⁸UF₆, спектр молекул которой имеет полосы поглощения в окрестностях длин волн 16 мкм, облучают инфракрасным излучением лазера. Отношение сечений поглощения молекул ²³⁵UF₆ и ²³⁸UF₆ при облучении слабым сигналом с частотой вблизи ˜635 см^-1 составляет ˜1,5 [Изотопы: свойства, получение, применение. Т1 / Под ред. В.Ю.Баранова. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005, с.476-477], что при увеличении температуры газа в центрифуге излучением такого лазера на 2°С создает разницу температур между молекулами ²³⁵UF₆ и ²³⁸UF₆ на 1°С. При средней температуре газа в роторе ˜40°С [Синев Н.М. Экономика ядерной энергетики: Основы технологии и экономики производства ядерного топлива. Экономика АЭС. М.: Энергоатомиздат, 1987, с.282] температура молекул ²³⁸UF₆ составит 313 К, а молекул ²³⁵UF₆ составит 314 К. Увеличение температуры молекулы ²³⁵UF₆ по сравнению с молекулой ²³⁸UF₆ на 1°С создает увеличения первичного коэффициента обогащения в центрифуге на 37%. Соответственно, в 1,88 раза повышается производительность при обогащении изотопов гексафторида урана в непрерывно работающей центрифуге.

Изобретение относится к способам обогащения газовых или изотопных смесей в газовых центрифугах и к конструкции таких центрифуг. Во вращающуюся камеру вводят газовую или изотопную смесь, включающую газ или изотоп, который должен быть обогащен. Вращающуюся смесь облучают излучением с длиной или частотой волны, характерной для атомного или молекулярного спектра поглощения выбранного газа или изотопа, вызывающим изменение температуры выбранного газа или изотопа. Выводят обогащенную и обедненную фракции из вращающейся камеры. Облучение выполняют излучением от флюоресцентной лампы, лазера или светодиода. Для осуществления способа используют центрифугу с полым ротором, содержащим камеру, внутри которой установлены устройства для ввода газовой смеси в камеру, устройства для вывода из камеры обогащенной и обедненной фракции и устройство для облучения вращающейся смеси излучением с длиной волны или частотой, характерной для атомного или молекулярного спектра поглощения выбранного изотопа, вызывающим изменение температуры выбранного газа или изотопа. Способ и устройство позволяют повысить эффективность работы центрифуг в непрерывном процессе обогащения. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ обогащения газовых или изотопных смесей, заключающийся во введении во вращающуюся камеру газовой или изотопной смеси, включающей газ или изотоп, который должен быть обогащен, вращении камеры и смеси внутри нее, облучении вращающейся газовой или изотопной смеси излучением с выбранной длиной или частотой волны и выводе обогащенной и обедненной фракции газовой или изотопной смеси из вращающейся камеры, отличающийся тем, что облучение вращающейся газовой или изотопной смеси выполняют излучением с длиной волны или частотой, характерной для атомного или молекулярного спектра поглощения выбранного газа или изотопа, вызывающим изменение температуры выбранного газа или изотопа.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что облучение вращающейся газовой или изотопной смеси выполняют излучением с длиной волны или частотой, характерной для атомного или молекулярного спектра поглощения газа или изотопа с меньшей молекулярной массой, вызывающим повышение температуры газа или изотопа с меньшей молекулярной массой.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что операция облучения газовой или изотопной смеси включает облучение от изотопически обогащенной и отфильтрованной флюоресцентной лампы, излучающей радиацию.4. Способ по п.1, отличающийся тем, что операция облучения газовой или изотопной смеси включает облучение от лазера.5. Способ по п.4, отличающийся тем, что операция облучения газовой или изотопной смеси включает облучение от полупроводникового лазера.6. Устройство для обогащения газовой или изотопной смеси, выполненное в виде газовой центрифуги с полым ротором, содержащим камеру, внутри которой установлены устройства для ввода газовой смеси в камеру, устройства для вывода из камеры обогащенной и обедненной фракции и устройство для облучения вращающейся в камере газовой или изотопной смеси излучением с выбранной длиной или частотой волны, и с устройством для приведения ротора во вращение, отличающееся тем, что внутри камеры установлено устройство для облучения вращающейся газовой или изотопной смеси излучением с длиной волны или частотой, характерной для атомного или молекулярного спектра поглощения выбранного газа или изотопа, вызывающим изменение температуры выбранного газа или изотопа.7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что внутри полости ротора установлено устройство для облучения вращающейся газовой или изотопной смеси излучением с длиной волны или частотой, характерной для атомного или молекулярного спектра поглощения газа или изотопа с меньшей молекулярной массой, вызывающим повышение температуры газа или изотопа с меньшей молекулярной массой.8. Устройство по п.6, отличающееся тем, что устройство для облучения газовой или изотопной смеси выполнено в виде зеркала, отражающего излучение от источника излучения.9. Устройство по п.6, отличающееся тем, что устройство для облучения газовой или изотопной смеси выполнено в виде световода, подводящего излучение от источника излучения.10. Устройство по п.6, отличающееся тем, что устройство для облучения газовой или изотопной смеси выполнено в виде источника излучения.11. Устройство по любому из пп.8-10, отличающееся тем, что источник излучения выполнен в виде изотонически обогащенной и отфильтрованной флюоресцентной лампы, излучающей радиацию.12. Устройство по любому из пп.8-10, отличающееся тем, что источник излучения выполнен в виде лазера.13. Устройство по п.12, отличающееся тем, что источник излучения выполнен в виде полупроводникового лазера.