2774.Вакуумные технологии

в обычной металлургии тугоплавкими материалами, урановые порошки вступают в реакции почти со всеми составляющими атмосферы уже при комнатной температуре.

Рис. 10.1. Функциональная схема кальцийтермического восстановления тетрафторида урана и получения металлического уранового слитка с использованием вакуумного рафинирования в индукционных печах

Ввиду большей химической активности урана по отношению к воздуху и парам воды плавку проводят в замкнутой системе в вакууме (или в инертной атмосфере) (рис. 10.2). Из-за большой реакционной способности затрудняется также выбор материала тигля. Предпочтение отдают диоксиду тория и оксидам магния и бериллия, применяют и графитовые тигли.

231

Рис. 10.2. Схема индукционной печи для переплавки урана: 1 – корпус печи; 2 – рубашки водяного охлаждения; 3 – катушки индуктивности; 4 – графитовый тигель для чернового урана; 5 – графитовая пробка; 6 – графитовая изложница для рафинированного урана; 7 – нож для срезания графитовой пробки. (Вакуумная система не показана)

После того, как печь загружена и герметизирована, она откачивается насосами. При достижении давления менее 26,7 кПа (200 мм рт. ст.) начинается индукционный нагрев. Откачка и нагрев продолжаются до тех пор, пока температура плавки не достигнет 1454 °С. При этой температуре плавка выдерживается и обезгаживается в течение 45 мин. Из расплава удаляются и отгоняются магний, шлак, водород, радиоактивные продукты распада и другие летучие примеси. После обезгаживания рафинированный металл переливается в изложницу, расположенную под тиглем. Перелив происходит в результате срезания графитовой пробки, расположенной в нижней части тигля. Общее время плавки составляет 6 ч (3 ч на нагрев и плавку и 3 ч на охлаждение). Слитки урана показаны на рис. 10.3.

232

Рис. 10.3. Слитки природного урана

Разделение изотопов. На возможность разделения изотопов центрифугированием впервые указали Линдеман и Астон в 1919 г. Технология, основанная на методе газового центрифугирования, разработана в Германии в конце Второй мировой войны, но промышленно нигде не применялась до начала 1960-х гг. Разделение газообразных изотопов осуществляется за счет различия центробежных сил, действующих на молекулы разных масс. Компоненты изотопной смеси заполняют ротор центрифуги, который представляет собой тонкостенный, ограниченный сверху и снизу цилиндр, вращающийся в вакуумной камере с очень высокой окружной скоростью (более 100 м/с) (рис. 10.4). Более тяжелые молекулы под действием центробежных сил концентрируются у периферии, а легкие молекулы – у оси ротора центрифуги. Газообразный UF6 под сильным разрежением находится во вращающемся с большой скоростью цилиндре (рис. 10.5). Вращение создает большую центробежную силу, под действием которой более тяжелые газовые молекулы, содержащие 238U, движутся к внешней стороне цилиндра, а более легкие молекулы, содержащие 235U, собираются в центре цилиндра. Поток газа во внешней части с тяжелым изотопом направлен вниз, а во внутренней с легким изотопом – вверх. Поток слегка обогащенного по 235U-гексафторида урана подается на следующую

233

центрифугу более высокой ступени, тогда как поток слегка обедненного вещества подается назад на более низкую ступень обогащения. Степень обогащения на одной центрифуге намного больше, чем на одной, диффузионной ячейке.

Рис. 10.4. Одна из первых газовых центрифуг завода в Окридже (США)

Рис. 10.5. Схема метода газового центрифугирования

234

Большое преимущество метода центрифугирования состоит

взависимости коэффициента разделения от абсолютной разницы

вмассе, а не от соотношения масс. Таким образом, центрифуга одинаково хорошо работает и с легкими и с тяжелыми элементами. Степень разделения пропорциональна квадрату отношения скорости вращения центрифуги к скорости молекул в газе. Стандартные линейные скорости вращающихся роторов составляют 250–350 м/с и до 600 м/с – в усовершенствованных центрифугах. Стандартный коэффициент сепарации – 1,01–1,1. Соединение нескольких центрифуг в каскад обеспечивает необходимое обогащение изотопов. В настоящее время сотни тысяч соединенных

вкаскады центрифуг, ротор каждой из которых совершает более тысячи оборотов в секунду, используются на современных разделительных производствах как в России, так и в других разви-

тых странах мира.

Для обогащения 235U используют эффект разделения, создаваемый центробежными силами при искривлении потока гексаф-

торида урана UF6. Этот метод можно рассматривать как модификацию центрифугирования, но вместо закручивания газа в центрифуге он завихряется при выходе из специальной форсунки, куда поступает под большим давлением. В Германии используется разделительное сопло, а в ЮАР – вихревая трубка. Для уве-

личения первичного эффекта к UF6 добавляют легкий вспомогательный газ (Н2 или Не), увеличивающий скорость UF6 в потоке смеси. При этом возрастают и действующие на UF6 центробежные силы, и первичный коэффициент обогащения εm в 4–8 раз выше, чем в случае газовой диффузии. Центрифуга Зиппе (Zippe) – усовершенствованная газовая центрифуга, отличительной особенностью которой является использование высокой температуры.

Основание вращающихся цилиндров нагревается, вызывая интенсивные конвекционные потоки, которые перемещают 235U

вверхнюю часть цилиндра.

По сравнению с газодиффузионными эти установки имеют пониженное энергопотребление, большую легкость в наращива-

235

нии мощности. Недостаток метода – низкая производительность центрифуг и необходимость обеспечения очень больших угловых скоростей (порядка 60 000 об/мин), поэтому в настоящее время основным методом разделения изотопов урана остается газовое центрифугирование.

По оценкам экспертов спроектированная в начале 2000-х гг. американская центрифуга AC100 требует на 95 % меньше энергии, чем американская же газодиффузионная машина.

Из развивающихся ядерных стран достаточно сложной технологией газового центрифугирования владеют Пакистан и Индия.

Метод электромагнитной сепарации основан на различном воздействии магнитного поля на заряженные частицы различной массы. По сути такие сепарационные установки, называемые калютронами, являются гигантскими масс-спек- трометрами, работающими по принципу масс-спектрометра Деминстера (рис. 10.6).

Рис. 10.6. Схема метода электромагнитной сепарации

Вещество, изотопы которого требуют разделения, помещается в тигель ионного источника, где испаряется и ионизуется (рис. 10.7). В ионном источнике пары рабочего вещества ионизируются в газовом разряде, горящем в продольном магнитном поле. Возникающие ионы извлекаются из разряда сильным электрическим полем и поступают в вакуумную разделительную камеру в виде сформированного ионного пучка. Камера помещена в магнитное поле Н, направленное нормально траектории дви-

236

жения ионов. Под действием поля ионы движутся по окружностям с радиусами кривизны, пропорциональными квадратному корню из отношения массы иона М к его заряду е. Вследствие этого радиусы траектории тяжелых и легких ионов отличаются друг от друга, что позволяет собирать ионы различных изотопов в сборники, расположенные в фокальной плоскости установки, где они и накапливаются. В сборнике ионов пучки изотопов попадают на стенки изотопных «карманов» и оседают на них в виде нейтральных атомов. Накопленное вещество извлекается из сборника химическими методами. Коэффициент использования вещества в цикле 10–40 %.

Рис. 10.7. Схема электромагнитного сепарационного устройства (точки показывают направление линий магнитного поля, нормальное плоскости рисунка)

Этот метод позволяет разделять любые комбинации изотопов, обладает очень высокой селективностью. Обычно достаточно двух циклов для получения степени обогащения выше 80 % из бедного сырья (с исходным содержанием выделяемого изотопа менее 1 %). Производительность электромагнитных установок определяется значением величины ионного тока и эффективностью улавливания

237

ионов. На больших установках (типичные размеры вакуумной камеры 3×1,5×0,4 м3) ионный ток колеблется в интервале от десятков до сотен миллиампер, что дает возможность получать до нескольких граммов изотопов в сутки, однако в лабораторных сепараторах производительность обычно ниже в 10–100 раз.

Электромагнитный метод характеризуется высоким коэффициентом разделения изотопов α и возможностью одновременного разделения всех изотопов данного элемента. Обычно на крупных промышленных установках для одной ступени разделения α = С/С0 = 10…100, а в лабораторных – на 1–2 порядка выше. В большинстве случаев при разделении электромагнитным методом достаточно одной ступени, изредка производится повторное разделение предварительно обогащенных изотопных материалов для получения изотопов особо высокой частоты. Схема циклотрона приведена на рис. 10.8.

Рис. 10.8. Схема циклотрона: а – вид сбоку; б – вид сверху

Основные преимущества метода: высокий коэффициент обогащения в одном цикле; возможность одновременного разделения всех изотопов; универсальность, позволяющая переклю-

238

чать одну и ту же установку для разделения стабильных и радиоактивных изотопов.

В Окридже в рамках Манхэттенского проекта на электромагнитном заводе Y-12 были построены сотни масс-спектро- метров по образу и подобию циклотрона в Беркли с 184-дюй- мовым магнитом. Разделительные камеры назывались калутро-

нами (акроним от английских слов California University ceclotron –

Калифорния Университет циклотрон, в русской версии – калю-

троны) (рис. 10.9). Происхождение названия связано с тем, что опытные системы сепараторов изотопов испытывались с магнитами циклотронов диаметром 184 и 37 дюймов, которые имелись в Калифорнийской радиационной лаборатории (в настоящее время известна как Лаборатория Лоуренса в Беркли).

Рис. 10.9. Калютрон на заводеY-12 в Окридже (на этом циклотроне былнаработанобогащенныйурандля бомбы «Малыш», сброшенной на Хиросиму)

Электромагнитная сепарация плохо приспособлена для промышленного производства, так как большая часть веществ осаждается внутри калютрона и его приходится периодически останавливать на обслуживание. Недостатки метода: малые производительность и коэффициенты использования вещества; большие энергетические и эксплуатационные затраты, сложность и дороговизна технического обслуживания, низкая производительность.

239

Электромагнитным методом осуществляется разделение как стабильных, так и радиоактивных изотопов. Электромагнитным методом осуществлено разделение практически всех стабильных изотопов. В случае короткоживущих изотопов (период полураспада Т1/2 < 20 мс) первичные ионы, создаваемые в ядерных реакциях, вводятся непосредственно в масс-сепаратор.

Основная сфера применения метода – получение небольших количеств чистых изотопов для лабораторных исследований. Циклотроны используются для получения радиоактивных изотопов, необходимых для изучения взаимодействия ионов с твердым телом (при ионном внедрении), для ядерной спектроскопии и некоторых других целей.

Электромагнитный метод впервые позволил получить килограммовые количества 235U. Первый электромагнитный завод Y-12 в Окридже имел 5184 разделительные камеры – калютроны. Вследствие высокой универсальности и гибкости электромагнитные установки с мощными источниками ионов до настоящего времени используются для разделения изотопов ≈50 элементов Периодической системы в количествах от милиграммов до сотен граммов.

10.2. Вакуумные регенерационные установки

При эксплуатации и демонтаже реакторов атомных электростанций и других ядерных установок необходимы меры по предотвращению попадания радионуклидов в окружающую среду. Для удержания или торможения некоторых радиоактивных веществ немецкой фирмой Leybold-Heraeus спроектирована и выполнена регенерационная установка, состоящая из двух низкотемпературных ректификационных колонн с полностью автоматизированным управлением технологическим процессом. Основное назначение установки − выделение (ожижение) из атмосферы атомных реакторов газообразных продуктов ядерного горения радиоактивных газов: криптона 85Kr и ксенона 133Xe. При этом инертные газы должны обладать очень высокой концентрацией, либо должна сохраняться очень высокая степень

240