Борман Теория каскадов для разделения бинарных 2011

361

Рис. 3.10. Две кампании по обогащению изотопов хрома

Калибровочные эксперименты, выполненные в проектах по регистрации солнечного нейтрино на Баксанской обсерватории и GALLEX, доказали эффективность использования искусственных источников нейтрино на основе хрома-51 из обогащенного хрома50. В настоящее время потребность в изотопе 50Cr имеется и в ряде других физических проектов.

Обогащение радиоактивных изотопов. Разработка технологии разделения стабильных изотопов какого-либо элемента позволяет существенно развить возможности получения радиоактивных изотопов из обогащенных мишеней, причем не только по количеству, но и по их удельной активности.

Работа по повышению удельной активности носит комплексный характер и включает в себя следующие этапы:

-центробежное обогащение целевого изотопа;

-облучение его в реакторе;

-синтез из облученного материала летучего соединения радиоизотопа;

-обогащение радиоизотопа;

-перевод обогащенной фракции с радионуклидом в нелетучую форму.

Втакой работе объединяются химическая, центробежная,

ядерно-физическая и радиохимическая технологии. Впервые такой подход был реализован в СССР для получения 55Fe высокой удельной активности. Позднее, после разработки центробежной

технологии разделения изотопов олова, был разработан способ получения радиоактивного 119mSn с высокой удельной активностью.

Была достигнута радионуклидная чистота (отношение содержания 113Sn к содержанию 119mSn составило одну миллионную), а

количество выделенного радиоизотопа 119mSn – 35 мг [4].

3.5. Некоторые экономические аспекты центробежного разделения стабильных изотопов

Параметры качества обогащаемых изотопов. Основным параметром качества для обогащенного стабильного изотопа является его атомная доля (концентрация). Однако задание одной только этой величины не достаточно для установления ценности данного продукта для различных приложений, и тем более, для

362

оценки трудоемкости процесса разделения. Многообразие изотопической продукции упорядочивается четырьмя основными категориями качества обогащенных стабильных изотопов [9]:

-изотопная метка (изменено содержание необходимого изотопа по сравнению с природным);

-стабильный изотоп с заданной кратностью обогащения (увеличена концентрация целевого изотопа до требуемого уровня);

-изотопно-чистые препараты (уменьшено содержание мешающих изотопных компонентов);

-изотопные эталоны (образцы с предельно достижимым содержанием целевого изотопного компонента, но не менее 99%).

Концентрационные границы у первых трех категорий для каждого изотопа свои, поскольку зависят от их природной распространенности.

Стоимость обогащения изотопов. Себестоимость продукта,

обогащенного целевым изотопом, как и любой другой продукции, включает в себя амортизационные отчисления на реновацию оборудования, эксплуатационные расходы, и нормативные начисления на прямые затраты.

Амортизационные отчисления пропорциональны произведенным капитальным затратам на создание центробежного каскада и определяются в основном стоимостью центрифуг [2]. В эксплуатационные расходы входят оплата труда персонала и энергопотребление. Последнее прямо связано с числом работающих центрифуг, но не является основополагающей в затратах, поскольку центрифужное производство не энергоемко. Трудозатраты на обслуживание каскада не зависят от количества установленных центрифуг, а определяются условиями обслуживания конденсационно-испарительной установки. Величины статей расходов для каскадов различной производительности неодинаковы, но во всех случаях себестоимость изотопного продукта пропорциональна времени работы оборудования [10]. Такой подход приводит к оценке стоимости себестоимости путем введения стоимости суточной эксплуатации одной центрифуги в каскаде (с учетом работы КИУ). В этом случае себестоимость будет произведением стоимости суточной эксплуатации одной центрифуги в каскаде, числа

363

центрифуг в каскаде и длительности кампании. Увеличение производительности используемых центрифуг ведет к сокращению их необходимого числа или к уменьшению времени работы, что снижает затраты на получение единицы конечного продукта.

Производство стабильных изотопов достаточно дорогостоящий процесс, но и он подчиняется общему правилу: при возрастании масштаба выпуска, цена единицы продукции уменьшается. С уменьшением цены масштаб потребления любого продукта увеличивается, и при достижении некоторой характерной цены, объем спроса может возрастать весьма резко.

При эксплуатации энергетических ядерных реакторов в конструкционных материалах образуется радионуклид 60Co, который попадает в теплоноситель и обуславливает дозовую нагрузку на персонал атомной электростанции. В 80-х годах специалисты американской фирмы «General Electric» определили издержки, связанные с оплатой работы во вредных условиях, медицинские страховки, пенсионные начисления и вычислили «цену» наличия 60Co в теплоносителе. Дальнейшие работы показали, что влияние 60Co может быть блокировано мелкодисперсной окисью цинка, введенной в теплоноситель. Однако пять изотопов цинка включают в себя 48% самого легкого изотопа 64Zn, который при воздействии нейтронов переходит в 65Zn, не менее радиоактивный, чем 60Co.

Решение данной проблемы состоит в удалении изотопа 64Zn (обеднении) посредством центробежного процесса до такого уровня, который бы не приводил к заметной активации цинка в теплоносителе. При этом стоимость обедненного цинка должна быть такой, чтобы экономически оправдать его использование, то есть не должна превышать заданную величину.

Перспективы дальнейшего развития центробежного метода для разделения неурановых изотопов. Сейчас возможности центробежного разделения распространяются более чем на два десятка химических элементов. Уровень развития центробежного метода в настоящее время таков, что практически все потенциально разделяемые на центрифугах химические элементы подвергались разделению и были выявлены особенности технологии получения их изотопов. В результате часть элементов давно и успешно делят

364

на центробежных каскадах, для других элементов доказана принципиальная применимость метода.

Прогресс центробежного метода связан с развитием и взаимовлиянием основных его составляющих: конструкциями новых центрифуг, используемыми рабочими веществами, компоновкой каскадов, разделительными режимами. Новые компоновочные решения связаны с разработкой эффективных каскадных схем, уменьшением газонаполнения каскадов, увеличением стабильности их гидравлических режимов, повышением эксплуатационной надежности. Совершенствование узлов питания и отбора фракций каскада, систем контроля разделительных режимов по-прежнему остается областью новых инженерных решений.

Повышение требований к изотопной чистоте получаемых продуктов, особенно для медико-биологических приложений, требует осуществления разделительного процесса с максимальным извлечением мешающих изотопных компонентов. Многоэтапные кампании по выделению некрайних изотопов требуют выработки оптимальной последовательности разделительных этапов с учетом переходных режимов в каскаде.

Это приводит к необходимости углубленного исследования вопросов эффективности разделительного процесса, более точной оценки себестоимости получаемых продуктов. Для крупномасштабного производства обогащенных стабильных изотопов актуальны разработки по оптимизации вклада сырьевой составляющей в затраты на основе анализа соотношения себестоимости продукта при глубоком исчерпывании и цены исходного рабочего вещества.

Есть все основания полагать, что центробежный метод будет играть ведущую роль в работах по повышению удельной активности радионуклидов. Центробежная очистка различных продуктов от радиоактивных примесей также является одной из важнейших составляющих безопасных и экологичных ядерных технологий и находится под постоянным вниманием специалистов.

365

Контрольные вопросы к третьей части

1.Чем определяется ширина ступени?

2.Можно ли именовать длинным каскад из 20 ступеней при

ε= 0,2?

3.Какое соотношение должно быть между временем работы каскада на разделительном этапе и временем установления?

4.Можно ли осуществить 3-этапную разделительную кампанию на каскаде с газонаполнением 20 г вещества при наличии 3 кг исходного рабочего соединения и отборе в ценную фракцию 0,1 потока питания?

Список литературы

1.Artyukhov A.A., Babichev A.P., Knyasev I.Yu. et al. Centrifugal enrichment of cadmium isotopes as the basis for further experiments on physics of weak interactions // Nucl. Instr. Meth. 1997. A401. P. 281-288.

2.Raichura R.C., Al-Janabi M.A.M., Langbein G.M. Some aspects of the separation of multi-isotope mixtures with gas centrifuges

//Proc. of 2nd Workshop on separation phenomena in liquids and gases, Versailles, July 1989.

3.Борисевич В.Д., Гулиев Д.Ж., Тихомиров А.В. Программный комплекс для исследования каскадных режимов разделения многокомпонентных изотопных смесей // 7-ая Всероссийская научная конференция Физико-химические процессы при селекции атомов и молекул, г. Звенигород, 30 сент.-4 окт. 2002 г.

4.Прусаков В.Н. Прогресс в разделении изотопов // Материалы юбилейной сессии Учёного совета РНЦ «Курчатовский институт», 30 марта 1993г.

5.Aisen E.M. et al. Computing experiments for study of cadmium isotope separation by gas centrifuges // Nucl. Instr. Meth. 1998. A 417. P. 428-433.

366

6.Tikhomirov A.V. Enriched stable isotopes for iodine-123 production: Pathways and prospects // 4th Int. Conf. on Isotopes, Cape Toun, South Africa, 10-14 March 2002.

7.a) Popov G.E., Prusakov V.N., Rudnev A.I., Tikhomirov A.V., Voronin A.V. Centrifugal enrichment of chromium-50 for experiments on detecting solar neutrinos // Nucl. Instr. and Meth. 1995. A362. 532.

b)Tikhomirov A.V. Practice of centrifugal stable isotope separation for experiments in neutrino physics // Proc. IV Int. Symposium on Weak and Electromagnetic Interactions in Nuclei, Osaka, Japan, June 12-16, 1995. World Scientific. P. 208-211

8.Cribier M. et al. Production of a 62 PBq 51Cr low energy neutrino source for GALLEX // Nucl. Instr. and Meth. 1996. A378. P. 233.

9.Tikhomirov A.V. Modern tendencies in the enrichment of stable isotopes and their applications in the USSR and elsewhere // Nucl. Instr. and Meth. 1992. B 70. P. 1-4.

10.Калитеевский А.К., Годисов О.Н., Лисейкин В.П., Мязин Л.П. Разработка основ оценки себестоимости производства стабильных изотопов по центробежной технологии // 3-я Всероссийская научная конференция Физико-химические процессы при селекции атомов и молекул, г. Звенигород, 5-9 окт. 1998 г. ЦНИИАТОМИНФОРМ, 1998. С. 128-134.

367

Г.А. Сулаберидзе, В.А. Палкин, В.Д. Борисевич, В.Д. Борман, А.В. Тихомиров

ТЕОРИЯ КАСКАДОВ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ БИНАРНЫХ

ИМНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ИЗОТОПНЫХ СМЕСЕЙ

Редактор Т.В. Волвенкова

Подписано в печать 15.12.2010. Формат 60х84 1/16 Печ.л. 23,0. Изд. № 1/1/1. Тираж 100 экз. Заказ № 1

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ». 115409, Москва, Каширское шоссе, 31.

Типография ООО «Полиграфический комплекс «Курчатовский».

368