Основные параметры процесса разделения изотопов урана

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

"Национальный исследовательский

Томский политехнический университет"

Методические указания по выполнению лабораторных работ

Основные параметры процесса разделения изотопов урана

Томск 2014

УДК 621. 039

"Основные параметры процесса разделения". Методические указания по выполнению лабораторных работ по дисциплине "Разделение изотопов урана" для студентов обучающихся по направлению 140800 Ядерные физика и технологии, ФТИ. Томск. Издательство ТПУ. 2014.

Составители: Тимченко Сергей Николаевич, к.т.н., старший преподаватель кафедры технической физики (ТФ).

Методические указания рассмотрены и рекомендованы к изданию методическим семинаром кафедры технической физики (ТФ) ФТИ.

Протокол № ________ от "____ " _______________ 2014

Зав. кафедрой технической физики (ТФ), профессор, д.ф.-м.н. И.В. Шаманин.

Цель работы: Изучить основные рабочие параметры газовой центрифуги.

Оглавление

Введение

1. Рабочие параметры газовой центрифуги

2. Формулировка рабочих параметров газовой центрифуги и факторы, влияющие на них

3. Порядок работы

4. Контрольные вопросы

Литература

Приложение

Введение

Газовая центрифуга, как разделительное устройство, является определяющим звеном в центробежном методе разделения изотопов [1?5]. От качества самой центрифуги и ее параметров зависят: объем оборудования, капитальные вложения, энергозатраты, эксплуатационные расходы, время установления стационарного состояния разделительного завода.

1. Рабочие параметры газовой центрифуги

К рабочим параметрам газовой центрифуги относятся:

Первичный коэффициент разделения

Первичный коэффициент обогащения

Полный коэффициент разделения

Полный коэффициент обогащения

Объемная производительность

Весовая производительность

Разделительная способность (мощность разделения)

2. Формулировка рабочих параметров газовой центрифуги и факторы, влияющие на них

Первичный коэффициент разделения, , полностью определяется действием поля центробежных сил и показывает во сколько раз относительная концентрация легкого изотопа у оси ротора больше относительной концентрации того же изотопа на периферии ротора

, (1)

где - число оборотов ротора, с-1; и - периферийный и внутренний радиусы ротора, м; и - молекулярные веса тяжелой и легкой компонент, соответственно; - газовая постоянная, дж/кгмоль•град; - температура, К; - фактор обогащения

. (2)

Первичный коэффициент обогащения, , показывает на сколько процентов относительная концентрация легкого изотопа у оси больше той же относительной концентрации на периферии ротора.

.(3)

В противоточных газовых центрифугах, имеющих эффективную длину ротора , м., благодаря осевой циркуляции газа, происходит умножение первичного эффекта разделения, а ротор представляет собой как бы микроколонну, т.е. своеобразный микрокаскад, в котором и реализуется полный коэффициент разделения, .

Полный коэффициент разделения показывает во сколько раз относительная концентрация легкого изотопа в отборе больше той же относительной концентрации в отвале

,(4)

где a-радиальный зазор ротора, м

(5)

Или

,(6)

где - линейная скорость вращения ротора, м; - разность молекулярных весов разделяемых компонент

(7)

D - диаметр ротора, равный 2, м.

Полный коэффициент обогащения, , показывает на сколько процентов относительная концентрация легкого изотопа в отборе больше той же относительной концентрации в отвале

.(8)

Большое влияние на реальный коэффициент обогащения в центрифуге оказывают характеристики и профиль фактического циркуляционного потока, , внутри ротора (смотри рис.1, 2). Максимальное обогащение получается при некотором оптимальном потоке .

При малых значениях максимум обогащения заметно ограничивается обратной диффузией газа в осевом направлении. Большие потоки циркуляции вызывают значительное осевое перемешивание. Вместе с тем в роторе происходит и радиальная диффузия газа, обусловленная разностью концентраций легкой и тяжелой компонент газа и направленная против разделения под действием поля центробежных сил. Однако принято считать, что такое радиальное перемещение и связанное с этим перемешивание бинарных газов не очень значительно.

Более существенно влияют на фактический коэффициент разделения потоки питания, отбора и отвала. При увеличении этих потоков эффект умножения первичного обогащения падает и общий коэффициент разделения понижается. Максимальное обогащение в роторе, а, следовательно, максимальная разность концентраций в отборе, отвале и питании наблюдаются при безотборном режиме.

Кроме того, необходимо отметить, что основное влияние на полный коэффициент разделения, а также на разделительную способность газовых центрифуг, , оказывает периферийная линейная скорость вращения ротора. Чем она больше, тем выше эффективность разделения.

Объемная производительность, , показывает какой объем газа при заданном рабочем давлении снимается с центрифуги в единицу времени

,м³/с(9)

Весовая производительность, , характеризует количество газа, снимаемое с центрифуги в единицу времени

,кг/с(10)

Используя формулу (9), получим

,(11)

где - коэффициент диффузии; - плотность газа.

С другой стороны, исходя из газодинамических условий, кинематический коэффициент вязкости, , определяется как

,кг/м•с (12)

Тогда

,(13)

При этом

(14)

(15)

(16)

,Па (17)

центрифуга изотоп уран газовый

где и - давления газа на радиусах ротора и , соответственно.

При заданном значении величина определяется соотношением

.(18)

Здесь

,(19)

где - молекулярные веса и концентрации легкой и тяжелой компонент газа, соответственно.

Разделительная способность центрифуги, , характеризует количество легкого изотопа, снимаемого в отборе в единицу времени.

Согласно формулы Коэна [6]

,кг/с(20)

где - угловая скорость вращения ротора.

При оптимальном соотношении радиусов и , когда , будем иметь

,кг/с (21)

С учетом единиц работы разделения

,ЕРР/год (22)

Из приведенных соотношений (20, 21, 22) следует, что разделительная способность сильно зависит от линейной скорости вращения ротора, заметно зависит от разности молекулярных весов разделяемых компонент и увеличивается пропорционально длине ротора.

3. Порядок работы

Для изотопных смесей: 20Ne - 22Ne, 80Kr - 83Kr, 129Xe - 130Xe, при следующих исходных данных: =1500 с-1, =0,6 м, =0,06 м, =0,03 м, =300 К, =8,32•103 дж/град•кмоль, =0,007, =1-, =13300 Па, необходимо

По формуле (1) определить первичный коэффициент разделения, .

По формуле (3) с учетом формулы (2) определить первичный коэффициент обогащения, .

По формуле (4) определить полный коэффициент разделения, .

По формуле (8) определить полный коэффициент обогащения, .

По формуле (9) определить объемную производительность,

По формуле (13) с учетом формулы (16) определить весовую производительность, .

По формуле (21) определить разделительную способность газовой центрифуги, .

Результаты расчетов свести в таблицу 1

Таблица 1

Рабочие параметры газовой центрифуги для различных изотопных смесей

По компьютерной программе "Завод" с использованием ЭВМ изучить характер изменения полного коэффициента разделения, , и мощности разделения, , для указанных изотопных смесей от числа оборотов ротора и разных рабочих температур.

Провести анализ полученных результатов и сделать выводы.

Составить отчет по выполненной работе.

При проведении расчетов использовать положения, содержащиеся в Приложении 1.

4. Контрольные вопросы

Что показывает первичный коэффициент разделения.

Что показывает первичный коэффициент обогащения.

Что показывает полный коэффициент разделения.

Что показывает полный коэффициент обогащения.

Что характеризует объемная производительность газовой центрифуги.

Что характеризует весовая производительность центрифуги.

Что характеризует разделительная способность.

Как влияет линейная скорость вращения ротора на полный коэффициент разделения и разделительную способность.

Литература

Виллани С. Обогащение урана. М: Энергоатомиздат. 1983.

Синев Н.М., Батуров Б.Б. Экономика атомной энергетики. М: Энергоатомиздат. 1980.

Синев Н.М., Батуров Б.Б. Экономика атомной энергетики: основы технологии и экономики ядерного топлива. М: Энергоатомиздат. 1984.

Сб. Изотопы, свойства, получение, применение, под редакцией В.Ю. Баранова. М: Изд Ат. 2000.

Шемля М., Перье Ж. Разделение изотопов. М: Атомиздат. 1980.

Коэн К., Теория разделения изотопов в применении к производству U - 235. М: Изд. ин. лит. 1951.

Приложение

Расчет проводить в системе СИ.

Во всех случаях указывать размерность рассчитываемых величин, когда эти величины имеют размерность.

Все расчеты проводить с точностью до второго знака после запятой.

Значения для записывать следующим образом. Вначале первая значащая цифра, затем запятая, две значащие цифры после запятой, далее умножить на 10-(указать цифру).

Размещено на Allbest.ru