ПРИНЦИПЫ РАЗДЕЛЕНИЯ ПОСРЕДСТВОМ ДИФФУЗИИ

ПРИНЦИПЫ РАЗДЕЛЕНИЯ ПОСРЕДСТВОМ ДИФФУЗИИ

ОДНОСТУПЕНЧАТАЯ ДИФФУЗИЯ

10.5. Как было указано в прошлой главе, скорость диффузии газа через идеальную пористую перегородку обратно пропорциональна квадратному корню из его молекулярного веса. Так, если газ, состоящий из двух изотопов, начинает диффундировать через перегородку в эвакуированный сосуд, то более легкий изотоп (с молекулярным весом M₁) диффундирует быстрее, чем более тяжелый (с молекулярным весом M₂). В результате (в течение, по крайней мере, короткого промежутка времени) относительная концентрация более легкого изотопа за перегородкой становится выше, чем до перегородки. Но, если позволить процессу неограниченно продолжаться, устанавливается равновесие, к концентрации по обеим сторонам перегородки выравниваются. Даже в случае, если газ, который прошел через перегородку, откачивается насосом, относительное количество тяжелого изотопа, проходящего через перегородку, будет возрастать, так как более легкий изотоп в исходном газе (до перегородки) израсходован в начале процесса диффузии.

10.6. Для отдельного цикла диффузии увеличение относительной концентрации легкого изотопа в диффундирующем газе, по сравнению с подводимым газом, может быть выражено через коэффициент разделения r, или через коэффициент обогащения r-1, которые были определены в параграфе 9.8 предыдущей главы. Можно вывести довольно простое уравнение для зависимости r-1 от молекулярного веса и продиффундировавшей доли исходного газа. Если эта доля очень мала, уравнение превращается в r=? («идеальный коэффициент разделения» параграфа 9.14). Если эта продиффундировавшая доля имеет заметную величину, уравнение дает ожидаемое уменьшение разделения. Например, если количество продиффундировавшего газа равно половине подаваемого, то r-1 = 0,69(?-1) или, для шестифтористого урана, r=1,003, вместо r=1,0043 для случая, когда продиффундировала очень небольшая часть исходного газа.

КАСКАД

10.7. Для того, чтобы разделить изотопы урана, необходимо применять много последовательных ступеней диффузии (каскад), так как ?=1,0043 для U²³⁵F₆ и U²³⁸F₆ (возможный газ для разделения урана). Исследования Когена и др. показали, что наилучшей гидравлической схемой для последовательных ступеней является такая, при которой половина газа, нагнетаемого в каждую ступень, диффундирует через перегородку, а другая (обедненная) половина направляется на вход предыдущей ступени. Для такого устройства, как мы видели, идеальный коэффициент разделения между входом и выходом одной ступени равен 0,69(?-1). Это число часто называют ? — «полным обогащением на ступень». Для шестифтористого урана теоретическое значение ?=0,003, но на практике оно несколько меньше в результате «обратной диффузии», неполного смешения на стороне высокого давления и несовершенства перегородки. Первые опыты по разделению шестифтористого урана (произведенные Е. Т. Бутом, Г. К. Пэкстоном и К. Б. Слэйдом) дали в результате значение ?=0,0014. Если желательно получить U²³⁵F₆ 99 %-ной чистоты и если используется каскад, в котором каждая ступень имеет нормальный коэффициент обогащения, то потребуется приблизительно 4000 ступеней.

ЦИРКУЛЯЦИЯ ГАЗА В КАСКАДЕ

10.8. Из газа, который прошел через перегородку любой данной ступени, только половина проходит через перегородку следующей, высшей ступени. Другая половина возвращается на предыдущую ступень. Таким образом, большая часть вещества циркулирует много раз, прежде чем, в конечном итоге, выйдет из каскада. Подсчет показывает, что для промышленной установки по разделению урана может оказаться необходимым пропустить через перегородки первой ступени объем газа в 10 000 раз больший объема газа, выходящего из последней ступени каскада (т. е. в виде окончательного продукта U²³⁵F6). Соответствующие значения для высших ступеней быстро падают вследствие уменьшения количества U²³⁸F6, который уносится в отвал.