Gassformig diffusjon - Gaseous diffusion

Gassformig diffusjon bruker halvgjennomtrengelige membraner for å skille beriket uran

Gassformig diffusjon er en teknologi som brukes til å produsere beriket uran ved å tvinge gassformig uranheksafluorid (UF 6 ) gjennom semipermeable membraner . Dette gir en liten adskillelse mellom molekylene som inneholder uran-235 ( 235 U) og uran-238 ( 238 U). Ved bruk av en stor kaskade med mange etapper kan høye separasjoner oppnås. Det var den første prosessen som ble utviklet som var i stand til å produsere beriket uran i industrielt nyttige mengder, men som i dag regnes som foreldet, etter å ha blitt erstattet av den mer effektive gasssentrifugeringsprosessen.

Gassformig diffusjon ble utviklet av Francis Simon og Nicholas Kurti ved Clarendon Laboratory i 1940, med oppgave av MAUD-komiteen å finne en metode for å skille uran-235 fra uran-238 for å produsere en bombe for prosjektet British Tube Alloys . Selve prototypen for gassformet diffusjonsutstyr ble produsert av Metropolitan-Vickers (MetroVick) på Trafford Park , Manchester, for en kostnad på £ 150 000 for fire enheter, for MS Factory, Valley . Dette arbeidet ble senere overført til USA da Tube Alloys -prosjektet ble subsumert av det senere Manhattan -prosjektet .

Bakgrunn

Av de 33 kjente radioaktive urnuklidene er to ( 235 U og 238 U) isotoper av uran . Disse to isotopene er like på mange måter, bortsett fra at bare 235 U er splittet (i stand til å opprettholde en kjernekjedereaksjon av kjernefysjon med termiske nøytroner ). Faktisk er 235 U den eneste naturlig forekommende fissile kjernen. Fordi naturlig uran bare er omtrent 0,72% 235 U i masse, må det berikes til en konsentrasjon på 2–5% for å kunne understøtte en kontinuerlig kjernekjedereaksjon når normalt vann brukes som moderator. Produktet av denne berikelsesprosessen kalles beriket uran.

Teknologi

Vitenskapelig grunnlag

Gassformig diffusjon er basert på Grahams lov , som sier at effusjonshastigheten til en gass er omvendt proporsjonal med kvadratroten av molekylmassen . For eksempel, i en eske med en semi-permeabel membran som inneholder en blanding av to gasser, vil de lettere molekylene passere ut av beholderen raskere enn de tyngre molekylene. Gassen som forlater beholderen er noe beriket med de lettere molekylene, mens den gjenværende gassen er noe utarmet. En enkelt beholder der berikelsesprosessen finner sted gjennom gassformig diffusjon kalles en diffusor .

Uranheksafluorid

UF 6 er den eneste forbindelsen av uran som er tilstrekkelig flyktig til å kunne brukes i den gassformige diffusjonsprosessen. Heldigvis består fluor bare av en enkelt isotop 19 F, slik at 1% forskjellen i molekylvekter mellom 235 UF 6 og 238 UF 6 bare skyldes forskjellen i vekt på uranisotopene. Av disse grunnene er UF 6 det eneste valget som råstoff for den gassformige diffusjonsprosessen. UF 6 , et fast stoff ved romtemperatur, sublimerer ved 56,5 ° C (133 ° F) ved 1 atmosfære. Den trippelpunktet er ved 64,05 ° C og 1,5 bar. Bruke Grahams lov til uranheksafluorid:

hvor:

Hastighet 1 er effusjonshastigheten for 235 UF 6 .
Rate 2 er effusjonshastigheten til 238 UF 6 .
M 1 er molmassen til 235 UF 6 = 235.043930 + 6 × 18.998403 = 349.034348 g · mol −1
M 2 er molarmassen til 238 UF 6 = 238.050788 + 6 × 18.998403 = 352.041206 g · mol −1

Dette forklarer forskjellen på 0,4% i gjennomsnittshastigheten til 235 UF 6 -molekyler i forhold til 238 UF 6 -molekyler.

UF 6 er et meget etsende stoff . Det er en oksidant og en Lewis -syre som er i stand til å binde seg til fluor , for eksempel rapporteres reaksjonen av kobber (II) fluorid med uranheksafluorid i acetonitril å danne kobber (II) heptafluoranat (VI), Cu (UF 7 ) 2 . Den reagerer med vann for å danne en fast forbindelse, og er svært vanskelig å håndtere i industriell skala. Som en konsekvens må interne gassformede veier produseres av austenittisk rustfritt stål og andre varmestabiliserte metaller. Ikke-reaktive fluorpolymerer som teflon må påføres som belegg på alle ventiler og tetninger i systemet.

Barriere materialer

Gassformede diffusjonsanlegg bruker vanligvis aggregatbarrierer (porøse membraner) konstruert av sintret nikkel eller aluminium , med en porestørrelse på 10–25 nanometer (dette er mindre enn en tidel av den gjennomsnittlige frie banen til UF 6- molekylet). De kan også bruke barrierer av filmtype, som er laget av kjedelige porer gjennom et opprinnelig ikke-porøst medium. En måte dette kan gjøres på er ved å fjerne en bestanddel i en legering, for eksempel ved å bruke hydrogenklorid for å fjerne sink fra sølv-sink (Ag-Zn).

Energikrav

Fordi molekylvektene til 235 UF 6 og 238 UF 6 er tilnærmet like, skjer svært liten separasjon av 235 U og 238 U i en enkelt passering gjennom en barriere, det vil si i en diffusor. Det er derfor nødvendig å koble mange diffusorer sammen i en sekvens av trinn, ved å bruke utgangene fra det foregående trinnet som innganger for neste trinn. En slik sekvens av stadier kalles en kaskade . I praksis krever diffusjonskaskader tusenvis av stadier, avhengig av ønsket berikelsesnivå.

Alle komponenter i en diffusjon anlegg må holdes ved en passende temperatur og trykk for å sikre at UF 6 forblir i gassfasen. Gassen må komprimeres i hvert trinn for å gjøre opp for et tap i trykket over diffusoren. Dette fører til kompresjonsoppvarming av gassen, som deretter må avkjøles før du kommer inn i diffusoren. Kravene til pumping og kjøling gjør diffusjonsanlegg til enorme forbrukere av elektrisk kraft . På grunn av dette er gassformig diffusjon den dyreste metoden som for tiden brukes til å produsere beriket uran.

Historie

Arbeidere som jobbet med Manhattan -prosjektet i Oak Ridge, Tennessee , utviklet flere forskjellige metoder for separering av isotoper av uran. Tre av disse metodene ble brukt sekvensielt på tre forskjellige anlegg i Oak Ridge for å produsere 235 U for " Little Boy " og andre tidlige atomvåpen . I det første trinnet brukte S-50 urananrikningsanlegget den termiske diffusjonsprosessen for å berike uranet fra 0,7% til nesten 2% 235 U. Dette produktet ble deretter matet inn i den gassformige diffusjonsprosessen ved K-25- anlegget, produktet var rundt 23% 235 U. Til slutt ble dette materialet matet inn i kalutroner ved Y-12 . Disse maskinene (en type massespektrometer ) brukte elektromagnetisk isotopseparasjon for å øke den endelige 235 U -konsentrasjonen til omtrent 84%.

Fremstillingen av UF 6- råstoff for K-25 gassformig diffusjonsanlegg var den første applikasjonen noensinne for kommersielt produsert fluor, og betydelige hindringer ble påvist ved håndtering av både fluor og UF 6 . For eksempel, før K-25 gassformig diffusjonsanlegg kunne bygges, var det først nødvendig å utvikle ikke-reaktive kjemiske forbindelser som kunne brukes som belegg, smøremidler og pakninger for overflatene som ville komme i kontakt med UF 6- gassen ( et svært reaktivt og etsende stoff). Forskere fra Manhattan -prosjektet rekrutterte William T. Miller , professor i organisk kjemi ved Cornell University , til å syntetisere og utvikle slike materialer på grunn av hans ekspertise innen organisk fluorkjemi . Miller og lagets utviklet flere nye ikke-reaktive klorfluorkarbon- polymerer som ble brukt i denne søknad.

Calutrons var ineffektive og dyre å bygge og drifte. Så snart de tekniske hindringene som ble forårsaket av gassdiffusjonsprosessen var blitt overvunnet og de gassformede diffusjonskaskadene begynte å operere på Oak Ridge i 1945, ble alle kalutronene stengt. Den gassformige diffusjonsteknikken ble deretter den foretrukne teknikken for å produsere beriket uran.

På tidspunktet for konstruksjonen på begynnelsen av 1940 -tallet var de gassformede diffusjonsanlegg noen av de største bygningene som noen gang er konstruert. Store gassformede diffusjonsanlegg ble konstruert av USA, Sovjetunionen (inkludert et anlegg som nå er i Kasakhstan ), Storbritannia , Frankrike og Kina . De fleste av disse har nå stengt eller forventes å stenge, og klarer ikke å konkurrere økonomisk med nyere anrikningsteknikker. Noe av teknologien som brukes i pumper og membraner er imidlertid fortsatt topphemmelig, og noen av materialene som ble brukt er fortsatt underlagt eksportkontroll, som en del av det fortsatte arbeidet med å kontrollere kjernefysisk spredning .

Nåværende status

I 2008 genererte gassformede diffusjonsanlegg i USA og Frankrike fremdeles 33% av verdens berikede uran. Imidlertid stengte det franske anlegget definitivt i mai 2012, og Paducah Gaseous Diffusion Plant i Kentucky som ble drevet av United States Enrichment Corporation (USEC) (det siste fullt fungerende urananrikningsanlegget i USA som benyttet den gassformede diffusjonsprosessen) opphørte anrikningen i 2013. Det eneste andre slike anlegget i USA, Portsmouth Gaseous Diffusion Plant i Ohio, opphørte anrikningsaktiviteter i 2001. Siden 2010 er Ohio -området nå hovedsakelig brukt av AREVA , et fransk konglomerat , for konvertering av utarmet UF 6 til uranoksid .

Etter hvert som eksisterende gassformede diffusjonsanlegg ble foreldet, ble de erstattet av andre generasjons gasssentrifugerteknologi , som krever langt mindre elektrisk kraft for å produsere tilsvarende mengder separert uran. AREVA erstattet sitt gasformige diffusjonsanlegg Georges Besse med sentrifugeriet Georges Besse II.

Se også

Referanser

Eksterne linker