Plynná difúze je technologie používaná k výrobě obohaceného uranu průchodem plynného hexafluoridu uranu (UF 6 ) pod tlakem přes polopropustné membrány . To má za následek mírnou separaci mezi molekulami obsahujícími uran-235 ( 235 U) a uran-238 ( 238 U). Pomocí kaskádového zapojení velkého počtu instalací (stupňů) lze dosáhnout vysokého stupně izotopové separace. Byl to první proces vyvinutý schopný vyrábět průmyslově obohacený uran.
Plynnou difúzi vyvinuli Francis Simon a Nicholas Curti v Clarendonově laboratoři v roce 1940, když byl výbor IAUD pověřen nalezením metody k oddělení uranu-235 od uranu-238 k výrobě bomby v rámci projektu Tube Alloys . Prototyp zařízení na difúzi plynu postavila společnost Metropolitan-Vickers (MetroVick) v Trafford Parku v Manchesteru za cenu 150 000 liber za čtyři jednotky pro MS Factory, Valley . Práce byla později přenesena do Spojených států, když se projekt Tube Alloys stal součástí pozdějšího Manhattan Project [1] .
Metoda plynové difúze se používá k oddělení izotopů prvků, pro které existují chemikálie, které jsou v plynném stavu při dostatečně nízké teplotě. Tato metoda je vhodná například pro obohacování uranu, protože hexafluorid uranu při atmosférickém tlaku přechází do plynné fáze o teplotě 56,4 °C.
Metoda je založena na fenoménu molekulární difúze. Při tepelné rovnováze plynu v uzavřené nádobě mají lehčí molekuly vyšší rychlost, a tedy i větší pravděpodobnost průchodu propustnou membránou. Pokud tedy zpočátku nebyly v objemu nádoby za membránou žádné výchozí látky, pak v důsledku průniku molekul přes membránu až do dosažení termodynamické rovnováhy bude koncentrace lehčích molekul vyšší než ve výchozí směsi. . Experimentálně byl tento jev poprvé ověřen v pokusech Grahama (1846, 1863) [2] [3] s porézními materiály a v pokusech Knudsena (1909) [4] s malými otvory a kapilárami. V praxi tuto metodu poprvé použil Ramsay (1895) k čištění helia průchodem plynné směsi přes jílový filtr [5] .
Z 33 známých radioaktivních prvotních nuklidů jsou dva ( 235 U a 238 U) izotopy uranu . Tyto dva izotopy jsou si v mnoha ohledech podobné, kromě toho, že pouze 235 U je štěpných (schopných udržet štěpnou řetězovou reakci prostřednictvím tepelných neutronů ). 235 U je jediný přirozený štěpný izotop [6] . Protože přírodní uran obsahuje pouze asi 0,72 % 235 U hmotnostně, musí být pro udržení jaderné reakce obohacen na koncentraci 2–5 % [7] (pokud je jako moderátor neutronů použita obyčejná voda). Produkt tohoto procesu obohacování se nazývá obohacený uran.
Základním prvkem zařízení na difúzi plynu je difúzní článek rozdělený na dvě části porézní přepážkou. Mezi částmi článku vzniká tlakový rozdíl, v důsledku čehož plyn částečně proniká přepážkou, je obohacen o lehčí frakci, zatímco obsah lehké frakce v nerozptýleném plynu klesá. Článek má jeden vstup pro přívod počáteční směsi pod vysokým tlakem a dva výstupy pro vypouštění bohaté a chudé směsi. Protože jedna buňka jen mírně zvyšuje koncentraci lehké frakce, proces se mnohokrát opakuje s velkým počtem kaskádových buněk. Průtok je řízen chudým výstupním ventilem [8] :52 .
Plynná difúze je založena na Grahamově zákoně , který říká, že rychlost, kterou plyn vytéká, je nepřímo úměrná druhé odmocnině jeho molekulové hmotnosti . Například v nádobě s polopropustnou membránou obsahující směs dvou plynů budou lehčí molekuly opouštět nádobu rychleji než těžší. Plyn opouštějící nádobu je poněkud obohacen o lehčí molekuly, zatímco zbytkový plyn je o ně poněkud ochuzen. Samostatná nádoba, ve které probíhá proces obohacování pomocí plynné difuze, se nazývá difuzér .
UF 6 je jediná sloučenina uranu, která je dostatečně těkavá pro použití v procesu difúze plynu. Kromě toho se fluor skládá pouze z jednoho izotopu 19 F, takže rozdíl v molekulových hmotnostech 1 % mezi 235 UF 6 a 238 UF 6 je způsoben pouze rozdílem v hmotnosti izotopů uranu. Z těchto důvodů je UF 6 jedinou volbou jako surovina pro proces plynné difúze [9] . UF 6 , pevná látka při pokojové teplotě, sublimuje při 56,5 °C a tlaku 1 atm [10] . Parametry trojitého bodu jsou 64,05 °C a 1,5 bar [11] . Aplikováním Grahamova zákona na hexafluorid uranu dostaneme:
kde
Sazba 1 - výstup 235 UF 6 ; Sazba 2 - výstup 238 UF 6 ; M 1 je molární hmotnost 235 UF 6 = 235,043930 + 6 × 18,998403 = 349,034348 g mol −1 ; M 2 je molární hmotnost 238 UF 6 = 238,050788 + 6 × 18,998403 = 352,041206 g mol −1 .To vysvětluje 0,4% rozdíl v průměrné rychlosti odtoku 235 molekul UF 6 ve srovnání s 238 molekulami UF 6 [12] .
UF 6 je vysoce korozivní . Jedná se o oxidační činidlo [13] a Lewisovu kyselinu , která je schopna se vázat s fluoridem . Uvádí se například reakce fluoridu měďnatého s hexafluoridem uranu v acetonitrilu za vzniku heptafluoruranátu měďnatého (VI), Cu(UF 7 ) 2 [14] . Reaguje s vodou za vzniku pevné sloučeniny a je velmi obtížně komerčně zpracovatelný [9] . V důsledku toho musí být vnitřní cesty plynů vyrobeny z austenitické nerezové oceli a jiných tepelně stabilizovaných kovů. Nereaktivní fluoropolymery , jako je teflon , musí být aplikovány jako povlak na všechny ventily a těsnění v systému.
Agregátové bariéry (porézní membrány) vyrobené ze slinutého niklu nebo hliníku o velikosti pórů 10–25 nm (méně než jedna desetina střední volné dráhy molekuly UF 6 ) [6] [9] se obvykle používají v instalacích plynové difúze . Mohou být také použity bariéry filmového typu, které jsou vyrobeny vytvořením pórů v inherentně neporézním médiu. Jedním způsobem výroby takových membrán je odstranění jedné složky ze slitiny, například použitím chlorovodíku k odstranění zinku ze slitiny stříbro -zinek (Ag-Zn).
Protože molekulové hmotnosti 235 UF 6 a 238 UF 6 jsou téměř stejné, je stupeň separace 235 U a 238 U při jednom průchodu membránou velmi malý. Proto je nutné zapojit velké množství difuzorů do série s použitím produktu předchozího stupně jako výchozího materiálu pro další. Tato posloupnost kroků se nazývá kaskáda. V praxi vyžadují difúzní kaskády tisíce kroků v závislosti na požadované úrovni obohacení [9] .
Všechny součásti difuzního zařízení musí být udržovány na vhodné teplotě a tlaku, aby se UF 6 udrželo v plynné fázi. Plyn musí být stlačen v každém stupni, aby se kompenzovala tlaková ztráta napříč difuzorem. To má za následek kompresní ohřev plynu, který se pak musí před vstupem do difuzoru ochladit. Požadavky na čerpání a chlazení dělají z difúzních závodů velké spotřebitele elektřiny . Z tohoto důvodu je plynná difúze nejdražší metodou, která se v současnosti používá k výrobě obohaceného uranu [15] .
Zaměstnanci projektu Manhattan v Oak Ridge , pc. Tennessee, vyvinuli několik metod pro separaci izotopů . Tři závody v Oak Ridge používaly tři různé metody k výrobě 235 U pro první americkou atomovou bombu „ Baby (bomba) “ a další ranou jadernou munici . V první fázi závod na obohacování uranu S-50 využíval proces tepelné difúze k obohacení uranu z 0,7 % na téměř 2 % na 235 U. Tento produkt byl poté přiváděn do procesu plynné difúze v závodě K-25 , který poskytl asi 23 % 235 U. Nakonec byl tento materiál přiveden do kalutronů elektrárny Y -12 . Tyto stroje (typ hmotnostního spektrometru ) používaly elektromagnetickou separaci izotopů ke zvýšení konečné koncentrace 235 U na asi 84 %.
Příprava suroviny UF 6 pro zařízení na plynnou difúzi K-25 byla vůbec první komerční výrobou fluoru a zpracování fluoru i UF 6 čelilo značným překážkám. Například pro stavbu plynové difúzní elektrárny K-25 bylo nejprve nutné vyvinout inertní chemické sloučeniny , které by mohly být použity jako povlaky, maziva a těsnění pro povrchy, které přicházejí do styku s plynným UF 6 (vysoce reaktivní a korozivní látka) . Vědci projektu Manhattan najali Williama T. Millera , profesora organické chemie na Cornellově univerzitě , aby syntetizoval a vyvíjel takové materiály kvůli jeho minulosti v chemii organofluoru . Miller a jeho tým vyvinuli několik nových nereaktivních chlorfluoruhlovodíkových polymerů , které byly použity v této práci [16] .
Kalutrony byly neefektivní a drahé na stavbu a provoz. Jakmile byly překonány technické překážky vzniklé procesem plynné difúze a kaskády plynné difúze byly v Oak Ridge v roce 1945 zprovozněny, všechny calutrony byly odstaveny. Metoda plynné difúze se pak stala preferovanou metodou pro získávání obohaceného uranu [6] .
Během výstavby na počátku 40. let 20. století patřily závody na difúzi plynu mezi největší budovy, které kdy byly postaveny. Velké plynové difúzní elektrárny byly postaveny Spojenými státy, Sovětským svazem (včetně závodu nyní umístěného v Kazachstánu ), Británií , Francií a Čínou . Většina z nich již byla uzavřena nebo se očekává, že budou uzavřeny, protože nejsou schopny ekonomicky konkurovat novým technologiím obohacování. Některé technologie používané v čerpadlech a membránách jsou však stále přísně tajné a některé materiály, které byly použity, zůstávají předmětem kontroly vývozu v rámci pokračujících snah o kontrolu šíření jaderných zbraní .
Celkem byly v USA vybudovány tři plynové difúzní elektrárny, které v období špičky spotřebovaly 7 % elektřiny vyrobené v USA.
V SSSR byl prvním závodem na difúzi plynu Uralský elektrochemický závod ve Sverdlovsku (nyní Jekatěrinburg ). V roce 1953 zde bylo v provozu 15 000 plynových difúzních zařízení. V 50. letech 20. století byly v SSSR postaveny další tři závody:
V období vrcholné produktivity spotřebovaly čtyři elektrárny 3 % elektřiny vyrobené v SSSR.
V roce 1956 byl uveden do provozu závod v Capenhurstu ( Velká Británie ), v roce 1960 - v okolí Hangzhou ( Čína , za technické pomoci SSSR), v roce 1964 - v Pierrelatte a Tricasten ( Francie ).
V roce 2008 závody na plynnou difúzi ve Spojených státech a Francii stále produkovaly 33 % světového obohaceného uranu [15] . Francouzský závod však byl v květnu 2012 trvale uzavřen [17] a závod v Paducah , ks. Kentucky , provozovaný United States Enrichment Corporation (USEC) (poslední plně funkční závod na obohacování uranu v USA využívající proces plynné difúze [7] [1] ), ukončil činnost v roce 2013 [18] . Jediné takové zařízení ve Spojených státech, Portsmouth Gas Diffusion Plant v pc. Ohio, uzavřeno v roce 2001 [7] [19] [20] . Od roku 2010 je lokalita Ohio využívána především francouzským konglomerátem AREVA k přeměně ochuzeného UF 6 na oxid uraničitý [21] [22] .
V současné době je technologie plynné difúze zastaralá a je univerzálně nahrazována technologií plynové odstředivky , která vyžaduje méně energie k výrobě ekvivalentního množství obohaceného uranu. Francouzská společnost AREVA nahradila jednotku pro difúzi plynu Georges Besse odstředivkou Georges Besse II [2] .
![]() |
---|