Оборудование процессов обогащения изотопов урана

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оборудование процессов обогощения изотопов урана

Для получения высокой удельной энерговыработки в реакторах на тепловых нейтронах, составляющих основу современной ядерной энергетики, требуется ядерное топливо с более высоким содержанием²³⁵U, чем в уране природного состава, т.е. необходим обогащенный уран. Поэтому весь добытый природный уран поступает для обогащения по ²³⁵U на разделительный (газодиффузионный или центрифужный) завод после предварительного фторирования, т.е. в виде UF6.

Производство гексафторида урана UF6 для обогатительных заводов проводится на специальных установках. Для этого широко используются очистительно-фторидный процесс и процесс получения UF6 сухим способом.

Очистительно-фторидный процесс включает экстракцию урана из нитратного раствора, который промывается водой для удаления примесей. Затем уран экстрагируется в разбавленный раствор азотной кислоты (0,01% HNO3), а образовавшийся оксид урана восстанавливается водородом до UO2, который преобразуется в UF4(зеленая соль) реакцией с газообразным UF, а затем UF4превращается в UF6в реакции с газообразным фтором.

Процесс получения UF6 сухим способом включает восстановление в жидком виде, гидрофторирование и затем фторирование UO2. После этого UF6 дважды очищается для получения чистого продукта (рис. 6.6).

Обогащение урана осуществляется методом газовой диффузии UF6через пористые мембраны-фильтры. Максимальное теоретическое разделение изотопов при одноступенчатом процессе определяется отношением масс молекул газа UF6 и атомов 235U и 238U и равно 1,00429, поэтому необходимо многоступенчатое разделение.

Чтобы получить требуемое для топлива обогащение 4%-ным изотопом 235U, необходим каскад в 1500 ступеней (общая длина такого каскада составляет несколько километров). На каждой ступени газ после диффузии через мембрану-фильтр нагнетается в следующую ступень, а остальная часть газа (50%) возвращается в предыдущую (ступень представляет собой один или несколько разделительных элементов, соединенных параллельно).

Во всех элементах одной ступени исходный продукт, продукция и отвальная фракция имеют один и тот же изотопный состав. Необходимый изотопный состав (обогащение) может быть достигнут путем соединения нескольких ступеней, что и представляет собой разделительный каскад.

На заводах по изотопному разделению в основном используются противоточные каскады, в которых отвал одной ступени используется для разделения в предыдущей ступени (рис. 6.7).

Критерием оценки процесса обогащения является коэффициент разделения или коэффициент обогащения. На современных обогатительных заводах содержание 235U в обедненной фракции составляет 0,2-0,3%. В будущем ожидается снижение этой величины до уровня 0,1%, что приведет к уменьшению потребления природного урана.

Рис. 1 Схема процессов получения чистых продуктов UO2, UF6 и металлического урана

Рис. 2 Схемы разделительного элемента, разделительной ступени и разделительного каскада на обогатительных заводах: 1 - разделительный элемент; 2 - каскад; 3 - ступень S-1; 4 - ступень S; 5 - ступень S+1

Количественной мерой работы является единица разделительной работы (ЕРР). Она имеет размерность массы и выражается в килограммах (тоннах) ЕРР. Производительную мощность заводов по обогащению принято выражать в тоннах ЕРР в год. Потребление энергии на единицу разделительной работы выражается в кВт·ч/кг ЕРР.

В настоящее время обогащение урана осуществляется главным образом методом газовой диффузии, стоимость которого высока, ~120 дол. США за единицу разделительной работы (ЕРР). Затраты на обогащение урана сравнимы со стоимостью природного урана, расходуемого на получение обогащенного.

При обогащении до 3,6-4,4% требуется работа разделения 5,64-7,46 ЕРР на килограмм обогащенного продукта, коэффициент расхода природного урана - 6,65-8,21 (при содержании 235U в отвале 0,2%). В Европе, США, Японии освоена технология разделения изотопов урана методом газовой центрифуги, который более экономичен и позволяет снизить затраты на разделительную работу до ~90 дол./ЕРР и ниже при наличии малых мощностей (табл. 3). Другие методы - метод разделительного сопла и метод Геликона, основанные на аэродинамических процессах, - применяются на опытных установках. Благодаря развитию центрифужной и лазерной технологии разделения изотопов урана цены на разделительные работы с течением времени снижаются (до 60 дол./ЕРР и ниже, рис. ).

Таблица 3

Характеристики некоторых центрифуг

Рис. 4 Опубликованная Министерством энергетики США стоимость разделительных работ по обогащению урана на период 1985-2005 гг

Промышленное производство обогащенного урана является одной из наиболее сложных и капиталоемких отраслей атомной энергетики. Не все страны мира обладают такой технологией. В таблицах 6.7 и 6.8 приведены показатели действующих газодиффузионных заводов и рост разделительных мощностей в США, составляющих 2/3 всех мощностей разделительных заводов зарубежных стран.

Основные производственные мощности по обогащению урана в мире сосредоточены на газодиффузионных заводах США и Франции. Несмотря на большие успехи в развитии конкурирующего центрифужного метода и его преимущества, в ближайшие 10-15 лет главную роль в обеспечении ядерной энергетики развитых стран обогащенным ураном будут выполнять газодиффузионные заводы. Их разделительные мощности составили в 1985 г. 94%, а к 1990 г. снизились до 80% всех производственных мощностей по обогащению урана.

Таблица 5

Показатели некоторых действующих и реконструируемых газодиффузионных заводов

Таблица 6

Рост разделительных мощностей в некоторых странах, 106ЕРР

Представляют интерес показатели сооруженного в 1975-1982 гг. во Франции, в Трикастене (близ Пьерлата), крупнейшего в мире газодиффузионного завода мощностью 10,8 млн. ЕРР/год. Строительство этого завода осуществлено фирмой «Евродиф».

Услугами этого завода по обогащению урана намерены воспользоваться страны, непосредственно не участвующие в финансировании строительства.

Для снабжения завода электроэнергией рядом с ним сооружена АЭС мощностью 3720 МВт с четырьмя реакторами PWR по 930 МВт. К заводу, кроме того, подведены линии электропередачи 220 и 420 кВ от национальной энергосистемы. Общий вид площадки завода и АЭС показан на рисунке 6.9.

Завод фирмы «Евродиф» размещен на территории площадью 230 га, а АЭС -- на 50 га. Проектная стоимость всех сооружений комплекса «Евродиф» оценивается в - 15 млрд. франков (4 млрд. дол. США). Около 50 % этой суммы приходится на АЭС. В комплекс завода входит большой цех гальванопокрытий. Никелевые покрытия для предотвращения коррозии наносятся на все поверхности оборудования, контактирующие с весьма химически активным гексафторидом урана.

Рис. 7 Общий вид газодиффузионного завода фирмы «Евроднф» и АЭС в Трикастене (Франция): 1 - здания завода; 2 - градирни; 3 - турбинный зал АЭС; 4 - реакторы АЭС

Площадь таких поверхностей 40000 м².

Оборудование завода фирмы «Евродиф» отражает современный уровень технического развития и экономики газодиффузионной технологии обогащения урана. Разделительная мощность завода позволяет обеспечить в год получение слабообогащенного урана (х=3,15% приу=0,2 %) в количестве, достаточном для эксплуатации в течение одного года АЭС с реакторами PWR суммарной мощностью 75-80 млн. кВт.

Производительность большой ступени этого завода в 2 раза выше производительности самой крупной ступени американского завода в Падьюке (10800 и 5540 ЕРР/год соответственно). К разработкам и поставкам основного технологического оборудования завода фирмы «Евродиф» были привлечены известные крупные машиностроительные фирмы Франции, Италии и других западноевропейских стран. К экономичности и надежности компрессорных агрегатов, являющихся основными потребителями электроэнергии на диффузионном заводе, были предъявлены весьма высокие требования.

Суммарная установленная мощность электродвигателей составляет 3300 МВт, а потребляемая - 3100 МВт, что при~р=0,98 определяет годовое потребление электроэнергии 25 - 26 млрд. кВт·ч.

На 1 ЕРР здесь потребляется 2370 кВт·ч, в то время как на заводах США, построенных в 1950-х годах, до их модернизации потреблялось 3000 кВт·ч/ЕРР. Высокая энергоемкость газодиффузионной технологии определяется весьма большими затратами электроэнергии на прокачку компрессорами газообразного UF6. На заводе фирмы «Евродиф» всеми компрессорами (1400 разделительных ступеней) прокачивается за год 5,5 млрд. т газа, или 15 млн. т/сут. На изготовление и поставку компрессорных агрегатов затрачен 1 млрд. дол., или 50% всех капиталовложений в завод.

Завод фирмы «Евродиф» скомпонован из нескольких прямоугольных каскадов, размещенных в четырех зданиях, соединенных между собой. Конструкция ступеней и их соединение в каскад показаны на рисунке 8.

Рис. 8 Конструкция ступеней и их соединение в каскад: 1 - делитель с трубчатыми пористыми перегородками; 2 - холодильник; 3 - осевой компрессор; 4 - электродвигатель; т.ф. - тяжелая фракция; л.ф. - легкая фракция; ох.ж. - охлаждающая жидкость

Рис. 9 Установка ротора осевого компрессора (3500 кВт) в сборку корпуса статора

обогатительный уран компрессор гексафторид

Рисунки 9-11 дают наглядное представление о наиболее сложном конструкционном узле диффузионной ступени - компрессорном агрегате, оборудованном сверхзвуковыми осевыми многоступенчатыми компрессорами и асинхронными электродвигателями большой мощности.

Примечательная особенность конструкции диффузионных ступеней и компоновки французского завода - их большая компактность благодаря вертикальному расположению. Все три типа ступеней идентичны.

Герметичный бак-делитель, не требующий в процессе эксплуатации обслуживания, а также газопроводы расположены на отдельном этаже, образующем изолированное термостатированное помещение, где может поддерживаться температура 60°С, исключающая конденсацию гексафторида урана при рабочем давлении 600--700 мм рт. ст. (0,1 МПа). Компрессоры, холодильники и электродвигатели, требующие периодического обслуживания и ремонта, размещаются в верхнем помещении. Диффузионные агрегаты объединены в каскады в виде блоков -- ячеек, включающих по 20 ступеней. Отдельные блоки при необходимости с помощью клапанов могут отключаться от действующих каскадов.

Рис. 10 Ротор осевого сверхзвукового компрессора диффузионной ступени

Рис. 11 Компрессорные агрегаты (600, 1500 и 3500 кВт) трех диффузионных ступеней завода фирмы «Евродиф»

Размещено на Allbest.ru