Исследование возможности проведения изотопного обмена в диоксиде углерода в каскаде газовых центрифуг Studying the possibility of carrying out isotope exchange in carbon dioxide in gas centrifuge cascades Текст научной статьи по специальности «Ядерная техника»

Научная статья на тему 'Исследование возможности проведения изотопного обмена в диоксиде углерода в каскаде газовых центрифуг' по специальности 'Ядерная техника' Читать статью
Pdf скачать pdf Quote цитировать Review рецензии ВАК
Авторы
Коды
  • ГРНТИ: 58.29 — Получение изотопов
  • ВАК РФ: 02.00.14; 05.04.11
  • УДK: 621.039.3;621.039.554
  • Указанные автором: УДК: 621.039.342.001.53,541.128.5

Статистика по статье
  • 123
    читатели
  • 40
    скачивания
  • 0
    в избранном
  • 0
    соц.сети

Ключевые слова
  • КАСКАД
  • ИЗОТОПНЫЙ ОБМЕН
  • ДИОКСИД УГЛЕРОДА
  • РЕАКТОР ИЗОТОПНОГО ОБМЕНА
  • КАТАЛИЗАТОР

Аннотация
научной статьи
по ядерной технике, автор научной работы — Скорынин Геннадий Михайлович, Орлов Алексей Алексеевич, Сенченко Владимир Васильевич

Проведено исследование применения реакций изотопного обмена при получении высокообогащенных изотопов углерода в каскаде газовых центрифуг, работающих на диоксиде углерода, и испытание опытного реактора изотопного обмена с никелевым катализатором. Показана принципиальная возможность применения реакций и реактора изотопного обмена для получения высокообогащенных изотопов углерода в каскаде газовых центрифуг.

Abstract 2008 year, VAK speciality — 02.00.14;05.04.11, author — Skorynin Gennadiy Mihaylovich, Orlov Aleksey Alekseevich, Senchenko Vladimir Vasilievich, Bulletin of the Tomsk Polytechnic University

Application of isotope exchange reactions obtaining highly enriched carbon isotopes in gas centrifuge cascades operating on carbon dioxide has been studied and pilot reactor of isotope exchange with nickel catalyst has been tested. The possibility in principle of applying the reactions and isotope exchange reactor for obtaining highly enriched carbon isotopes in gas centrifuge cascade was showed.

Научная статья по специальности "Получение изотопов" из научного журнала "Известия Томского политехнического университета", Скорынин Геннадий Михайлович, Орлов Алексей Алексеевич, Сенченко Владимир Васильевич

 
Читайте также
Читайте также
Читайте также
Рецензии [0]

Похожие темы
научных работ
по ядерной технике , автор научной работы — Скорынин Геннадий Михайлович, Орлов Алексей Алексеевич, Сенченко Владимир Васильевич

Текст
научной работы
на тему "Исследование возможности проведения изотопного обмена в диоксиде углерода в каскаде газовых центрифуг". Научная статья по специальности "Получение изотопов"

УДК 621.039.342.001.53,541.128.5
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПРОВЕДЕНИЯ ИЗОТОПНОГО ОБМЕНА В ДИОКСИДЕ УГЛЕРОДА В КАСКАДЕ ГАЗОВЫХ ЦЕНТРИФУГ
Г.М. Скорынин, А.А. Орлов*, В.В. Сенченко
ОАО ПО «Электрохимический завод», г. Зеленогорск *Томский политехнический университет E-mail: orlov@phtd.tpu.edu.ru
Проведено исследование применения реакций изотопного обмена при получении высокообогащенных изотопов углерода в каскаде газовых центрифуг, работающих на диоксиде углерода, и испытание опытного реактора изотопного обмена с никелевым катализатором. Показана принципиальная возможность применения реакций и реактора изотопного обмена для получения высокообогащенных изотопов углерода в каскаде газовых центрифуг.
Ключевые слова:
Каскад, изотопный обмен, диоксид углерода, реактор изотопного обмена, катализатор.
Введение
При разделении изотопов кинетическими методами, например центрифугированием, иногда приходится использовать рабочие вещества, представляющие собой химические соединения нескольких полиизотопных элементов. В этом случае данное соединение можно рассматривать как некую смесь различных массовых компонент, являющихся в свою очередь совокупностью молекул равных по массе, но различных по изотопному составу (изобарные молекулы). В результате этого целевой изотоп может одновременно находиться в нескольких компонентах различных по массе, а молекулы одной массовой компоненты могут содержать несколько различных изотопов одного элемента. В этом случае говорят об изотопном перекрытии.
Изотопные перекрытия создают значительные трудности при разделении изотопов методами, в которых основной разделительный эффект обусловлен разностью молекулярных масс, ограничивая максимальное обогащение целевым изотопом в разделительных каскадах некоторой предельной величиной. Поэтому с помощью одного метода невозможно получить изотопный продукт высокого обогащения (выше 90 %).
Это ограничение можно преодолеть несколькими способами [1], одним из которых является использование всей совокупности реакций изотопного обмена, проводимых непосредственно в разделительном каскаде, в результате которых рабочее вещество в обеих фракциях каскада будет стремиться перейти в равновесное состояние, утраченное в каскаде в процессе разделения вследствие изотопного перекрытия. При этом в тяжелой фракции каскада легкие изотопы будут переходить из более тяжелых в более легкие массовые компоненты, а тяжелые, в свою очередь, из более легких - в более тяжелые. Ранее эту проблему пробовали решить, используя лазерный метод разделения. Обогащение в данном случае не превышало 30 %.
Целью работы являлось исследование возможности проведения реакций изотопного обмена в
диоксиде углерода непосредственно в каскаде газовых центрифуг и получения высокообогащенного изотопа 13С.
Методика эксперимента
Проведение изотопного обмена в каскадах газовых центрифуг связано с целым рядом конструктивных и параметрических ограничений:
• реакция изотопного обмена должна быть гомо-молекулярной, протекать в одной фазе в специальном устройстве - реакторе изотопного обмена (далее реакторе);
• скорость протекания реакции должна быть достаточно высокой при низком давлении, соизмеримом с давлением в каскадных коммуникациях, и при сравнительно низкой температуре (повышение температуры газа отрицательно влияет на прочность ротора газовых центрифуг) для чего необходимо использование эффективного катализатора;
• конструкция реактора должна обеспечивать отсутствие выноса мелких частиц катализатора во внутренние полости каскада;
• реактор должен иметь компактные размеры, так как компоновка ступеней каскада не допускает установку в схему дополнительных устройств большого размера.
В соответствии с вышеперечисленными требованиями для проведения исследований был изготовлен опытный реактор изотопного обмена (рис. 1), представляющий собой цилиндрический сосуд - 1 объёмом ~10 л, имеющий фланцевые соединения -2 для засыпки катализатора - 3 и два вентиля - 4 для подачи и отвода рабочего газа. Во внутренней полости реактора перед входным и выходным патрубками помещалась мелкоячеистая металлическая сетка-фильтр - 5, отделяющая их от объёма с катализатором. В местах вакуумных уплотнений использовали прокладки из фторопласта - 4.
В качестве рабочего вещества был выбран диоксид углерода (СО2), полученный в тяжелой фрак-
Известия Томского политехнического университета. 2008. Т. 313. № 3
ции каскада центрифуг и имеющий неравновесный состав.
чтн
1
Ч=№
4%-
И±Н
2
i роророророророр . I одододододододо . г ророро 3 иоророр
? ододод 3 эдододо 5
□ опоаоиъ-аопопоп одододододододо роророророророр

н±н
Рис 1. Реактор изотопного обмена
Проведение реакции изотопного обмена при повышенной температуре обеспечивалось использованием подключаемого через лабораторный автотрансформатор (ЛАТР) внешнего ленточного нагревателя, намотанного по наружной поверхности реактора.
В качестве катализатора использовался измельченный материал никелевых фильтров газодиффузионного производства. Выбор данного материала обусловлен его высокой удельной поверхностью, которая была предварительно определена методом низкотемпературной абсорбции и составила —3.105 м2/кг, а также на основе имеющейся в литературе информации [2, 3] о высокой каталитической активности оксида никеля в отношении реакции изотопного обмена в молекулах СО2.
Для исследования возможности и условий проведения реакции изотопного обмена в каскаде использовалась установка (рис. 2), в составе которой испытывался вышеуказанный реактор.
12 У
Я? 4 ^УГс -1—' -I—
откачка
с жидким азотом. Необходимый расход газа задавался положением регулирующего вентиля - 4 и контролировался оптическим манометром - 9 по давлению перед тарированной расходомерной шайбой - 3. Давление в реакторе определялось положением регулировочного вентиля - 14. Для изменения температурного режима процесса реактор подогревался снаружи с помощью ленточного нагревателя - 11. Напряжение для его питания подавалось через ЛАТР. Для возможности передвижения газа, минуя реактор, был предусмотрен байпас-ный вентиль - 10. Время эксперимента определялось выбранным расходом газа. По окончанию процесса производился масс-спектрометрический анализ молекулярного состава СО2 в емкости конденсации. Газ из емкости конденсации собирался в баллон - 7. По результатам масс-спектрометриче-ских анализов рассчитывалась эффективность работы реактора по формуле:
I =
1
^ (Сн р Ср ио)
^ (Сн р Ср)
: 100%,
Рис 2. Установка для исследования эффективности реактора изотопного обмена: 1) баллон с неравновесным СО2; 2) емкость; 3) расходомерная шайба; 4) регулировочный вентиль; 5) реактор изотопного обмена; 6) емкость конденсации; 7) баллон для сбора СО2; 8) ЛАТР; 9) оптический манометр; 10) байпасный вентиль; 11) ленточный нагреватель; 12) манометр; 13) сосуд Дьюара; 14) регулировочный вентиль
Емкость - 2 заполнялась из баллона - 1 неравновесным СО2 до давления — 100 гПа, контролируемого с помощью манометра - 12. С помощью масс-спектрометра МИ-1201 производился анализ молекулярного состава СО2 и изотопного состава углерода и кислорода в емкости - 2. После этого СО2 подавался с определенным расходом, соответствующим межступенному потоку в каскаде в реактор изотопного обмена - 5 и собирался в емкости конденсации - 6, помещенной в сосуд Дьюара - 13
где 1 - количество массовых компонент; СНР, СрИО -измеренные концентрации массовых компонент исходного неравновесного СО2 и СО2 после реактора изотопного обмена; СР - расчетные равновесные концентрации массовых компонент СО2.
Полному изотопному обмену соответствует значение эффективности, равное 100 %. Расчет равновесных концентраций массовых компонент СО2 проводился по изотопному составу кислорода и углерода решением комбинаторной задачи по методике [1].
Экспериментальные результаты
Эффективность работы реактора изотопного обмена исследована в диапазоне расходов (2,5...14). 10-6 кг/с при давлении —300 Па и температуре 296 К. Была произведена также оценка влияния повышения рабочей температуры реактора до 353 К и увеличение на —50 % плотности засыпки катализатора на скорость реакции изотопного обмена. Данные представлены на рис. 3 в виде полиномиальной зависимости эффективности изотопного обмена от расхода СО2 через реактор.
По результатам проведенного исследования можно заключить, что при увеличении расхода газа через реактор с 2,5.10-6 до 14.10-6 кг/с эффективность его работы снизилась примерно на 44 %.
Увеличение плотности засыпки катализатора привело к повышению эффективности работы реактора в среднем на —15 %. Наиболее значительное увеличение данной величины во всем исследуемом диапазоне расходов наблюдалось при увеличении рабочей температуры реактора изотопного обмена.
Обсуждение результатов
Исследования показали принципиальную возможность использования реакций изотопного об-
мена в диоксиде углерода для получения высоко-обогащенных (более 99 %) изотопов углерода в центробежном каскаде.
В результате проведенных исследований испытан опытный реактор изотопного обмена и отработана методика проведения исследований. Исследованы различные режимы работы реактора изотопного обмена (температурный, по расходу газа и плотности засыпки катализатора). На основе данных исследований разработан новый способ получения высокообогащенного изотопа 13С в каскаде газовых центрифуг с использованием реактора изотопного обмена [4].
Рис. 3. Зависимость эффективности реактора изотопного обмена от расхода ^2
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Сазыкин А.А. Некоторые проблемы разделения полиизотопных смесей кинетическими методами // Физико-химические процессы при селекции атомов и молекул: Сб. докл. 3-ей Все-росс. научной конф. - 05.10-09.10.1998, г. Звенигород. - Звенигород, 1998. - С. 103-110.
2. Боресков Г.К. Гетерогенный катализ. - М.: Наука, 1986. -304с.
3. Боресков Г.К. Катализ. Вопросы теории и практики. Избранные труды / Под ред. К.И. Замараева, Г.И. Панова. - Новосибирск: Наука, 1987. - 536 с.
По описанной методике можно исследовать изотопный обмен в других рабочих веществах, использующихся для получения различных изотопов на каскадах газовых центрифуг. При этом необходимо будет подобрать соответствующие катализаторы, обладающие достаточной активностью по отношению к реакциям изотопного обмена в молекулах данных веществ, и оценить эффективность работы реактора изотопного обмена с данными катализаторами в центрифужных каскадах.
Выводы
1. Показана принципиальная возможность проведения изотопного обмена в диоксиде углерода в процессе получения высокообогащенного изотопа 13С центробежным способом.
2. Исследованы различные режимы работы реактора изотопного обмена.
3. Реактор изотопного обмена испытан в составе каскада газовых центрифуг. Показано, что его использование позволяет получить изотоп 13С с обогащением выше 99 %.
4. На основании проведенных исследований разработан новый метод разделения изотопов 13С, признанный изобретением.
4. Пат. 2236895 РФ. МПК7 B01D 59/20. Центробежный способ получения высокообогащенного изотопа 13С и устройство для проведения реакций изотопного обмена в каскаде газовых центрифуг / И.И. Пульников, А.В. Рябухин, В.В. Сенченко, Г.А. Шарин, А.А. Палиенко. Заявлено 10.04.2002; Опубл. 27.10.2003; Бюл. № 30 - 3 с.
Поступила 28.03.2008 г.

читать описание
Star side в избранное
скачать
цитировать
наверх