Результат интеллектуальной деятельности: Способ обогащения газообразных изотопных смесей и газовая центрифуга для его осуществления

Изобретения относятся к области обогащения изотопных газообразных смесей (например, смесь изотопов U₂₃₅ и U₂₃₈), малоразличимых между собой по молекулярному весу, но имеющих отличия в уровне радиоактивности.

Известны «Способ разделения газообразных смесей на фракции с различным удельным весом и газовая центрифуга для его осуществления» (патент РФ №2545286, МПК B01D 59/20, В04В 5/08 (2006.01), Оп. 27.03.15 №9). Указанный способ включает в себя вращение и ускорение газообразной смеси с помощью центрифуги, перемещение смеси в радиальном направлении, образование турбулентного потока у внешнего края центрифуги, отбор фракций в разных зонах турбулентного потока. Разделение газообразных смесей на фракции с различным удельным весом производят с помощью газовой центрифуги, содержащей герметичный неподвижный корпус в виде вертикального цилиндра, соосно размещенный в нем вращающийся ротор, отборные трубки разделенных фракций, соединенные с каналами для их вывода, имеющие расположенные на разной высоте горизонтальные участки с радиально удаленными от продольной оси корпуса входными отверстиями, размещенное внизу корпуса впускное отверстие для подвода исходной газовой смеси. Ротор выполнен в виде вала, снабженного по крайней мере одной жестко закрепленной на нем лопаткой с выступающим элементом, горизонтальные участки отборных трубок легкой и тяжелой фракций размещены внутри каждой лопатки, при этом входные отверстия отборных трубок расположены на выступающем элементе каждой лопатки в разных зонах турбулентности, а каналы вывода разделенных фракций выведены наружу через вал ротора. Данный способ и газовая центрифуга выбраны в качестве прототипа для заявляемых способа и устройства.

К недостаткам приведенных способа и газовой центрифуги относятся требование точной установки входных отверстий отборных трубок в разных турбулентных зонах, в которых необходимо поддерживать постоянные параметры, включающие в себя и выдержку концентрации изотопов в заданных соотношениях. Кроме того, при сборке установок в каскадный ряд возникает необходимость настройки каждой центрифуги на особые параметры, так как динамические зоны высокого и низкого давления в турбулентном потоке, в которые выставлены отборные трубки, для каждой концентрации обогащенной фракции могут иметь разные места расположения, что крайне неудобно при большом (десятки тысяч) количестве центрифуг.

Техническая задача, на решение которой направлены заявляемые изобретения, заключается в создании более простого способа, и центрифуги, обеспечивающих повышение уровня обогащения газовой изотопной смеси в одной центрифуге.

Решение технической задачи обеспечивается тем, что в заявляемом способе обогащения газообразных изотопных смесей, включающем вращение и ускорение смеси с помощью газовой центрифуги, перемещение смеси в радиальном направлении, образование турбулентного потока у внешнего бокового края центрифуги, отбор обогащенной и обедненной фракций из турбулентного потока, в отличие от прототипа отбор фракций осуществляют в одной зоне турбулентного потока. Смесь фракций выводят из центрифуги, в процессе перемещения смеси вне центрифуги определяют концентрацию изотопа в смеси, затем производят ее разделение на обогащенную и обедненную фракции путем направления смеси с концентрацией изотопа, равной или выше заданного значения, по одному каналу, а смеси с концентрацией изотопа ниже заданного значения - по другому.

Решение технической задачи обеспечивается также тем, что в заявляемой газовой центрифуге, содержащей герметичный неподвижный корпус в виде вертикального цилиндра, соосно размещенный в нем вращающийся ротор, выполненный в виде вала, снабженного по крайней мере одной жестко закрепленной на нем лопаткой, выступающий элемент для формирования турбулентного потока, канал вывода смеси с входным отверстием, размещенным у внешнего бокового края центрифуги в зоне турбулентного потока, впускное отверстие для подвода исходной смеси, в отличие от прототипа выступающий элемент закреплен на внутренней боковой поверхности корпуса центрифуги, входное отверстие размещено за выступающим элементом по ходу движения газовой смеси, на части канала вывода, расположенной снаружи центрифуги, выполнено снабженное перепускным клапаном-переключателем разветвление на два канала, а также до разветвления размещен спектрометр, выход которого соединен с входом ЭВМ, выход которой подключен к входу электромеханического преобразователя перепускного клапана-переключателя.

Отбор смеси обогащенной и обедненной фракций в одной зоне турбулентного потока, вывод смеси фракций из центрифуги позволяют упростить способ и центрифугу за счет исключения необходимости точной установки входных отверстий отборных трубок в разных зонах турбулентности.

Определение концентрации изотопа в смеси вне центрифуги, затем ее разделение на обогащенную и обедненную фракции путем направления смеси с концентрацией изотопа, равной или выше заданного значения, по одному каналу, а смеси с концентрацией изотопа ниже заданного значения - по другому обеспечивают повышение уровня обогащения газовой изотопной смеси в одной центрифуге, что приводит к значительной экономической выгоде по причине уменьшения количества центрифуг для получения заданной концентрации изотопа U235 в газовой урановой смеси.

Изобретения поясняется чертежом, на котором схематично изображена заявляемая газовая центрифуга, поясняющая работоспособность заявляемого способа.

Заявляемая газовая центрифуга содержит герметичный неподвижный корпус 1 в виде вертикального цилиндра, соосно размещенный в нем вращающийся ротор, выполненный в виде вала 11, снабженного по крайней мере одной жестко закрепленной на нем лопаткой 2, выступающий элемент 3 для формирования турбулентного потока, закрепленный на внутренней боковой поверхности корпуса 1 центрифуги, канал 5 вывода смеси с входным отверстием, размещенным у внешнего бокового края центрифуги в зоне 4 турбулентного потока за выступающим элементом 3 по ходу движения газовой смеси, впускное отверстие 12 для подвода исходной смеси.

На части канала вывода 5, расположенной снаружи центрифуги, выполнено снабженное перепускным клапаном-переключателем 7 (например, USVR1) разветвление на два канала 9 и 10, а также до разветвления размещен спектрометр 6 (например, MATRIX-F), выход которого соединен с входом ЭВМ 8, выход которой подключен к входу электромеханического преобразователя перепускного клапана-переключателя 7.

Заявляемый способ обогащения газообразных изотопных смесей осуществляется следующим образом.

С помощью лопаток 2 центрифуги осуществляют вращение и ускорение газообразной смеси, содержащей изотопы U₂₃₅ и U₂₃₈, перемещают смесь в радиальном направлении, с помощью выступающего элемента 3 образуют турбулентный поток у внешнего бокового края центрифуги, в зоне 4 турбулентного потока отбирают смесь обогащенной и обедненной фракций, затем изотопную смесь выводят из центрифуги по каналу 5. При турбулентности создаются динамические локальные зоны, имеющие чередование высоких и низких давлений, в которых в свою очередь образуется разная концентрация изотопов урана (чередование обогащенных и обедненных фракций).

При помощи спектрометра 6, размещенного до разветвления на наружной части канала 5 вывода, определяют концентрацию изотопа в смеси, от которого передается информация на ЭВМ (мини-компьютер) 8 с соответствующим программным обеспечением, далее, в зависимости от полученного сигнала, поступившего на вход электромеханического преобразователя, перепускной клапан-переключатель 7 переводится в одно из двух положений, в одном из которых изотопная смесь с концентрацией изотопа, равной или выше заданного значения поступает в канал 9, а в другом изотопная смесь с содержанием изотопа ниже заданного значения поступает в другой канал 10.

Далее газовая смесь из канала 9 с повышенным содержанием изотопа поступает в следующую центрифугу, где аналогичным образом еще выше повышается концентрация изотопа в газовой урановой смеси.

Таким образом обеспечивается повышение уровня обогащения газовой изотопной смеси в одной центрифуге, что приводит к значительной экономической выгоде по причине уменьшения количества центрифуг для получения заданной концентрации изотопа в газовой урановой смеси.

Применяя стандартную многоступенчатую процедуру для урановых центрифуг, можно довести концентрацию изотопа урана U₂₃₅ до требуемых значений.

Кроме того, при наработке экспериментальных данных о времени прохождения изотопной смеси U₂₃₅ требуемой концентрации возможна установка временного устройства, отсекающего заданный объем газовой смеси.

Заявляемые способ обогащения газообразных изотопных смесей и газовая центрифуга позволяют получить заданную концентрацию изотопа U₂₃₅, применяя существенно меньшее количество центрифуг. Кроме того, настраивая должным образом спектрометр на более высокое содержание изотопа U₂₃₅, можно еще больше сократить количество требуемых центрифуг, но при этом потребуется больше времени и более точный спектрометр.