Методы расчета и оптимизации каскадов для разделения бинарной и многокомпонентной смесей изотопов урана : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук : 05.14.03
ВВЕДЕНИЕ …………………………………………………………………………………… 6
ОБЗОР МЕТОДОВ РАСЧЕТА И ОПТИМИЗАЦИИ КАСКАДОВ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ИЗОТОПОВ ……………………………………………………………………. 12
Модельные каскады для разделения бинарных смесей изотопов .. 12
Модельные каскады для разделения многокомпонентных смесей изотопов …………………………………………………………………………………………………. 21
1.2.1. Параметры и уравнения ординарного каскада ……………………….. 21
1.2.2. Квазиидеальный каскад …………………………………………………………. 23
1.2.3. R-каскад………………………………………………………………………………… 25
1.2.4. Q-каскад ……………………………………………………………………………….. 26
1.2.5. Оптимизация каскада с заданными внешними концентрациями
целевого изотопа ………………………………………………………………………………………. 28
1.2.6. Расчет и оптимизация каскадов с несколькими питаниями по срезам парциальных потоков …………………………………………………………………….. 30
1.2.7. Оценка содержания минорных изотопов урана в каскадах, оптимизированных по 235U ………………………………………………………………………… 32
2
1.2.8. Оптимизация каскадов газовых центрифуг для разделения регенерированного урана ………………………………………………………………………….. 34
Восстановление изотопного состава регенерированного урана в каскадах …………………………………………………………………………………………………. 36
1.3.1. Сравнительная характеристика регенерированного урана………. 36
1.3.2. Обогащение регенерированного урана с разбавлением природным
сырьем и отвальным ураном ……………………………………………………………………… 37
1.3.3. Восстановление изотопного состава в отдельном каскаде………. 38
1.3.4. Восстановление изотопного состава в двойных каскадах……….. 39
МЕТОДЫ ОПТИМИЗАЦИИ МНОГОПОТОЧНЫХ КАСКАДОВ
ГАЗОВЫХ ЦЕНТРИФУГ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ БИНАРНОЙ СМЕСИ ИЗОТОПОВ УРАНА …………………………………………………………………………………. 40
Моделирование многопоточного каскада газовых центрифуг для разделения бинарной смеси изотопов урана………………………………………………….. 40
2.1.1. Модель каскада газовых центрифуг для разделения 235, 238U …… 40
2.1.2. Оптимизация и подбор параметров каскада …………………………… 44
2.1.3. Расчет характеристик эффективности ……………………………………. 46
2.1.4. Компьютерный тренажер «Каскад газовых центрифуг» …………. 47
2.1.5. Задачи для обучения персонала……………………………………………… 52
Моделирование систем каскадов газовых центрифуг методом матричного описания связей ступеней в общей схеме …………………………………… 53
2.2.1. Особенности расчета и оптимизации системы каскадов …………. 54
2.2.2. Результаты моделирования систем каскадов газовых центрифуг .. ……………………………………………………………………………………………… 55
3
МЕТОДЫ РАСЧЕТА ОПТИМАЛЬНЫХ МНОГОПОТОЧНЫХ КАСКАДОВ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ МНОГОКОМПОНЕНТНОЙ СМЕСИ ИЗОТОПОВ УРАНА …………………………………………………………………………………. 60
Аналитическая оценка содержания минорных изотопов урана в каскадах, оптимизированных на обогащение 235U …………………………………………. 60
3.1.1. Основные параметры и уравнения каскада …………………………….. 60
3.1.2. Решение задачи оптимизации………………………………………………… 63
3.1.3. Исследование свойств модельных каскадов …………………………… 65
Аналитическая оценка содержания изотопов слабообогащенного регенерированного урана в каскадах, оптимизированных на обогащение одного из изотопов 232, 234, 235, 236U ……………………………………………………………………………… 67
3.2.1. Описание модели ………………………………………………………………….. 67
3.2.2. Решение задачи оптимизации………………………………………………… 68
3.2.3. Исследование свойств модельных каскадов …………………………… 70
Расчет каскада с несколькими питаниями и отборами по срезам парциальных потоков …………………………………………………………………………………… 72
3.3.1. Основные параметры и уравнения модели …………………………….. 72
3.3.2. Расчет параметров каскада…………………………………………………….. 74
Оптимизация каскадов по срезам парциальных потоков ……………. 77
3.4.1. Оптимизация каскада по критерию максимума разделительной способности ……………………………………………………………………………………………… 77
3.4.2. Оптимизация каскада при заданных концентрациях целевого компонента ………………………………………………………………………………………………80
4
ВОССТАНОВЛЕНИЕ ИЗОТОПНОГО СОСТАВА РЕГЕНЕРИРОВАННОГО УРАНА В КАСКАДАХ…………………………………………… 82
Очистка регенерированного урана в дополнительном отборе R- каскада и его обогащение в ординарном каскаде…………………………………………… 82
4.1.1. Исходные данные для расчета каскадов…………………………………. 82
4.1.2. Результаты расчета каскадов …………………………………………………. 83
Очистка регенерированного гексафторида урана в двухкаскадной схеме при обогащении 235U менее 5% …………………………………………………………… 88
4.2.1. Общие принципы построения схем каскадов …………………………. 88
4.2.2. Двойной каскад с питанием второго каскада отвалом первого .. 89
4.2.3. Двойной каскад с питанием второго каскада отбором первого.. 91
Очистка регенерированного гексафторида урана от 232,234,236U в дополнительном отборе каскада с двумя питаниями …………………………………….. 95
4.3.1. Очистка с использованием на втором питании природного гексафторида урана …………………………………………………………………………………… 95
4.3.2. Очистка с использованием на втором питании отвального гексафторида урана …………………………………………………………………………………… 98
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ……………………………………………………………………………….. 101 СПИСОК ОСНОВНЫХ ОБОЗНА ЧЕНИЙ …………………………………………….. 103 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ …………………………………………………………………….. 105 Приложение А. Примеры контрольных вопросов………………………………….. 115 Приложение Б. Описание задач обучения……………………………………………… 121 Приложение В. Акт внедрения программы……………………………………………. 126 Приложение Г. Справка об использовании программы в ТПУ. ……………… 127 Приложение Д. Справка об использовании программы в НИЯУ МИФИ. . 128
Классическая теория
бинарного разделения изотопов урана 235, 238U в ординарных каскадах была
разработана Коэном [1]. Она ориентирована на оптимизацию процесса разделения
природного гексафторида урана и в основном на первый промышленный способ –
газодиффузионный. В дальнейшем, при переходе к центрифужному способу
методы расчета каскадов были дополнены и развиты в различных работах [2 – 7], а
также в оригинальных разработках на разделительных заводах. Эти методы
позволяют решать задачи расчета каскадов при их оптимизации на обогащение по 235U.
На питании каскадов разделительных заводов помимо природного гексафторида урана используется регенерированный и отвальный, которые в значительной мере могут содержать 232, 234, 236U. Наличие этих изотопов в гексафториде урана и потребность в стабильных изотопах привели к разработке методов расчета каскадов для разделения многокомпонентных смесей [4, 8 – 12]. Однако остались нерешенными ряд задач, в основном для многопоточных каскадов, имеющих несколько питаний различным сырьём и несколько отборов. Другим направлением развития каскадной тематики является изотопное восстановление регенерированного гексафторида урана по 232, 234, 236U. Существующие каскадные методы [13 – 32] имеют различные недостатки, затрудняющие их использование.
Разделительным предприятиям необходим квалифицированный персонал, понимающий физические принципы обогащения урана в каскадах газовых центрифуг. Для их успешного освоения и применения на практике целесообразна разработка компьютерных программ-тренажеров. Разработка и внедрение таких программ – важный аспект развития атомной промышленности.
Целью данной работы является создание новых методов расчета и оптимизации разделения бинарных и многокомпонентных смесей изотопов урана
6
в многопоточных каскадах, разработка новых методов восстановления изотопного состава регенерированного урана. Для достижения поставленной цели решены следующие задачи.
• Разработать численные методы оптимизации процессов разделения бинарной смеси изотопов урана в многопоточных каскадах и системах каскадов газовых центрифуг;
• Разработать аналитический метод оценки содержания многокомпонентной смеси коммерческого природного урана в многопоточном каскаде, оптимизированном по 235U;
• Разработать аналитический метод оценки содержания многокомпонентной смеси слабообогащенного регенерированного урана в многопоточном каскаде, оптимизированном по одному из изотопов 232, 234, 235, 236U;
• Разработать численный метод расчета и оптимизации каскадов с произвольным количеством потоков питания и отбора по парциальным потокам компонентов смеси;
• Провести численные эксперименты по апробации разработанных методов и проанализировать полученные результаты в сравнении с известными;
• На основе созданных численных и аналитических способов расчета и оптимизации многопоточных каскадов разработать различные методы очистки регенерированного урана от изотопов 232, 234, 236U.
Научная новизна работы заключается в том, что впервые:
• Разработаны численные методы оптимизации процессов разделения бинарной смеси изотопов урана в многопоточных каскадах газовых центрифуг, предназначенные для проведения технологических расчетов и обучения
персонала разделительных предприятий;
• Разработан метод оптимизации систем каскадов газовых центрифуг для
разделения бинарных смесей изотопов на основе матричного описания связей ступеней в общей схеме;
7
• Разработан аналитический метод оценки содержания многокомпонентной смеси коммерческого природного урана в многопоточном каскаде, оптимизированном по 235U;
• Разработан аналитический метод оценки содержания многокомпонентной смеси слабообогащенного регенерированного урана в многопоточном каскаде, оптимизированном по одному из изотопов 232, 234, 235, 236U;
• Разработан численный метод расчета и оптимизации каскадов с произвольным количеством потоков питания и отбора по парциальным потокам компонентов смеси;
• Разработан метод очистки регенерированного урана от изотопов 232, 234U в дополнительном потоке отбора R-каскада;
• Разработан и запатентован метод очистки регенерированного урана от изотопов 232, 234, 236U в двойных каскадах с одновременной наработкой низкообогащенного урана из природного;
• Разработан метод очистки регенерированного урана от изотопов 232, 234, 236U в дополнительном отборе каскада с использованием на втором питании природного или отвального урана.
Теоретическая и практическая значимость работы заключается в том, что:
• Компьютерная программа «Каскад газовых центрифуг», разработанная для оптимизации разделения бинарной смеси изотопов урана, в опытном порядке использовалась при проведении технологических расчетов схем каскадов на ОАО «Сибирский химический комбинат»;
• На основе разработанных методов оптимизации создан компьютерный тренажер, применявшийся для обучения технологического персонала разделительных производств на ОАО «Уральский электрохимический комбинат», ОАО «Сибирский химический комбинат», АО «Ангарский электролизный химический комбинат», АО «ПО Электрохимический завод»;
8
• Аналитические методы позволяют без детальных расчетов оптимальных многопоточных каскадов оценить состав многокомпонентной смеси изотопов урана в отборных и отвальном потоках;
• Численный метод оптимизации систем каскадов газовых центрифуг для разделения бинарных смесей изотопов позволяет определить и оптимизировать по различным критериям внешние и внутренние параметры;
• Разработанная на основе аналитических методов компьютерная программа используется при подготовке магистратов направления «Ядерные физика и технологии» Национального исследовательского Томского политехнического университета;
• Разработанная на основе аналитических методов компьютерная программа использовалась в Институте нанотехнологий в электронике, спинтронике и фотонике на кафедре молекулярной физики НИЯУ МИФИ при подготовке студентов-специалистов по направлению «Технологии разделения изотопов и ядерное топливо» по профилю «Технологии разделения изотопов»;
• Разработанные методы очистки регенерированного урана могут быть эффективно использованы на разделительных предприятиях.
Методология и методы диссертационного исследования. При достижении цели и для решения задач исследования использовался анализ и обобщение данных научно-технической литературы. Аналитическое и численное моделирование процессов разделения смесей изотопов урана проводилось с использованием специально разработанных компьютерных программ. Результаты расчетов и оптимизации модельных каскадов сравнивались с результатами, полученными другими исследователями.
Положения, выносимые на защиту:
• Метод оптимизации систем каскадов газовых центрифуг для разделения
бинарных смесей изотопов, разработанный на основе матричного описания связей ступеней в общей схеме;
9
• Метод оптимизации разделения бинарной смеси изотопов урана в каскадах газовых центрифуг, разработанный для проведения технологических расчетов и обучения персонала разделительных предприятий;
• Метод аналитического расчета содержания многокомпонентной смеси коммерческого природного урана в многопоточном каскаде, оптимизированном по изотопу 235U;
• Метод аналитического расчета содержания многокомпонентной смеси слабообогащенного регенерированного урана в многопоточном каскаде, оптимизированном по одному из изотопов 232, 234, 235, 236U;
• Метод численного расчета и оптимизации каскадов с произвольным количеством потоков питания и отбора по парциальным потокам компонентов смеси;
• Способ очистки регенерированного урана от изотопов 232, 234U в дополнительном потоке отбора R-каскада;
• Способ очистки регенерированного урана от изотопов 232, 234, 236U в двойных каскадах с одновременной наработкой низкообогащенного урана;
• Способ очистки регенерированного урана от изотопов 232, 234, 236U в дополнительном отборе каскада с использованием на втором питании природного или отвального урана.
Достоверность полученных результатов следует из корректности постановки задач, физической обоснованности принятых приближений и применяемых физико-математических моделей, использования разработанных методов оптимизации в технологических расчетах, а также из соответствия результатов аналитических и численных экспериментов.
Апробация результатов. Получен патент РФ No2613157 от 15.03.2017 на способ очистки регенерированного урана от изотопов 232, 234, 236U в двойных каскадах.
Результаты, изложенные в материалах диссертации, доложены и обсуждены на конференциях:
10
• XII Международная научная конференция «Физико-химические процессы при селекции атомов и молекул», Звенигород, 2008 г.;
• 12th Workshop on Separation Phenomena in Liquids and Gases, Paris, France, 2012 г.;
• I Международная молодежная научная конференция, посвященная 65- летию основания Физико-технологического института. Екатеринбург, 2014 г.;
• II Международная молодежная научная конференция «Физика. Технологии. Инновации». Екатеринбург, 2015 г.;
• International Workshop on The Physical Chemical Processes at Atomic Systems, Moscow, Russia, 2015 г.;
• 14th Workshop on Separation Phenomena in Liquids and Gases, Stresa, Italy, 2017 г.;
По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе 8 статей в изданиях, индексированных в международных системах цитирования Web of Science и Scopus. Автор принимал участие в проекте по гранту РФФИ 16-08-00161 А “Восстановление изотопного состава регенерированного урана” в 2016 – 2018 гг.
Помогаем с подготовкой сопроводительных документов
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
4.5 (9 отзывов)
4.9 (522 отзыва)
4.2 (6 отзывов)
4.9 (20 отзывов)
4.6 (92 отзыва)
4.8 (105 отзывов)
5 (428 отзывов)
5 (8 отзывов)
5 (14 отзывов)
