DE1801307C - Verfahren und Vorrichtung zum Trennen eines Gemisches von Gasen verschiedenen Molekulargewichts - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Trennen eines Gemisches von Gasen verschiedenen Molekulargewichts, insbesondere eines Uran oder Uranhexafluorid enthaltenden Gasgemische? in einer Zentrifuge mit einer Schleudertrommel, die in einem Gehäuse angeordnet und drehbar gelagert ist. Bei dem Verfahren wird das zu trennende Gasgemisch in die Schleudertrommel eingespeist, werden die unter-

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schiedlich angereicherten Teile des Gasgemisches Gemisch geringen Molekulargewichts wird von außen

aus dem Inneren der Schleudertrommel in verschiedene in den ringförmigen Zwischenraum zwischen dem

Bereiche zwischen dem Gehäuse und der Schleuder Gehäuse und der Schleudertrommel eingespeist, dort

trommel abgeführt und wird ein Gas von einem im mit den unterschiedlich angereicherten Gasen gemischt

Vergleich mit dem zu trennenden Gemisch geringen 5 und abgesaugt.

Molekulargewichts in den ringförmigen Zwischenraum Da bei einer derartigen Zentrifuge die Oberfläche zwischen dem Gehäuse und der Schleudertrommel der mit hoher Geschwindigkeit umlaufenden Trommel eingespeist, in die bereits genannten verschiedenen durch das Gas von geringem Molekulargewicht beiBereiche zwischen dem Gehäuse und der Schleuder- nahe völlig umgeben ist, ist die erforderliche Leistung trommel geblasen und dort mit den unterschiedlich io merklich verringert. Bei einer derartigen Zentrifuge angereicherten Gasen gemischt Von dor; werden die muß das Gas geringen Molekulargewichts jedoch nach unterschiedlich angereicherten Gemische zur Außen- der Mischung durch eine Kältefalle entfernt werden. seite des Gehäuses abgeleitet. Das zurückbleibende verfestigte Uranhexafluorid wird

Die Erfindung betrifft weiterhin eine Gaszentrifuge wieder verdampft und der nächsten Zentrifuge zu-

zur Durchführung des Verfahrens zum Trennen und 15 geführt.

Anreichern von Gemischen von Gasen mit geringen I- folge der geringen Massenunterschiede der Isotope Unterschieden im Molekulargewicht mit einem Ge- sind zahlreiche Zentrifugen nötig, um mäßig anhäuse. einer darin angeordneten und drehbar ge- gereiche.tes Uran 235 (z. B. mit einer Anreicherung lagerten Schleudertrommel, einem Einlaß zum Ein- von ungefähr 5°/₀) zu erzielen. "Ja besonders bei den speisen des Gemisches in die Schleudertrommel üurch ao ersten Zentrifugjerstufen, bei denen das Gas noch eine eine Endplatte an einem Ende, einem Auslaß aus der nahezu natürliche Zusammensetzung aufweist, eine Schleudertrommel in einen Bereich zwischen der große Anzahl von Zentrifugen erforderlich ist, ist die Schleudertrommel und dem Gehäuse für das mit Gas Verwendung von Kältefallen nicht vorteilhaft.
von höherem Molekulargewicht angereicherte Ge- Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Vermisch, einem Auslaß für das mit Gas von geringerem 25 fahren zum Trennen eines Gemisches von Gasen Molekulargewicht angereicherte Gemisch in einen verschiedenen Molekulargewicnts und eine Voranderen Bereich zwischen der Schleudertrommel und richtung zur Durchführung dieses Verfahrens zu dem Gehäuse und mit einem Einlaß zum Einspeisen schaffen, bei denen ohne Verwendung einer Kältefalle von Gas von einem Molekulargewicht, das niedriger ein Gemisch von Gasen verschiedenen Molekularist als dar des zu trennenden Gasgemisches, in einen 30 gewichts, insbesondere ein Uran oder Uranhexafluorid ringförmigen Zwischenraum zwischen der Schleuder- enthaltendes Gasgemisch, getrennt wird,
trommel und dem Gehäuse, der mit den Bereichen Erfindungsgemäß wird das Gas von geringem zwischen der Schleudertrommel und dem Gehäuse, Molekulargewicht zusammen mit dem zu trennenden in die die getrennten Teile übertreten können, ver- Gemisch in die Schleudertrommel eingespeist, längs binden ist. und Auslassen aus diesen Bereichen. 35 der Achse der Schleudertrommel am Ende dieser

F.-> ist bekannt, Schleuderverfahren und Gaszentri- herausgesogen und in den ringförmigen Zwischenraum

fugen zun. Trennen und Anreichern von für die zwischen dem Gehäuse und der Schleudertrommel

Kernspaltung verwendetem Uran 235 aus den Isotopen eingespeist.

des natürlichen Uranhexafluorids, welches ungefähr Die unterschiedlich angereicherten Gase können 0.⁷ °, ο Uran 235 enthält, zu verwenden. Bei diesem 4° sich in bekannter Weise an den Enden der Schleuder-Zentrifugieren wird Uranhexafluorid in einem Rotor trommel sammele. Das Gas von geringem Molekulareiner Druckdiffusion und einem Gegenstrom unter- gewicht kann von der Mitte des Gehäuses zu dessen werfen. Dabei werden ein mit Uran 238 angereichertes beiden Enden hingeleitet werden,
und ein mit Uran 235 angereichenes Gas getrennt Das Verhältnis des zu trennenden Gases zu dem und en .ommen. Nach wiederholter Anwendung 45 Gas von geringem Molekulargewicht, das in die dieses Verfahrens erhalt man angereichertes Uran 235. Schleudertrommel eingespeist wird, ist veränderbar. Es ist wesentlich, daß die zwei Arten von getrennten Vorzugsweise liegt es im Bereich von 1:1 bis 1: 3. Gasen a.is der Trcmmsl so entnommen werden, daß Wenn die Menge des Gases von geringerem Molekularsie sich nicht miteinander vermischen können. Zu gewicht über diesen Bereich hinausgeht, köimen die diesem Zweck kennt man ein Verfahren, die Gase 50 Kosten nicht vernachlässigt werden. Die Größe und getrennt durch ein Hochvakuumteil im Mittelteil der Lage der Löcher in den Endplatten der Schleuder-Trommel abzuziehen oder die Gase getrennt zu ent- trommel sind so ausgeführt und angeordnet, daß nehmen, nachdem sie durch kleine in den oberen gleiche Anteile von Gasen durch die Endplatten ab- und unteren Endplatten der Trommel angebrachte geführt und von dort nach außen herausgeführt Löcher ausgeströmt sind. Dieses Verfahren hat jedoch 55 werden köapen.

den Nachtdi, daß die aufzubringende Leistung be- Vorzugsweise wird das Gas von geringem MoIe-

trächtlich ansteigt. kulargewicht, das axial aus der Schleudertrommel

Es ist schon eine Zentrifuge vorgeschlagen worden, herausgesogen wird, in einer andeien Zentrifuge bei der das Ausgangsgas in die Schleudertrommel gereinigt, bevor es tangential in Drehrichtung in den eingespeist wird, die an einem Endteil beheizt und am 60 ringförmigen Zwischenraum zwischen der Schleuderanderen Endteil gekühlt ist, so daß das Gas einer trommel un& dem Gehäuse eingespeist wird. Die Druckdiffusion und einem Gegenstrom unterworfen Schleudertrommel kann ein Temperaturgefälle aufist. Das zu trennende Gasgemisch wird dadurch in ein weisen.

mit Uran 238 angereichertes und ein mit Uran 235 Vorzugsweise wird als Gas von geringen Molekularangereichertes Gas je /RiIs an jedem Ende der Schleuder- 65 gewicht ein inertes Gas, z.B. Helium, venvandt.
trommel getrennt. Diese Gase strömen durch Löcher In an sich bekannter Weise kann der eine der beiden in beiden Enciplatten der Schleudertrommel aus. Ein getrennten und mit Gas von geringem ^MoI^^k"'"* das von einem im Vergleich mit den zu trennenden gewicht gemischten Teile in eine nachgeschalt

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Zentrifuge und der andere der beiden getrennten, Teile 27 und 28, so daß enge Ringräume 31 bzw. 32

mit Gas von geringem Molekulargewicht gemischten zwischen den Endplatten der Schleudertrommel und

Teile in eine vorgeschaltete Zentrifuge eingespeist den flanschförmig vorspringenden Teilen gebildet

werden. Entsprechend der Kaskadengestaltung wird werden. Mit 41 und 42 sind eine Heiz.- und eine Kühl- j

Uranhexafluoridgas mit einem mäßigen Anreicherungs- 5 vorrichtung bezeichnet. '

grad von Uran 235 erzielt, ohne daß eine Kältefalle Im Betrieb wird ein Gasgemisch, das im Verhältnis

verwendet wird. von einem Teil Uranhexafluorid-zu einem Teil eines

Die erfindungsgemäße Gaszentrifuge enthält eine Gases geringen Molekulargewichts, z. B. Heliumgases, Quelle für Gas von geringem Molekulargewicht, die gemischt ist, der Schleudertrommel durch den Gas-

mit einem Einlaß zum Einspeisen des zu trennenden io einlaß 23' durch eine nicht gezeigte Pumpe zugeführt.

Gasgemisches in die Schleudertrommel verbunden ist Das Gasgemisch in der Schleudertrommel wird mit

und einen axialen Auslaß in einer Platte am anderen, Hilfe der Drehung der Schleudertrommel bei hoher

dem Einlaß entgegengesetzten Ende der Schleuder- Geschwindigkeit der Druckdiffusion und mit Hilfe der

trommel, der über eine Saugvorrichtung mit dem Heizvorrichtung 41 und der Kühlvorrichtung 42 einem

Einlaß zum Einspeisen von Gas mit geringem Mole- is Gegenstrom ausgesetzt. Deshalb sammelt sich in der

kulargewicht in den ringförmigen Zwischenraum Anordnung von F i g. 1, in der die durch Pfeile

zwischen der Schleudertrommel und dem Gehäuse gezeigten Strömungsverhältnisse vorliegen, ein an

verbunden ist. Uran 235 verarmtes Gas in dem oberen Teil der

Außerhalb der Schleudertrommel kann eine Heiz- Schleudertrommel, ein mit Uran 235 angereichertes Vorrichtung und eine Kühlvotrichtung vorgesehen ao Gas im unteren Teil und das Heliumgas im Mittelteil

sein. Vorzugsweise ist zwischen dem axialen Auslaß der Schleudertrommel. Die Größe und Lage der

aus der Schleudertrommel und dem Einlaß in den kleinen Löcher 25 und 26 für das Ausströmen des

ringförmigen Zwiscbemaum zwischen der Schleuder- Gases sind so ausgeführt bzw. angeordnet, daß das

trommel und dem Gehäuse eine Reinigungsvorrichtung, Verhältnis der Menge des Gases, welche angereichertes

z. B. eine weitere Zentrifuge, angebracht. Es ist mög- as Uran 235 enthält, das durch die Löcher 25 in die mit

lieh, daß das aus einer Anreicherungsstufe gewonnene A in F i g. 1 bezeichnete Kammer ausströmt, zu der

stark angereicherte Urangas separiert und durch Ver- Menge des Gases, das arm an Uran 235 ist und durch

wendung einer Kältefalle angereichert wird, da die die Löcher 26 in die mit B bezeichnete Kammer

Menge des behandelten Ürangases in den folgenden ausströmt, 1:1 sein kann. Beispielsweise werden drei Stufen wesentlich geringer wird. 30 oder sechs Löcher von 0,2 mm Durchmesser in Ab- An Hand der Zeichnung wird eine beispielsweise ständen von 9 bis 10 Radien von der Mitte der je- Ausführungsform der vorliegenden Erfindung näher weiligen Endplatte angebracht Die Radiusabstände

erläutert. Es zeigt der Löcher auf der oberen und der unteren Endplatte

F i g. 1 in einer senkrechten Schnittansicht eine stimmen genau überein. Das in dem Mittelteil der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gaszentri- 35 Schleudertrommel gesammelte sehr reine Heliumgas

fuge, wobei das Zwischenteil weggelassen ist, wird durch den Gasauslaß 24' abgesogen und dann

F i g. 2 einen Querschnitt längs der Linie H-II von durch einen Einlaß 19 tangential zu der äußeren F i g. 1, Oberfläche der Schleudertrommel in den ringförmigen F i g. 3 ein Flußdiagramm zur Erklärung des er- Zwischenraum 50 durch kleine Öffnungen 12 an der

findungsgemäßen Verfahrens. 40 Mündung jedes Zuführungsrohres eingeblasen, so

In den F i g. 1 und 2 sind drei Gaszuführungsrohre daß die Stabilität der mit hoher Geschwindigkeit 11 dargestellt, die radial in einem Winkelabstand von rotierenden Schleudertrommel nicht gestört werden 120° mit dem Mittelteil eines langen, stationären kann und die Schleudertrommel mit Heliumgas auf Gehäuses 10 verbunden sind. Aus F i g. 2 ist zu er- dem größten Teil seiner äußeren Oberfläche umgeben sehen, daß jedes Rohr 11 in seiner Mündung eine 45 ist. Das von der Schleudertrommel nach außen abkleine Düse 12 aufweist. Diese Düse dient zur Steue- gesogene Heliumgas kann einer weiteren Reinigung rung der Menge des Gasstromes und richtet ihn in die unterworfen werden, bevor es der Außenseite der Drehrichtung der Schleudertrommel 20 und tangential Schleudertrommel zugeführt wird, z. B. durch Verzu ihrer äußeren Oberfläche aus. Getrennte Gas- wendung einer anderen, nicht dargestellten Zentrifuge, absaugfohre 13 bzw. 14 mit Ventilvorrichtungen 15 so Der Einlaß 19 ist vorzugsweise mit einem automatisch bzw. 16 sind nahe den beiden Endbereichen des orts- regelnden Ventil versehen, in welchem der Einlaßfesten Gehäuses 10 angebracht druck als feststehender Druck eingestellt ist, so daß

Die lange Schleudertrommel 20 ist in dieses ortsfeste die Heliunngasmenge, die durch die Ventilvorrichtung Gehäuse 10 eingepaßt und mit Lagern 17 bzw. 18 eingeblasen werden soll, der in die Schleudertrommel

gehalten, so daß sie in der durch den Pfeil angezeigten 55 zuerst eingeführten Heliumgasmenge entspricht. Wenn

Richtung mit einer derart hohen Geschwindigkeit in das Heliumgas durch den Ringraum 31 bzw. 32 in die Drehung versetzt werden kann, daß seine Umfangs- Kammer A bzw. B strömt, wird es jeweils mit den

geschwindigkeit ζ. B. 350 m/s erreicht Eine obere Gasen vermischt, die durch die Löcher 25 und 26

Platte 23 und eine untere Platte 24, in denen ein Gas- ausgeströmt sind, und wird dann durch nicht gezeigte

einlaß 23' bzw. ein axialer Gasauslaß 24' vorgesehen &> Vakuumpumpen durch die Saugleitungen 13 und 14 sind, bestehen aus einem Stück mit einer oberen und abgesaugt Das in einen oberen und unteren Strom

einer unteren Endplatte 21 bzw. 22, so daß zwischen unterteilte Heliumgas kann in gleiche Mengen unter-

der Innenseite und der Außenseite der Schleuder- teilt werden, indem im Ventil Einrichtungen 15a bzw.

trommel eine Verbindung besteht Die oberen und 16a angeordnet werden.

unteren Endplatten21 bzw. 22 haben kleine Löcher 65 In Fig.3 ist ein Flußdiagramm der Kaskaden-

25 bzw. 26 zum Ausströmen des Gases. Die Innenwand- anordnung gezeigt die aus einer Kombination der

Oberfläche des Gehäuses 10 gegenüber den jeweiligen Zentrifugiervorrichtungen gebildet wird. Jede Ver- Fndolatten 21 und 22 hat flanschförmig vorspringende sorgungsstufe C/, Anreicherungsstufe C_n, C_n ... und

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, und Rückgewinnungsstufe C_n, C_n ■ ■ ■ und C™ i miteinander, wie in F i g. 3 gezeigt, kombiniert, daß jede Stufe parallel mit einer großen Anzahl von ritrifugen angeordnet werden kann, die insbesondere der Nähe der Versorgungstufe größer ist und in

Richtung auf die letzte Stufe geringer wird. Diese Beziehung ist leicht aus dem Stoffgleichgewicht zu verstehen. Aus der letzten Stufe der Anreicherungsstufen wird ein Gas erhalten, das Uran 235 in der gewünschten Anreicherung enthält.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 209645/235

Claims (13)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Trennen eines Gemisches von Gasen verschiedenen Molekulargewichts, insbesondere eines Uran oder Uranhexafluorid enthaltenden Gasgemisches, in einer Zentrifuge mit einer Schleudertrommel, die in einem Gehäuse angeordnet und drehbar gelagert ist, bei dem das zu trennende Gasgemisch in die Schleudertrommel eingespeist wird, die unterschiedlich angereicherten Teile des Gasgemisches aus dem Inneren der Schleudertrommel in verschiedene Bereiche zwischen dem Gehäuse und der Schleudertrommel abgeführt werden, ein Gas von einem im Vergleich mit dem zu trennenden Gemisch geringen Molekulargewichts in don ringförmigen Zwischenraum zwischen dem Gehäuse und der Schleudertrornir.eleingespeist, in die bereits genannten verschiedenen Bereiche zwischen dem Gehäuse und der Schleuder- ao trommel geblasen und dort mit den unterschiedlich angereicherten Gasen gemischt wird, von wo aus die unterschiedlich angereicherten Gemische zur Außenseite des Gehäuses abgeleitet werden, d a durch gekennzeichnet, daß das Gasvon geringem Molekulargewicht zusammen mit dem zu trennenden Gemisch in die Schleudertrommel (20) eingespeist wird und Jaß dieses Gas von geringem Molekulargewicht längs der Achse ftt Schleudertrorr.nel am Ende(22) dieser herausgesogen und in den ringförmigen Zwischenraum (f0) zwischen dem Gehäuse (10) und der Schleudertrommel (20) eingespeist wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die unterschiedlich angereicherten Gase in an sich bekannter Weise an den Enden der Schleudertrommel sammeln und daß das Gas von geringem Molekulargewicht von der Mitte des Gehäuses zu deren beiden Enden hingeleitet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des zu trennenden Gases zu dem von geringem Molekulargewicht, das in die Schleudertrommel eingespeist wird, im Bereich von 1:1 bis 1: 3 liegt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß gleiche Anteile von Gasen in die genannten verschl· denen Bereiche (A, B) abgeführt und von dort nach außen herausgeführt werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas von geringem Molekulargewicht in den ringförmigen Zwischenraum zwischen der Schleudertrommel (20) vnd des Gehäuses (10) tangential in Drehrichtung eingespeist wird. SS

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Schleudertrommel ein Temperaturgefälle erzeugt wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas von geringem Molekulargewicht ein inertes Gas ist.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise der eine der beiden getrennten und mit Gas von geringem Molekulargewicht gemischten Teile in eine nachgeschaltete Zentrifuge und der andere der beide.i gerrennten, mit Gas von geringem Molekulargewicht gemischten Teile in eine vorgeschaltete Zentrifuge eingespeist wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas von geringem Molekulargewicht, das axial aus der Schleudertrommel (20) herausgesogen wird, vor der Zuleitung zu dem ringförmigen Zwischenraum (50) ir. einer anderen Zentrifuge gereinigt wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas von geringem Molekulargewicht Helium ist.

11. Gaszentrifuge zur. Durchführung des Verfahrens zum Trennen und Anreichern von Gemischen von Gasen mit geringen Unterschieden im Molekulargewicht mit einem Gehäuse, einer darin angeordneten und drehbar gelagerten Schleudertrommel, einem Einlaß zum Einspeisen des Gemisches in die Schleudeitrommel durch eine Endplatte an einem Ende, einem Auslaß aus der Schleudertrommel in einen Bereich zwischen der Schleudertrommel unu dem Gehäuse für das mit Gas von höherem Molekulargewicht angereicherte Gemisch, einem Auslaß für das mit Gas von geringerem Molekulargewicht angereicherte Gemisch in einen anderen Bereich zwischen der Schleudertrommel und dem Gehäuse und mit einem Einlaß zum Einspeisen von Gas von einem Molekulargewicht, das niedriger ist als dos des zu trennenden Gemisches, in einem ringförmigen Zwischenraum zwischen der Schleudertrommel und dem Gehäuse, der mit den Bereichen zwischen der Schleudertrommel und dem Gehäuse, in die die getrennten Teile übertreten können, verbunden ist, und Auslässen aus diesen Bereichen dadurch gekennzeichnet, daß eine Quelle für Gas von geringem Molekulargewicht mit dem Einlaß (23') zum Einspeisen des zu trennenden Gasgemisches in die Schleudertrommel (20) verbunden ist und ein axialer Auslaß (24') in einer Platte (24) am anderen, dem Einlaß (23') entgegengesetzter. Ende der Schleudertrommel (20) über eine Saugvorrichtung mit dem Einlaß (19) zum Einspeisen von Gas von geringem Molekulargewicht in den ringförmigen Zwischenraum (50) zwischen der Schleudertrommel (20) und dem Gehäuse (10) verbunden ist.

12. Gaszentrifuge nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß außerhalb der Schleudertrommel (20) eine Heizvorrichtung (41) und eine Kühlvorrichtung (42) vorgesehen ist.

13. Gaszentrifuge nach Anspruch 11 oder 12, gekennzeichnet durch eine Reinigungsvorrichtung, z. B. eine weitere Zentrifuge, zwischen dem axialen Auslaß (W) aus der Schleudertrommel (20) und dem Einlaß (19) in den ringförmigen Zwischenraum (50) zwischen Jer Schleudertrommel (20) und dem Gehäuse (10).