DE2505864A1

DE2505864A1 - Isotope enrichment esp of uranium by vortex tube - using light diluting gas and flat vortex angle

Info

Publication number: DE2505864A1
Application number: DE19752505864
Authority: DE
Inventors: Wilmar Dipl Phys Dr Ing Fuhse
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1975-02-12
Filing date: 1975-02-12
Publication date: 1976-10-14

Abstract

An appts. for sepg. gas mixts., esp. for uranium isotope sepn. comprises a hollow vessel into which the mixt. is introduced at high eccentric or tangential speed to create a high speed vortex; in addn. to the mixt. of gases to be sepd., a quantity of a gas of considerably lower mol. wt. is also introduced. Pref. a high inlet speed is obtd. by a constriction of the inlet duct, followed by a widening out like a Laval nozzle to create supersonic speed. Used esp. for uranium enrichment. By using a 'vortex tube' principle, as a modification of the 'sepn. nozzle' principle, and by admixing allighter gas to increase considerably the inlet speed and energy, more efficient sepn. is achieved. The compression ratio is improved, e.g. to about 4:1. It is estimated that by increasing the rational angle of the gas to more than 360 degrees, and using a mixt. comprising 95% helium and 5% UF6, the energy demand is about one tenth that required for the diffusion process.

Description

Wirbeldüsenverfahren zur Urananreicherung. Vortex nozzle process for uranium enrichment.

Gegenwärtig könner lediglich das Diffusions- und das Zentrifugenverfahren zur Isopentrennung des Uran als wirtschaftlich vergleichger betrachtet werden, weiterhin ist zu vermuten, daß in Füdsfrika ein sonst unbekanntes, wirtschaftlich arbeitendes, Verfahren existiert.At present, only the diffusion and centrifuge processes can be used for isopic separation of uranium to be regarded as economically comparable, continue to be it can be assumed that an otherwise unknown, economically working, Procedure exists.

Das Trenndüsenprinzip, das in der GfK in Karlsruhe entwickelt wurde,l h t z. Z. noch keine Aussicht auf wirtschaftliche Anwendbarkeit, da insbesondere der spezifische Stromverbrauch zur Erzengung von Trennarbeit zu Betriebskosten führt, die über dem gegenwärigen Anreicherungs preis liegen.The separating nozzle principle, which was developed at GfK in Karlsruhe, l h t z. Currently there is no prospect of economic applicability, as in particular the specific power consumption for generating separation work leads to operating costs, which are above the current enrichment price.

Det@ilierte theoretische Unterauchungen über das Trenndüsenverfahren haben gezeigt, daß prinzipiell einer wirtschaftlichen Anwendung dieses Verfahrens Schranken gesetzt sind. Die Berechrungen lassen erkennen, da? bein Tren'dj'senverfahren sowohl Druckgefnlle in Strömungsrichtung als auch Druckgefälle in Folge von Zentrifugalbeschleunigungen Anwendung finden. Nährend aber die Druckgefälle in Strömungsrichtung durch Pumpsei aufrechtgehalten werden müssen, ist prinzipiell keine Energie zur Aufrecherhaltung von Zentrifugalfeldern erforderlich. Daher ist es wünschenswert, das Trenn diis e nverfahre n so zu modifizieren, daß eine erhöhte Ausnutzung von Zentrifugalkräften zugelassen wird.Detailed theoretical investigations about the separation nozzle process have shown that in principle an economical application of this process Limits are set. The calculations show that? in the Tren'dj'sen trial both pressure drops in the direction of flow and pressure drops as a result of centrifugal accelerations Find application. However, the pressure gradient in the direction of flow is nourished by the pump egg must be maintained, is in principle no energy to maintain of centrifugal fields required. Therefore, it is desirable to use the separating diis Modify a procedure so that an increased utilization of centrifugal forces is allowed.

überschlagsmäßige Rechnungen haben ergeben, daß diese Modifikationen eine Erhöhung des Umlenkwinkels einschließen, und zwar müsste der Umlenkwinkel etwa 4500 betragen, um bei gleicher Gas zusammensetzung wie beim Trenndüsenverf - hren den sperifischen Energieverbrauch des Diffusionsverfahrens zu errreichen. (Den Berechnungen zufolge spielt die Erhöhung des Umlenkwinkels bei kleinen Ablenkungen eine geringe Rolle. Bei mehrfachen Durchlaufen des vollen Ereisbogens bildet sich dagegen ein linearer Zusammenhang zwischen Umlenkwinkel und optimaler Trennarbeit pro Kompressionsenergie aus, allerdings nur in dem Fall verschwindender Reibung. Die Reibung des Gases an der umlenkenden l-and führt dazu, daß die spezifische Trennarbeit für einen bestimmten Umlenkwinkel maximal wird und bei weiterer Vergrößerung des Winkels gegen O konvergiert.) Die Nutzung dieses Sachverhaltes könnte in dem Nirbeldüsenverfahren geschehen. Das Prinzip ieses Verfahrens ist nicht neu. Beispielsweise wird der Prozess als "vortex tube" in dem USAEC ORO 694 beschrieben: Durch das tangentiale Einschiefen eines Gasstrahles wird in einem Rohr ein Wirbel erzeugt, der durch das Rohr längs hindurchwandert.Rough calculations have shown that these modifications include an increase in the deflection angle, namely the deflection angle would have to be approximately 4500, with the same gas composition as with the separation nozzle process to achieve the specific energy consumption of the diffusion process. (The calculations According to the increase in the deflection angle plays a small part for small deflections Role. On the other hand, if you run through the full arch of the ice several times, you can imagine linear relationship between deflection angle and optimal separation work per compression energy off, but only in the case of vanishing friction. The friction of the gas the deflecting l-and leads to the specific separation work for a particular The deflection angle becomes a maximum and converges to O with further enlargement of the angle.) the Use of this fact could take place in the pin nozzle process. The principle his procedure is not new. For example, the process is called a "vortex tube" described in the USAEC ORO 694: Through the tangential inclination of a gas jet a vortex is generated in a pipe that travels lengthways through the pipe.

Infolge von Zentrifugalkräften entmischen sich Isotone radial und werden als getrennte Fraktionen arll Ende des Rohres durch einen bschhler fretrennt voneinander abgesogen. As a result of centrifugal forces, isotons separate radially and are separated as separate fractions at the end of the tube by a beaker sucked from each other.

In der Absicht, die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens .-zusch.tzen, wurde von der USAEC in den Bericht OR0C94 angenomen, daß reines Uranhexafluorid UF, in die Röhre eingeblasen wird. Infolge des hohen tolekulargewichtes und demzufolge niedrigen molekularen Geschwindigleiten sind in diesem Fall die Einlaßgeschwindigkeiten in der Größenordnung 100 ra/s. Dementsprechend sind die zu erwartenden Trennleistungen gering. With the intention of estimating the cost-effectiveness of the process, was accepted by the USAEC in the report OR0C94 that pure uranium hexafluoride UF, is blown into the tube. Due to the high molecular weight and consequently low molecular velocities in this case are the inlet velocities on the order of 100 ra / s. The separation performance to be expected is accordingly small amount.

Auf der anderen Seite werden trotz geringer Einlaßgeschwindigkeiten starke radiale Druckunterschiede aufgebaut, wobei die druck verhältnisse in der Größenordnung 20 bis 100 liegen. Daher wird die Kompressionsleistung, die durch des Druckverhältnis bestimmt ist, relativ koch sein. Unter Berücksichtigung dieser Umstände wurde in ORO 694 gesschlußfolgert, daß das "vortex tube"- Verfahren sicherlich nicht wirtschaftlich arbeiten kann und daß weiterhin keine Unterauchnungen über dieses Verfahren gemacht werden sollten. On the other hand, despite low inlet velocities strong radial pressure differences built up, whereby the pressure conditions in the Range from 20 to 100. Therefore, the compression performance achieved by the pressure ratio is determined to be relatively hot. Taking this into account Circumstances, it was concluded in ORO 694 that the "vortex tube" procedure was certainly can not work economically and that still no submissions about this procedure should be done.

Die wesenliche Neuerung der hier beschriebenen Erfindung liegt in der Einbeziehung von leichten Zusatzgasen in die Urananreicherung mit Wirbeldüsen. Die von uns durchgeführten Rechnungen lassen erkennen, daß bei Verwendung gleicher Gaszusammensetzungen wie beim Trenndb.-senverfaren der spezifische Energieverbrauch des Wirbeldüsenverfahrens wesentlich unter den entsprechenden Wert des Diffusionsverfahrens gesenkt werden kann. Die Wirkung des leichten Zusatzgases macht sich dabei sowohl durch eine Erhöhung der Einlaßgeschwindigkeit auf etwa 700 m/s (gegeri;ber etwa Ioo m/s bei Verwendung von reinem UF6), als auch durch eine Verringerung der oranressionsverhltnisse, die mit Zusatzgas in der GröPenordung 4:1 liegen können, bemerkbar. Damit ist das T.Tirbeldiisenverfahren für die großtechnische Urananreichrung ausgesprochen attraktiv.The essential innovation of the invention described here lies in the inclusion of light additional gases in the uranium enrichment with vortex nozzles. The invoices carried out by us show that the same Gas compositions as in the separation process, the specific energy consumption of the vortex nozzle method is significantly below the corresponding value of the diffusion method can be lowered. The effect of the light additional gas makes itself thereby both by increasing the inlet speed to about 700 m / s (compared to about 100 m / s when using pure UF6), as well as by reducing the oranression ratios, which can be of the order of 4: 1 with additional gas, noticeable. So that's that The tirbeldiisen process is extremely attractive for large-scale uranium enrichment.

men hier beschriebenen Rechnungen lag des Prinzip der Gleichstrom wirbeldüse zugrunde, die in Abbildung 1 dargestellt ist. Die Darstellung zeigt gewisse Ähnlichkeiten am Einlaß mit dem Trenndüsenverfahren.The calculations described here were based on the principle of direct current vortex nozzle, which is shown in Figure 1. The representation shows certain Similarities at the inlet to the separation nozzle process.

Während aber beim Trenndüsenverfahren der Umlekwinkel auf 3600 beschränkt ist, von denen in der angenblicklich vorgeschlagenen Form nur 1800 ausgenutzt werden, können beim Wirbeldüsenverfahren die Umlenkwinkel beliebig sein. Der behrenzende Faktor ist also nicht mehr die Geometrie der Anordnung, sondern das Verhältnis von Trägheitskräften ZU Reibungskräften. Daher ist es wünschenswert, als Betriebsbedingungen des Wirbeldüsenverfahrens möglichst hohe Drucke zu verwenden. In einer einf-<chen Abschatsung wurde als Arbeitsdruck 1 atm angenommen, als Wirbeldüsendurchmesser 1 cm und als Verfahrens gas eine Mischung von 95 % Helium und 5 % UF6. Der AbSchtzuhg zufolge scheint mit dem tlirbeldüsenverfahren der spezifische Energieaufwand eine Zehnerpotenz unter dem des Diffusionsverfahrens durchaus möglich, Wenn sich dieses Betriebs~ verhalten tatsächlich verwirklichen ließe, bestünde seitens des Energieverbrauches zwischen Wirbeldüse und dem Zentrifugenverfahren entsprechend der bisher veröffentlichten Information kein großer Unterschied.While with the separating nozzle method, however, the deflection angle is limited to 3600 is, of which only 1800 are used in the form proposed at the moment, the angle of deflection can be arbitrary with the vortex nozzle method. The noble one The factor is no longer the geometry of the arrangement, but the ratio of Inertial forces TO frictional forces. Hence, it is desirable as operating conditions of the vortex nozzle method to use the highest possible pressure. In a simple one Shading was assumed to be 1 atm as the working pressure and the vortex nozzle diameter 1 cm and the process gas is a mixture of 95% helium and 5% UF6. The detention According to the whirl jet method, the specific energy expenditure appears to be a Powers of ten below that of the diffusion method are quite possible, if this Operational behavior could actually be realized, would exist on the part of the energy consumption between vortex nozzle and the centrifuge process according to the previously published Information not much of a difference.

Es sollte hier aber erwähnt werden, daß die genannte Abschätzung von laminaren Strömungen ausging. Sicherlich ist es möglich, turbulenzfreie Tirbeldüsen zu betreiben, wobei der Verfahrensdruck entsprechend niedrig gewählt werden muß. Dabei ist dann allerdings mit großen suerschnitten von Verfahrensleitungen und dementsprechend mit großen Investitionskosten zu rechnen. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, gewisse TurbulenzgeWiete in wandnahen Grenzschichten zuzulassen, auf die so teer gesondert eingegangen werden soll.It should be mentioned here, however, that the aforementioned estimate of laminar currents emanated. It is certainly possible to use turbulence-free Tirbel nozzles to operate, the process pressure having to be selected correspondingly low. It is then, however, with large sections of procedural lines and accordingly expect large investment costs. In principle, however, it is also possible allow certain areas of turbulence in boundary layers close to the wall, on which so tar should be received separately.

Durch entsprechend konische Gestaltung des Wirbeldüsenrohres, wobei aufgrund der Drehimpulse die Umfangsgeschwindigkeit gegenüber dem Einlaß gesteigert werden kann, erscheint es möglich, den spezifischen Energie verbrauch gegenüber der Anordnung von Abb. 1 zu senken. Weiterhin ist es möglich, das Wirbeldüsenverfahren als Gegenstromprozess auszubilden.By appropriately conical design of the vortex nozzle tube, whereby due to the angular momentum, the circumferential speed is increased compared to the inlet it appears possible to compare the specific energy consumption the arrangement of Fig. 1 to lower. It is also possible to use the vortex nozzle method as a countercurrent process.

Dies ist schematisch in Abbildung 2 dargestellt, Gegenüber der Gleichstromwirbeldüse hat die Gegenstromwirbeldüse zwei wesentliche Vorteile. Während sich bei der Gleichstromwirbeldllse zunächst das eingespeiste Gas entmischt ohne daß Gegendiffusion eine Rolle spielt, setzt nach gewissen Durchlaufen des Gases die Gegendiffusion ein, db schließlich zum thermodynamisch Gleichgewicht führen kann.This is shown schematically in Figure 2, opposite the cocurrent vortex nozzle the countercurrent vortex nozzle has two major advantages. While the direct current vortex First the gas fed in is separated without counter-diffusion playing a role, the counter-diffusion sets in after the gas has passed through it for a certain time, db finally can lead to thermodynamic equilibrium.

Da aber die Konzentrationsverteilung im hermodynamischen Gleichgewicht von der jeweiligen Geschwindigkeitsverteilung abhängig ist, müßte das Gas im äusiaß noch eine nennenswerte Geschwindigkeit haben, da sonst im letzten Stück des Trenpraumes die Gegendiffusion gegenüber der auszunutzenden Druckdiffusion überwiegt und somit ein Teil der erzeugten Trennarbeit vernichtet wird. Überschlagsmäßige Rechnungen haben erxeken, daß bei der Gleichstromwirbeldüse die optimale azimutale Geschwindigkeit in Auslaß in der Größenordnung 400 m/s liegen dürfte.But since the concentration distribution is in the hermodynamic equilibrium from depends on the respective speed distribution, the gas should in the äusiaß still have a noteworthy speed, otherwise in the last part of the separation room the counter-diffusion outweighs the pressure diffusion to be used and thus part of the separation work generated is destroyed. Rough calculations have found that the direct current vortex nozzle has the optimum azimuthal speed in the outlet is likely to be of the order of 400 m / s.

Das Gegenstromprinzip erlaubt dagegen, daß die Auslaßgeschwindigkeit sehr klein sein kann, ohne daß bereits erzeugte Trennarbeit vernichtet wird. Somit kann die gesamitle kinetische Energie des Gases in der Wirbeldüse zur Erzeugung von Trennarbeit genutzt werden.The countercurrent principle, however, allows the outlet speed can be very small without destroying any separation work that has already been carried out. Consequently can generate the entire kinetic energy of the gas in the vortex nozzle be used by separation work.

Abb. 2 zeigt eine Ausführungsform, bei der der Gaseinlaß sich auf der Höbe des auslasses der leichten Fraktion befindet, so daß zwischen diesen Fraktionen die Konzentrationsverteilung nach dem thermodynamischen Gleichgewicht verläuft - oder flacher -, es sind aber Ausführungen denkbar, bei denen ein Gegenstrom noch oberhalb der Einspeisestelle ausgebildet sein kann.Fig. 2 shows an embodiment in which the gas inlet is open the height of the outlet of the light fraction is located so that between these fractions the concentration distribution follows the thermodynamic equilibrium - or shallower - but designs are conceivable in which a countercurrent flow is still possible can be formed above the feed point.

Es sollte an dieser Stelle noch auf einige Modifikationen eingegangen werden, die sich im Mesentlichen daraus ergeben, daß es möglicherweise erstrebenswert erscheint, turbulente Grenzschichten in den Wirbeldüse zuzulassens da andererseits die Investitionskosten durch Verringerung der Vakuumvolumina gesenkt werden können. Es ist zwar nicht zu befürchten, daß Turbulenz die Trennleistung von Wirbeldüsen zu stark verringert ( Mischungsverluste), solange die Grenzschicht auf einen Wandnahen Bereich beschränkt ist, jedoch liegt der Nachteil der turbulenten Grenzschicht in einer Verringerung des optimalen Umlenkwinkels. Diese Verringerung wird umso stärker ausfallen, je dicker die Grenzschicht ist. Daher scheint es nützlich, in der Wirbeldüse Absaugschlitze oder -öffnungen vorzusehen, die die turbulenten Grenzschichten absaugen sollen und in die Wasteverfahrensleitung abführen. Dies läßt sich insbesondere dann leicht verwirklichen, wenn die Wirbeldüsenkörper durch Stanzen und Tiefziehen gefertigt werden.A few modifications should be discussed at this point which essentially result from the fact that it is possibly worth striving for appears to allow turbulent boundary layers in the vortex nozzle there on the other hand the investment costs can be lowered by reducing the vacuum volumes. It is not to be feared that turbulence will affect the separation efficiency of vortex nozzles too much reduced (mixing losses) as long as the boundary layer is close to the wall Area is limited, but the disadvantage of the turbulent boundary layer lies in a reduction in the optimal deflection angle. This reduction becomes all the more pronounced fail the thicker the boundary layer. Hence it seems useful in the vortex nozzle Provide suction slits or openings that suck off the turbulent boundary layers should and lead to waste proceedings management. This can in particular then easily realized if the vortex nozzle body is manufactured by stamping and deep drawing will.

Auch besteht die Möglichkeit, durch eine spiralförmige Nute (oder mehrere), die an der Düsenwand in Richtung der äußeren Wirbelströmung verläuft, das Ausbilden einer turbulenten Grenzschicht zu unterdrücken oder die Grenzschichtdicke zu verringern ( kleinere Reynold- Zahlen).There is also the option of using a spiral groove (or several), which runs on the nozzle wall in the direction of the external vortex flow, to suppress the formation of a turbulent boundary layer or the boundary layer thickness to decrease (smaller Reynold numbers).

Abb. 3 gibt eine Möglichkeit des Aufbaus einer Stufe in einer Kaskade wieder Alle Wirbeldüsen sind parallel geschaltet. Die Ausgangsfraktion wird den Wirbeldüsen in Kanälen in den Platten zugeführt, während die angereicherte und abgereicherte Fr:ionen in die Zwischenräume zwischen den Düsenplatten gelangen und dort abgesau@t werden. Da es grunds?4tzlich erstrebenswert ist, bei möglichst hohem Druck und gleichzeitig großer Geometrie zu arbeiten, wobei Energieverluste durch wandnahe Turbulenzen in Kauf genommen werden, werden charakteristische Wirbeldüsenabmessungen größer sein als beim Trenndüsenverfahren.Fig. 3 shows one possibility of building a stage in a cascade again All vortex nozzles are connected in parallel. The starting fraction is the Vortex nozzles fed into channels in the plates, while the enriched and depleted Fr: ions get into the spaces between the nozzle plates and are sucked off there will. Since it is fundamentally desirable, with the highest possible pressure and at the same time large geometry, with energy losses due to near-wall turbulence in Will be accepted, characteristic vortex nozzle dimensions will be larger than with the separation nozzle method.

Vermutlich könnte die Länge des Trennraurres 5 cm betragen und der Durchmesser (am Einlaß) etwa 1 cm sein. Entsprechend dem mittleren Molekulargewicht einer 5 %- igen UF 6- Helium- Mischung kann die Ein speisegeschwindigkeit 500 m/s erheblich übersteigen. Darnzt könnte man von jeden lement eine Trennleistung von 0,1 bis 0,5 kgUTA/a erwarten.Presumably the length of the separating space could be 5 cm and the Diameter (at the inlet) about 1 cm. Corresponding to the average molecular weight of a 5% UF 6-helium mixture, the feed speed can be 500 m / s significantly exceed. With that, one could achieve a separation performance of every element Expect 0.1 to 0.5 kgUTA / a.

2 uf einer Platte von z. B. 1 m ließen sich entsrechend der Anordnung von Abb. 5000 Elemente unterbringen, so daß also eine Platte eine Kapazität von 0,5 bis 2,5 tUTA/a haben kann.2 on a plate of e.g. B. 1 m could be according to the arrangement of Fig. 5000 elements so that one plate has a capacity of 0.5 to 2.5 tUTA / a can have.

Fine Wirbeldüsenkaskade müßte größenodnungsmäßig 100 Stufen umfassen.A vortex jet cascade would have to be of the order of 100 steps.

mine großtechnische Analoge r:t der Kapazität 10 000 tSWU/a hätte dabei eine mittlere Stufenkapazität von 100 tSWU/a, die jeweils also 40 bis 200 der oben beschriebenen Platten benötigen.mine large-scale analog r: t with a capacity of 10,000 tSWU / a with an average step capacity of 100 tSWU / a, each 40 to 200 of the plates described above.

Daraus folgt, daß die reinen Jirbeldbsen- Trenn- Elemente einer anlage ausgesprochen kompakt aufgebaut werden können. Im Hinblick auf relativ hohe Investitionskosten von Vakuumbauteilen ist dies natürlich ausge sprochen günstig.It follows that the pure Jirbeldbsen- separating elements of a system can be built very compact. With regard to relatively high investment costs Of course, this is extremely beneficial for vacuum components.

Entsprechend dem oben gesagten könnte die installierte Leistung der 10 000 tSWU/a- Anlage 200 MW betragen, so daß also pro Stufe eine Kompressorleistung von 2 MW benötigt würde. Diese Kompressorleistungen sind von den großen Diffusionsanlagen her bekannt,According to the above, the installed power of the 10 000 tSWU / a system amount to 200 MW, so that one compressor output per stage of 2 MW would be required. These compressor powers are from the large diffusion plants known

Claims

PATENT CLAIMS 1.) The invention relates to a device (called vortex nozzle) for the separation of gas mixtures, especially for isotone separation of uranium, in which a gas mixture with high speed eccentrically into a fixed hollow body flows in and executes a vortex-like movement in it, partial segregation of the gas mixture takes place, which according to the invention is reinforced that take the gas mixture to be separated with an additional gas significantly lower molecular weight is fed.

2. Claim according to 1, characterized particularly in that for generation As high an inlet speed as possible, the gas inlet initially moves in the direction of flow constricted and then expanded in such a way that in the manner of a Laval nozzle bberschallstrabl can be generated.

3. Claim according to 1, characterized in that the gas mixture flows in on one side of the hollow body, migrates through the hollow body like a vortex and on the other ride the hollow body over a cross section of the vertebra Fractions are aspirated.

Claim according to 1, characterized in that the gas mixture n any point eccentrically in r the hollow body and the fractions be sucked off at the opposite ends of the vertebra.

5. claim P; emß 1.1 particularly characterized in that the hollow body corresponding to a pipe section a circular cross-section that remains constant having.

6. Claim according to 1, characterized in that the hollow body corresponding to a cone section a variable one - in particular along the outer one Vortex flow decreasing - has a circular cross-section.

7. Claim according to 1, characterized in that in the Hollow body internals (z. B. pins) are attached, although the vortex movement can hem-en, but can deliberately lead to secondary flow.

8. Claim according to 1, characterized in that one or several groove-shaped notches in the hollow body, in particular along the outer one Eddy currents run along, which deliberately exert the influence of near-wall turbulence to reduce the separation behavior of the vortex nozzle.

9. claim according to 1., characterized in that in the Ho'nlkorn additional suction openings are attached, which allow an escape from turbulent boundary layers to allow the eddy, with the thus withdrawn gas optionally can be mixed directly with the waste of the stage under consideration or can also be fed to the compressors in separate process lines.