DE3522139C2

DE3522139C2 -

Info

Publication number: DE3522139C2
Application number: DE19853522139
Authority: DE
Inventors: Robert Dr. 5163 Langerwehe De Zeller; Alfons 5100 Aachen De Merten
Original assignee: Uranit GmbH
Current assignee: Uranit GmbH
Priority date: 1985-06-21
Filing date: 1985-06-21
Publication date: 1987-05-27
Also published as: DE3522139A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Trennung eines gasförmigen Isotopengemischs, insbesondere zur Trennung der Uranisotope von Uranhexafluorid, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Aus der US 29 36 110 ist eine Vierpol-Gaszentrifuge sowie eine aus diesen Zentrifugen zusammengesetzte Kaskade zur Anreicherung von Uran-235 bekannt. Dieser Zentrifugentyp weist zwei einander gegenüberliegende Einspeisestellen für einen Zustrom (in Anreicherungsrichtung gesehen) und für einen Gegenstrom sowie zwei einander gegenüberliegende Entnahmestellen für einen Produktstrom und einen Tailsstrom auf. Da der dem Kopf der Kaskade zu entnehmende an U-235-Isotopen angereicherte Produktstrom nur einen Bruchteil des dem Fuß der Kaskade zu entnehmenden, an U-235-Isotopen abgereicherten Tailsstroms ausmacht, nimmt die Größe der Kaskaden- Stufen vom Fuß der Kaskade zum Kopf der Kaskade ab. So hat z. B. bei dem in Fig. 8 der US 29 36 110 dargestellten Kaskadenausschnitt die untere Stufe vier und die darüberliegende, hierzu in Serie geschaltete Stufe nur noch zwei parallel geschaltete Zentrifugen. Hierbei kann jedoch die Strömungsführung des Verfahrensgases zwischen den Stufen gewisse Schwierigkeiten bereiten, wenn die einzelnen Zentrifugen unter optimalen Bedingungen hinsichtlich ihrer Trennleistung betrieben werden sollen. Bei der erwähnten Kaskade ist vorgesehen, einen Teil des Produktstroms einer Stufe in den Gegenstrom derselben Stufe zurückzuspeisen. Dabei müssen jedoch Mischungsverluste in Kauf genommen werden, da der Produktstrom und der Gegenstrom einer Stufe an sich unterschiedliche Konzentrationen an U-235- Isotopen haben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren der gattungsgemäßen Art die in die Stufen der Kaskade einzuspeisenden und aus ihnen zu entnehmenden Ströme so zu führen, daß keine Mischungsverluste auftreten.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Durch die Merkmale des Unteranspruches kann in vorteilhafter Ausgestaltung die Isotopen-Konzentration in dem der Kaskade zu entnehmenden Produkt- und/oder Tailsstrom ohne Trennleistungsverluste eingestellt bzw. verändert werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachstehend näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 schematisch die Strömungsführung einer Vierpol-Gasultrazentrifuge;

Fig. 2 das Fließschema einer Kaskade zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Die Vierpol-Gasultrazentrifuge S gemäß Fig. 1 hat einen oberen und einen unteren Anschluß für die Einspeisung eines Zustroms f _z mit der Isotopenkonzentration X _z und eines Gegenstroms f _g mit der Isotopenkonzentration X _g, sowie einen oberen Anschluß zur Entnahme des Produktstroms p mit der Isotopenkonzentration X _p und einen unteren Anschluß zur Entnahme des Tailsstroms t mit der Isotopenkonzentration X _t. Das Trennverhalten der Zentrifuge wird phänomenologisch durch das Verhältnis X _p/X _z = α und einen Trennfaktor ε beschrieben, der bei gegebenem α vom gewählten Zustrom f _z abhängt. Um eine Vierpol-Gasultrazentrifuge mit optimalem Wirkungsgrad zu betreiben, ist bei vorgegebenem ε zwischen den beiden Einspeiseströmen das Verhältnis

f _g = (1 + ε ) · f _z

möglichst genau einzuhalten. Zwischen den Strömen und Isotopenkonzentrationen an den vier Anschlüssen der Zentrifuge bestehen dann die folgenden Zusammenhänge:

Produktstrom p = Zustrom f _z
Tailsstrom t = Gegenstrom f _g
Produktkonzentration X _p = (1 + ε ) · X _g
TailskonzentrationX _t = X _z/(1 + ε )
t = (1 + ε ) · p

Die Kaskade gemäß Fig. 2 besteht aus einer Vielzahl von zusammengeschalteten Stufen S₁, S₂ . . . S _zn . . . S _n, die ihrerseits aus parallelgeschalteten, einzelnen Zentrifugen zusammengesetzt sind. Jede Kaskaden-Stufe S _j hat zwei Sammelleitungen für einen Zustrom F _z und einen Gegenstrom F _gj als Einspeisungen sowie zwei Sammelleitungen für die Entnahme eines Produktstroms P und eines Tailsstroms T. Der obersten Kaskaden-Stufe S _n wird der an leichten Isotopen angereicherte Produktstrom P _n und der untersten Kaskaden-Stufe S₁ wird der an leichten Isotopen abgereicherte Tailsstrom T₁ entnommen. Das Ausgangsgemisch wird in zwei Teilströme F _z* und F _g* aufgeteilt. Der Teilstrom F _z* wird in den Zustrom F _zk einer Stufe S _k im Innern der Kaskade eingespeist; der Teilstrom F _g* wird in den Gegenstrom F _gi einer Stufe S _i eingespeist, die unterhalb der Stufe S _k liegt.

Die Strömungsführung zwischen den einzelnen Stufen S₁, S₂ . . . S _n wird im folgenden anhand zweier Stufen S _j und S _j+1 beschrieben: Der der Stufe S _j entnommene Produktstrom P wird als Gegenstrom F _g(j+1) in die nächsthöhere Stufe S _j+1 eingespeist. Der dieser nächsthöheren Stufe S _j+1 entnommene Tailsstrom T _j+1 wird als Zustrom F _z in die Stufe S _j eingespeist. Dabei wird der der Stufe S _j entnommene Produktstrom P gleich groß gehalten wie der der nächsthöheren Stufe S _j+1 entnommene Tailsstrom T _j+1.

Der der Einspeisestufe S _K entnommene Produktstrom P _K, dessen Größe dem Zustrom F _zK entspricht, wird aufgeteilt in einen Gegenstrom F _g(k+1) für die nächsthöhere Stufe S _k+1 und in einen Zustrom F _zn für die oberste Stufe S _n. Mit Rücksicht auf die unterschiedliche Größe der Stufen S _k und S _n wird die Aufteilung der beiden Ströme F _g(k+1) und F _zn so eingestellt, daß die einzelnen, parallelgeschalteten Zentrifugen der beiden Stufen S _k und S _n jeweils etwa mit dem gleichen Zustrom f _z beaufschlagt werden.

Der der Einspeisestufe S _i entnommene Tailsstrom T _i, dessen Größe dem Gegenstrom F _gi entspricht, wird aufgeteilt in einen Zustrom F _z(i-1) für die nächstniedrigere Stufe S _i-1 und in einen Gegenstrom F _g1 für die unterste Stufe S₁. Auch in diesem Falle wird die Aufteilung der beiden Ströme F _z(i-1) und F _g1 so eingestellt, daß die einzelnen, parallel geschalteten Zentrifugen der beiden Stufen S _i und S₁ ebenfalls etwa mit dem gleichen Zustrom f _z beaufschlagt werden unter Beachtung der bereits erwähnten Beziehung zwischen f _g und f _z.

Die Einstellung der gewünschten Isotopenkonzentration X _n in dem der obersten Stufe S _n zu entnehmenden Produktstrom P _n erfolgt durch Einregulieren des in den Zustrom F _zk der Stufe S _k eingespeisten Ausgangsgemisch-Anteils F _z*. In entsprechender Weise erfolgt die Einstellung einer gewünschten Isotopenkonzentration X₁ in dem aus der untersten Stufe S₁ zu entnehmenden Tailsstrom T₁ durch Einregulieren des in den Gegenstrom F _gi der Stufe S _i eingespeisten Ausgangsgemisch-Anteils F _g*.

Die die einzelnen Stufen S _j durchsetzenden Ströme F _z → P und F _gj → T, die man auch als interne Kaskaden- Umströme einander benachbarter Stufen ansehen kann, werden so zueinander eingestellt, daß sie die Bedingung T = (1 + ε ) · P möglichst gut erfüllen, wobei ε den bereits erwähnten Trennfaktor bedeutet. Die Zahl der parallelgeschalteten Zentrifugen nimmt entsprechend dieser Bedingung von Stufe zu Stufe, in Anreicherungsrichtung gesehen, ab. Eine Angleichung im Sinne dieser Bedingung ist auch im Falle einer Abweichung von den Auslegungsdaten der Kaskade anzustreben, d. h., wenn zur Veränderung der Produktkonzentration X _n bzw. der Tailskonzentration X₁ die Ausgangsgemisch-Anteile F _z* bzw. F _g* verändert werden. Auch in diesen Fällen ist innerhalb gewisser Grenzen eine mischungsverlustfreie Isotopentrennung durchführbar.

Eine Kaskade der vorbeschriebenen Art eignet sich besonders zur Anreicherung der Uran-235-Isotope von Uranhexafluorid als Verfahrensgas. Für eine Anreicherung des Produktstroms P _n auf ca. 3% und eine Abreicherung des Tailsstroms T₁ auf ca. 0,25% werden etwa 54 Stufen benötigt bei einem Zentrifugentrennfaktor von ε ≈ 0,04. Das Ausgangsgemisch mit der natürlichen U-235-Konzentration von ca. 0,7% wird zum einen Teil in den Zustrom der 26. Stufe zum anderen Teil in den Gegenstrom der 18. Stufe eingespeist.

Claims

1. Verfahren zur Trennung eines gasförmigen Isotopengemischs, insbesondere zur Trennung der Uranisotope von Uranhexafluorid, unter Verwendung von zu einer Kaskade zusammengeschalteten Vierpol-Gasultrazentrifugen mit je einem Zustrom F _z, einem Gegenstrom F _g, einem Produktstrom P und einem Tailsstrom T für jede Kaskaden-Stufe S, wobei der obersten Kaskaden-Stufe S _n der an leichten Isotopen angereicherte Produktstrom P _n und der utnersten Kaskaden- Stufe S₁ der an leichten Isotopen abgereicherte Tailsstrom T₁ entnommen sowie in zwei verschiedene Kaskaden- Stufen S _k und S _i im Innern der Kaskade je ein Ausgangsgemisch-Anteil F _z* in den Zustrom F _zk und F _g* in den Gegenstrom F _gi eingespeist werden, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) der einer Stufe S _j (ausgenommen bei der Einspeisestufe S _k und der obersten Stufe S _n) entnommene Produktstrom P wird in den Gegenstrom F _g(j+1) der nächsthöheren Stufe S _j+1 eingespeist.
b) der der nächsthöheren Stufe S _j+1 (ausgenommen bei der Einspeisestufe S _i) entnommene Tailsstrom T _j+1 wird in den Zustrom F _z der Stufe S _j eingespeist;
c) der einer Stufe S _j (ausgenommen bei der Einspeisestufe S _k und der Stufe S _i-1 unterhalb der Einspeisestufe S _i) entnommene Produktstrom P wird gleich groß gehalten wie der Tailsstrom T _j+1 der nächsthöheren Stufe S _j+1.
d) der der Einspeisestufe S _k entnommene Produktstrom P _k wird aufgeteilt in einen Gegenstrom F _g(k+1) für die nächsthöhere Stufe S _k+1 und in einen Zustrom F _zn für die oberste Stufe S_n ; das Aufteilungsverhältnis der beiden Ströme F _g(k+1)/F _zn wird so eingestellt, daß die einzelnen, parallelgeschalteten Zentrifugen der beiden Stufen S _k und S _n jeweils etwa mit dem gleichen Zustrom f _z beaufschlagt werden;
e) der der Einspeisestufe S _i entnommene Tailsstrom T _i wird aufgeteilt in einen Zustrom F _z(i-1) für die nächstniedrigere Stufe S _i-1 und in einen Gegenstrom F _g1 für die unterste Stufe S₁; das Aufteilungsverhältnis der beiden Ströme F _z(i-1)/F _g1 wird so eingestellt, daß die einzelnen, parallelgeschalteten Zentrifugen der beiden Stufen S _i und S₁ jeweils etwa mit dem gleichen Zustrom f _z beaufschlagt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet, durch folgende Merkmale:

f) die Einstellung der Isotopenkonzentration des aus der obersten Stufe S _n zu entnehmenden Produktstroms P _n wird durch Einregulieren des in den Zustrom F _zk der Stufe S _k eingespeisten Ausgangsgemisch-Anteils F _z* vorgenommen;
g) die Einstellung der Isotopenkonzentration des aus der untersten Stufe S₁ zu entnehmenden Tailsstroms wird durch Einregulieren des in den Gegenstrom F _gi der Stufe S _i eingespeisten Ausgangsgemisch-Anteils F _g* vorgenommen;
h) im Zuge der Veränderung der Ausgangsgemisch-Anteile F _z* bzw. F _g* werden die eine Stufe S _j durchsetzenden internen Kaskaden-Umströme der Größen P und T im Sinne einer Annäherung an die Bedingung T = (1 + ε ) · P angeglichen, wobei ε den Trennfaktor der einzelnen Vierpolzentrifugen bedeutet.