NO126702B - - Google Patents

Description

Fremgangsmåte og anordning for anriking av isotoper.

Oppfinnelsen angår anriking av isotoper

ved såkalt bi-termisk utveksling.

Man kjenner fremgangsmåter for anriking av et stoff med en av de isotoper av et element som dette stoff inneholder, som i det vesentlige består i at man, for-trinsvis under anvendelse av motstrøms-prinsippet og eventuelt i nærvær av en ka-talysator, fører vedkommende stoff sam-men med en bestemt hjelpefase av et annet stoff, som også inneholder det nevnte element, i et apparat som består av ett eller flere trinn som hvert inneholder to reaktorer eller utvekslere som har forskjellige temperaturer.

Oppfinnelsens mål er i første rekke å innskrenke den samlede mengde av hjelpefasen som kreves, samt redusere den energimengde som behøves for å sirkulere hjelpefasen og for derunder å oppvarme og avkjøle den.

Oppfinnelsen er i det vesentlige karakterisert ved at man i et fler-trinns apparat av den ovennevnte art sirkulerer den nevnte hjelpefase mellom iallfall noen forskjellige trinn på en slik måte at for det ene blir den mengde av hjelpefasen som forlater lavtemperaturreaktoren i et trinn n, ledet inn igjen i innløpet til lavtemperaturreaktoren i trinnet n—p (p er et helt tall som er mindre enn n), og for det annet at en passende porsjon av mengden av hjelpefasen, som går ut fra høytempera-turreaktoren i trinnet n—p, blir ført inn igjen i innløpet til høytemperaturreakto-ren i trinnet n (eller omvendt, idet da høy-temperaturene og lavtemperaturene byttes om).

Den kjente, såkalte bi-termiske fremgangsmåte for en sådan anriking skal for-klares kort i forbindelse med fig. 1. Denne viser et eneste bitermisk arbeidstrinn 1, som består av to reaktorer av vanlig type, nemlig lavtemperaturreaktoren 2 og høy-temperaturreaktoren 3.

Hvis et kjemisk element A består av to isotoper a og a', og man ønsker å anrike en forbindelse AB, som inneholder elementet A, med en av disse isotoper, f. eks. a', setter man forbindelsen AB i kontakt med en annen forbindelse AC som likeledes inneholder elementet A. Det foregår da mellom disse forbindelser en isotoputvekslings-reaksjon av typen

hvor forholdet K mellom konsentrasjonene av isotopen a' i AB og i AC i likevekten

er en funksjon av temperaturen.

Hvis f. eks. koeffisienten K varierer omvendt proporsjonalt med temperaturen kan man anvende den i fig. 1 antydede apparatur på følgende måte: Det antas at forbindelsen AC er gass-formig og sirkulerer i det sluttede kretsløp 4, og at forbindelsen AB er flytende.

Forbindelsen AB innføres ved 5 i lavtemperaturreaktoren 2. Der møter den i motstrøm forbindelsen AC og fluidumenes konsentrasjons- og temperaturforhold er slike at likevektsreaksjonen (I) går fra venstre mot høyre. Ved utløpet 6 fra reaktoren 2 er forbindelsen AB rikere på forbindelsen a'B, altså også på isotopen a', enn den var ved innløpet 5, og tilsvarende er forbindelsen AC mindre rik på isotopen a' ved utløpet 7 fra reaktoren enn ved dens innløp til samme reaktor.

I høytemperaturreaktoren 3 er fluidumenes konsentrasjons- og temperaturforhold slike at likevektsreaksjonen (I) går fra høyre mot venstre. Ved passeringen gjennom reaktoren 3 fra innløpet 9 til ut-løpet 10 blir forbindelsen AB fattigere på isotopen a', og tilsvarende blir forbindelsen AC rikere på isotopen a' mens den passerer gjennom reaktoren 3 fra 11 til 12. Følgen er at konsentrasjonene av isotopen a' i hver av forbindelsene AB og AC er størst mellom de to reaktorene 2 og 3 og man kan ved 13 trekke bort en del av forbindelsen AB, som er rikere på isotopen a' enn den var ved innløpet 5 til reaktoren 2.

Som man ser vil — på grunn av tempe-raturdifferensen mellom reaktorene 2 og 3 — hjelpefluidumet AC, som sirkulerer i sluttet kretsløp gjennom ledningen 4, ta opp igjen isotop a' i reaktoren 3, for så å avgi den til forbindelsen AB i reaktoren 2.

I de kjente anlegg for anriking av isotoper ved bi-termisk utveksling benyttes det ikke bare ett eneste trinn av den i fig. 1 viste art. Den ved 13 uttatte, an-rikede fraksjon av forbindelsen AB ledes til et neste trinn, som er helt likt trinnet 1, og deretter følger flere slike trinn, inntil forbindelsen AB har fått det ønskede innhold av isotopen a'.

Et slikt kjent anlegg er allerede blitt anvendt til f. eks. å anrike vann på deuterium ved isotoputveksling med svovelvannstoff, som tjener som hjelpefluidum. I dette tilfelle blir ved passende temperaturer og trykk en flytende fase, som består av vann med eller uten oppløst svovelvannstoff, brakt i berøring med en gass-formig fase som består av svovelvannstoff som eventuelt er mettet med vanndamp. I den intime blanding av disse to faser foregår det i hver av de to reaksjoner en isotopreaksjon av typen:

På grunn av at de to reaktorer arbeider!

ved innbyrdes forskjellige temperaturer får man en forskjellig fordeling av deuterium mellom de to faser.

Konsentrasjonen av deuterium i vannet som på denne måte settes i berøring med svovelvannstoffet ved en bestemt temperatur er desto høyere jo lavere temperaturen er. Ved motstrømsberøringen mellom de to faser ved to forskjellige passende valgte temperaturer oppnår man således en anriking av deuterium i den flytende fase i den reaktor som arbeider ved den laveste temperatur og en anriking av deuterium i gassfasen i den reaktor som arbeider ved den høyeste temperatur. Følgen er en maksimal konsentrasjon av deuterium i vannet som strømmer ut av lavtemperaturreaktoren og en maksimal konsentrasjon av deuterium i svovelvannstoff som går ut fra høytemperaturreaktoren.

I praksis tar man ved utløpet fra lavtemperaturreaktoren ut en viss mengde vann som er anriket på deuterium, hvor-etter denne mengde ytterligere anrikes på deuterium ved behandling i et neste trinn, som arbeider på den samme måte som det første trinn. Ved å anvende en rekke av slike ensartede trinn kan man oppnå en ønsket konsentrasjon av tungt vann i vanlig vann.

I alle de kjente anlegg for anriking av isotoper ved bi-termisk utveksling anvendes det således en rekke trinn i hvert av hvilke trinn det foregår en særskilt sirkulasjon av hjelpfluidumet i et sluttet krets-løp. I et slikt anlegg må det anvendes like mange sluttede kretsløp med dertil hø-rende utstyr (kompressorer osv.) som anlegget har trinn.

For å nedsette den samlede mengde av hjelpfluidum, og dermed utgifter til anlegg og kraft for dettes drift, anvender man i henhold til oppfinnelsen en og samme sirkulasjon av hjelpefluidum for flere forskjellige trinn. For å oppnå dette arbeider man på følgende måte: hele den mengde fluidum som går ut fra lavtemperaturreaktoren i minst ett trinn n føres til innløpet til lavtemperaturreaktoren i trinnet n—p (p er mindre enn n);

en helt bestemt proporsjon av den mengde fluidum som går ut fra høytem-peraturreaktoren i trinnet n—p føres til innløpet til høytemperaturreaktoren i trinnet n.

For å bestemme den nevnte proporsjon

anvender man følgende betraktning:

Man betegner som følger:

An er tilførselen i trinn n av fluidum som skal anrikes (som man også kan kalle «hovedfluidum»);

Gn er mengden av hjelpefluidum som passerer gjennom hver reaktor i trinnet n;

Yn er den molare isotopkonsentrasjon i hovedfluidumet som tilføres trinnet n;

p er forholdet

som er større

enn 1, og som forutsettes å være det samme for hvert trinn (dvs. anrikningskoeffisienten for isotop i hovedfluidumet i hvert trinn, dvs. i hver lavtemperaturreaktor);

Xn betegner den molare isotopkonsentrasjon i resten av hovedfluidumet som forlater høytemperaturreaktoren i trinnet n, og

a er forholdet — som er mindre enn 1 og som forutsettes å være likt for hvert trinn (altså koeffisienten for hovedfluidu-mets fattiggjørelse mellom dets innløp til og utløp fra et helt trinn).

For å beregne et anlegg til anriking av isotoper fastlegger man først forholdet (3 og antallet av trinn, under hensyntagen til den endelige anriking som ønskes opp-nådd.

Under disse forhold og for en gitt verdi av koeffisienten a viser beregningen at mengden av hovedfluidum som tilføres hvert trinn tilnærmet svarer til:

Videre vet man, at for en bestemt temperatur i lavtemperaturreaktoren opp-nås den maksimale anriking ved en bestemt

Gn

verdi av forholdet — som ikke er av-An

hengig av konsentrasjonene av isotop. Den nevnte lave temperatur er den samme i alle trinn og det nevnte forhold er det samme i hvert trinn nemlig

av (II) og (III) fremgår at

Gn + 1=1 Gn eller generelt

Dette vil med andre ord si, at den mengde hjelpefluidum som skal tas ut fra den mengde fluidum som forlater høytem-peraturreaktoren i trinnet n—p, for å føres til innløpet av høytemperaturreaktoren i trinnet n, er lik den omvendte av potensen av størrelsesordenen p av koeffisienten for isotopanriking i hovedfluidumet i hvert trinn.

I forbindelse med fig. 2 og 3 skal det nedenfor beskrives to utførelseseksempler på oppfinnelsen. Fig. 2 viser skjematisk og partielt sirkulasjonen av hjelpefluidumet i et anlegg i henhold til oppfinnelsen (hvor p = 1). Fig. 3 viser skjematisk et annet anlegg med to innbyrdes uavhengige kretsløp av hjelpefluidumet (p = 2). Fig. 4 viser skjematisk et komplett anlegg bestående av elementene i fig. 2.

I fig. 2 er det bare vist de to første trinn 14 og 15 samt de to siste trinn 16 og 17 i et sett av bitermiske reaktorer. Lavtemperaturreaktorene er betegnet med 18, 19, 20 og 21, mens høytemperaturreaktorene er betegnet med 22, 23, 24 og 25. Hvis reaksjonen foregår for langsomt kan man i disse reaktorer anvende ett eller flere lag av katalysatorer.

I det viste eksempel anvendes det bare ett eneste kretsløp av hjelpefluidumet (p = 1), som drives av en pumpe eller en kompressor 26.

Hvis man med G betegner den mengde hjelpefluidum som settes i sirkulasjon av organet 26 og som tilføres innløpet til reaktoren 22 tar man — ved hjelp av et hvilket som helst passende arrangement — ut

Q

fraksjonen — av dette fluidum ved utløpet fra reaktoren 22 og leder denne fraksjon til reaktoren 23, mens den resterende fraksjon G (1-1 ) ledes til reaktoren 18. Til reaktoren 18 føres det en mengde hjelpe-Q

fluidum - som kommer fra reaktoren 19

slik at den samlede mengde hjelpefluidum som strømmer ut fra reaktoren 18 blir lik G.

På tilsvarende måte føres fra utløpet

Q

av reaktoren 23 fraksjonen -~ av det samlede hjelpefluidum til den følgende (ikke

G 1 viste) reaktor, og fraksjonen _ (i—_ )

Q

ledes til reaktoren 19, som også mottar-fra den følgende (heller ikke viste) lavtemperaturreaktor.

I det siste trinn 17 blir hele den fra reaktoren 25 utgående mengde hjelpefluidum ført til reaktoren 21.

Den samlede mengde hjelpefluidum som skal settes i sirkulasjon i det hele er altså lik G, mens den i det tidligere kjente tilfelle, hvor det anvendes uavhengig sirkulasjon i hvert trinn, vil være

Som en første tilnærmelse blir altså mengden av hjelpfluidum som settes i sirkulasjon i henhold til oppfinnelsen delt etter faktoren

Den energimengde som kreves for de suksessive avkjølinger og opphetninger av hjelpefluidumet blir følgelig dividert med en analog faktor.

Hvis f. eks. anrikningskoeffisienten pr. trinn (3 = 3, hvilket krever seks bitermiske trinn (N = 6) for å heve deuteriuminnhol-det av naturvann — som inneholder 144 deler deuterium pr. million deler — til 10 pst., vil den samlede mengde svovelvannstoff som behøves for hele anlegget være 1,5 gan-ger mindre hvis man for sirkulasjonen anvender det i fig. 2 viste skjema i stedet for særskilt sirkulasjon for hvert trinn.

Fig. 3 viser skjematisk et anlegg i henhold til oppfinnelsen, hvor p = 2, og hvor det følgelig anvendes to innbyrdes uavhengige sirkulasjoner av hjelpefluidum, den ene mellom de med like tall betegnede trinn, den annen mellom de med ulike tall betegnede trinn. Sirkulasjonen av flui-dumet som skal anrikes er av kjent type.

Lavtemperaturreaktorene 27—32 og høytemperaturreaktorene 33—38 danner anleggets seks bitermiske trinn. I henhold til oppfinnelsen er de to kretsløp 39 (vist med prikk-strekete linjer) og 40 (vist med strekete linjer) av hjelpefluidumet innbyrdes helt uavhengige, og sirkulasjonen opp-nås ved hjelp av pumper eller kompressorer 41 resp. 42.

Denne utførelsesform kan være fordel-

aktig hvis isotop konsentrasjonen i hovedfluidumet (som delvis kan være revet med av hjelpefluidumet) er praktisk talt like stor ved det øvre av høytemperaturreakto-ren i trinnet n og ved det nedre av høytem-peraturreaktoren i trinnet n + 2.

Det er klart at man uten å gå utenfor oppfinnelsens ramme kan kombinere flere sirkulasjonsskjemaer av den ovenfor be-skrevne art i ett og samme anlegg, f. eks. ved at anlegget deles opp i flere suksessive trinn som er anbrakt i rekkefølge, og at hver enkelt av disse grupper utstyres med en sirkulasjon av typen p = 1.

Fig. 4 viser skjematisk et anlegg i henhold til oppfinnelsen som er beregnet på fremstilling av tungt vann ved bitermisk. utveksling mellom vann (hovedfluidum) og svovelvannstoff (hj elpefluidum).

Det anvendes i dette anlegg lavtempe-raturreaktorer 43—48 og høytemperatur-reaktorer 49—54, som danner anleggets 6 bitermiske trinn. Vannet sirkuleres i henhold til et kjent skjema (strømkretsen vist med helt opptrukne linjer) og sirkulasjonen av H,S-gass, foregår fra bare ett trinn til et annet (p = 1); ved hjelp av kompresso-ren 26 sikres det at svovelvannstoffet sirkulerer gjennom hele anlegget (strekete linjer).

De karakteristiske størrelser som sty-rer anleggets arbeidsmåte er følgende: P = 1-3

a = 0,769

G = 2,10

A

Lav temperatur = 30° C (denne temperatur er valgt fordi den er den laveste temperatur som man kan være sikker på å opprettholde til alle årstider uten å anvende noe kjøleanlegg)

Mengden av vann som skal anrikes er i hvert trinn på tegningen angitt som kilomolekyler pr. time (tall som er omgitt av rektangler).

Konsentrasjonene av deuterium i vannet er i hvert trinn angitt som deler pr. million (tall angitt av en sirkel).

Når det pr. time anvendes 17.234 kilomolekyler naturvann som inneholder 145 deler deuterium pr. million deler vann ved innløpet, vil anlegget i fig. 4 ved utløpet 55

levere pr. time 1000 kilomolekyler vann som

er blitt anriket med deuterium til 697 deler

pr. million. Det samlede forbruk av svovelvannstoff er 34091 kilomolekyler pr. time,

mens man ved en særskilt sirkulasjon i

hvert trinn av et vanlig anlegg måtte ha

anvendt ialt 95.886 kilomolekyler pr. time

av H2S-gass.

Claims (3)

1. Fremgangsmåte til å anrike et stoff

med en av de isotoper av et element som dette stoff inneholder, ved hvilken man, fortrinnsvis under anvendelse av mot-strømsprinsippet, i et flertrinns apparat hvor hvert trinn består av to adskilte reaktorer som har forskjellige temperaturer bringer vedkommende stoff i kontakt med en særskilt hjelpefase av et annet stoff, som også inneholder det nevnte element, og hvor en del av det nevnte stoff sirkulerer suksessivt gjennom hvert av de nevnte trinn og progressivt anrikes på vedkommende isotop i hvert enkelt av trinnene inntil det siste trinn fra hvilken det trek-kes ut i anriket tilstand, karakterisert ved at man sirkulerer den nevnte hjelpefase mellom iallfall noen forskjellige trinn i ap- paratet på en slik måte at for det ene blir den mengde av denne fase, som går ut fra den reaktor i et trinn n hvor fasen blir fattigere på isotop, ført inn igjen i innløpet til den tilsvarende reaktor i trinnet n +- p (p er et helt tall som er mindre enn n), og for det annet blir en passende porsjon av denne fase som forlater den reaktor i trinnet n -r- p hvor fasen anrikes på isotop innført igjen i innløpet til den tilsvarende reaktor i trinnet n.

2. Fremgangsmåte ifølge påstand 1, hvor isotopanrikningskoeffisienten for det stoff som skal anrikes har praktisk talt den samme verdi i alle vedkommende trinn, karakterisert ved at den passende porsjon som uttas fra hjelpefasen som forlater reaktoren i trinnet n-p, hvor den blir anriket på isotop, gis en relativ verdi som er praktisk talt lik det omvendte av nevnte koeffisients potens av størrelsesordenen p.

3. Fremgangsmåte ifølge påstand 1, karakterisert ved at stoffet som skal anrikes på isotop er vann, og at hjelpefasen er svovelvannstoff og isotopen er deuterium.