ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Разделение изотопов и радиоактивных газов из "Мембранное разделение газов" Развитие электроники и атомной энергетики поставило, в частности, задачу поиска способов разделения изотопов различных газов и очистки атмосферы атомных реакторов от газообразных продуктов ядерного горения, таких, например, как имеющие большой период полураспада радиоактивные Кг и Хе, исключения выбросов радиоактивных газов при аварийных ситуациях и т. д. [c.313] Следует подчеркнуть, что применение мембранного разделения для этих целей изначально рассматривалось в качестве альтернативы другим традиционным способам разделения — ректификации, абсорбции, адсорбции. Так, мембранное разделение изотопов урана с получением обогащенного гексафторидом урана ( иРб) потока используется в промышленном масштабе с 40-х годов нашего столетия [35]. Кроме того, этот метод используется для выделения радиоактивных изотопов благородных газов из ретантов заводов по переработке ядерного горючего, из защитной атмосферы ядерных реакторов на быстрых нейтронах и т. д. [99]. [c.314] К недостаткам рассматриваемого метода применительно к разделению изотопов следует отнести низкие значения факторов разделения, что требует применения многоступенчатых установок с большой поверхностью мембран, а это в свою очередь приводит к значительным капитальным и эксплуатационным затратам. [c.314] СЯ она еще и тем, что материал мембраны в большой степени определяет ко1нструктив иые решения и технологические параметры работы аппаратов и установок. [c.315] Для разделения изотопов водорода кроме микропористых можно применять сплошные металлические [100, 101] (палладий и его сплавы) или полимерные (силиконовый каучук, полиэти-лентерефталат, тетрафторэтилен, ацетат целлюлозы и т. д.) мембраны [99, 102, 103]. При этом проницаемость протия через подобные мембраны выше, чем дейтерия и трития. По сравнению с микропористыми и палладиевыми мембранами селективность полимерных непористых мембран ниже, но, учитывая, что они намного дешевле и не требуют применения высоких температур (а значит более выгодны с точки зрения затрат энергии), можно ожидать их широкого применения для разделения изотопов водорода. [c.315] При выборе мембран для работы в условиях радиоактивного облучения следует учитывать влияние радиации на их свойства — проницаемость, механическую прочность и время жизни . Так, мембраны из силиконового каучука стабильно работают в этих условиях только до величины дозы порядка 10 рад [99]. [c.316] Так как молекулярные массы изотопов гексафторида урана близки, то величина идеального коэффициента разделения а = = (352/349) = 1,008. Поэтому для получения обогащенного урана-235 обязательно применение многоступенчатой каскадной установк и, состоящей из нескольких тысяч ячеек на основе пористых трубчатых мембранных элементов. Поток исходной смеси подают на I ступень каскада, пермеат после I ступени —на следующую и т. д. Обогащенный до необходимой концентрации ураном-235 газ отводят с последней ступени каскада на дальнейшую переработку [35]. Ступень каскада представляет собой один или несколько параллельно соединенных мембраиных аппаратов между собой ступени соединены последовательно. [c.317] Установки разделения изотопов водорода. В топливном цикле разрабатываемого в СССР и за рубежом дейтерий-тритиевого реактора для осуществления управляемой термоядерной реакции необходимо выделение из газов плазмы и возврат в цикл не успевших прореагировать дейтерия и трития. Процесс выделения состоит из двух основных стадий выделения Не и других примесей и разделения изотопов водорода с получением смеси дейтерия и трития. Метод газового разделения с использованием многоступенчатой каскадной установки с мембранными модулями на основе палладия и его сплавов, по мнению авторов [100, 101], наиболее перспективен. [c.317] Этот же процесс, но при обычных температурах, можно осуществить и с помощью лолимерных мембран [102, 103, 107]. Одаако при разработке и реализации этого способа следует иметь в виду, что так как энергия активации проницаемости Ог выше, чем Нз, то селективные свойства полимерных мембран с ростом температуры ухудшаются. Для каждого полимера существует температура, пр которой коэффициенты газ опроницаемости изотопов равны и их смесь не делится — она азеотропна [107]. Поэтому одна из первых задач при разработке установки с использованием полимерных мембран — выбор оптимальной температурной последовательности ведения процесса в многоступенчатом каскаде. [c.318] Установки разделения радиоактивных газов. Продуктами сгорания ядерного горючего кроме ядер тяжелых элементов являются изотопы благородных газов с различным периодом полураспада изотопов ксенона Хе и Хе всего соответствепно 126,5 ч и 9,2 ч, а у нриптона Кг— 10,6 года. Поэтому совершенно необходимо в проектах атомных электростанций и заводов по переработке ядерного горючего предусматривать выделение радиоактивных криптона и ксенона из циркуляционных и сбросных газов. И в этом случае лучшее решение — применение мембранной газоразделительной установки, высоконадежной и безопасной в работе. Создаются мобильные мембранные установки для очистки выбросных газов АЭС при аварийных ситуациях [99]. [c.318] Расомотрены [99] инженерные аспекты выделения радиоактивных криптона и ксенона из защитной атмосферы (аргон) ядерного реактора на быстрых нейтронах с жидким натрием в качестве теплоносителя —рис. 8.30. [c.318] Газовую смесь, содержащую радиоактивные криптон и ксенон в смеси с аргоном, после реактора направляют в ловушку, в которой уровень радиации, благодаря распаду короткоживущих изотопов, несколько снижается и газ охлаждается до обычной температуры. Далее смесь газов подают на мембранную установ1ку. Радиоактивные Кг и Хе, выделяющиеся в качестве пермеата в укрепляющей части каскада мембранных элементов (мембрана — полые волокна из силиконового каучука d ap=635 мкм, вн = 305 мкм), направляют на хранение в газгольдер, продолжительность хранения в котором определяется уровнем радиации. Сбросной поток возвращают в реактор, поэтому нет необходимости в исчерпывающей части каскада. [c.319] Аналогичный расчет мембранного каскада для выделения криптона и ксенона из сбросных газов заводов переработки ядер-ното горючего показал, что для разделения 0,36 м ч смеси [Кг (1,02-10 мол. доли), Хе (4,07-10 мол. доли), Ог (0,21 мол. доли), остальное — N2] потребуется 26 рабочих ступеней, по 13 в исчерпывающей и укрепляющей части. Коэффициент деления потока 0 для исчерпывающей части — 0,385, для укрепляющей — 0,425. В результате разделения получают 0,0037, м /ч дистиллята (1,00-10 мол. доли Кг, 4,00-10 — Хе, 0,959 — О2, остальное— N2) и 0,3563 м ч кубового остатка (9,35-10 мол. доли Кг, 4,28-10 2 — Хе, 0,203 — О2, остальное — N2). Степень очистки газов и уровень радиации таковы, что поток можно выводить в атмосферу. Общая длина полых волокон из оиликонового каучука в подобной установке составляет 508 392 м. [c.319] Предложено [104, 105, 108, 109] проводить выделение криптона 1и сенона на мембранных модулях с двумя различными по структуре (сплощиая и микропористая) и газоразделительным свойствам полимерными мембранами, выполненны.ми в виде полых волокон (см. табл. 8.21). В качестве разделительных ячеек использовали модули с мембранами из силиконового каучука — длиной 1,0 м, 1000 волокон с ацетатцеллюлозными микропористыми перегородками — длиной 0,35 м, 3 капилляра. Газовую смесь на разделение подавали внутрь полых волокон. Ретант отводили с противоположного торца модуля. [c.319] Опытные данные по разделению бинарной смеси Не—Кг, полученные при испытаниях этих модулей, представлены на рис. 8.31. Количество Кг в исходном газе — 0,001 мол. доли, давление в напорном канале —0,6 МПа, в дренажном — 0,1 МПа. Как видно из рисунка, в модуле с мембранами из силиконового каучука пермеат обогащается криптоном противоложный эффект наблюдается при разделении на микропористой ацетатцеллюлозной перегородке. [c.319] Коэффициент деления потока 0 также по-разному влияет на работу модулей. Закономерен поэтому и вывод—i-использовать два этих модуля в качестве одной ступени делительного каскада 1105, 108] (рис. 8.34, 8.35). [c.320] Следующая ступень увеличения эффективности разделения — совмещение двух модулей с разными мембранами в одном аппарате (рис. 8.34). Аппарат конструируется таким образом, чтобы трубные решетки различных мембран располагались в противоположных концах кожуха. Строго определенное число мембран одного типа (от 3 до 1000) помещают в перфорированные трубки, которые затем закрепляют в соответствующей трубной решетке. Мембраны в трубных решетках герметизируют с помощью клеевых композиций на основе аиликонового каучука (сплошные волокна) и эпоксидной смолы (пористые мембраны). [c.321] Процесс предназначен для выделения криптона пз выбросных газов заводов по переработке ядерного топлива. Длина аппаратов (ячеек) Б кас4 аде—1 м, диаметр— изменяется от 0,023 м (наименьшая ячейка) до 0,3 м. Площадь всей установки — 26 высота — около 4,4 м, причем большую часть пространства занимают компрессоры. [c.322] Следует отметить, что главной особенностью работы мембранных установок разделения, определяющей их широкое применение в различных отраслях ядерной энергетики, является надежность в работе. Модульность установки позволяет быстро наращивать или уменьшать производительность, появляется возможность создания мобильных установок для работы в аварийных условиях и т. д. [c.322] Вернуться к основной статье