ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Производство тяжелой воды из "Химия в атомной технологии" Значительное уменьшение размеров атомных реакторов, по сравнению с граф 1товыми, оказалось возможным с применением в качестве замедлителя тяжелой воды. Но даже в этом случае для одного реактора требуется несколько тонн тяжелой воды, и поэтому она должна производиться в больших масштабах. [c.350] Производство тяжелой воды представляет собой, в сущности, разделение изотопов водорода. Отношение масс изотопов водорода гораздо больше единицы, чем у изотопов других элементов. Поэтому и соединения изотопов водорода различаются между собой по многим свойствам сильнее, чем соединения других элементов, отличающихся только изотопным составом. В табл. 13.2 сравниваются некоторые свойства легкой и тяжелой модификаций водорода и воды. Многие различия не могут быть объяснены только с точки зрения разницы молекулярных весов двух соединений. Например, точка кипения воды с изотопом тяжелого кислорода НгО составляет лишь 100,2° С, а молекулярный вес ее почти равен молекулярному весу тяжелой воды ОгО. [c.350] ЭТОМ коэффициенты разделения значительно отличаются от единицы. Часть из них приведена в табл. 13.3. Но в связи с чрезвычайно низким содержанием дейтерия в природном водороде (около 0,015 ат. %) получение дейтерия обходится очень дорого, несмотря на благоприятные коэффициенты разделения. Практически очень трудно извлечь столь незначительное количество дейтерия из водорода (или из воды). Для получения 1 кг дейтерия необходимо переработать при.мерно 22 т воды. Поскольку для создания необходимой флегмы поток на промежуточных ступенях должен во много раз превышать исходный поток, количество воды или другого источника водорода, используемого на разделительных стадиях, должно быть исключительно большим. Вот но чему чрезвычайно низкая стоимость начальных стадий разделения может существенно сказаться на экономике процесса получения тяжелой воды. В крупномасштабном производстве тяжелой воды для переработки огромного количества природной воды, необходимой на первых разделительных стадиях, организуется несколько параллельных веток. К примеру, завод первичного разделения в Саванна-Ривере [2] имеет 24 независимых одинаковых каскада. Стоимость работы завода и капитальные затраты пропорциональны объему перерабатываемой воды. После того как вода обогащается до 3% по ВгО, масштаб производства по дальнейшему обогащению настолько сокращается, что общая стоимость тяжелой воды не зависит от применяемого далее метода обогащения. [c.351] Изучено много методов получения дейтерия. Наиболее перспективными из них оказались хи.мический обмен между водой и водородом, а также между водой и газообразным сероводородом, дистилляция воды н жидкого водорода, электролиз воды. Так как каждый из этих методов имеет свои трудности, выбрать из них паилучший нелегко. Поэтол1у все они применяются. [c.352] Метод дистилляции воды применялся в США с 1943 по 1945 г. на трех заводах. Было получено 32 т тяжелой воды. Коэффициент разделения для этого метода, зависимость которого от температуры показана на рис. 13.3, не столь благоприятен для процесса, как в методах химического обмена. Любопытно, что при 227° С коэф фициент разделения достигает единицы (разделения не происходит) и выше этой температуры дейтерий концентрируется в паровой фазе. Дистилляция воды применяется в СШ.4 Б современном производстве тяжелой воды для обогащения воды с 15 до 90% по ВгО. Выбор этого метода объясняется тем, что в нем отсутствуют потери ценной обогащенной воды. Дистилляция под разрежением имеет преимущество, так как позволяет получить больший коэффициент разделения при меньших затратах. [c.352] Анализируя коэффициенты разделения, ириведениые в табл. 13.3, нетрудно сделать вывод, что идеальным процессом для производства тяжелой воды является иротивоточный обмен воды с водородом. Уолтер с сотр. [3] опубликовали сообщения о работе укрупненной установки для обогащения дейтерия при давлении 200 ат методом обмена между водородом и водной суспензией катализатора — платинированного древесного угля. В других сообщениях, появившихся до опубликования этой работы, указывалось, что реакция обмена между водой и водородом даже в присутствии известных катализаторов протекает слишком медленно, чтобы ее можно было использовать в практических целях. Обмен между водородо.л и паром удовлетворительно катализируется платинированным древесным углем или хромоникелевым окисным катализатором. Однако эти катализаторы отравляются примесями, присутствующими в водороде, полученном любым промышленным методом, кроме электролитического. [c.354] Противоточиое контактирование с водой водорода достаточной степени чистоты может быть осуществлено в колонке, предложенной Барром, в которой катализатор контактирует только с водородо.м и водяным паром. [c.354] Схема этой колонки показана на рис. 13.4. В нижней части колонки на колпачковой тарелке поступающий водород насыщается паром, идущим сверху вниз. После того как газ перегревается до такой степени, что вся жидкость, захваченная нм, превращается в пар, ои проходит через слой катализатора, в котором происходит обмен. Над катализатором газ насыщается на двух дополнительных колпачковых тарелках потоком спускающейся воды, при этом на них устанавливается равновесие жидкость— пар, а вода омывает слой катализатора. Газ снова перегревается, проходит через следующий слой катализатора и еще через две барботажные тарелки и т. д. [c.355] Таким образом, дейтерий удаляется из водорода, выходящего нз колонки, а вода, стекающая вниз, обогащается по окиси дейтерия. [c.355] Колумбия), единственном заводе в Северной Америке, производившем водород и кислород методом электролиза в масштабах, достаточно больших для практического извлечения дейтерия. [c.355] Принципиальная схема завода первичного обогащения воды в Трейле показана на рнс. 13.5. На заводе природная вода концентрировалась до 2,37% по ВгО. [c.355] Преимущество метода химического обмена между водой и сероводородом, меркаптаном или галогено-водородами для получения дейтерия заключается в том, что реакции протекают быстро и без катализатора. [c.357] На установке в Саванна-Ривере природная вода обогащается до 0,15% ОгО в каскаде спаренных колонн для двухтемпературного обмена воды с сероводородом. В Терре-Хоте (штат Индиана) находится второй завод. Схема расположения колонн показана на рис. 13.7. На каждой стадии обогащается около Д всей воды. Остаток поступает в горячую колонну для создания флегмы. Продукт пятой стадии поступает в дистилляционны колонны для дальнейшего обогащения. [c.358] Вернуться к основной статье