ПОИСК И РАЗРАБОТКА БОЛЕЕ ЭКОНОМИЧЕСКИ ЭФФЕКТИВНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ОБОГАЩЕННОГО БОРА
1, 1, 1, 2, 1
1 химический комбинат», г. Северск
2Российский химико-технологический университет им. , г. Москва
Высокая мировая потребность в энергии заставляет искать более эффективные и экономичные пути использования всех видов топлива, в том числе и ядерного. Это приводит к необходимости развития технологий направленных на получение больших количеств изотопно-чистых поглотителей избыточных нейтронов для атомных реакторов, таких как 157Gd, 167Er и 10B, которые обеспечивают более эффективное использование ядерного топлива.
Наиболее велика мировая потребность в изотопе бора 10B. Интерес к бору в реакторостроении обусловлен ядернофизическими свойствами его изотопов и его способностью образовывать ряд химических соединений с высокой жаропрочностью и коррозионной стойкостью.
В природе бор существует в виде смеси двух изотопов 10B и 11B, содержание которых в природной изотопной смеси составляет соответственно 19,8 % ат. и 80,2 % ат. Изотопный состав бора в различном природном сырье иногда отличается на ± 2 % что является следствием процессов растворения, химических превращений соединений бора и перекристаллизации, при которых может происходить фракционирование [1].
Изотопы бора обладают близкими физико-химическими свойствами и совершенно различны по своим ядернофизическим свойствам. Так, сечение захвата тепловых нейтронов легким изотопом бора составляет 3820,5 барн, а для тяжелого изотопа эта величина составляет всего 0,05 барн. Таким образом, легкий изотоп бора 10B является эффективным поглотителем, а тяжелый изотоп 11B очень хорошим отражателем и замедлителем нейтронов. В атомной технологии находят применение оба изотопа.
Материалы на основе бора, обогащенного легким изотопом, уже сейчас находят широкое применение и производятся в больших количествах для нужд ядерной энергетики [2]. Основные направления использования 10В приведены в таблице.
Таблица – Основные направления применения изотопа 10В
Ядерная энергетика | Техника и приборостроение | Медицина |
|
Реакторостроение (СУЗы реакторов на тепловых нейтронах; СУЗы реакторов на быстрых нейтронах; нейтронная защита транспортных ЯЭУ; антиактивационные покрытия) | Высокоэффективные датчики и счетчики нейтронов | Нейтронозахватная терапия для лечения злокачественных образований |
|
Контейнеростроение (материалы для сухих хранилищ и контейнеров для транспортировки отработавшего ядерного топлива) | |||
Источники ионизирующих излучений | |||
Эксплуатация реакторов (поддержание водно-химического режима; теплоноситель первого контура реакторов на тепловых нейтронах; системы аварийного охлаждения; выгорающие добавки; жидкостные системы регулирования мощности и аварийной защиты) |
|
На сегодняшний день в промышленности для разделения изотопов бора с целью получения 10В применяется технология химического изотопного обмена между газообразным BF3 и его жидким комплексным соединением с органическим веществом-комплексообразователем (анизолом).
В России, в связи с ренессансом атомной энергетики и планами ускоренного ее развития, назрела необходимость создания собственного производства 10В. Вместе с тем, выполненная технико-экономическая оценка показала, что создание производства 10В по традиционной анизольной технологии не позволяет получить конкурентоспособный продукт по ценовым характеристикам.
Для того, чтобы производство 10B было рентабельным необходимо либо улучшить традиционную анизольную технологию, либо разработать другую более дешевую технологию разделения изотопов бора.
С целью поиска экономически эффективной технологии (способа) разделения изотопов бора на совместно с РХТУ им. проведена количественная оценка основных способов разделения изотопов бора с безреагентным (термическим) обращением потоков фаз, относящихся к физико-химическим методам разделения изотопов.
Для сравнительной технико-экономической оценки выбраны способы разделения изотопов бора, относящиеся к методам ректификации, химобменной ректификации и химическому обмену. А именно:
способ 1 ректификация BF3 при атмосферном давлении;
способ 2 химический изотопный обмен системы BF3-SO2×BF3;
способ 3 ректификация BF3 при повышенном давлении (0,35…0,4 МПа);
способ 4 химобменная ректификация комплекса BF3 с фторметаном (CH3F×BF3);
способ 5 ректификация BCl3 при атмосферном давлении;
способ 6 химический изотопный обмен для системы LR-H3BO3;
способ 7 химический изотопный обмен для системы BF3-CH3NO2×BF3;
способ 8 химический изотопный обмен для системы BF3-C6H5OCH3×BF3;
способ 9 ректификация BCl3 при повышенном давлении (2…4 МПа).
Примечание – первые четыре способа относятся к криогенным способам разделения изотопов бора.
Выбор указанных процессов обусловлен несколькими (основными) причинами:
- бывшее или настоящее промышленное использование (ректификация BF3 под давлением и при повышенном давлении; ректификация BСl3 под атмосферным давление; химобменный анизольный способ). Можно отметить, что рассмотрение анизольного способа закономерно с точки зрения его нынешней промышленной применимости. Это процесс следует рассматривать как базовый для сравнения иных способов разделения изотопов бора;
- благоприятные значения коэффициента разделения изотопов бора (все химобменные способы);
- аномально высокое значение коэффициента разделения (система BF3 – комплекс BF3 с диоксидом серы или фторметаном);
- возможность использования новых технических средств для реализации процесса разделения методом химобмена (система жидкость-жидкость).
Кратко итоги выполненной оценки можно сформулировать в следующей редакции:
- криогенные способы разделения изотопов бора (способы 1-4) характеризуются относительно высокими значениями затрат на оборудование и хладоагент;
- удельные суммарные затраты на производство 10В криогенными способами уменьшаются в ряду: способ 1 – способ 3 – способ 4 – способ 2;
- из рассматриваемых криогенных способов наилучшие экономические показатели присущи химическому изотопному обмену между BF3 и его комплексом с диоксидом серы (способ 2);
- наибольшие удельные затраты из всех способов разделения соответствуют химическому обмену в системе жидкость-жидкость с использование центробежных экстракторов (способ 6);
- наименьшие удельные затраты присущи способу 7 – химическому обмену в системе «BF3-CH3NO2×BF3»;
- очень близкими к вышеуказанному способу экономическими показателями обладает анизольный способ разделения изотопов бора (способ 8);
- экономические показатели ректификации BСl3 при атмосферном давлении (способ 5) близки к значения характеристик для химобменной ректификации BF3 с фторметаном (способ 4) за исключением затрат на охлаждение;
- высокотемпературный вариант ректификации трихлорида бора (способ 8) входит в число трех наиболее экономических процессов концентрирования 10В наряду со способами 7 и 8.
Таким образом, наиболее перспективными направлениями по усовершенствованию способов разделения изотопов бора, согласно проведенной технико-экономической оценки являются способы:
1) ректификация трихлорида бора;
2) химический изотопный обмен для системы BF3-CH3NO2×BF3;
3) химический изотопный обмен для системы BF3-C6H5OCH3×BF3.
Из проведенной оценки также сделан вывод, что такой способ разделения как ректификация трихлорида бора может иметь ряд перспективных преимуществ. Несмотря на малые значения коэффициента разделения изотопов бора (a = 1,003 при температуре 20…25 °С, т. е. при давлении менее 2 атм.), процесс характеризуется, например, такими положительными факторами, как относительно малые значения высоты эквивалентной теоретической ступени (ВЭТС); благоприятные условия проведения ректификации; использование воды в качестве охлаждающего агента. Последнее обстоятельство позволяет существенно упростить инфраструктуру производства и конструктивное исполнение разделительной аппаратуры по сравнению, например, с низкотемпературной ректификацией трехфтористого бора, т. е. избежать использования криогенного оборудования и жидкого азота как хладоагента. По сравнению с методом химического изотопного обмена (анизольный способ разделения, например) существенно сокращается как перечень вспомогательных систем, так и количество рабочих веществ. Помимо вышеуказанного, дополнительные преимущества может обеспечить проведение процесса разделения при избыточном давлении (увеличение пропускной способности ректификационных колонн, возможное повышение коэффициента разделения изотопов бора).
В силу вышеизложенного на проведена исследовательская работа по ректификации BCl3 с целью последующего обоснованного технико-экономического расчета. В ходе проведения работы разработана и создана пилотная установка, предназначенная для определения характеристик процесса ректификации трихлорида бора при избыточном давлении, а также демонстрации процесса разделения изотопов бора с наработкой опытной партии 10В.
Схема лабораторной установки по разделению изотопов бора приведена на рисунке.
Рисунок – Схема лабораторной установки по разделению изотопов бора
Принцип разделения изотопов бора методом ректификации основан на том, что более легкая молекула, содержащая 10В, менее летуча и концентрируется в жидкой фазе, т. е. имеет место обратный изотопный эффект.
Исходя из поставленной задачи наработки опытной партии, и, учитывая малые значение коэффициента разделения (обогащения) изотопов бора в процессе ректификации BCl3, принят периодический безотборный режим работы установки. Такой способ ведения процесса разделения изотопов позволил избежать использования высокоточных технических средств для дозирования потоков жидкости и пара. С точки зрения имеющихся ограничений высоты производственного помещения принято решение разделить колонну на две части с высотой насадочного слоя в каждой колонне не менее 12 м (суммарная высота колонны составила 24 м).
Для увеличения доли концентрирующей части ректификационных колонн (уменьшения доли исчерпывающей части) использован режим работы установки с увеличенным содержанием рабочего вещества в головной части первой ректификационной колонны, т. е. принята схема установки с головным резервуаром.
В результате проведения экспериментальных работ в настоящее время на созданном оборудовании за 30 суток получен образец трихлорида бора с концентрацией изотопа 10В 40 % ат. Также в ходе проведенных исследований получены необходимые экспериментальные данные для проведения технико-экономической оценки создания производства 10В в промышленных масштабах.
Список литературы
1 Полевой и использование стабильных изотопов бора // Итоги науки и техники. Серия: Радиохимия. Ядерная технология. – М.: ВИНИТИ, 1990. – С. 192.
2 , Полевой в реакторостроении. В сборнике «Изотопы» под ред. . – Т. II. – М.: Физматлит, 2005. – С. 192-232.
3 , , Чернов присадки к ядерному топливу и эффекты изотопного обогащения. В сборнике «Изотопы» под ред. . – Т. II. – М.: Физматлит, 2005. – С. 145-160.
