229 моделирование и оптимизация процесса прямого

X МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ
«ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК»
229
МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ПРЯМОГО
ПЛАЗМЕННОГОПОЛУЧЕНИЯ ТЕТРАФТОРИДА УРАНА ИЗ ГЕКСАФТОРИДА
О.Д. Шахматова, Д.А. Михайлова, А.Г. Каренгин
Научный руководитель:к.ф.-м.н.А.Г.Каренгин
Томский политехнический университет, Россия, г. Томск, пр. Ленина, 30,634050
E-mail: shahmatovaol@tpu.ru
MODELING AND OPTIMIZATION OF PLASMA PRODUCING URANIUM
TETRAFLUORIDE FROM HEXAFLUORIDE
O.D.Shakhmatova, D.A.Mihailova, A.G. Karengin
Scientific Supervisor: associate professor, Ph.D in Maths& Physics, A.G.Karengin
Tomsk Polytechnic University, Russia, Tomsk, Lenin str., 30, 634050
E-mail: shahmatovaol@tpu.ru
In this paper the problem of recycling of depleted uranium hexafluoride is considered. The purpose of this
work is modeling and optimization of recycling process with application of plasma equipment in uranium
tetrafluoridefor further conservation. The possibility of such recycling on the basis of thermodynamic
modeling is shown. Results of conducted research can be used for designing plasma technology and
equipment for reprocessing ofuranium hexafluoride.
Актуальность проблемы обеднённого по изотопу U235гексафторида урана (ОГФУ)
определяется экологическими и экономическими факторами. Экологические проблемы
возникли из потенциальной и фактической опасности хранения громадных масс летучего
радиоактивного фтористого продукта в стальных баллонах под открытым небом. Хранение
ОГФУтребует больших эксплуатационных затрат на содержание и расширение отвальных
полей, изготовление и ремонт баллонов[1].
Целью данной работы является моделирование и оптимизация процесса прямой одностадийной
плазменной утилизации ОГФУ в различных плазменных теплоносителях для получения целевого продукта
в виде тетрафторида урана(UF4).Для определения оптимальных режимов исследуемого процесса
проведены расчёты равновесных составов газообразных и конденсированных продуктов прямой
плазменной утилизации ОГФУ. Для расчётов использовалась лицензионная программа TERRA.
На рис. 1, 2 представлены характерные равновесные составы основных газообразных продуктов
прямой плазменной утилизации ОГФУ в водородной плазме
Из анализа равновесных составов (рис. 1) следует, что в водородной плазме при рабочих
температурах до 1500 К образуется целевой продукт прямой плазменной переработки ОГФУ тетрафторид урана UF4(с) в конденсированной фазе. При температурах выше 1600 К образуется
газообразный тетрафторид урана.
Из анализа равновесных составов (рис. 2) следует, что в водородной плазме при рабочих
температурах до 1550 К образуется с максимальным выходом требуемый целевой продукт прямой
плазменной переработки ОГФУтетрафторид урана UF4(с) в конденсированной фазе. При температурах
выше 1600 Ктакже образуется газообразный тетрафторид урана.
РОССИЯ, ТОМСК, 23 – 26 АПРЕЛЯ 2013 г.
ФИЗИКА
X МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ
230
«ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК»
Рис.1. Равновесный состав продуктов прямой
плазменной переработки ОГФУ в водородной
плазме (98% UF6 : 2% Н2)
Рис. 2 Равновесный состав продуктов прямой
плазменной переработки ОГФУ в водородной плазме
(99% UF6 : 1% Н2)
Рис. 3 Равновесный состав продуктов прямой
плазменной переработки ОГФУ в аммиачной
плазме (90% UF6 : 10% NН3)
Рис. 4. Равновесный состав продуктов прямой
плазменной переработки ОГФУ в аммиачной
плазме (97% UF6 : 3% NН3)
Рис. 5. Равновесный состав продуктов прямой
плазменной переработки ОГФУ в пропановой
плазме (90% UF6 : 10% C3Н8)
Рис. 6 Равновесный состав продуктов
прямойплазменной переработки ОГФУ в пропановой
плазме (95% UF6 : 5% C3Н8)
Рис. 7 Зависимость удельных энергозатрат для получения 1 кг UF4(c)
от рабочих температур процесса при различных видах плазм для оптимальных технологических режимов
.
На рис. 3 и 4 представлены характерные равновесные составы основных газообразных и
конденсированных продуктов прямой плазменной переработки ОГФУв аммиачной плазме.
РОССИЯ, ТОМСК, 23 – 26 АПРЕЛЯ 2013 г.
ФИЗИКА
X МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ
231
«ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК»
Из анализа равновесных составов
(рис. 3) следует, что в аммиачной плазме при рабочих
температурах до 1500 К образуется требуемый целевой продукт прямой плазменной переработки
ОГФУтетрафторид урана UF4(с) в конденсированной фазе. При температурах выше 1500 К образуется
газообразный тетрафторид урана.
Из анализа равновесных составов (рис. 4) следует, что в аммиачной плазме при рабочих температурах до
1550 К образуется требуемый целевой продукт прямой плазменной переработки ОГФУтетрафторид
урана UF4(с) в конденсированной фазе. При температурах выше 1600 Ктакже образуется газообразный
тетрафторид урана. На рисунках 5, 6 представлены характерные равновесные составы основных
конденсированных продуктов прямой плазменной переработки ОГФУ в воздушно-пропановой плазме с
различным соотношением плазменного теплоносителя.
Из анализа равновесных составов (рис. 5) следует, что в пропановой плазме при рабочих
температурах до 1500 К образуется требуемый целевой продукт прямой плазменной переработки
ОГФУтетрафторид урана UF4(с) в конденсированной фазе. При температурах выше 1500 Ктакже
образуется газообразный тетрафторид урана. При таком равновесном составе наблюдается образование
небольшого количества сажи C(с).
Из анализа равновесных составов (рис. 6) видно, что в пропановой плазме при рабочих температурах
до 1550 К образуется с максимальным выходом требуемый целевой продукт прямой плазменной
переработки ОГФУтетрафторид урана UF4(с) в конденсированной фазе. При температурах выше 1400 К
образуются газообразный тетрафторид урана и пентафторид урана. При таком равновесном составе
наблюдается образование небольшого количества сажи C(с).
По результатам расчетов удельных энергозатрат на получение 1 кг целевого продукта, можно сделать
вывод, что наименее затратными являются водородная и пропановая плазмы, что видно из рисунка 7.
На рис. 8 приведена зависимость удельных
энергозатрат для получения 1 кг UF4(c)в водородной
плазмеот
рабочей
температуры
процесса
и
концентрацииОГФУ.
С учетом полученных результатов могут быть
рекомендованы для прямого плазменного получения
тетрафторида
урана
из
ОГФУ
следующие
оптимальные режимы:
Рис. 8 Влияние рабочей температуры процесса и
концентрации ОГФУ в водородной плазме на
удельные энергозатраты для получения 1 кг
UF4(c)
• плазменный теплоноситель - водород;
• оптимальный состав (99% UF6 : 1% H2);
• Траб = (1200 ±100) К.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.Туманов Ю.Н. Плазменные и высокочастотные процессы получения и обработки материалов в
ядерном топливном цикле: настоящее и будущее. - М.: Физматлит, 2003. – 759 с.
РОССИЯ, ТОМСК, 23 – 26 АПРЕЛЯ 2013 г.
ФИЗИКА