기체 확산

Gaseous diffusion
가스 확산은 반투과성 막을 사용하여 농축 우라늄을 분리한다.

가스 확산은 6불화우라늄(UF6) 가스를 반투과성 막에 밀어 넣어 농축우라늄을 생산하는 기술이다.이로 인해 우라늄-235(235U)와 우라늄-238(238U)을 포함하는 분자 사이에 약간의 분리가 발생한다.여러 단계의 대규모 캐스케이드를 사용함으로써 높은 분리를 달성할 수 있다.그것은 산업적으로 유용한 양의 농축 우라늄을 생산할 수 있는 첫 번째 개발 과정이었지만, 현재는 더 효율적인 가스 원심 분리 [1]과정으로 대체되어 구식으로 간주되고 있다.

1940년 프랜시스 사이먼과 니콜라스 쿠티가 클래런던 연구소에서 고안한 가스 확산은 영국 튜브 합금 프로젝트를 위한 폭탄을 만들기 위해 우라늄-235를 우라늄-238에서 분리하는 방법을 찾는 MAUD 위원회의 임무를 맡았다.시제품 가스 확산 장비 자체는 맨체스터 트래포드 파크의 Metro-Vickers(MetroVick)가 M.S. Factory, Valley를 위해 4대당 150,000 파운드의 비용으로 제조했습니다.이 작업은 나중에 튜브 알로이 프로젝트가 나중에 맨해튼 [2]프로젝트에 포함되면서 미국으로 넘어갔다.

배경

알려진 33개의 방사성 원시 핵종 중 2개(235U와 U)는 우라늄의 동위원소이다.이 두 동위원소는 U만이 핵분열이라는 점(열 중성자와 핵분열의 핵 연쇄 반응을 유지할 수 있음)을 제외하면 여러 면에서 유사하다.사실, U는 자연적으로 발생하는 유일한 핵분열성 [3]핵이다.천연 우라늄은 질량이 약 0.72% U에 불과하기 때문에 정상수를 감속재로 사용할 때 지속적인 핵 연쇄[4] 반응을 지원할 수 있도록 2 ~ 5%의 농도로 농축해야 한다.이 농축 과정의 산물은 농축 우라늄이라고 불립니다.

테크놀로지

과학적 근거

기체 확산은 기체의 유출 속도가 분자 질량의 제곱근에 반비례한다는 그레이엄의 법칙에 기초한다.예를 들어, 두 기체의 혼합물을 포함하는 반투과성 막이 있는 상자에서, 가벼운 분자는 무거운 분자보다 용기 밖으로 더 빨리 빠져나갑니다.용기에서 나오는 가스는 가벼운 분자로 다소 농축된 반면 잔류 가스는 다소 고갈됩니다.가스 확산을 통해 농축 과정이 발생하는 단일 용기를 디퓨저라고 합니다.

육불화 우라늄

UF는6 기체 확산 과정에 사용될 수 있을 만큼 휘발성이 충분한 우라늄의 유일한 화합물이다.다행히 불소는 단일 동위원소 F로만 구성돼 있어 UF와6 UF의 분자량6 차이가 1%는 우라늄 동위원소 무게 차이 때문이다.이러한 이유로 가스확산 [5]공정의 공급원료는6 UF가 유일하다.실온에서6 고체인 UF는 [6]1기압에서 56.5°C(133°F)로 승압합니다.트리플 포인트는 64.05°C와 1.5bar입니다.[7]육불화우라늄에 그레이엄의 법칙 적용:

여기서:

속도는1 UF의 유출6 속도입니다.
속도는2 UF의 유출6 속도입니다.
M은16 UF = 235.043930 + 6 × 18.998403 = 349.034348 g·120의−1 몰 질량이다.
M은2 UF의6 몰 질량 = 238.050788 + 6 × 18.998403 = 352.041206−1 g·1402

이는 UF 분자와 UF [8]분자의 평균66 속도 차이가 0.4%인 것을 설명한다.

UF는6 부식성이 강한 물질이다.예를 들어 구리의 반응과 같은 불소와 결합할 수 있는 산화제와[9] 루이스산이다.II) 아세토니트릴에 육불화우라늄이 포함된 플루오르화물은 구리를 형성하는 것으로 보고된다.헵타플루오로란산(VI), Cu(UF7).2[10]물과 반응하여 고체 화합물을 형성하고 산업 [5]규모로는 다루기가 매우 어렵습니다.따라서 내부 가스 경로는 오스테나이트계 스테인리스강 및 기타 열안정 금속으로 제작되어야 합니다.Teflon과 같은 비반응성 불소 고분자는 시스템의 모든 밸브 및 씰에 코팅으로 도포해야 합니다.

장벽 재료

가스 확산 플랜트는 일반적으로 10-25나노미터의 공극 크기를6 [3][5]가진 소결 니켈 또는 알루미늄으로 구성된 골재 장벽(다공질막)을 사용합니다(이는 UF 분자의 평균 자유 경로의 10분의 1 미만).또한 초기에 비다공성 매체를 통해 구멍을 뚫어 만든 필름 형태의 장벽을 사용할 수도 있습니다.이를 위한 한 가지 방법은 합금의 한 가지 성분을 제거하는 것입니다. 예를 들어 염화수소를 사용하여 은-아연(Ag-Zn)에서 아연을 제거하는 것입니다.

에너지 요건

UF와6 UF의 분자량은6 거의 동일하기 때문에 U와 U의 분리는 장벽, 즉 하나의 확산기에서 한 번의 통과로 거의 발생하지 않는다.따라서 다음 스테이지의 입력으로 이전 스테이지의 출력을 사용하여 다수의 디퓨저를 일련의 스테이지로 연결할 필요가 있습니다.이러한 일련의 단계를 캐스케이드라고 합니다.실제로 확산 캐스케이드는 원하는 [5]농축 수준에 따라 수천 개의 단계를 필요로 합니다.

확산 플랜트의 모든6 구성 요소는 UF가 기체 상태를 유지할 수 있도록 적절한 온도와 압력으로 유지되어야 한다.가스는 디퓨저 전체의 압력 손실을 보충하기 위해 각 단계에서 압축되어야 합니다.이렇게 하면 가스가 압축 가열되어 디퓨저에 들어가기 전에 냉각해야 합니다.펌핑과 냉각의 요건은 확산 발전소를 엄청난 전력 소비자로 만든다.이 때문에 가스 확산은 농축 [11]우라늄 생산에 현재 가장 비용이 많이 드는 방법이다.

역사

테네시주 오크리지의 맨해튼 프로젝트에서 일하는 근로자들은 우라늄 동위원소를 분리하기 위한 몇 가지 다른 방법을 개발했다.이 방법들 중 세 가지는 "리틀 보이"와 다른 초기 핵무기들을 생산하기 위해 오크 리지에 있는 세 개의 다른 공장에서 순차적으로 사용되었다.첫 번째 단계에서 S-50 우라늄 농축 시설은 열확산 공정을 사용하여 우라늄을 0.7%에서 2% 가까이 농축한 후 K-25 공장의 기체 확산 공정으로 공급되었으며, 이 생산물은 23% U였습니다. 마지막으로 이 물질은 Y-12의 칼루트론으로 공급되었습니다.이러한 기계(질량 분석기의 일종)는 최종 U 농도를 약 84%까지 끌어올리기 위해 전자기 동위원소 분리를 사용했다.

K-25 가스확산 플랜트의 UF 공급원료 준비는6 상업적으로 생산된 불소에 대한 최초의 적용이었으며, 불소와6 UF의 처리에 있어 중대한 장애에 부딪혔다.예를 들어 K-25 가스 확산 공장을 건설하기 전에 먼저 UF 가스(반응성이 높고 부식성이 높은 물질)와6 접촉하는 표면의 코팅, 윤활제 및 개스킷으로 사용할 수 있는 비반응성 화합물을 개발해야 했습니다.맨해튼 프로젝트의 과학자들은 윌리엄 T를 영입했다. 코넬 대학의 유기 화학 교수인 밀러는 유기 불소 화학에 대한 전문 지식 때문에 그러한 물질을 합성하고 개발했습니다.밀러와 그의 팀은 이 [12]응용 분야에서 사용된 몇 가지 새로운 비반응성 클로로플루오로카본 중합체를 개발했다.

칼루트론은 비효율적이고 건설과 운영에 비용이 많이 들었습니다.1945년 가스 확산 과정에 의해 야기된 공학적 장애물을 극복하고 가스 확산 캐스케이드가 오크리지에서 작동하기 시작하자마자 모든 칼루트론이 정지되었다.가스 확산 기술은 농축 [3]우라늄을 생산하는 데 선호되는 기술이 되었다.

1940년대 초 건설 당시 가스 확산 발전소는 지금까지 [citation needed]건설된 건물 중 가장 큰 건물이었다.미국, 소련(현재 카자흐스탄에 있는 공장을 포함), 영국, 프랑스, 중국에 의해 대형 가스 확산 플랜트가 건설되었다.이들 중 대부분은 현재 폐쇄되었거나 폐쇄될 것으로 예상되고 있으며, 새로운 농축 기술과 경제적으로 경쟁할 수 없습니다.그러나 펌프와 막에 사용된 기술 중 일부는 여전히 극비로 남아 있으며, 사용된 물질 중 일부는 핵 확산을 통제하기 위한 지속적인 노력의 일환으로 수출 통제의 대상이 되고 있다.

현황

2008년에도 미국과 프랑스의 가스 확산 시설은 여전히 세계 농축 [11]우라늄의 33%를 생산하고 있다.그러나 2012년 [13]5월 프랑스 공장은 최종 폐쇄됐으며 미국농축공사(USEC)가 운영하는 켄터키주 파두카 가스확산공장은[4][1] 2013년 [14]농축을 중단했다.미국 내 유일한 시설인 오하이오에 있는 포츠머스 가스 확산 플랜트는 2001년에 [4][15][16]농축 활동을 중단했다.2010년 이후 오하이오주 부지는 프랑스 대기업 아레바(AREVA)가6 고갈된 UF를 [17][18]산화우라늄으로 전환하는 데 주로 사용하고 있다.

기존의 가스 확산 발전소가 구식이 되면서, 그것들은 2세대 가스 원심 분리 기술로 대체되었고, 이것은 같은 양의 분리된 우라늄을 생산하는 데 훨씬 적은 전력을 필요로 한다.AREVA는 Georges Besse 가스 확산 공장을 Georges Besse II 원심 분리 [2]공장으로 교체했다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ "Uranium Enrichment". US Nuclear Regulatory Commission. Retrieved 17 July 2020.
  2. ^ Colin Barber. "The Tube Alloys Project". Rhydymwyn Valley History Society.
  3. ^ a b c Cotton S (2006). "Uranium hexafluoride and isotope separation". Lanthanide and actinide chemistry (1st ed.). Chichester, West Sussex, England: John Wiley and Sons, Ltd. pp. 163–5. ISBN 978-0-470-01006-8. Retrieved 2010-11-20.
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  10. ^ Berry JA, Poole RT, Prescott A, Sharp DW, Winfield JM (1976). "The oxidising and fluoride ion acceptor properties of uranium hexafluoride in acetonitrile". Journal of the Chemical Society, Dalton Transactions (3): 272–4. doi:10.1039/DT9760000272.
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  13. ^ 아라바: 트리카스틴 사이트: 조르주 베세 2세 농축 공장 AREVA가 2012년 5월까지 Georges Besse 공장에서 사용한 가스 확산
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  15. ^ United States Enrichment Corporation (2009). "Overview: Portsmouth Gaseous Diffusion Plant". Gaseous Diffusion Plants. Bethesda, Maryland: USEC, Inc. Archived from the original on 2010-11-24. Retrieved 2010-11-20.
  16. ^ United States Enrichment Corporation (2009). "History: Paducah Gaseous Diffusion Plant". Gaseous Diffusion Plants. Bethesda, Maryland: USEC, Inc. Archived from the original on 2011-01-02. Retrieved 2010-11-20.
  17. ^ Tom Lamar (September 10, 2010). "AREVA Starts Operations at the Portsmouth Facility". Nuclear Power Industry News. Waynesboro, Virginia: Nuclear Street. Retrieved 2010-11-20.
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외부 링크