Erotustyöyksikkö

Erottaminen työyksikön (UTS, in Englanti erotustarkoituksissa yksiköihin SWU , Saksan Urantrennarbeit UTA) edustaa työ tarpeen isotooppinen rikastumiskerroin seoksen.

Tämä laite käytetään pääasiassa arvioimaan kustannukset erotetaan kilogramma on uraania kahteen erissä eri isotooppinen sisältöä , osana uraanin rikastamiseen prosessi .

Historiallinen

Käsite erottaminen työyksikön otettiin käyttöön Paul Dirac tutkimiseen olevan ihanteellinen Cascade vuonna 1940, optimoida isotooppinen rikastuskaskadeissa.

Kaskadin vapausasteiden korjaamiseksi on tärkeää ottaa käyttöön määrä, joka arvioi erottamistyön. Sen avulla voidaan määritellä "erotuksen määrä", joka voidaan liittää elementtiin riippumatta sen sijainnista kaskadissa ja joka on suunnilleen verrannollinen elementin energiankulutukseen.

Tätä arvoa voidaan kuitenkin käyttää mittaamaan minkä tahansa prosessin (fysikaalinen tai kemiallinen) tehokkuus, jolla on ainesosien välinen erotuskerroin ( tislaus tai isotooppirikastus ).

Fyysiset näkökohdat

Määritelmä

Kätevin esitys erottelutyöstä on kaskadin elementin läpi kulkevien virtausten erotuspotentiaalin vaihtelu , virtauksen potentiaali on virtausnopeuden tulo pitoisuudesta riippuvan arvon funktiona . $V$ $x$

Arvo funktio on ratkaisu: $V \ vasen (x \ oikea)$

{\ frac {d ^ {2} V} {dx ^ {2}}} = {\ frac {1} {\ vasen [x. (1-x) \ oikea] ^ {2}}}

Yksi tämän yhtälön ratkaisu on "arvofunktio", joka määritellään sisällön funktiona seuraavasti: $x$

V (x) = (1-2x) \ cdot \ ln \ vasen ({\ frac {1-x} {x}} \ oikea)

Tämä arvofunktio on dimensioton intensiivimäärä .

Erotuskyky liittyy tietty määrä materiaalia on tuotteen massasta aine ja sen arvo funktio. Siksi se on suuri määrä , jolla on massan ulottuvuus . Tämän seurauksena saksalaiset ilmaisevat sen helposti kilogrammoina AWU , joten yksikkö "1 t AWU" vastaa siis 1 kUTS. Potentiaalienergian tavoin tämä erotusmäärä ei puutu absoluuttisella arvollaan, vaan sillä, että aine kulkee järjestelmän läpi.

Erottaminen työ W UTS vastaa erottaminen massa E sisääntulossa, sisällön x e , massaksi P tuotoksen tuotteen sisällön x P , ja jäännös massan R sisällön x R , saadaan erotus järjestelmän ja järjestelmän välillä. Se ilmaistaan seuraavalla lausekkeella:

W _ {{\ mathrm {UTS}}} = P \ cdot V \ vasen (x _ {{p}} \ oikea) + R \ cdot V (x _ {{r}}) - E \ cdot V (x _ {{e}})

On huomattava, että erotustyö voi olla myös negatiivista, kun erottaminen menetetään. On todellinen cascade , tarjonta vaiheessa tehdään seos välillä tuote alemman vaiheessa ja jäännös ylemmän vaiheessa; sekoitin on tällöin alijärjestelmä, jossa UTS: n vaihtelu lasketaan samalla tavalla sen, mikä menee ulos ja mikä menee järjestelmään. Tämä sekoitusoperaatio johtaa erottamistyön menetykseen, mikä on sitäkin suurempi, koska näiden kahden virran sisältö on erilainen. Siksi kaskadin toiminnan optimoimiseksi vaiheiden käyttöolosuhteet on optimoitava siten, että nämä kaksi tulevaa virtaa ovat mahdollisimman lähellä.

Erotustyö koskee yleensä jatkuvia prosesseja, joissa taloudellisesti merkityksellinen on materiaalivirta tai tekninen yksikkö, ei sen kokonaismäärä. Tässä tapauksessa SWU: t palautetaan vuotuiseen määräänsä saadakseen johdettu yksikkö UTS / vuosi; ja samalla tavoin materiaalivirrat ilmoitetaan kilogrammoina vuodessa.

Rikastaminen ja entropian vaihtelu

Sisäänvirtauksen ja ulosvirtauksen pitoisuuden vaihteluiden kautta seoksen entropia vaihtelee periaatteessa järjestelmän läpi: entropia on mitta järjestelmän häiriöstä ja a. Seoksen erottuminen rikkaan virtauksen välillä ja huono virtaus vastaa järjestelmän häiriön vähenemistä ja siten sen entropian vähenemistä. Toinen periaate termodynamiikan merkitsee sitä, että entropia järjestelmä voi vain pienentää, jos sitä syötetään energiaa. Joten periaatteessa UTS: ää tuottava järjestelmä kuluttaa energiaa järjestyksen tai negatiivisen entropian tuottamiseen.

Jos erotuskerroin on α = lähellä yhtenäisyyttä ja jako on θ = P / F, osoitamme, että entropian vaihtelu on silloin: $x _ {{p}} / x _ {{p}}$

\ Delta S = K / 2 \ cdot (1- \ alfa) ^ {2} \ cdot (\ theta \ cdot (1- \ theta)) \ cdot (x_ {e} \ cdot (1-x_ {e}) )

(K on vakio entropian mittaamiseen käytetyn yksikköjärjestelmän mukaan).

Erottamisen energiakustannukset

UTS: n energia-arvo riippuu käytetystä teollisesta prosessista ja prosessin loppuun saattamiseen tarvittavasta ajasta. Jos prosessi olisi palautuva ja hidas, tämä entropian vaihtelu mahdollistaisi suoraan kulutetun energian laskemisen. Taloudellisesti houkuttelevilla prosesseilla ei kuitenkaan ole varaa olla hitaita, ja ne ovat usein peruuttamattomia. Teknologinen saavutus vaatii kompromissin tuoton parantamisen ja prosessin keston lyhentämisen välillä. Tehokkuus on todellakin sitä parempi, kun lähestytään lähes staattisia tiloja, joten prosessin hidastuessa - palautuvat muunnokset, joilla on paras mahdollinen hyötysuhde, ovat äärettömän hitaita, mikä ei ole ongelma - mielenkiintoinen taloudellinen tavoite. Mitä nopeammin toimintaa yritetään suorittaa, sitä suurempi on sen peruuttamattomuus, joten on syötettävä lisäenergiaa ja muutoksen energiatehokkuus on huono ja usein erittäin huono.

Erotuslaitoksen SWU-kapasiteetti riippuu suoraan tämän laitoksen kuluttamasta energiamäärästä, mutta riippuu valitusta teollisesta prosessista . Kaasudiffuusiotekniikassa rikastuslaitosten edellyttävät tyypillisesti 2400 ja 2500 kilowattituntia ( 8600 ja 9000 megajoulea tai 9 gigajouleina) sähköä kohti SWU, kun taas keskipako rikastus vaatii vain 50 ja 60 kWh ( 180 ja 220 MJ ) sähköä kohti UTS.

Äärimmäinen esimerkki on uraanin rikastaminen kaasun diffuusion avulla : Pierrelatten "Georges Besse" -laitos kulutetaan kaasumaisen uraaniheksafluoridin pumppaamiseksi huokoisten esteiden läpi, jotka sallivat isotoopin 235 kulkemisen paremmin kuin isotooppi 238, sähköenergia. 2 450 kWh UTS -1 , joka edustaa 7 · 10 7 kertaa enemmän kuin teoreettinen minimi asettamia lasku entropia sekoituksen.

Se korvattiin " Georges Besse II " -laitoksella, joka perustui rikastusprosessiin sentrifugoimalla.

Taloudelliset näkökohdat

Rikastamo

Teollisuusasennuksissa monet perusrikastusyksiköt asennetaan usein kaskadiksi , rikastus etenee vaiheesta toiseen, ja jokainen vaihe voidaan muodostaa useista moduuleista, jotka on asennettu rinnakkain. Laskelma osoittaa, että erotustyö on lisäainemäärä: laitoksen erottamisen työkyky on yksinkertaisesti moduulien peruskapasiteettien summa vähennettynä eripitoisten virtausten seoksista aiheutuvat häviöt; ja tämä erotustyö riippuu vain laitokseen tulevista ja sieltä lähtevistä virtauksista, ei välivirroista (jotka eliminoidaan kaksi kerrallaan).

Esimerkiksi, jos lähdetään 100 kg ja NU , se kestää noin 61 SWU tuottaa 10 kg ja LEU nopeudella 235 U 4,5% ja jäännös 0,3%.

1 300 MW: n reaktori kuluttaa 25 tonnia 3,75% LEU: ta vuodessa. Tämä määrä uutetaan 210 tonnista luonnonuraania, joka vaatii 120 kUTS 0,3-prosenttiselle päästölle. 1000 kUTS / vuosi rikastuslaitos pystyy siten toimittamaan kahdeksan tämän kokoista reaktoria.

Maailmanlaajuinen SWU-kapasiteetti oli noin 50 miljoonaa SWU / vuosi vuonna 2008, pääasiassa Venäjällä (37%), Yhdysvalloissa (28%) ja Ranskassa (27%).

Kustannusten optimointi

UTS on verrannollinen prosessoitavan materiaalin määrään ja erottamiseen tarvittavaan energiaan. Se riippuu alkuperäisen seoksen koostumuksesta ja halutusta rikastusnopeudesta.

Vaadittujen SWU-yksiköiden lisäksi toinen tärkeä parametri, joka on otettava huomioon, on tietyn määrän rikastetun uraanin saamiseksi tarvittava luonnonuraanin massa. Tarvittava syöttövirta riippuu 235 U : n määrästä, joka kulkee köyhdytettyyn uraaniin hylkeenä. Mitä pienempi hylkyjen sisältö, sitä vähemmän tarvitsee syötemateriaalia tietylle tuotannolle, mutta sitä suurempi on SWU: n määrä.

Esimerkiksi kevytvesireaktorissa tarvittavan vähän rikastetun uraanin (tyypillisesti 3,6%) saamiseksi luonnonuraanista (0,7%): Yhden kilogramman rikastetun uraanin tuottaminen vaatii 8 kg luonnonuraania ja 4,5 SWU: ta jäännöksen hyväksymiseksi. köyhdytettyä uraania 0,3%; ja se vaatii vain 6,7 kg luonnonuraania, mutta 5,7 SWU 0,2% köyhdytetylle uraanijäämälle.

Koska luonnonuraanin ja SWU: n määrä vaihtelevat vastakkaiseen suuntaan, jos luonnollinen uraani on verrattain halpaa, operaattorit jättävät korkealaatuisia rikastushiekkoja (suuruusluokkaa 0,35%); Vaikka luonnonuraani on kallista, on taloudellisempaa vähentää jäännöspitoisuutta 0,2 prosenttiin tai 0,15 prosenttiin.

Optimointi riippuu siis SWU: n kustannusten ja kilogramman luonnonuraanin kustannusten välisestä suhteesta. Koska nämä kaksi määrää ilmaistaan kilogrammakustannuksina, raportti on ulottumaton.

SWU tarvitaan 1 kg : lle luonnonuraanista rikastettua uraania

Hylkäämisen rikastaminen	UTS / E / R	Haluttu sisältö	Haluttu sisältö	Yksikkö
		3%	4,5%	%
0,1%	UTS	5.98	10.46	kg UTS
	E	4.75	7.20	kg
	R	3.75	6.20	kg
0,2%	UTS	4.31	7.69	kg
	E	5.48	8.41	kg
	R	3.48	7.41	kg
0,3%	UTS	3.42	6.22	kg UTS
	E	6.57	10.21	kg
	R	5.57	9.21	kg

Katso myös

Viitteet

yleiset periaatteet uraanin rikastamisen , vuonna uraanin rikastamiseen ja ydinaseettomasta leviämisen , Tukholman kansainvälinen Peace Research Institute , 1983
Génie atomique V-osa, Presses Universitaires de France, 1965
Uraanin rikastus , Michel Alexandre, Jean-Pierre Quaegebeur, Toim. Tekniikat Ingénieur .
Uraanin rikastuksen yleiset periaatteet
Uraanin rikastus. Daniel Massignon, Techniques de l'Ingénieur, sopimus Nuclear engineering, B 3600 "Arkistoitu kopio" (versio 2. huhtikuuta 2015 Internet-arkistossa ) .
Microsoft Word - balian.doc

Aiheeseen liittyvät artikkelit

Ulkoiset linkit

(en) Uraanin rikastuslaskuri, jonka on suunnitellut: WISE-uraaniprojekti
(en) Maailman uraanin rikastuskapasiteetti (WISE-uraaniprojekti)