多组分同位素分离级联的优化

以级联中总流量最小为优化标准,以目标同位素贫料浓度和决定级联流离量分布的参数M~*为优化参量,对多组分同位素分离的准理想级联进行了二维优化。优化结果表明,把目标同位素浓缩到某一给定的浓度值,存在一个目标同位素贫料浓度值和M~*值的最佳组合,在该组合下,级联的总流量最小。     

多组分同位素分离级联设计方法研究

针对长期稳定生产的同位素,在不考虑产业链技术革新的前提下,级联的利用率是直接影响同位素成本的关键。因此可以通过合理的级联分离及结构设计,提高级联利用率,降低同位素成本。在多组分同位素分离中,没有理想级联的概念,暂无通用化的设计方法,为此以准理想级联设计结合规模级联的圆整化思路,开展多组分同位素分离级联设计方法研究。研究结果表明,设计级联的利用率相较于通用性较强的矩形级联可提高约20%的生产能力,分离成本大幅下降,该设计方法可用于长期稳定生产的多组分同位素分离级联的设计。     

离心萃取级联分离锂同位素的数学模型

萃取法分离锂同位素有望替代汞齐法消除汞害,但需多级萃取才能获得高丰度同位素,采用离心萃取机替代萃取澄清槽形成萃取级联系统可提升分离效率。基于萃取法分离锂同位素、离心萃取分离原理和级联理论,借鉴气体离心级联分离同位素的方法,引入分流比概念,建立了离心萃取级联分离锂同位素单级、多级的数学模型和级联的平衡时间模型,对离心萃取级联分离锂同位素进行计算分析。离心萃取级联是一种类似全回流矩形级联形式,取料量对级联级数有着很大的影响,级联存在最大取料丰度限制,级联平衡时间受到目标丰度和离心萃取机级停留时间(处理能力)影响,采用多步法级联可有效减少平衡时间。该数学模型可指导工艺的设计,为下一步的产业化应用提供理论依据。     

相对丰度匹配的网格级联分离多组分同位素混合物

本文提出了一种仅两个取料的网格级联——相对丰度匹配的网格级联。其上半部分是理想网格级联,下半部分是有回流的网格级联。只要在回流点处某两种关键组分的分离是对称分离,这两种组分即能满足丰度无混合的条件。给出了相对丰度匹配网格级联的计算方法,并针对分离多组分同位素混合物的不同情况,对该种网格级联的分离性能进行了讨论。结果表明,相对丰度匹配网格级联能很好地实现同位素的分离,在级联总流量相同的情况下,能达到不亚于常规相对丰度匹配级联的分离效果。     

研究不变价化学交换体系同位素效应的一种新级联实验方法

本文提出了研究不变价化学交换体系同位素效应的一种新级联实验方法,该方法是对Wood-ward法的一种改进。     

同位素~(13)C分离二塔级联模拟研究

利用Aspen数值模拟软件建立低温精馏分离稳定同位素~(13)C的二塔级联数值模拟平台;完成同位素组分的物性参数在Aspen数据库中的嵌入;结合前期的实验数据验证该模型的可靠性;对比模拟结果与实验结果,误差小于10%;分析进、出料量,级间传输以及操作压强对产品丰度的影响,为优化设计工作提供依据。     

清洗级联分离同位素的过程中沉积物物质分布的计算方法

在级联分离同位素的过程中,某些分离工质会在级联内发生化学反应,持续产生少量的固体物质沉积在分离设备内.随着沉积物的增加,将逐步影响分离设备的分离性能,进而影响级联的生产运行,因此需要定期对沉积物进行清理.本文针对清理过程,提出一种数值计算方法,用于级联内不同气态物质分布规律的计算.该算法在单机清理参数已知的前提下,以级...     

76Ge同位素的离心级联分离制备

高丰度⁷⁶Ge同位素在基础物理研究、医用放射性同位素领域有广泛应用,⁷⁶Ge富集的高纯锗探测器可用于探测无中微子双β衰变。为实现⁷⁶Ge同位素的分离制备,本文以四氟化锗（GeF₄）为介质,使用气体离心法开展研究。采用阶梯级联模型的计算结果表明,5轮分离可将⁷⁶Ge的丰度从天然丰度7.73%提升至90%以上。在21级阶梯级联实验平台上进行离心分离实验,调节流量、分流比等工况参数,制定分离流程,探索实验规律并优化实验方案。最终经过5轮分离,获得百克量级的丰度为94.21%的⁷⁶Ge同位素产品,为国产离心级联制备高丰度⁷⁶Ge产品及其工业化生产提供参考。     

富集中间组分同位素的级联—— “T”级联

除了常规矩形级联和阶梯级联等模型外,还有一些其他的级联模型,使用这些特殊级联可以达到特殊分离目的。本文提出一种用于中间组分同位素分离的特殊级联“T”级联。该级联模型可以通过一点供料三点取料的模式,直接提取中间组分同位素。以氙同位素为例,进行理论计算,“T”级联可以一遍分离直接获取丰度90%以上的¹³¹Xe同位素,略高于双级联分离能力。结果表明,“T”级联适合进行中间组分同位素的一遍提取分离。     

基于Q级联理论估算同位素生产的成本

在决定某种同位素的生产之前,有必要进行生产的经济性分析,以了解和确保生产的经济可行性。本文给出一种用离心法生产非铀同位素的成本分析方法。利用Q模型级联(简称Q级联)理论得到同位素分离的原料利用率与级联相对总流量的关系。通过利用公开的离心法铀同位素分离的单位分离功价格数据,避免生产成本分析中涉及分离单元成本和人员成本等多个复杂因素,在假定分离部分成本正比于分离工厂规模情况下,导出了成本分析的简单公式,可根据原料成本、铀单位分离功价格、原料利用率等对产品成本进行评估和优化。并以铅同位素²⁰⁸Pb的生产为例,对成本分析的过程进行了阐述。结果表明：利用本文的方法,成本分析简单易行。     

用于多组分分离的中间取料矩形级联的优化设计

多组分同位素混合物的某一中间组分通常在分离级联的中间某级达到峰值,但一般的级联均采用从级联组两端取出产品和废料的工艺。为得到丰度较高的中间组分产品,最好在级联中间取料。本工作研究矩形级联中使用中间取料方式以提高级联分离的中间组分丰度。通过数值模拟计算和数值优化,研究了级联两端取料量和级联供取料位置等参数对中间取料中目标组分丰度的影响。采用单参数分析,估计了级联各参数的取值范围以及它们对目标组分丰度的影响。通过优化计算,在供料丰度和流量不变、产品流量不变的情况下,得到了可以生产更高丰度中间组分产品的级联。     

Simple Formulae for Analyzing Matched Abundance Ratio Cascade with Constant Separation Factors for Multi-Component Isotope Separation

After the ratification of START-I the question of how to dispose safely and effectively of excess weapons plutonium, of which there is estimated to be about 501 in the USA and 501 in Russia, has become an important international issue. One of the most likely options is the proposal to use the excess weapons plutonium as MOX fuel in commercial LWRs. This paper evaluates fuel material flow and fuel cycle costs when weapons-grade plutonium is mixed with reactor-grade plutonium to fabricate the MOX fuel and to be recycled in Japanese commercial LWRs.

The results show the MOX fuel using weapons- and reactor-grade mixed plutonium facilitates multiple recycling, because the weapons-grade plutonium improves the isotopic composition of the MOX fuel working like a “purifier” of the degraded recycled plutonium. And they also indicate that it might be an economically realistic method in Japan to use the excess weapons plutonium in the commercial LWRs as MOX fuel if the fabrication cost and the reprocessing cost of MOX fuel are moderate compared to those of UO₂ fuel, assuming the MOX powder using weapons-grade plutonium would be provided free of charge.     

多组分同位素分离中不同级联的比较研究

多组分同位素分离中,对于给定的分离任务,存在多种不同类型的分离级联。级联总流量是级联优化设计的重要性能指标。通过引入虚拟组分,采用数值计算的方法,研究了匹配丰度比级联、匹配X级联以及准理想级联这3类级联的优化,比较分析了完成相同分离任务时这些级联的分离性能。研究结果表明:在绝大多数情况下,准理想级联及匹配丰度比级联分离效果较好,准理想级联较匹配丰度比级联略优,匹配X级联分离效果较差。因此,在级联类型选择上,应优先采用准理想级联。     

稳定同位素~(13)C分离级联装置的模拟优化研究

本工作设计了一套利用CO低温精馏分离稳定同位素13 C的三级联装置,其填料层高度为38m,塔径分别为0.15、0.08和0.05m,塔内装填自主研发的高比表面PACK-13 C专用填料。采用均匀设计方法进行级联装置的优化设计,综合分析了不同的回流比、原料量和级间进料量对同位素13 C产品丰度和生产能耗的影响。对实验数据进行二次多项式逐步回归分析,获得了产品丰度与塔顶回流比、原料量及级间流量和能耗费用与回流比、原料量及级间流量的模型方程,并利用遗传算法对模型方程进行优化。模拟研究结果显示,优化后的三塔级联生产装置的各级间流量依次为18.056、236.50和32.400 mol/h,塔顶回流比为74.824,在此条件下可获得13 C丰度≥93%。与初始设计值相比较,优化后降低了能耗费用成本。本工作提出的模拟优化研究方法可应用到同位素13 C的产业化生产,以至推广到传统精馏过程的优化设计中。