多组分同位素分离级联设计方法研究

多组分同位素分离级联设计方法研究

陈晨

第七研究设计院有限公司  山西太原  100032

摘要：

对于长期永久生产的同位素，级联利用率是直接影响同位素成本的关键，而不考虑产业链的技术创新。因此，合理的级联分离和结构设计可以改善级联的使用，降低同位素成本。在多组分同位素分离中，目前没有理想的级联概念，也没有通用的设计方法。因此，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。

基于此，对多组分同位素分离级联设计方法进行研究，以供参考。

关键词：多组分同位素；级联设计；方法

引言

对稳定同位素日益增长的需求被广泛用于医学、工业和农业生产以及基础物理研究等领域。提高同位素分离能力是研究的优先事项之一，高性能级联是提高同位素分离能力的关键之一。为了最大限度地提高级联的分离能力，需要优化其设计。在多组分同位素分离级联优化的理论研究中，优化方向侧重于级联本身的结构和运行参数，如级联长度(级联层总数)n、f电源位置、θ分流比等。

1级联模型

稳定同位素分离基本上是多元分离，而铀同位素分离则不然。由于目标同位素在铀同位素分离时是一种同位素，产品丰度基本上是固定的，因此可以为目标同位素设计最有效的级联，通常是接近理想的级联，以便一次性分离同位素产品。但是，稳定同位素有几个目标，例如氙，它由9个同位素组成，每个同位素的范围不同。同时，鉴于目标同位素丰度要求相对较高(通常超过99%)，有必要进行多次分离。矩形级联具有足够的灵活性以适应同位素分离的要求。因此，大多数国际稳定的同位素生产级联都是矩形级联。矩形梯级的形状简单易行，适用于各种分离材料的工作方式。此外，变更矩形梯级的外部数量很方便，可以满足不同的分隔要求。特别是，它在分离中间组件方面具有明显的优势。因此，大多数稳定同位素分离研究都是以矩形级联的形式进行的。增加矩形级联模型图。

2单机供料流量对级联结构参数的影响

随着流的增加，级联结构参数(包括级联总数、进料位置、贫困段长度和末端段长度)逐渐增加。流量分析表明，随着独立流的增加，较低段级别之间的流量变化不大，但最佳梯级的相对总流量会随着其最大流量位置(即灌嘴位置)以及较细段级别之间流量的增加而增加。随着功率流的增加，基本完整分离系数将减小，并且最佳梯级的相对总流量将根据先前的分析结果逐渐增加。最小相对流速通常用作计算梯级的标准，因为它通常是最小相对流速。但是，在研究独立流对最佳级联结构的影响时，最小相对流和最小安装量与独立流不再一致，因此需要进一步比较不同独立流与最佳级联安装量之间的关系图中显示了一个非常低的值点:当独立级联流为20g/h时，最佳级联负载是最低的。级联结构参数在整个系列中为48.21，在电源位置中为9.52，在m*中为129.96。通过独立理论分析，当独立功率流量增大、功率传动装置增大、环形流量增大、基本功率增大时，基本分离功率也会降低，但当功率流量增大到一定值时，进料过程会受到负面干扰因此，越来越多的气体在没有完全分离的情况下被去除，因此当电源流量较大时，基本分离功率也较小。

3带附加取料的矩形级联分离同位素

在整个级联中，极端丰度值出现在级联内的26类贫困材料流中，74.966%的丰度值远远高于两端的丰度值。在级联末端，贫困元素的丰度高于成品元素的丰度，因此如果不包括中间萃取点，则级联结束目标元件的丰度系数为21.481%，而较低级联结束目标元件的丰度系数为23.441%。(1)中间捕收系数对中间分离组分丰度值(如中间差材料)的影响，对分离级联131Xe丰度的影响是不同的捕收系数，即不同的额外量。随着平均数量的增加，附加材料中目标零部件的数量逐渐减少。当额外数量接近两侧时，末端目标元件的数量会高于中间材料的数量。并且，随着中间恢复量的增加，最佳附加恢复位置接近完工坡面的终点。(2)根据计算结果，绘制中间捡料位置对分离中间元件丰度值的影响，不同附加捡料位置对不同捡料数量下的捡料性能的影响。对材料中目标元件丰度的影响目标零件的丰度点显示在级联的第26层，并且为计算选择的其他采样点位于显示最大值的层附近。当额外渔获量增加时，当额外的进水口数量接近或超过最终进水口数量时，中间进水口值会随着进水口点接近终点而逐渐增大，并且在分离梯状中央建立额外进水口点。影响中间零件丰度值的因素很多，除了中间挑库系数和中间挑库点位置之外，级联比率也是影响中间零件分离的重要因素。中间元件的丰度极大小及其在重叠显示中的位置会根据导出比率而有所不同。

4级联设计中的虚拟组分

级联优化是两组分分离的理想级联，要满足的一个条件是连接点处流中1组分的丰度相等，即没有丰度混合。多组分分离的扩展，即匹配的Rcascade，需要一个汇合点，以便流中指定的两个组分的丰度比相等。由于实际分量的分数是有限的，因此为这两个分量选择的组合的数量是有限的并且由此产生的可优化级联的数量是有限的。为了避免这个问题，Garza等人提出了虚拟组件的概念。虚拟组件的质量可以不断变化，它们的引入可以产生无数可优化的级联，从而扩大级联优化的范围。然而，虚拟组件的应用一直局限于级联方程具有解析解的少数级联，即成对丰度比级联、准理想级联和Q级联。这三种类型的级联不能全部包括它们，因此最佳级联不限于这三种类型级联的存在，因此级联优化需要考虑其他级联。然而，除了这3个级联之外，级联方程必须通过数值方法（如级联匹配x）求解。在缺乏适当的数值方法和对虚拟组件丰度的“可忽略的小尺寸”限制的情况下，虚拟组件的概念不能应用于数值分辨率，级联优化也是不可能的。最近，通过数字化处理多个级联的设计问题，利用虚拟组件的概念优化不同级联的设计，为深入研究提供基本条件，解决了这些问题。

5级联参数对同位素分离影响

当确定级联模型时，可影响级联分离特性的参数具有诸如级联长度、级联进料位置、级联进料流量相对于级间流量、级联旁路速率等因素。当可以在上述每个参数中控制参数时，可以有效地研究对分离特性的具体影响，从而可以合理地选择上述参数以获得更好的分离结果。当其他参数不变时，目标成分的丰度首先随着级联长度的增加而急剧下降，然后随着级联长度大于水平30而缓慢下降，这逐渐趋向于恒定值。目标组件丰度越低越好，但级联长度越长，装机容量越大，成本越高。因此，级联的长度可以选择在丰度的拐点或30到40个水平之间。在确定单个机器的最佳进料流量后，固定矩形级联所有级别的流量，在矩形级联中定义设计参数，指级联进料流量与级联所有级别进料流量之间的比率，当其他参数不改变时，随着进料流量和级间流量比率的增加，贫材料中目标成分的丰度逐渐增加。设计参数越大，级联进料流量越大，可缩短运行时间，降低生产成本。

结束语

与周边元件相比，中间元件的增强功能具有一些特殊的特性。在分离过程中，中间元件可能会随着级联中的阶段数而单调增加或减少。此外，对于较长的级联，可以先增加然后减少，也就是说，级联中的中间组件的丰度可以达到最大值。虽然原料可以从中间成分含量达到峰值的地方提取，但可以生产中间成分含量较高的产品，而不会改变级联的大小或生产成本。使用中间补充挑库方法可以减少挑库单的数量，也可以增加目标部件的数量并降低中间部件的挑库成本。

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