Диссертация (1025195)
Текст из файла
Московский Государственный Технический Университет им. Н.Э. БауманаНа правах рукописиУДК 621.593Куприянов Максим ЮрьевичИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГОРАЗДЕЛЕНИЯ ПРИРОДНОГО ГЕЛИЯ С ЦЕЛЬЮ ИЗВЛЕЧЕНИЯИЗОТОПА 3He05.04.03 - Машины и аппараты, процессы холодильной и криогенной техники,систем кондиционирования и жизнеобеспечениядиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководительд. т. н., профессор В.Л. БондаренкоМосква – 2016 г.2СОДЕРЖАНИЕСтр.ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………...5ГЛАВА 1.
СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧИССЛЕДОВАНИЯ……………………………………………………………...161.1. Источники 3He……………………………………………………………...161.2. Промышленное получение 3He из трития………………………………..211.2.1. Паспорта и качество товарного 3He…………………………………….241.2.2. Нормы по содержанию трития………………………………………….261.3. Анализ состояния вопроса и научно-технический задел………………..321.3.1. Низкотемпературные методы разделения смеси гелиевых изотопов...321.3.1.1. Сверхтекучая фильтрация …………………………………………….321.3.1.2.
Ректификация…………………………………………………………..361.3.1.3. Сорбция…………………………………………………………………561.3.1.4. Мембранное разделение……………………………………………….581.3.2. Альтернативные методы разделения смеси гелиевых изотопов……...591.3.2.1. Термодиффузия………………………………………………………...591.3.2.2. Разделение на центрифугах……………………………………………611.4.
Цель и задачи исследования………………………………………………62ГЛАВА2.АНАЛИТИЧЕСКОЕИССЛЕДОВАНИЕПРОЦЕССОВРАЗДЕЛЕНИЯ СМЕСИ ГЕЛИЕВЫХ ИЗОТОПОВ………………………….662.1. Выбор энтропийного фильтра…………………………………………….662.1.1. Крокусные угли…………………………………………………………..662.1.2. Пористые структуры……………………………………………………..662.1.3. Капилляры………………………………………………………………..672.2.Методикарасчетастепениобогащения3Heвпроцессефильтрационного разделения………………………………………………….672.3. Аналитическое исследование процесса ректификации смеси 3He-4He...773Стр.2.3.1. Выбор рациональной схемы организации процесса ректификации всопряжении со смежными процессами экстракции 3He……………………...772.3.2.
Выбор рабочих параметров процесса ректификации………………….782.3.3.Анализфакторов,влияющихнаэффективностьпроцессаректификации…………………………………………………………………...802.3.4. Методика расчета процесса ректификации применительно к смесямизотопов гелия…………………………………………………………………..832.4. Определение области рациональных значений промежуточнойконцентрации фильтрационной и ректификационной стадий………………892.5. Определение области рациональных значений промежуточногоконцентрирования 3He при ступенчатой ректификации в зависимости оттребуемого изотопного обогащения конечного продукт…………………….902.6. Определение диапазонов рабочих параметров адсорбционного методаобогащения 3He, исходя из максимума общего коэффициента извлечениявсей технологической цепочки………………………………………………...93ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВРАЗДЕЛЕНИЯ СМЕСИ ГЕЛИЕВЫХ ИЗОТОПОВ………………………….973.1.
Методика проведения экспериментальных исследований……………...973.2. Создание экспериментального стенда для исследования процессанизкотемпературной ректификации смеси гелиевых изотопов……………..3.2.1.Экспериментальноеопределениевеличинытеплопритока100кжидкому гелию в криостате……………………………………………………1003.2.2. Расчет и комплектование вакуумной системы для обеспеченияэксперимента……………………………………………………………………1023.2.3.
Экспериментальное построение откачной характеристики насосаGXS 250………………………………………………………………………….1173.2.4. Создание ректификационной колонны…………………………………1193.2.5. Термометрия……………………………………………………………...1234Стр.3.2.6. Схема установки…………………………………………………………1243.3. Методика отбора проб и газового анализа изотопного состава……….1273.4. Проведение подготовительного (поверочного) эксперимента………...1323.5. Проведение рабочего эксперимента……………………………………..1393.6. Основные результаты экспериментальных исследований……………..1473.7. Расчет погрешности измерительного канала оборудования…………...148ГЛАВА4.АНАЛИЗРЕЗУЛЬТАТОВИПРАКТИЧЕСКИЕРЕКОМЕНДАЦИИ……………………………………………………………..1514.1. Обработка экспериментальных результатов…………………………….1514.1.1. Определение градиента концентрации по высоте колонны и ВЭТТ(ВЕП) насадки для полученных экспериментальных режимов……………..1514.1.2.
Определение удельных энергетических затрат при различныхрежимах работы колонны……………………………………………………...1574.2. Оценка погрешности измерений…………………………………………1604.3.Сопоставлениерезультатовсданнымидругихавторовирезультатами аналитического исследования…………………………………1664.4. Рекомендации для создания опытно-промышленной установкиизвлечения 3He…………………………………………………………………169ВЫВОДЫ……………………………………………………………………….171УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ………………………………………………..172СИСОК ЛИТЕРАТУРЫ………………………………………………………..174ПРИЛОЖЕНИЕ………………………………………………………………...1845ВВЕДЕНИЕГелий – химический элемент, второй в таблице Менделеева и пораспространенности во вселенной.
3He — один из двух стабильных изотоповгелия и самый легкий. Существование 3He было предположено австралийскимученым М. Олифантом во время работы в Кембриджском университете в1934 г. Экспериментируя с расщеплением атомных ядер, Олифант совместно сЭ. Резерфордом и П. Хартеком открыл тритий и предсказал существование 3He.Окончательно открыли этот изотоп Л. Альварес и Р. Корног в 1939 г.,воспользовавшись циклотроном как высокочастотным масс-спектрометром.3He, благодаря ряду уникальных свойств, используется в научных иприкладных областях еще с середины прошлого века [1, 72]. Сегодня спрос наэтот изотоп возрос, растут и области его применения (Рисунок В.1) [2, 3, 73-77].Рисунок В.1. Области применения 3HeГазовые счетчики, наполненные 3He, используются для детектированиянейтронов.
Это наиболее распространенный метод измерения нейтронногопотока, который применяется для обнаружения несанкционированного провозарадиоактивных материалов [78].6Путем растворения жидкого 3He в 4He достигают милликельвиновыхтемператур, также существуют другие циклы на суб-криогенные температуры,использующие в качестве рабочего тела изотоп гелия.Поляризованный 3He недавно начал применяться в магнитно-резонанснойтомографии для получения изображения легких с помощью ядерногомагнитного резонанса.В будущем наиболее перспективным видится использование изотопа какядерного топлива.
Реакция 3He + D → 4He + p имеет ряд преимуществ посравнению с наиболее достижимой в земных условиях дейтериево-тритиевойреакцией T + D → 4He + n [79, 80]. К этим преимуществам относятся:1.В десятки раз более низкий поток нейтронов из зоны реакции, что резкоуменьшает наведенное радиоактивное нейтронное излучение и деградациюконструкционных материалов реактора.2.Получаемые протоны, в отличие от нейтронов, легко улавливаются имогут быть использованы для дополнительной генерации электроэнергии.3.Исходные материалы для синтеза неактивны, их хранение не требуетособых мер предосторожности.4.При аварии реактора с разгерметизацией активной зоны радиоактивностьвыброса близка к нулю.На протяжении последних 25 лет 3He получается искусственно в процессераспада трития, являющегося единственным промышленным источникомлегкого изотопа гелия [81].
В связи с сокращением запасов и производстватрития, соответственно, сократилось производство изотопа 3He. Сегодня объемпроизводства 3He составляет около 15 нормальных кубических метров в год(нм3/год), а мировые потребности – около 45 нм3/год.Изотоп 3He получают из трития по реакции 3Н = 3He + β-.Как правило, содержание трития в 3He менее 10-11 % (4,8 Бк/л) [4].Применяют различные способы очистки изотопа3He от трития. Вчастности, был получен предельно чистый 3He с использованием в качествеадсорбентаохлажденногожидкимазотомактивированногоугля7(предварительно тритий был окислен до Т2О), в качестве исходного продукта –обычный гелий, содержавший 10-2 % (4,8·109 Бк/л) трития. Этим способом заодин прием содержание трития было снижено до 9,7·10–12 % (4,7 Бк/л) [5].Период полураспада трития 12,33 года, и его запасы необходимопериодически обновлять.
Последний из крупных промышленных реакторов –наработчиков трития был остановлен в 1988 г. [6].Средняя цена за нормальный литр изотопа в период 2007–2010 гг.возросла от 200 у.е. до 3000 у.е. [82]. Дефицит этого изотопа особенно остросказывается на производстве рефрижераторов растворения (лишь в СШАвыделяются небольшие количества 3He по цене 450 у.е.
за 1 нл для научныхцелей [83]. Максимально зафиксированная цена – 6 600 у.е. за нл в 2014 году.В настоящее время разница между спросом и предложением по 3Heсоставляет приблизительно 30 000 нл/год. Часть этого объема покрывается засчет запасов в хранилищах США с 2000 года [84-87]. Ниже представленыданные за 2008-2024 гг (Рисунок В.2). Прогнозируемый спрос в ближайшиегоды 65 000 нл/год.нм31009080706050403020100ПотребностьПроизводствоРисунок В.2. График спроса и предложения на 3HeПадение спроса после 13-го года обусловлено уменьшением потребностив изотопе на одно устройство, а также достижения необходимого количествадетекторов и появления новых альтернативных технологий.
Последние столбцы8показывают рост спроса на 3He, который планируется использовать в качестветоплива для ядерных реакторов, в ИТЕР [7]. Для удовлетворения спроса наизотоп 3He необходимо создание технологии его промышленного производства,значительно отличающейся от технологии известных лабораторных установок,в основном, в части обеспечения минимальных эксплуатационных затрат наполучение конечного продукта.Такимобразом,ростпотребности3He,приограниченномегопроизводстве, указывает на острую необходимость осваивать природныеисточники 3He. Таким источником может быть товарный гелий, являющийсяприродной смесью изотопов 4He и 3He. Концентрация 3He в товарном гелии,добываемом из природного газа, составляет в среднем 0,1 ppm, а в гелии,получаемом из продуктов разделения воздуха, 1,4 ppm [88].
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
