بخشی از مقاله
خلاصه
مشخص گردیده است که فرآیند پخش حرارتی یکی از روش های عملی برای جداسازی مخلوط های ایزوتوپی و بویژه مخلوط های ایزوتوپی با نسبت های جرم مولکولی بالا می باشد. یکی از روش های غنی سازی آب سنگین روش پخش حرارتی می باشد، که در این روش با استفاده از خاصیت پخش حرارتی و تفاوت در میزان پخش مواد و به ویژه ایزوتوپ های مختلف می توان فرآیند جداسازی را انجام داد. در این طرح تحقیقاتی با بررسی این روش و پارامترهای دخیل بر آن میزان تغییرات جداسازی در هر مورد تحلیل و بررسی شده و در پایان نتایج بدست آمده ارائه گردیده است. بر پایه ی نتایج حاصل از انجام این تحقیق، معادله ی جداسازی ساده تری برای غنی سازی آب سنگین در یک ستون پخش حرارتی ناپیوسته برای کار در شرایط پایدار و ناپایدار و همچنین برای جریان پیوسته به دست آمده است . در ضمن با تدوین و با برنامه های کامپیوتری میزان جداسازی به صورت گسترده تر به تحلیل اطلاعات و داده های به دست آمده پرداخته شده است.
واژگان کلیدی:غنی سازی آب، ستون پخش حرارتی، ایزوتوپ، جداسازی
.1مقدمه
جداسازی ایزوتوپی یکی از روش های پیچیده و در عین حال بسیار مهم و بنیادی در صنایع هسته ای می باشد و کاربردهای متعددی دارد. جداسازی ایزوتوپی نه تنها به عنوان یک روش علمی-صنعتی در پروژه های صنعتی مورد استفاده قرار می گیرد، بلکه به عنوان روشی مناسب برای جداسازی ایزوتوپ های مورد استفاده در پزشکی ، بسیار راه گشا می باشد. در این بین با توجه به نیاز جوامع به منابع انرژی و روی آوردن دول مختلف به منابع انرژی هسته ای و بهره گیری از آنها، نیروگاه های هسته ای نتیجتاً راکتور هسته ای ساخته شده و به کار گرفته شده اند - . - 1 در این میان راکتورهای آبی از متداول ترین گونه های راکتور های هسته ای مورد استفاده می باشد. که بر اساس نوع آب مورد استفاده برای سیستم خنک کننده و کند کننده به دو دسته ی راکتور های آب سبک1 و راکتورهای آب سنگین2، تقسیم بندی می گردند.
آب سنگین در واقع آبی است که بجای 1 H در ساختار آن ایزوتوپ دیگر هیدروژن با یک پروتون و یک نوترون، یعنی 2 H ویا دوتریوم3، بوده و به جایH 2O دارای فرمول شیمیایی D 2O می باشد. هیدروژن مورد استفاده در آب سنگین دارای یک نوترون اضافی بوده لذا سطح مقطع جذب نوترون آن نسبت به آب معمولی بسیار کمتر بوده و سبب صرفه جویی در اقتصاد نوترونی می گردد. استفاده از اورانیوم طبیعی به عنوان سوخت هسته ای در راکتورها را ممکن می سازد و نیاز به غنی سازی سوخت را بر طرف می نماید. البته از سوی دیگر برای تغلیظ آب سنگین می بایست آن را غنی نمود - . - 2 با شناخته شدن این قابلیت آب سنگین و در بحبوحه ی جنگ جهانی دوم، تلاش هایی جهت غنی سازی آب سنگین آغاز گردید و روشهای متنوعی نیز برای رسیدن به این هدف ابداع گردید.
از جمله روش های نوپایی که البته در آسیای شرقی و بویژه کشور تایوان ابداع شده و بکار گرفته می شود، روش پخش حرارتی می باشد که در واقع از گرادیان درجه حرارت بهره می گیرد. در این پروژه این روش مورد بررسی قرار گرفته و با مبنا قرار دادن یک ستون پخش حرارتی شرایط عملیاتی مختلف بر روی آن مورد بررسی و مطالعه قرار می گیرد - . - 6-8 در این روش غنی سازی ستون هایی باصفحات تخت مورد بررسی قرار گرفته می شود از آنجا که صرفاً یک کار تئوریک انجام شده نتایج حاصل با برخی نتایج تجربی موجود مورد مقایسه قرار داده شده و میزان دقت این روش ها مشخص گردیده است. در نهایت با ارائه ی مقایسه ای بین مقادیر جداسازی بدست آمده برای هرمورد، روش بهتر و برتر انتخاب شده است.
یکی از گزارشات مطرح شده در مورد جداسازی بهینه مخلوطهای مایع، از بزرگنمایی الگوی جریان همرفت توسط Debye and Bueche ارائه شد. آنها از یک نوع ستون دستهای استفاده کردند که در آن فضای حلقوی بین دو سطوح با پشم شیشه پر میشد. سپس Powers and Wilke نشان داد که درجه جداسازی در یک ستون صفحه تخت پیوسته زمانی بهبود پیدا میکند که جریان همرفت از طریق خم کردن دستگاه با زوایای مختلف کاهش پیدا میکند - . - 3 بهترین زوایای انحراف برای جداسازی ماکزیمم به صورت تئوری و تجربی توسط Chueh and Yeh بررسی شدند. Sullivan,Ruppl,and Willingham به بررسی و کنترل ستون های دستهای پرداختند که در آن استوانه داخلی چرخانده شده بود و یک ستون دسته سوم که در آن حلقه با پشم شیشه پر شده بود.
برای یک فضای مشخص از حلقه، ستون پر شده جداسازی بهتری را نسبت به ستونهای چرخیده به دست داد. ستونهای چرخیده و پر شده، هر دو جداسازی بهتری را نسبت به ستون باز با فضای مشابه حلقه فراهم آوردند . در یک مطالعه گستردهتر پیرامون ستونهای پخش حرارتی پر شده نوع دستهای Sullivan,Ruppl,and Willingham دریافتند که جداسازی های بهتری در ستونهای مختلف با حلقه باز 0/03 - تا 0/125اینچ - در هنگامی که فضای حلقوی بین دو سطوح از پشم شیشه پر شده بود پدید آمدند. آنها نشان دادند که درجه جداسازی بهدستآمده در حالت پایدار، تابعی است از فضای حلقوی و چگالی پرکردن - . - 4 برای یک فضای حلقوی ثابت، درجه جداسازی با چگالی پرکردن افزایش پیدا کرد. با این حال، پایینترین چگالی پر کردن، سریعترین روش را برای رسیدن به حالت پایدار فراهم آورد.
.2 جداسازی در ستون پخش حرارتی با صفحات تخت
شکل - 1 - جریان ها و شارهای موجود در یک ستون پخش حرارتی ناپیوسته با صفحات تخت را که به میزان درجه از حالت عمودی انحراف دارد را، نشان می دهد. معادله ی جداسازی در چنین ستونی با جایگذاری شتاب گرانشی به صورت g.Cos ، به جایg در معادله ی جداسازی مربوط به یک ستون عمودی که قبلا ذکر شده به دست می آید - . - 4-5 معادله ی جداسازی برای تخمین اختلاف غلظت آب سنگین بین دو انتهای ستون به شکل زیرمی باشد:
مهم ترین فرضیات به کار گرفته شده در معادلات فوق عبارت اند از این که:
خواص فیزیکی ثابت در نظر گرفته شده اند، شکل معادله ی شبه درجه دوم از غلظت، به عنوان مقدار محلول خوراک C3C3 در نظر گرفته شده است که نهایتاً اینکه غلظت ها در هرنقطه از ستون به صورت ناحیه ای به شکل زیر در حال تعادل می باشند:
.3 تغییرات میزان جداسازی در ستون های پخش حرارتی ناپیوسته در حالت پایدار وناپایدار
بنابراین، درجه ی جداسازی در هر دو حالت پایدار و یا ناپایدار با استفاده از روش تحلیلی و عددی به ترتیب توسط معادله ی - 6 - و - 7 - به دست آمده است.و گراف های مربوط به هر کدام از آنها رسم شده است. نتایج کنونی، معادلات - 6 - و - 7 - ، دارای
