Разработка методов определения состава и исследование распределения примесей гексафторида урана в разделительных каскадах Джаваев, Борис Григорьевич

Введение к работе

Актуальность работы. Работа посвящена разработке и применению ряда масс -спектрометрических методик и специализированных устройств, направленных на контроль примесей ReF«, WF₆, MoF₆, Cr0₂F₂, PF₅, POF₃, VF₅, VOF₃, Si F₄, BF₃, SF_6> SO ₂F₂ ,SOF₂ , F₂ , СОг , CO, N ₂, 0₂ , OF₂ ,-HF, углеводородов, хлоруглеродов, частично замещенных галоидоуглеродов и перфторуглеродов в гексафториде урана (ГФУ). Можно выделить две задачи, успешное решение которых возможно при наличии оперативной и точной информации о содержании примесей в ГФУ. Первая - это обеспечение .требований спецификаций и технических условий по юдержанию примесей в ГФУ, предназначенном для обогащения, и собственно в збогащенном ГФУ. Вторая задача - это контроль состава газовых потоков в «ежкаскадных коммуникациях (МКК), на очистительных каскадах, и в конденсационно - испарительных установках (КИУ). Традиционные методы определения содержания примесей, такие как спектральные методы, и даже самые ювременные с использованием масс-спектрометров с индуктивно связанной тлазмой предполагает процедуру отбора проб, проведения гидролиза и отделения >сновы анализируемой пробы, что исключает возможность оперативного контроля. Оперативность необходима для проведения контроля непосредственно во время процесса разделения изотопов урана, что является предпосылкой обеспечения сачества конечной продукции. Кроме того, оперативная информация о составе и соличестве примесей в МКК позволяет локализовать источники поступления фимесей, оценить эффективность работы очистительных каскадов, іспомогательного оборудования (КИУ, поглотительных колонок и др.), установить іаланс распределения примесей по разделительным каскадам, и, в конечном итоге, ібеспечить оптимальный регламент работы разделительного оборудования.

Важным аспектом актуальности работы является также то, что ГФУ, грошедший через газотурбинные каскады, содержит только примеси летучих оединений, на определение которых и направлены разработанные методики.

Актуальность контроля возрастает в условиях,.когда изменяется структура нтания каскадов и реализуется программа переработки ВОУ в НОУ.

Масс - спектрометрический метод в силу его высокой информативности и кспресности более других инструментальных методов анализа подходит для ешения указанных задач, Однако сгандартные масс - спектрометры не обладают собходнмой чувствительностью для определения содержания примесей в ГФУ в иапазоне от 10"^J% до 10^-2%.

Таким образом, цель работы заключается в разработке комплекса масс-пектрометрических методик и устройств, призванных обеспечить необходимое овышение чувствительности количественного определения состава примесей в ФУ и в исследовании их распределения в разделительных каскадах.

При этом необходимо было решить следующие задачи:

1. Разработать шсс-спекгрометрическиё -методики количественнс
определения содержания примесей летучих соединений в гексафториде ура
основанные на отделении ГФУ.

2. Исследовать процессы сорбции определяемых компонентов п
проведении процедур концентрирования.

3. Разработать установки концентрирования примесей.

4. Разработать масс-спектрометрическую методику количественнс
определения содержания фторуглеродных соединений в гексафториде урана.

5. Разработать масс-спектрометрическую методику определен
содержания нелетучих и высокополярных соединений.

6. Модернизировать масс-спектрометрическую установку на ба
промышленного анализатора МХ7304 для анализа легких примесей.

7. Разработать методику и спроектировать стенд для приготовлен
калибровочных газовых смесей высокоагрессивных соединений.

' 8. Интерпретировать результаты измерения примесей с использован» разработанных методик в межкаскадных коммуникациях в потоках питания товарной продукции.

9. Исследовать влияние разрушений газовых центрифуг на содержание
распределение примесей в разделительных каскадах и конденсационн
испарительных установках.

10. Провести испытание установки для определения легких примесей
целью обнаружения негерметичности технологических полок.

Научная новизна:

1. Впервые изучена вероятность прохождения через трубку - концентраті молекул ряда примесных соединений, присутствующих в ГФУ, при е: конденсации в концентраторе в диапазоне давлений от 0,1 Па до 1 Па и градиен температур от 220 К до 190 К.

.2. Показано, что плотность потока молекул конденсирующегося ГФ' которая зависит от градиента температур вдоль концентратора, оказьгваї значительное влияние на вероятность прохождения примесных соединений чер концентратор.- Предложена конструкция концентратора, обеспечивающая болі равномерно распределенную конденсацию ГФУ вдоль концентратора коэффициентом пропускания молекул примесных соединений, близком к единице

1. Разработана масс - спектрометрическая методика количественно! определения содержания примесей летучих соединений в гексафториде урана диапазоне от H0"Vo до 510"²% с использованием криогенного концентрирования области высокого вакуума масс-спектрометра. Методика позволила увеличк чувствительность прибора в 100 - 1000 раз.

2. Впервые исследованы процессы сорбции в вакууме анализируемк соединений на различных материалах. Построены изотермы адсорбции і поверхности сконденсированного гексафторида урана и определены потер примесей за счет адсорбции.

5. Разработана масс-спекірометрическая методика количественного іеделения содержания углеводородов, хлоруглеродов и частично замещенных овдоуглеродов в гексафториде урана с применением концентрирования на (ристом натрии в высоковакуумной камере масс-спектрометра.

6. Исследована температурная зависимость процесса термической социации сложных фторуглеродных соединений с молекулярной массой в лазоне от 350 а.е.м. до 900 а.е.м. Предложен метод масс - спектрометрического «деления фторуглеродных соединений в гексафториде урана, основанный на юлитическом разложении фгоруглеродов до фторметана.

7. Разработаны и реализованы устройства, позволившие создать на базе
лизатора MX 7304 мобильную, высокочувствительную установку для анализа
ких примесей в МКК

8. Исследованы качественный и количественный состав примесей,
азующихся в результате разрушения ГЦ, их распределение в межкаскадных
муникациях и особенности миграции от места разрушения до откачного
лектора.

9. Разработана методика количественного определения содержания воды и
ристого водорода в азоте путем их конверсии в ацетилен.

10. Разработана методика высокочувствительного контроля герметичности
л-вующего разделительного оборудования.

11. Исследованы и оптимизированы условия термокаталитического
рирования атомарным фтором закиси - окиси, урана. Разработана методика
:-спектрометрического количественного определения содержания W, Мо, СЮ,
з закиси-окиси урана путем перевода их в летучие фториды методом
юкаталитического фторирования.

ктическая ценность:

1. Разработанные методики определения содержания примесей летучих
мнений, а также углеводородов, хлоруглеродов и частично замещенных
идоуглеродов широко внедрены в аналитическую практику на предприятиях
ели при аттестации товарной продукции и контроле примесей в МКК
эдики оформлены в виде отраслевого стандарта [9J, отраслевой инструкции

инструкции предприятия [11]. Внедрено более 10 . установок [ентрирования примесей (чертеж Л4805).

2. Создана масс-спектрометрическая установка, позволяющая оперативно и ісокой чувствительностью вести контроль герметичности технологического удовакия, находящегося в работе.

3. Методика анализа фгоруглеродов с молекулярной массой более 700 ственно повысила достоверность определения этих соединений в іфториде урана.

4. Исследование продуктов разрушения газовых центрифуг, поступающих иологические потоки, позволило оценить их вклад в общий уровень примесей

в гексафториде урана, а также их влияние на правильность измерений нат примесей и воздуха на коллекторах конденсации.

5. Методика определенна води н фтористого водорода в азоте обеспе надежный контроль консервирующего газа в контейнерах заказчиков.

6. Методика анализа примесей в закиси-окиси урана позволила прово, одновременное определение изотопного состава н содержания примесей в о; навеске пробы, исключив, таким образом, проведение спектрального ана примесей.

7. Исследованные уровень содержания и распределения технологических каскадах фторуглеродных соединений позволили оценить баї этих соединений и спрогнозировать возможность их конденсации разделительном оборудовании.

8. Внедрена в аналитическую практику установка для приготовле калибровочных газовых смесей (чертеж Л5000).

Автор защищает:

1. Методы концентрирования и конверсии, положенные в основу ше оригинальных методик анализа примесей летучих соединений в ГФУ разделительных каскадах

2. Результаты исследования факторов, влияющих на правильно выполнения анализов по разработанным методикам', процесса сорбции р соединений в области высокого вакуума на различных материалах, проце термической диссоциации сложных фторуглеродных соединений, проце термокаталитического фторирования.

3. Результаты разработки и модернизации таких систем ма спектрометрической установки как высоковакуумной системы откачки, источш ионов, эмиттера молекулярного пучка, системы отбора и ввода анализируем! газа позволивших существенно увеличить чувствительность масс-спектрометра.

4. Результаты исследования количественного и качественного состава
, также распределения so разделительным каскадам примесей, поступающих
і технологическую цепочку с потоками питания, в результате разрушения газов

центрифуг, проведения ремонтных работ и негерметичности разделительнс

оборудования, і Апробация и публикации;

і Результаты работы опубликованы в виде двух статей в журна

| «Аналитика и контроль» [1,2], одного авторского свидетельства на изобретение [ : двух докладов на международной конференции и выставке по инструментальш

методам контроля в Пекине [4,5], трех докладов на 14 Уральской конференции

спектроскопии [6-8], отраслевого стандарта [9], отраслевой инструкции [10], да

инструкций предприятия [11,12], десяти отчетов [13-22].

Еьем и структура работы:

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, блиографии. Объем работы 145 страниц, рисунков - 45, таблтц - 20, блиография насчитывает 93 наименования.