级联轻杂质含量计算和分析

杨小松　李红彦　孙继全

【摘 要】在UF6分离级联系统中轻杂质主要表现为供取料厂房收集的HF，本文通过分析级联中的轻杂质的三个来源：供料流中夹带的轻杂质，腐蚀损耗产生的轻杂质，级联连接处渗漏的空气。推导出级联轻杂质的计算公式。得出UF6分离级联系统中轻杂质的含量由供料量、级联机器数决定。

【关键词】级联；轻杂质；HF；腐蚀损耗；空气漏量

商业工厂的离心级联由大量的离心机组成，折合成体积有数千立方米。在如此庞大的系统中，进行UF6气体的分离时，HF、空气等轻杂质总是和UF6气体相伴相存的，我们可以减少轻杂质的存在，以降低轻杂质对离心机分离效果的不良影响以及对离心机本身稳定运行的不利影响，但却无法除尽轻杂质。计算出级联在运行过程中的轻杂质含量，对级联的稳定运行有重要的意义。

1 级联中轻杂质的危害

级联中的轻杂质分子量相对工作气体UF6分子量小很多，在离心机分离的过程中，会向精料端富集，部分分离功消耗于分离轻杂质和UF6气体，从而降低级联的分离效率。离心级联对供料流中轻杂质含量有严格要求，即轻杂质体积含量要求达到千分之二，这是离心机长期安全运行的前提。轻杂质含量增加时，会使离心机超载，使离心机摩擦功耗增大，从而引起离心机降周。此外腐蚀损耗产生的固态产物在离心机供料、精料孔板处沉积，造成有效孔径变小，致使离心机性能参数偏离初始值，如分流比变小、单机分离能力变小等，使得级联负载分布发生变化，从而造成级联的生产能力随运行时间增长而逐年降低。

2 级联中轻杂质的来源

在庞大的级联系统中，轻杂质的来源主要由以下三部分组成。

2.1 供料流中夹带的轻杂质

级联的供料来自供取料厂房中的供料系统，在向级联供料前，供料容器内UF6气体必须净化合格。净化合格标准是：控制供料中轻杂质的体积含量≯0.2%，这是级联中轻杂质的第一个来源（记做Q1）。

在供取料厂房，通常采用室温净化、加热净化等方式，使进入级联的轻杂质控制在一个很低的水平。

2.2 腐蚀损耗产生的轻杂质

UF6与HF均是腐蚀性很强的气体，能与金属、有机物、水等发生反应，UF6与水反应会生成不易挥发的沉淀物及轻杂质，从而影响分离效果。离心机启动投运初期，腐蚀损耗量在最初30天内较大，待100天后就基本稳定下来，约为20mgUF6/台·24h。腐蚀损耗是级联轻杂质的第二个来源（记做Q2）。

腐蚀损耗产生的轻杂质是不可避免的。在级联投运过程中，严格按照各工序技术标准执行，从而有效降低级联系统的轻杂质含量。在级联运行过程中，降低厂房的湿度，减少空气中的含水量，以降低级联腐蚀损耗产生的轻杂质含量。

2.3 级联连接处渗漏的空气

级联由大量的离心机、管道、阀门、仪表、补压机、调节器等设备组成，它们绝大部分是通过法兰连接的，上百万个连接点虽然经过冷冻测量合格，但渗漏总是存在的。技术文件规定了渗漏值ΔP≤30μmHg/24h为控制标准。在安装、真空测量时，严格按照技术标准执行，确保安装质量。这是级联轻杂质的第三个来源（记做Q3）。

在维护级联运行的过程中，设备维修、更换时，严格按真空标准执行，不出现不正常的漏量，尤其要严防出现局部大漏现象，保证系统稳定运行。

3 轻杂质计算公式

级联轻杂质主要来源有三个途径，这里推导它们各自计算公式，以便计算出级联内的轻杂质总量。

3.1 供料中夹带的轻杂质Q1

UF6气体与HF气体在供料厂房的温度和压力条件下，认为是适用于理想气态方程的，设轻杂质的量为n1，UF6气体的量为n2，则有如下公式：

3.2 腐蚀损耗产生的轻杂质Q2

在这里认为级联中腐蚀损耗掉的UF6全部与水反应生成氟化铀酰和HF，这样计算生成的HF比实际的量会多一些。

3.3 连接处渗漏的空气Q3

级联渗漏的轻杂质主要为空气，实际上空气中的水分也会伴随空气渗漏进入级联系统，与UF6反应，在此认为空气是（下转第115页）（上接第96页）干燥的，折合到单台离心机进行计算。单台离心机折合成体积为12升，它包括相应连接管道在内，由状态方程可得：

从公式（10）可以看出，级联渗漏的轻杂质和级联的离心机数量成正比，随着离心机数量的增多而增大。对于一个级联，在没有破空操作的情况下，级联的漏率基本是稳定的，可以通过供取料厂房，监测的空气漏量，判断级联是否有漏。

4 结论

级联系统中存在的轻杂质是不可避免的，它与工作气体总是相伴相存，通过分析计算得出符合实际的级联轻杂质计算公式。对于保证级联的稳定运行由重要的现实意义。从推导的方程式可以得出以下结论：

（1）供料中所夹带的轻杂质由供料量决定，可以通过提高供料净化标准来降低供料中的轻杂质。

（2）腐蚀损耗产生的轻杂质和级联系统连接处渗漏的轻杂质只和离心机的数量有关系。

（3）腐蚀损耗是级联轻杂质的第一大来源，应重点控制，在级联系统投入运行的各工序中，应严格控制技术参数，以降低级联系统运行中因腐蚀损耗产生的轻杂质。

（4）按真空测量技术要求上限值推算，可以得出在供取料厂房监测的最高空气漏量，高于此值则说明级联系统真空密封遭到破坏，级联系统存在漏点，必须进行消除。

（5）通过本文所推导的级联轻杂质含量计算公式，可以建立自动监测级联轻杂质系统，定量的分析和监测轻杂质含量，记录轻杂质的变化趋势，有利于级联系统稳定运行。

【参考文献】

[1]王晓冬，巴德纯，张世伟，等.真空技术[M].北京：冶金工业出版社，2006：11.

[2]王俊峰.铀转化工艺学[M].北京：原子能出版社，2012：72.

[责任编辑：杨玉洁]