級聯輕雜質含量計算和分析

楊小松　李紅彥　孫繼全

【摘 要】在UF6分離級聯系統中輕雜質主要表現為供取料廠房收集的HF，本文通過分析級聯中的輕雜質的三個來源：供料流中夾帶的輕雜質，腐蝕損耗產生的輕雜質，級聯連接處滲漏的空氣。推導出級聯輕雜質的計算公式。得出UF6分離級聯系統中輕雜質的含量由供料量、級聯機器數決定。

【關鍵詞】級聯；輕雜質；HF；腐蝕損耗；空氣漏量

商業工廠的離心級聯由大量的離心機組成，折合成體積有數千立方米。在如此龐大的系統中，進行UF6氣體的分離時，HF、空氣等輕雜質總是和UF6氣體相伴相存的，我們可以減少輕雜質的存在，以降低輕雜質對離心機分離效果的不良影響以及對離心機本身穩定運行的不利影響，但卻無法除盡輕雜質。計算出級聯在運行過程中的輕雜質含量，對級聯的穩定運行有重要的意義。

1 級聯中輕雜質的危害

級聯中的輕雜質分子量相對工作氣體UF6分子量小很多，在離心機分離的過程中，會向精料端富集，部分分離功消耗于分離輕雜質和UF6氣體，從而降低級聯的分離效率。離心級聯對供料流中輕雜質含量有嚴格要求，即輕雜質體積含量要求達到千分之二，這是離心機長期安全運行的前提。輕雜質含量增加時，會使離心機超載，使離心機摩擦功耗增大，從而引起離心機降周。此外腐蝕損耗產生的固態產物在離心機供料、精料孔板處沉積，造成有效孔徑變小，致使離心機性能參數偏離初始值，如分流比變小、單機分離能力變小等，使得級聯負載分布發生變化，從而造成級聯的生產能力隨運行時間增長而逐年降低。

2 級聯中輕雜質的來源

在龐大的級聯系統中，輕雜質的來源主要由以下三部分組成。

2.1 供料流中夾帶的輕雜質

級聯的供料來自供取料廠房中的供料系統，在向級聯供料前，供料容器內UF6氣體必須凈化合格。凈化合格標準是：控制供料中輕雜質的體積含量≯0.2%，這是級聯中輕雜質的第一個來源（記做Q1）。

在供取料廠房，通常采用室溫凈化、加熱凈化等方式，使進入級聯的輕雜質控制在一個很低的水平。

2.2 腐蝕損耗產生的輕雜質

UF6與HF均是腐蝕性很強的氣體，能與金屬、有機物、水等發生反應，UF6與水反應會生成不易揮發的沉淀物及輕雜質，從而影響分離效果。離心機啟動投運初期，腐蝕損耗量在最初30天內較大，待100天后就基本穩定下來，約為20mgUF6/臺·24h。腐蝕損耗是級聯輕雜質的第二個來源（記做Q2）。

腐蝕損耗產生的輕雜質是不可避免的。在級聯投運過程中，嚴格按照各工序技術標準執行，從而有效降低級聯系統的輕雜質含量。在級聯運行過程中，降低廠房的濕度，減少空氣中的含水量，以降低級聯腐蝕損耗產生的輕雜質含量。

2.3 級聯連接處滲漏的空氣

級聯由大量的離心機、管道、閥門、儀表、補壓機、調節器等設備組成，它們絕大部分是通過法蘭連接的，上百萬個連接點雖然經過冷凍測量合格，但滲漏總是存在的。技術文件規定了滲漏值ΔP≤30μmHg/24h為控制標準。在安裝、真空測量時，嚴格按照技術標準執行，確保安裝質量。這是級聯輕雜質的第三個來源（記做Q3）。

在維護級聯運行的過程中，設備維修、更換時，嚴格按真空標準執行，不出現不正常的漏量，尤其要嚴防出現局部大漏現象，保證系統穩定運行。

3 輕雜質計算公式

級聯輕雜質主要來源有三個途徑，這里推導它們各自計算公式，以便計算出級聯內的輕雜質總量。

3.1 供料中夾帶的輕雜質Q1

UF6氣體與HF氣體在供料廠房的溫度和壓力條件下，認為是適用于理想氣態方程的，設輕雜質的量為n1，UF6氣體的量為n2，則有如下公式：

3.2 腐蝕損耗產生的輕雜質Q2

在這里認為級聯中腐蝕損耗掉的UF6全部與水反應生成氟化鈾酰和HF，這樣計算生成的HF比實際的量會多一些。

3.3 連接處滲漏的空氣Q3

級聯滲漏的輕雜質主要為空氣，實際上空氣中的水分也會伴隨空氣滲漏進入級聯系統，與UF6反應，在此認為空氣是（下轉第115頁）（上接第96頁）干燥的，折合到單臺離心機進行計算。單臺離心機折合成體積為12升，它包括相應連接管道在內，由狀態方程可得：

從公式（10）可以看出，級聯滲漏的輕雜質和級聯的離心機數量成正比，隨著離心機數量的增多而增大。對于一個級聯，在沒有破空操作的情況下，級聯的漏率基本是穩定的，可以通過供取料廠房，監測的空氣漏量，判斷級聯是否有漏。

4 結論

級聯系統中存在的輕雜質是不可避免的，它與工作氣體總是相伴相存，通過分析計算得出符合實際的級聯輕雜質計算公式。對于保證級聯的穩定運行由重要的現實意義。從推導的方程式可以得出以下結論：

（1）供料中所夾帶的輕雜質由供料量決定，可以通過提高供料凈化標準來降低供料中的輕雜質。

（2）腐蝕損耗產生的輕雜質和級聯系統連接處滲漏的輕雜質只和離心機的數量有關系。

（3）腐蝕損耗是級聯輕雜質的第一大來源，應重點控制，在級聯系統投入運行的各工序中，應嚴格控制技術參數，以降低級聯系統運行中因腐蝕損耗產生的輕雜質。

（4）按真空測量技術要求上限值推算，可以得出在供取料廠房監測的最高空氣漏量，高于此值則說明級聯系統真空密封遭到破壞，級聯系統存在漏點，必須進行消除。

（5）通過本文所推導的級聯輕雜質含量計算公式，可以建立自動監測級聯輕雜質系統，定量的分析和監測輕雜質含量，記錄輕雜質的變化趨勢，有利于級聯系統穩定運行。

【參考文獻】

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[責任編輯：楊玉潔]