Сборник тезисов докладов VIII Международной молодежной научной конференции

Полярное сияние 2005

Ядерное будущее: безопасность, экономика и право

Содержание сборника

Секция «Перспективные приложения ядерных технологий»

Все доклады секции


Сравнительная оценка физико-химических способов концентрирования изотопа кремния

Анчихров А.В., Фёдорова С.Н., Чередниченко С.А., Хорошилов А.В.

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева

В последние годы наблюдается повышенный интерес к высококонцентрированному изотопу кремния 28Si, что обусловлено обнаружением его повышенной теплопроводности по сравнению с кремнием природного изотопного состава [1-3]. В этой связи стала актуальной задача совершенствования известных и разработки новых технологий разделения изотопов кремния.

Из физико-химических способов для разделения изотопов кремния предложены: ректификация силана SiH4 [4], тетрахлорида кремния SiCl4 [5], тетрафторида кремния SiF4 [6] и химический изотопный обмен между SiF4 и его комплексами с алифатическими спиртами в системе SiF4·2ROH – SiF4, где R – алкильный радикал [7-8].

Разделение изотопов ректификацией и химобменом реализуется в противоточных колонных аппаратах, заполненных мелкой высокоэффективной насадкой. Объём разделительной аппаратуры определяется величиной коэффициента разделения изотопов ? (от ? зависит число теоретических ступеней разделения ЧТСР, необходимых для достижения заданной концентрации изотопа в продукте, величина потока в колонне) и кинетикой изотопного обмена (кинетика изотопного обмена определяет высоту, эквивалентную теоретической ступени ВЭТС). Значения ? и ВЭТС, использовавшиеся в расчётах, взяты для процессов ректификации из работ [4-6], для процесса химического обмена – из экспериментальных данных авторов [8] (расчёты выполнены с использованием коэффициента разделения для изотопов 28Si – 29Si).

Проведена сравнительная оценка размеров разделительной аппаратуры, эксплуатационных затрат и себестоимости продукции для каждой из указанных четырёх рабочих систем при производительности установки 10 кг 28Si в год (концентрирование 28Si производится от природного уровня 92,23% ат. до концентрации 99,9% ат). Предполагалось, что процесс разделения осуществляется на спирально-призматической насадке с размером элемента 2?2?0,2 мм и в процессе химического изотопного обмена в качестве комплексообразователя используется н-бутанол.

Расчеты выполнены по описанной в литературе методике [9]. Результаты расчётов (в относительных единицах) приведены в табл. 1-2 и представлены на рис. 1. За способ сравнения принят химический обмен в системе SiF4·2ROH (ж) – SiF4 (г).

 

Таблица 1. Условия проведения процесса разделения и основные параметры установки для разделения изотопов кремния физико-химическими способами.

Рабочая система

Условия проведения процесса

Коэфф.
разделения

Поток кремния L,

отн. ед./ед. вр.

ЧТСР N,

отн. ед.

Необходимая высота H,

отн. ед.

Условный объём 

(L * N),

отн. ед.

Реальный объём

V, отн. ед.

Темпе-ратура,

Т, К

Давление

P, атм.

SiH4 (ж) – SiH4 (п)

156

0,74

1,00035

31,2

31,3

13,9

973,4

14,18

SiF4 (ж) – SiF4 (п)

199

3,73

1,00103

10,6

10,7

2,3

112,5

0,44

SiCl4 (ж) – SiCl4 (п)

330,5

1

1,00017

64,3

64,5

16,0

4125,1

72,40

SiF4·2ROH (ж) – SiF4 (г)

296

1

1,011

1

1

1

1

1

 

 

Таблица 2. Капитальные и эксплуатационные затраты на концентрирование изотопа 28Si физико-химическими способами

Рабочая система

Капитальные затраты

CV , отн. ед.

Затраты на электроэнергию,

отн. ед./ед. вр.

Затраты на  охлаждающую воду,
отн. ед./ед. вр.

Затраты на  жидкий азот**,

отн. ед./ед. вр.

Эксплуатацион-ные затраты

CL,
отн. ед./ед. вр.

SiH4 (ж) – SiH4 (п)

14,18

10,9

-

2,7

315,3

SiF4 (ж) – SiF4 (п)

0,44

4,1

-

1

116,7

SiCl4 (ж) – SiCl4 (п)

72,40

50,9

50,9

-

50,9

SiF4·2ROH (ж) – SiF4 (г)

1

1

1

-

1

** - за единицу затрат на жидкий азот приняты затраты в процессе низкотемпературной ректификации SiF4, т.к. в процессе химобмена жидкий азот не требуется.


 

Рис. 1. Затраты на получение 1 кг 28Si физико-химическими способами в зависимости от времени амортизации основных фондов:  - ректификация SiH4;  - ректификация SiF4;  - ректификация SiCl4;  - химический изотопный обмен в системе SiF4·2ROH (ж) – SiF4 (г)

 

По данным табл.1 объем разделительной аппаратуры минимален для процесса низкотемпературной ректификации SiF4, а наименьшая высота характерна для процесса химического изотопного обмена. Сравнительная экономическая оценка (см. табл. 2 и рис.1) показывает, что химический изотопный обмен в системе SiF4·2ROH (ж) – SiF4 (г) наиболее экономичен: затраты на получение 28Si в этом способе более чем на порядок ниже, по сравнению с затратами в процессах ректификации. Как видно из рис.1, на затраты по получению 28Si методом низкотемпературной ректификации крайне слабо влияет период амортизации основных фондов, что обусловлено преобладанием эксплуатационных расходов, связанных прежде всего с затратами на жидкий азот. Затратная по капитальным вложениям ректификация SiCl4 по себестоимости продукции фактически не уступает низкотемпературной ректификации тетрафторида кремния.

В результате выполнения работы можно отметить, что способ химического обмена является наиболее экономичным среди рассмотренных физико-химических способов разделения изотопов кремния.


Литература:

1.        Capinski W. S., Maris H. J., Bauser E. et al. Thermal conductivity of isotopically enriched silicon // Appl. Phys. Lett..– 1997.– 71.– № 15.– p. 2109.

2.        Ruf T., Henn R.W., Asen-Palmer M., Gmelin E., Cardona M., Pohl H.-J., Devyatych G. G., Sennikov P.G. Thermal conductivity of isotopically enriched silicon // Solid State Communications.– 2000.– 115.– № 5.– p. 243-247.

3.        Komarov P.I., Burzo M.G., Kaytaz G., Raad P.E. Transient thermo-reflectance measurements of the thermal conductivity and interface resistance of metallized natural and isotopically silicon // Microelectronics Journal.– 2003.– 34.– № ?.– p. 1115-1118.

4.        Девятых Г. Г.,Борисов Г.К., Павлов А.М. О разделении изотопов кремния ректификацией моносилана // Докл. Акад. Наук СССР.– 1961.–  138.– № 2.– с.402-404.

5.        Brunken R., Lentz. H., Schneider G., Wagner H.Gg. Anreicherung der schweren siliziumisotope durch destillation von siliziumtetrachlorid // Z. Phys. Chem. Neue Folge.– 1966.– 48.– № 1 – 2.– s. 120-122.

6.        Thomas R. Mills Silicon isotope separation by distillation of silicon tetrafluoride // Separ. Sci. and Technol.– 1990.– 25.– № 3.– p. 335-345.

7.        Egiazarov A., Abzianidze T., Razmadze A. Separation of silicon isotopes by chemical isotopic exchange method // Int. symp. “The synth. and appl. of isotopes and isotopically labelled compounds”, 2001.

8.        Пономарёва И.Ю., Пономарёв А. В., Чередниченко С.А., Хорошилов А.В. Изотопные эффекты при разделении изотопов кремния в системе SiF4 – SiF4·ROH // Успехи в химии и хим. технол.: Сб. науч. тр. Том XVIII, № 8. М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2004, с. 17 – 21.

9.        Хорошилов А.В., Катальников С.Г. Разделение стабильных изотопов азота: современный уровень производства, анализ экономической эффективности и перспективы развития способов концентрирования //Труды МХТИ им. Д.И. Менделеева, вып. 130, 1984, с. 18-35.