Сборник тезисов докладов X Международной молодежной научной конференции

Полярное сияние 2007

Ядерное будущее: безопасность, экономика и право

Содержание сборника

Секция «Перспективные приложения ядерных технологий»

Все доклады секции

ХАРАКТЕРИСТИКИ УСТАНОВОК КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ ИЗОТОПА 28Si ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ

Федорова С.Н., Степанов А.В., Чередниченко С.А., Хорошилов А.В.

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

В настоящее время проявляется повышенный интерес ко всем стабильным изотопам кремния, и в особенности к изотопу 28Si, что обусловлено перспективами его использования в микроэлектронике вследствие повышенной теплопроводности. Рост интереса к изотопам кремния делает актуальной задачу создания экономичной технологии их производства.

Среди физико-химических способов разделения изотопов кремния можно выделить процессы ректификации кремнийсодержащих соединений: силана SiH4, тетрафторида SiF4 и тетрахлорида SiCl4 кремния, а также химический изотопный обмен в системе SiF4 – комплекс SiF4 с алифатическими спиртами ROH.

Целью проведенных технологических расчетов было определение основных параметров установок для разделения изотопов кремния: потоков и габаритов разделительного оборудования. Для расчета числа теоретических ступеней разделения N в колонне методом Эйлера решалась система дифференциальных уравнений, предназначенная для расчета стационарного профиля концентраций изотопов в колонне при разделении трехкомпонентной изотопной смеси.

Высокая природная концентрация целевого изотопа 28Si (92,23 ат. %) приводит к необходимости создания исчерпывающей секции в установке по разделению изотопов кремния. Наличие секции исчерпывания (то есть работа по закрытой схеме) позволяет сократить сырьевой (питающий) поток, который перед процессом разделения требует предварительной подготовки (очистки) и, следовательно, дополнительных затрат на проведение такой подготовки, и повысить степень извлечения изотопа 28Si из сырья.

При расчете промышленных установок были заданы следующие условия:

• производительность установки P=10 кг 28Si/год;

• время работы установки – 8000 ч/год;

• концентрация целевого изотопа 28Si в продукте 99,9%;

• концентрации изотопов в потоке питания – природные;

• концентрация целевого изотопа 28Si в отвале 75,0%;

• относительный отбор =0,60;

• относительная нагрузка: для процессов ректификации – =0,7;

• для процесса химического изотопного обмена плотность орошения колонны Lуд.=0,12 моль SiF4/(см2•ч);

• в установках используется спирально-призматическая насадка 2х2х0,2 мм;

• в процессе химического изотопного обмена в качестве комплексообразователя используется пентанол-1.

Условия проведения процесса разделения изотопов кремния методами ректификации и химического обмена, данные по коэффициентам разделения 28–30, габариты разделительного оборудования и энергозатраты на обращение потоков сведены в таблицу.

Таблица. Условия проведения процесса и основные технические характеристики физико-химических методов разделения изотопов кремния.

Метод разделения

ХИО

Ректификация

Рабочее вещество или система

SiF4(г) - SiF4.2ROH(ж)

SiF4

SiCl4

SiH4

Температура Т, К

293

199

330,5

156

Давление P, атм.

1

3,73

1

0,74

Коэффициент разделения
28-30

1,017

1,00183

1,00036

1,00061

Циркулирующий поток L,

моль SiX4/ч

9,34

87,1

443

261

Удельная нагрузка Lуд.,

моль SiX4/(см2 ч)

0,12

8,10

2,05

4,40

Диаметр колонны D, мм

100

37

166

87

ЧТСР концентрирующей

части Np

977

9115

46356

27356

ЧТСР исчерпывающей
части Nw

310

2856

14504

8563

ЧТСР в установке N

1287

11971

60860

35919

ВЭТС, см

12,7

3,3

3,7

6,9

Высота колонны H, м

163

396

2271

2464

Объем колонны V, м3

1,27

0,43

49,37

14,62

Энергозатраты на обращение потоков Q, кВт

0,37

0,33

3,52

0,92

Расход электроэнергии
Qe, кВт ч/год

2960

2640

28160

7360

Расход охлаждающей воды

L H2O, м3/год

2550

-

24253

-

Расход жидкого азота
L N2, т/год

-

48

-

133

Как видно из данных, представленных в таблице, процессы ректификации силана SiH4 и тетрахлорида кремния SiCl4 отличаются от ректификации тетрафторида кремния SiF4 и процесса химического изотопного обмена между SiF4 и его комплексом с пентанолом-1 существенно большими энергетическими затратами и существенно большим объемом разделительного оборудования. Данный факт делает ректификацию SiH4 и SiCl4 непригодными для практической реализации.

Наименьший объем разделительного оборудования необходим при ректификации SiF4, однако данный процесс проводится при низких температурах и повышенном давлении, что осложняет его практическую реализацию.

Разделение изотопов кремния методом химического изотопного обмена между SiF4 и его комплексом с пентанолом-1 осуществляется при комнатной температуре и атмосферном давлении. От процессов ректификации кремнийсодержащих соединений его отличает наибольшее значение коэффициента разделения изотопов кремния 28-30 и наименьшая высота колонны, необходимая для достижения заданной концентрации изотопа 28Si. Перечисленные факторы совместно с малыми энергетическими затратами на обращение потоков делают метод химического изотопного обмена весьма привлекательным для практической реализации.