离心法气体纯化的理论和实验研究

Gas purification needs to be performed in uranium enrichment, stable isotopes separation and other industries. In order to study the application of centrifugation method for gas purification, this project focuses on redesigning the internal structure of gas centrifuge rotor, through both experimental and theoretical studies. At first, the basic structure of a purification centrifuge will be worked out based on the fluid dynamics method under strong spin conditions, and be proved by prototype experiment. Furthermore, the structural parameters will be optimized through numerical methods. At the same time, the mass transfer process of gas mixture under strong spin conditions will be investigated to obtain the changing regularity of gas purification effect of different components under different conditions. Gas purification by centrifugation method is a relatively new field. The study of purification mechanism and purification effect evaluation will be also carried out in this project. By this project, the purification mechanism of gas purification centrifuges, the flow distribution inside the rotor and the optimization method for the internal structural parameters will be preliminary mastered. This will contribute to the application of centrifuges in gas purification field by theoretical exploration and technical reserves. This project will open up a new field for the application of centrifugation method. And it will also improve Chinese centrifugation separation technique level.

铀浓缩、稳定同位素的离心分离以及国民经济各个行业，对气体纯化有强烈的需求，为研究离心法在气体纯化领域的应用，本项目采取实验研究和理论优化相结合的方法，对气体离心机转子内部结构进行重新设计。首先根据强旋条件下的流体动力学原理提出纯化离心机基本结构，并进行原型实验验证。进而采用数值方法对其结构参数开展优化，同时研究强旋条件下气相混合物的传质过程，得到不同组分的气体混合物在不同条件下纯化效果的变化规律。气体的离心法纯化是一个比较新的领域，其纯化机理和纯化效果评价也是本项目的研究内容。通过本项目的研究，初步掌握纯化离心机的纯化机制、转子内部流动分布、以及纯化离心机内部结构参数的优化方法，为离心机在气体纯化方面的应用进行理论探索和技术储备。项目的实施将开辟离心法新的应用领域，提升我国离心技术的研究水平。

铀浓缩生产是我国国防安全和核电发展的基石。稳定同位素在医疗卫生、基础物理研究、农业生态、工业生产等领域有广泛应用。在铀浓缩生产及离心分离稳定同位素时，轻杂质气体会在级联中积累并产生严重影响，因此必须对原料进行气体净化。本课题基于气体离心法，开展了轻杂质气体净化的理论和实验研究。.通过在转子肩部加装盘型分子泵，开展了盘型分子泵结构设计参数的实验研究。实验结果表明，加装盘型分子泵在一定程度上抑制了轻杂质对机器功耗的影响。实验还确定了盘型分子泵的最佳结构设计参数。.为进一步克服轻杂质对功耗的影响，开展了转子内部分子泵技术研究。结合转子肩部盘型分子泵研究成果，考虑转子内部尺寸条件、运输及安装限位条件以及转子压装条件等因素，完成了转子内部双面盘型分子泵设计。.对于转子内部加装双面盘型分子泵机型，综合考虑转子缠绕、转子安装以及转子由静态到达工作状态的过程中，双面盘型分子泵上下间隙的变化，总结出双面盘型分子泵工作间隙过程控制测量技术，实现了样机制作。.分别开展了转子内部加装分子泵机型净化Xe和C7F14的实验研究，证明了该机型在分离介质中有轻杂质存在时，可以实现相同功耗下供料流量的提升。同时还研究了较高的轻杂质含量对目标组分分离系数的影响。.开展了筒型取料腔和盘型取料腔供取料结构的设计及实验研究，提出了3种供取料结构设计方案，并进行了性能分析，其中盘型取料腔供取料结构相对最优，但还需进一步改进。.开展了多支臂取料结构和不同孔径的轻组分取料支臂结构的设计及实验研究，提出了2种多支臂取料结构，以及4种不同孔径的轻组分取料支臂结构，并进行了性能分析，其中轻组分取料支臂的孔径调节对离心法净化的流量影响较为明显。.开展了纯化效率评价机理的实验研究，通过二元混合物气体纯化实验，提出了3种纯化效率评价方式，最终的纯化效率评价准则须基于大量的实验数据进行比对。