مدل‌سازی و شبیه‌سازی عملکرد گذرای یک زنجیره غنی‌سازی اورانیم هنگام وقوع پدیده از کارافتادن ماشین‌های سانتریفیوژ گازی

کشتکار, علیرضا; رشیدی, عباس; کریمی ثابت, جواد; نوروزی, علی

doi:10.24200/nst.2021.1169

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

¹ پژوهشکده چرخه سوخت هسته‌ای، پژوهشگاه علوم و فنون هسته‌ای، سازمان انرژی اتمی ایران، صندوق پستی: 8486-11365، تهران ـ ایران

² دانشکده مهندسی، دانشگاه مازندران، صندوق پستی: 47416-13534، بابلسر ـ ایران

³ شرکت فن‌آوری‌های پیشرفته ایران، سازمان انرژی اتمی ایران، صندوق پستی: 55431-14399، تهران - ایران

https://doi.org/10.24200/nst.2021.1169

چکیده

یکی از پدیده‌های قابل‌توجه در شرایط عملیاتی زنجیره‌های غنی‌سازی، از کار افتادن تعدادی از ماشین‌های جداساز در طول زنجیره است. برای بررسی اثر از کار افتادن ماشین‌های سانتریفیوژ گازی بر عملکرد زنجیره، جداسازی زنجیره باید در حالت گذرا مدل‌سازی شود. در این پژوهش، عملکرد زنجیره‌های متقارن غنی‌سازی دوجزیی با استفاده از معادلات پایستگی جرم جزیی در حالت گذرا مدل‌سازی شد. هم‌چنین معادلات غیرخطی مدل با استفاده از روش تفاضل محدود کرنک نیکلسون گسسته‌سازی شدند و برای حل معادلات از روش تکرار q استفاده شد. نتایج شبیه‌سازی کامپیوتری زنجیره مدل برای غنی‌سازی اورانیم 235 نشان داد در صورتی‌که از کار افتادن ماشین‌های سانتریفیوژ گازی در مراحل انتهایی زنجیره غنی‌سازی اتفاق بیفتد، غنای محصول به میزان بیش‌تری کاهش یافته و مدت زمان بیش‌تری طول می‌کشد تا زنجیره مجدداً به حالت تعادل برسد. برای زنجیره و شرایط استفاده شده در این پژوهش، مشاهده شد که با از کار افتادن یک ماشین، بیش‌ترین کاهش غنای محصول نسبت به حالت قبل از حادثه، 5_/0% و بیش‌ترین افزایش غنای جریان پسماند نسبت به حالت قبل از حادثه 2_/0% می‌باشد. هم‌چنین نتایج نشان داد عملکرد زنجیرهای که دارای ماشین‌هایی با فاکتور جداسازی بالاتری است، به میزان کم‌تری تحت تأثیر پدیده از کار افتادن ماشین قرار می‌گیرد. مطابق نتایج به دست آمده، موجودی گاز ماشین تأثیر کمی بر تغییرات غلظت ایزوتوپ 235 در جریان محصول داشته و فقط زمان رسیدن به تعادل در زنجیره را تحت تأثیر قرار می‌دهد.

کلیدواژه‌ها

20.1001.1.17351871.1399.41.4.6.1

عنوان مقاله [English]

Modeling and simulation of transient performance of uranium enrichment cascade in the event of a crash of gas centrifuge machines

نویسندگان [English]

A.R. Keshtkar ¹
A. Rashidi ²
J. Karimi Sabet ¹
A. Noroozi ³

¹ Nuclear Fuel Cycle Research School, Nuclear Science and Technology Research Institute, AEOI, P.O.Box: 11365-8486, Tehran – Iran

² Faculty of Engineering and Technology, University of Mazandaran, P.O.Box: 416, Babolsar - Iran

³ Advanced Technology Company of Iran, AEOI, P.O.Box:14399-55431, Tehran - Iran

چکیده [English]

One of the significant phenomena in the operational conditions of the enrichment cascades is the sudden crash of a number of separate machines along the cascade. In order to investigate the effect of gas centrifuge crash on cascade performance, separation of the cascade in a transient condition should be modeled. In this paper, the performance of two-component symmetric enrichment cascades was modeled, using partial mass balance equations in the transient condition. Nonlinear equations of the model were also discriminated against using Crank Nicholson's finite difference method and the q iteration method was used to solve the equations. The results of the computer simulation of the model cascade for the enrichment of uranium 235 showed that if the crash of gas centrifuge machines occurs at the end of the enrichment part of the cascade, the product concentration will decrease more and more, and it takes a longer time to reach new steady-state condition. For the cascade and the conditions used in this paper, with the crash of a machine, the greatest reduction in product concentration compared to the pre-incident state is, 0.5% percent and the highest increase in waste stream concentration compared to the pre-incident state is 0.2 percent. It was also observed that the cascade performance of machines with a higher separation factor is less affected by the crash of machines. The results showed that the gas hold up has a small effect on the variation of the 235 isotope concentration in the product stream and only affects the time to reach equilibrium in the cascade.

کلیدواژه‌ها [English]

Symmetric cascade
Two-component enrichment
Transient simulation
Gas centrifuge crash
Separation factor

مراجع

1. A. de la Garza, G.A. Garrett, J.E. Murphy, Multicomponent Isotope Separationin Cascades. Chemical Engineering Science, 15(3-4),188–209 (1961).

2. P.G. Rousseau, et al, Dynamic Simulation of a Centrifuge Cascade Plant with the Aid of aFlow Network Simulation Code, In Proceedings of the 12th Workshop on Separation Phenomena in Liquids and Gases, June 3-8, (2012).

3. J.F.A. Delbeke, et al, The Real TimeMass Evaluation System as a Tool for Detection of Undeclared Cascade Operation atGCEPs. In Proceedings of the 8th International Conference on Facility Operations-Safeguards Interface, Portland, OR, USA, (2008).

4. Cohen, The theory of separation as applied to the large –scale production of U235, (1951).

5. S. Zeng, C. Ying, A robust and efficient calculation procedure for determining concentration distribution of multicomponent mixture, Sep. Sci.Technol. 35(4), 613–622 (2000).

6. S. Zeng, C. Ying, Separating isotope components of small abundance, Sep. Sci. Technol. 37(15), 3577–3598 (2002).

7. P.J. Migliorini, H.G. Wood, A Study of Multicomponent Streams in Off-DesignCentrifuge Cascades, Separation Science and Technology, 47(7), 921–928 (2012).

8. P.J. Migliorini, H.G. Wood, Transient Operation of a Gas Centrifuge Cascadeto Determine Proliferation Time Frames. In Proceedings of the 12th Workshop on Separation Phenomena in Liquids and Gases, Paris, France, June 3-8, (2012).

9. P.J. Migliorini, H.G. Wood, Transient Fluid Dynamics Modeling of GasCentrifuge Enrichment Plants.In Proceedings of the 52nd Annual Meeting of the Institute of Nuclear Materials Management, Palm Desert, CA, USA, July 17-21, (2011).

10. P.J. Migliorini, H.G. Wood, Transient Isotope Separation Modeling of GasCentrifuge Enrichment Plants. In Proceedings of the 53rd Annual Meeting of the Institute of Nuclear Materials Management, Orlando, FL, USA, July 15-19, (2012).

11. T.H. Benedict, Nuclear Chemical Engineering, New York: McGraw-Will book Co., (1981).

12. S. Zeng, C. Ying, Transient process in gas centrifuge cascades for separation of multicomponent isotope mixtures, Sep. Sci. Technol. 36 (15), 3439–3457 (2001).

13. S. Zeng, C. Ying, A second-order time-accurate method for determiningthe distribution of concentration distribution of multicomponent mixturesin separation cascades, Sep. Sci. Technol. 35 (5), 729–741 (2000).

14. P.J. Migliorini, Modeling and Simulation of Gas Centrifuge Cascades for Enhancing the Efficiency of IAEA Safeguards, May (2013).

15. V.D. Borisevich, S. Zeng, On ideal and optimum cascades of gas centrifuges with variable overall separation factors, Chem Eng Sci. (114), 465-472 (2014).

مجله علوم و فنون هسته ای

مدل‌سازی و شبیه‌سازی عملکرد گذرای یک زنجیره غنی‌سازی اورانیم هنگام وقوع پدیده از کارافتادن ماشین‌های سانتریفیوژ گازی

مراجع

مراجع

1. A. de la Garza, G.A. Garrett, J.E. Murphy, Multicomponent Isotope Separationin Cascades. Chemical Engineering Science, 15(3-4),188–209 (1961).

2. P.G. Rousseau, et al, Dynamic Simulation of a Centrifuge Cascade Plant with the Aid of aFlow Network Simulation Code, In Proceedings of the 12th Workshop on Separation Phenomena in Liquids and Gases, June 3-8, (2012).

3. J.F.A. Delbeke, et al, The Real TimeMass Evaluation System as a Tool for Detection of Undeclared Cascade Operation atGCEPs. In Proceedings of the 8th International Conference on Facility Operations-Safeguards Interface, Portland, OR, USA, (2008).

4. Cohen, The theory of separation as applied to the large –scale production of U235, (1951).

5. S. Zeng, C. Ying, A robust and efficient calculation procedure for determining concentration distribution of multicomponent mixture, Sep. Sci.Technol. 35(4), 613–622 (2000).

6. S. Zeng, C. Ying, Separating isotope components of small abundance, Sep. Sci. Technol. 37(15), 3577–3598 (2002).

7. P.J. Migliorini, H.G. Wood, A Study of Multicomponent Streams in Off-DesignCentrifuge Cascades, Separation Science and Technology, 47(7), 921–928 (2012).

8. P.J. Migliorini, H.G. Wood, Transient Operation of a Gas Centrifuge Cascadeto Determine Proliferation Time Frames. In Proceedings of the 12th Workshop on Separation Phenomena in Liquids and Gases, Paris, France, June 3-8, (2012).

9. P.J. Migliorini, H.G. Wood, Transient Fluid Dynamics Modeling of GasCentrifuge Enrichment Plants.In Proceedings of the 52nd Annual Meeting of the Institute of Nuclear Materials Management, Palm Desert, CA, USA, July 17-21, (2011).

10. P.J. Migliorini, H.G. Wood, Transient Isotope Separation Modeling of GasCentrifuge Enrichment Plants. In Proceedings of the 53rd Annual Meeting of the Institute of Nuclear Materials Management, Orlando, FL, USA, July 15-19, (2012).

11. T.H. Benedict, Nuclear Chemical Engineering, New York: McGraw-Will book Co., (1981).

12. S. Zeng, C. Ying, Transient process in gas centrifuge cascades for separation of multicomponent isotope mixtures, Sep. Sci. Technol. 36 (15), 3439–3457 (2001).

13. S. Zeng, C. Ying, A second-order time-accurate method for determiningthe distribution of concentration distribution of multicomponent mixturesin separation cascades, Sep. Sci. Technol. 35 (5), 729–741 (2000).

14. P.J. Migliorini, Modeling and Simulation of Gas Centrifuge Cascades for Enhancing the Efficiency of IAEA Safeguards, May (2013).

15. V.D. Borisevich, S. Zeng, On ideal and optimum cascades of gas centrifuges with variable overall separation factors, Chem Eng Sci. (114), 465-472 (2014).

دوره 41، شماره 4 - شماره پیاپی 94
دی 1399
صفحه 45-54

مدل‌سازی و شبیه‌سازی عملکرد گذرای یک زنجیره غنی‌سازی اورانیم هنگام وقوع پدیده از کارافتادن ماشین‌های سانتریفیوژ گازی

مراجع

مراجع

1. A. de la Garza, G.A. Garrett, J.E. Murphy, Multicomponent Isotope Separationin Cascades. Chemical Engineering Science, 15(3-4),188–209 (1961).

2. P.G. Rousseau, et al, Dynamic Simulation of a Centrifuge Cascade Plant with the Aid of aFlow Network Simulation Code, In Proceedings of the 12th Workshop on Separation Phenomena in Liquids and Gases, June 3-8, (2012).

3. J.F.A. Delbeke, et al, The Real TimeMass Evaluation System as a Tool for Detection of Undeclared Cascade Operation atGCEPs. In Proceedings of the 8th International Conference on Facility Operations-Safeguards Interface, Portland, OR, USA, (2008).

4. Cohen, The theory of separation as applied to the large –scale production of U235, (1951).

5. S. Zeng, C. Ying, A robust and efficient calculation procedure for determining concentration distribution of multicomponent mixture, Sep. Sci.Technol. 35(4), 613–622 (2000).

6. S. Zeng, C. Ying, Separating isotope components of small abundance, Sep. Sci. Technol. 37(15), 3577–3598 (2002).

7. P.J. Migliorini, H.G. Wood, A Study of Multicomponent Streams in Off-DesignCentrifuge Cascades, Separation Science and Technology, 47(7), 921–928 (2012).

8. P.J. Migliorini, H.G. Wood, Transient Operation of a Gas Centrifuge Cascadeto Determine Proliferation Time Frames. In Proceedings of the 12th Workshop on Separation Phenomena in Liquids and Gases, Paris, France, June 3-8, (2012).

9. P.J. Migliorini, H.G. Wood, Transient Fluid Dynamics Modeling of GasCentrifuge Enrichment Plants.In Proceedings of the 52nd Annual Meeting of the Institute of Nuclear Materials Management, Palm Desert, CA, USA, July 17-21, (2011).

10. P.J. Migliorini, H.G. Wood, Transient Isotope Separation Modeling of GasCentrifuge Enrichment Plants. In Proceedings of the 53rd Annual Meeting of the Institute of Nuclear Materials Management, Orlando, FL, USA, July 15-19, (2012).

11. T.H. Benedict, Nuclear Chemical Engineering, New York: McGraw-Will book Co., (1981).

12. S. Zeng, C. Ying, Transient process in gas centrifuge cascades for separation of multicomponent isotope mixtures, Sep. Sci. Technol. 36 (15), 3439–3457 (2001).

13. S. Zeng, C. Ying, A second-order time-accurate method for determiningthe distribution of concentration distribution of multicomponent mixturesin separation cascades, Sep. Sci. Technol. 35 (5), 729–741 (2000).

14. P.J. Migliorini, Modeling and Simulation of Gas Centrifuge Cascades for Enhancing the Efficiency of IAEA Safeguards, May (2013).

15. V.D. Borisevich, S. Zeng, On ideal and optimum cascades of gas centrifuges with variable overall separation factors, Chem Eng Sci. (114), 465-472 (2014).

دوره 41، شماره 4 - شماره پیاپی 94دی 1399صفحه 45-54

دوره 41، شماره 4 - شماره پیاپی 94
دی 1399
صفحه 45-54