نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

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

چکیده

از میان گازهای نجیب، ایزوتوپ‌­های زینان بیش‎‌­ترین کاربرد را دارند و تاکنون استراتژی مشخصی برای جداسازی تمام ایزوتوپ‌­های پایدار زینان که بیش‌­ترین تعداد ایزوتوپ پایدار را داشته منتشر نشده است. در این کار پژوهشی یک کد محاسباتی با نام SQCAS تهیه شده است که با استفاده از آن استراتژی جداسازی ایزوتوپ هدف در جریان سبک و یا سنگین مشخص می­‌شود. کد تهیه شده با تغییر پارامترهای آبشار مربعی و مدل‌­سازی آن در هرگام به جداسازی تمام ایزوتوپ‌­های زینان طبیعی متناسب با ترکیب درصد ایزوتوپ‌­ها در هرگام می­‌پردازد. در این مقاله با استفاده از یک آبشار مربعی در 32 گام برای خوراک با مقدار مشخص (kg200) به جداسازی تمام ایزوتوپ‌­های گاز زینان طبیعی پرداخته شده است. آبشار مربعی مورد بررسی دارای 20 مرحله بوده که در هر مرحله از 10 ماشین سانتریفیوژ استفاده شده است. هم‌­چنین مقدار فاکتور جداسازی برای اختلاف جرم واحد در این تحقیق برابر با 2/1 در نظر گرفته است. با استفاده از این استراتژی، غنای ایزوتو­پ­‌های اول تا نهم به ترتیب از مقادیر 00093/0، 0009/0، 01917/0، 2644/0، 0408/0، 2118/0، 2689/0، 1044/0 و 0887/0 به 72/98‌%، 3/91‎%، 79/92‌%، 63/92‌%، 77/83‌%، 12/90‌%، 64/91‌%، 68/95‌% و 04/99‌% افزایش می‌­یابد. نتایج نشان می‌­دهد که بیش‌ترین بازیابی مربوط به ایزوتوپ­‌های انتهایی بوده و کم‌ترین مقدار بازیابی مربوط به ایزوتوپ 135Xe- می­‌باشد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Separation of xenon stable isotopes using square cascade

نویسندگان [English]

  • F. Mansourzadeh
  • J. Safdari
  • A.A. Ghorbanpour Khamseh
  • M.H. Mallah

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

چکیده [English]

Among the noble gases, Xenon isotopes are the most widely used. So far, no specific strategy has been published for separating all Xenon stable isotopes with the highest number of stable isotopes. In this research, a computational code, SQCAS, is prepared to determine the target isotope separation strategy in light or heavy current. The prepared code investigates the separation of the natural isotopes in proportion to the feed concentration by changing the parameters of the square cascade and modeling it at each step. All stable isotopes of natural xenon are separated using a square cascade in 32 steps for the certain feed (200kg). The proposed square cascade has 20 stages. In each stage, 10 centrifuges were used. Also, the separation factor for the unit mass difference in this research equals 1.2. Using this strategy, the enrichment of nine isotopes increases from 0.9393, 0.0009, 0.01917, 0.2644, 0.408, 0.2118, 0.2689, 0.1044, and 0.087 to 98.72%, 91.3%, 92.79%, 92.63%, 83.77%, 90.12%, 91.64%, 95.68%, and 99.04%, respectively. The results show that the highest recovery is related to the end isotopes, and the lowest recovery is related to Xe-135 isotope.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Stable isotopes
  • Separation
  • Square cascade
  • Gas centrifuge
  • Xenon
  • Recovery
1. M. Zhou, Ch. Ying, Yu. Nie, Experimental Study of Stable Isotope Separation, RU0310910.
 
2. W.L. Roberts, Gas Centrifugation of Research Isotopes, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, 282, 271-276 (1989).
 
3. A.J. Szady, Enrichment of chromium isotopes by gas centrifugation, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 282.1, 277-280 (1989).
 
4. I.A. Suvorov, A.N. Tcheltsov, Enrichment of tellurium isotopes for pure I-123, production using gas ultra-centrifuges, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, 334, 33-36 (1993).
 
5. G.E. Popov, et al., Centrifugal enrichment of chromium-50 for experiments on detecting solar neutrinos, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, 362, 533-537 (1995).
 
6. I.A. Suvorov, A.N. Tcheltsov, L.Y. Sosnin, Centrifugal Extraction of Highly Enriched Tin Isotopes And Increase of Specific Activity Of The Radionuclide 119m-Sn on The Gas Centrifuge Cascade, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, 480, 22-28 (2002).
 
7. A.N. Tcheltsov, Centrifugal extraction of highly enriched 120Te and 122Te using the non-steady state method of separation, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, 480, 36-39 (2002).
 
8. A.N. Tcheltsov, Centrifugal enrichment of selenium isotopes and their application to the development of new technologies and to the experiments on physics of weak interaction, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, 521, 156-160 (2004).
 
9. A.N. Tcheltsov, L.Y. Sosnin, Y.D. Shipilov, Centrifugal enrichment of zinc isotopes, their application in medicine and in increasing radiation safety in nuclear power plants, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, 561, 52-57 (2006).
 
10. V.D. Borisevich, Calculation Study of the enrichment of Cadmium Isotopes in Gas Centrifuges, Theoretical Foundation of Chemical Engineering, 41, 851-858 (2007).
 
11. N.S. Babaev, et al., Centrifugal enrichment of mercury isotopes, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, 613, 473-476 (2010).
 
12. A.N. Cheltsov, et al., Centrifugal enrichment of sulfur isotopes, J. Radioanal. Nucl. Chem., 299, 989-993 (2014).
 
13. A.N. Tcheltsov, L.Yu. Sosnin, V.K. Khamylov, Centrifugal enrichment of nickel isotopes and their application to the development of new technologies, J. Radioanal. Nucl. Chem., 299, 981-987 (2014).
 
14. G.A. Sulaberidze, V.D. Borisevich, Cascade for Separation of Multicomponent Isotope Mixtures, J. Sep. Sci .Tech, 36, 1769-1817 (2001).
 
15. V.A. Palkin, E.V. Maslyukov, Purification of Reprocessed Uranium in an Additional Product Flow of a Matched Abundance Ratio Cascade and Its Enrichment in an Ordinary Cascade, Theoretical Foundations of Chemical Engineering, 50, 711-717 (2016).
 
16. S. Zeng, Y. Chuntong, A method of separating a middle component in multicomponent isotope mixtures by gas centrifuge cascades, Sep. Sci. Tech, 35, 2173-2186 (2000).
 
17. R.C. Raichura, M.A.M. Al-Janabi, G.M. Langbein, The effect of the 'KEY' molar mass on the design of a cascade handling a multi-isotopic mixture, Annals of Nuclear Energy, 18(6), 327-356 (1991).
 
18. A.Y. Smirnov, G.A. Sulaberidze, Features of mass transfer of intermediate components in square gas centrifuge cascade for separating multicomponent mixtures, Theo. Found. Chem. Eng., 48, 629-636 (2014).
 
19. S. Villani, Enrichment of Uranium, Springer, New York, (1979).
 
20. F. Mansourzadeh, et al., Comparison of optimum tapered cascade and optimal square cascade for separation of xenon isotopes using enhanced TLBO algorithm, Journal of Separation Science and Technology, 53, 2074-2087 (2018).
 
21. F. Mansourzadeh, Investigation of gas centrifuge counter current cascades for separation of Xe stable isotopes, PhD Thesis, Research Institute of Nuclear Sciences and Technologies, (1397) In Persian.
 
22. S. Zeng, Y. Chuntong, A Robust and Efficient Calculation Procedure for Determining Concentration Distribution of Multicomponent Mixtures, Sep. Sci. Tech, 35, 613-622 (2000).