同位素分离的模型级联研究

Nowadays gas centrifugation is the largest scale and most advanced technology of enriching U-235 for nuclear energy. Because it can also be used to produce isotopes for military purposes, it becomes a highly sensitive technology under strict control. Furthermore, centrifugation is able to provide various isotopes to areas having rapidly increasing demands on isotopes, such as physics, material science, life science and environment science, and, therefore, is of significant economic and social benefits. The design of a centrifuge cascade, which is the primary facility of isotope separation, is closely related to the economy of separation, and eventually affects greatly the economy and final successful applications of isotope products. Model cascades provide design templates for the engineering desgin of practical cascades, and give a theoretical standard for analyzing and evaluating their separation performance. However, the well-known ideal cascade theory of model cascade for binary separation is not suitable for the separation demand from many areas on multicomponents, various species, different quantities, and variable concentrations. Therefore, it is necessary to develop the theory of model cascades for multicomponent isotope separaton. Analytical analysis is impossible due to the double complexities raised from multicomponent separation and consideration of practical factors. By means of the continuation technique and the method of virtual component, this project is intended to analyze numerically the law of mass transfer in cascades, to investigate cascade performance and numerical optimization, and to explore methods of constructing new cascades.

目前为核能提供浓缩铀235的最大规模和最先进的方法是离心法，因其也能生产军用铀同位素，成为高度受控的敏感技术。不仅如此，离心法还能给对同位素需求迅速增加的物理学、材料学、生命科学、环境科学等多个领域提供稳定同位素，具有重大的经济和社会效益。离心分离级联是离心分离的最主要设施，级联的设计与分离的经济性密切相关，对同位素产品的经济性和最终的成功应用有极大影响。模型级联为实际级联的工程设计提供模板，提供分析和评价实际级联性能的理论基准，但熟知的二组分分离的理想级联的模型级联理论已不能适应各领域对同位素的多组分、多品种、多数量、多丰度的分离需求，因此必须研究、开发适用的多组分分离的模型级联理论。鉴于多组分分离以及考虑实际因素的双重复杂性，解析分析是不可能的。本项目研究应用延拓技术和采用虚拟组分的方法，分析描述级联中物质输运规律，研究模型级联的性能和数值优化，探索开发构造新的模型级联方法。

同位素分离级联是多种同位素分离的基础设施。针对科学和技术的发展对同位素分离提出的在获取同位素组分、品种、数量、丰度、纯度等方面的多重需求，项目研究模型级联探索新的理论，发展二元分离理论到多组分分离理论以适应新的需求。针对多组分分离的同位素分离模型级联，探索开发构造新的模型级联和分离方案的方法，研究级联数值优化的方法，分析比较各种模型级联的性能。. 基于有代表性的Q模型级联，通过把Q模型级联视为多个小级联的连接，构建了分段Q模型级联，增加优化确定性变量个数，使级联能够进行深度优化。把求解非线性方程组转化为优化的约束，提出了由少分段到多分段的渐进分段方法，解决了方程组求解中的计算中断问题和优化初值给定问题避免了优化失败并提升了优化效率。结果表明分段优化总是能提升级联性能。. 针对中间组分分离，把相同取料条件以不同优化约束给出，构造了6种双级联和2种单级联模型。通过给定级联相对总流量最大化物料利用率代替通常的直接最小化级联总流量，解决无最优值问题。发现最优分离方案为一种双级联模型，2对双级联模型等价，2种单级联模型最差。表明实际级联设计中，相同取料条件的不同给定方法对级联性能有显著影响，应该仔细考虑。. 针对变分离系数级联，研究了用5种最优级联准则构建的级联的分离性能，发现5种级联中有两种等价，而通常认为是相同准则的级联最小机器数准则和最小总流量准则差异很大，实际应用中应该根据机器数和总流量评估的经济性进行合理选择。.针对用于气体纯化的膜分离级联，研究了模拟级联水力学变化的动态模型.通过改进压缩机模型，得到了与实际相符的结果。对纯化杂质的分析表明，用膜分离级联可有效出去轻杂质。. 课题还对研究中涉及的计算方法、级联构造方法等方法进行了研究，包括自适应预测-更正同伦算法及其在级联计算和单机流体动力学计算中的应用，多重级联构造方法、多层架级联构造方法。