Study and simulation of nitric oxide cryogenic distillation for stable isotopes separation

This thesis work aims to investigate the cryogenic distillation of isotopic mixtures from a thermodynamic and design point of view, in order to analyse the performances of an existing plant. This plant has been built in the “Aria Project” with the purpose of separating the isotopic mixture 39Ar-40Ar, so to enrich argon from underground gas wells in 40Ar used as active medium in the “DarkSide” program for dark matter search. The same plant could be also exploited for the distillation of other isotopic mixtures to produce stable isotopes of commercial and scientific interest. Among them, 15N finds application in the form of 15N2, which is of great interest since it allows to produce uranium nitrides as IV generation nuclear reactors fuels and, through nuclear reactions, the radioactive tracers 15O2 and C15O2 used in the imaging technique Positron Emission Tomography (PET) for cancers and neurological diseases detection. The distinctive feature of isotopic mixtures and, thus, of their separation by distillation is that their separation factor is very close to unity. In this work, the production of 15N by means of cryogenic distillation has been investigated considering nitric oxide as operating substance. In particular, the opportunity of performing the multicomponent distillation of nitric oxide isotopes has been evaluated by means of analyses at increasing level of accuracy, following a typically engineering approach. The attention has been paid to NO isotopes trying to conceive a process targeted to produce a mixture highly-enriched in the isotope 15NO. Therefore, the mixture has been firstly considered as a binary system and shortcut methods have been used in order to define the best separation scheme among different possible configurations. Secondly, the mixture has been more realistically treated as a multicomponent one. To use more rigorous calculation methods, it has been necessary to properly adapt existing process simulators to the specific problem of interest, since at present no process simulator has been applied to the distillation of isotopic mixtures. To accomplish that, the commercial process simulator Aspen Plus® has been chosen and made suitable for the simulation of the studied multicomponent isotope separation, verifying its reliability by comparison of the results with the experimental data available in the literature. The 15NO decomposition reaction has been also studied, to find a way of producing 15N once the NO isotopic mixture has been enriched in the isotope containing 15N by cryogenic distillation.

Questo lavoro di tesi si propone di analizzare la distillazione criogenica di miscele isotopiche, sia da un punto di vista termodinamico che modellistico, al fine di analizzare le prestazioni di un impianto esistente. Tale impianto è stato costruito nell’ambito del “Progetto Aria”, avente come scopo la separazione della miscela isotopica 39Ar-40Ar al fine di arricchire la stessa in 40Ar, richiesto in grande quantità per gli studi sulla materia oscura portati avanti all’interno del programma “DarkSide” dei Laboratori Nazionali del Gran Sasso. Lo stesso impianto potrebbe anche essere sfruttato per la distillazione di altre miscele isotopiche per produrre isotopi stabili di interesse commerciale e scientifico. Tra questi, 15N trova applicazione nella forma di 15N2, isotopo impiegato per la produzione di nitrati di uranio, utilizzati come combustibili in reattori nucleari di quarta generazione, e dei traccianti radioattivi 15O2 e C15O2, impiegati nella Tomografia a Emissione di Positroni per l’identificazione di tumori e disturbi neurologici. In questo lavoro di tesi, è stata studiata la produzione di 15N tramite distillazione criogenica, al fine di ridurre il costo energetico associato ad altre possibili operazioni. La particolarità delle miscele isotopiche e, quindi, della loro separazione tramite distillazione, consiste nel fatto che esse sono caratterizzate da una volatilità relativa quasi unitaria. In questo lavoro, è stata valutata, in particolare, la possibilità di effettuare una distillazione multicomponente di isotopi di monossido di azoto, cercando di concepire un processo mirato a produrre una miscela arricchita nell’isotopo 15NO. La miscela è stata inizialmente considerata come un sistema binario e sono stati usati metodi shortcut per definire il migliore schema di separazione tra diverse possibili configurazioni. Successivamente, la miscela è stata più realisticamente considerata come un sistema multicomponente. Dal momento che fino ad oggi nessun simulatore di processo è stato applicato alla distillazione di miscele isotopiche, è stato necessario modificare adeguatamente i simulatori di processo esistenti per renderli applicabili al problema specifico di interesse, per impiegare metodi di calcolo più rigorosi. Al fine di raggiungere tale obiettivo, si è scelto di usare il simulatore commerciale di processo Aspen Plus che è stato reso idoneo alla simulazione della separazione multicomponente di isotopi di NO, verificando la sua affidabilità tramite il confronto dei risultati con i dati sperimentali disponibili in letteratura. È stata, inoltre, studiata la reazione di decomposizione di 15NO per individuare una via di produzione di 15N a seguito dell’arricchimento della miscela isotopica di NO nell’isotopo contenente 15N tramite distillazione criogenica.