Лабораторная установка разделения изотопных систем. Разделение изотопов

Изобретение относится к ядерной энергетике и может быть использовано при корректировке изотопного состава ядерного топлива. В хроматографическую колонну с тефлоновым порошком, на поверхность которого нанесен экстрагент, заливают раствор, содержащий: -115,5 г/л, -2,0 моль/л, -0,5 г/л. Сформировывают полосу урана (IV). Процесс противоточной экстракции обеспечивает коэффициент разделения, не равный 1. Рефлакс урана осуществляют без изменения валентного состояния методом исчерпывающей экстракции и реэкстракции по концам полосы. Увеличивается степень разделения изотопов U 238 и U 232 , уменьшается число реагентов. Обменная система химически устойчива. 4 табл., 2 ил.

Изобретение относится к процессам разделения изотопов урана химическими методами и может быть использовано в радиохимическом производстве для корректировки изотопного состава ядерного топлива. Известны различные способы разделения изотопов урана химическими методами. Из них наиболее эффективными являются методы, основанные на реакции изотопного обмена между двумя валентными формами урана, находящимися в разных фазах - водной и органической. Так, например, известен способ разделения изотопов урана японской фирмы "Асахи Кемикл индастри" (Пат. США N 4118457, кл. B 01 D 59/30, 03.10.78), в основу которого положена реакция изотопного обмена между четырех- и шестивалентным ураном, находящимся соответственно в фазе раствора и анионообменной смолы. Через анионообменную смолу в форме металла-окислителя, например, железа (III), проводят полосу урана (IV), элюируя его солянокислым раствором металла-восстановителя, например, титана (III). Схема ионообменного редокс-хроматографического процесса разделения изотопов урана фирмы "Асахи Кемикл индастри" ("Асахи-процесс) представлена на фиг. 1. Взаимодействуя с восстановителем, шестивалентный уран восстанавливается до четырехвалентного состояния, десорбируется с анионообменной смолы и с элюатом переносится к зоне окисляющего агента, где окисляется и сорбируется на смоле. Таким образом, происходит движение адсорбционной полосы урана, в ходе которого изотопом уран-238 обогащается уран (IV) по реакции изотопного обмена (р.и.о.) (1):

С однократным коэффициентом разделения = 1,0013 и переносится с ним к фронтальной части полосы. При этом уран в окрестностях тылового фронта полосы урана соответственно обогащается изотопом уран-235. Так, в одном из экспериментов, приведенных в качестве примера в описании к патенту на описанный способ , была использована анионообменная смола, приготовленная хлорметилированием стиролдивинилбензольного сополимера с последующим его аминированием триметиламином. Смола имела степень сшивки 6% и размер частичек от 74 мкм до 149 мкм. Этой смолой заполнили две колонки (каждая длиной 1 м с внутренним диаметром 1 см). Пропустив через две последовательно соединенные колонки раствор, содержащий 0,05 моль/л сульфата трехвалентного железа и 0,6 моль/л серной кислоты, смолу перевели в Fe(III)-форму. Затем подачей раствора состава: уранилхлорида - 0,04 моль/л, серной кислоты - 0,2 моль/л, в первой колонке сформировали на смоле полосу урана (VI) длиной 11,5 см. Элюирование провели раствором, содержащим трихлорида титана 0,05 моль/л и серной кислоты 0,2 моль/л. При этом полоса урана, находящаяся между красной зоной ионов железа (III) и пурпурной зоной титана (III), двигалась со скоростью 20 см/сутки. Таким образом, полоса урана была проведена через две колонки. Масс-спектрометрический анализ первой и последней проб урана, отобранных из элюата, дал следующие значения отношения U 235 /U 238 , %: 0,00693 и 0,00759, что соответствует 0,9559 и 1,0469 частям от 0,00725 - отношения изотопов в природном уране. В промышленном варианте разделения изотопов урана описанным выше способом для получения продукта - урана, обогащенного до 3% изотопом уран-235 и хвостов - урана, содержащего урана-235 0,1%, предполагается полосу урана длиной несколько метров проводить через слой смолы на расстояние от 10 до 1000 м . Такое движение полосы осуществляется с использованием, как минимум, двух колонн, из которых одна занята полосой урана, а вторая в этой время регенерируется. Наиболее близким к предложенному по технической сущности и достигаемому результату является способ обогащения урана одним из его изотопов в многоступенчатом каскаде путем противоточного контакта экстрагента, содержащего соединения четырехвалентного урана, и водного раствора, содержащего соединения трехвалентного урана (Пат. СССР N 867283, кл. B 01 D 59/28, 23.09.81). В основу метода положена р.и.о. с очень высокой скоростью:

Для которой константа равновесия р.и.о., определяемая методом ступенчатого сжатия, равна 1,0012 - 1,0030. Для разделения валентных форм урана предложено использовать несколько экстракционных систем, при этом подбираются условия с минимальным переходом урана (III) и урана (IV) из одной фазы в другую. Недостатком этих систем является крайняя неустойчивость урана (III) в водных растворах, его тенденция к окислению. Работа с такими соединениями возможна в атмосфере азота при отсутствии ионов металлов III-VIII групп. Контактирование осуществляется при исключении какого-либо соприкосновения фаз с любым твердым электропроводным материалом и с реагентами, выделяющими кислород. Организация процесса разделения изотопов урана экстракционным методом основана на том же методе "движущейся полосы" с противоточным движением фаз, содержащих противопоставляемые ионы урана, и с окислительно-восстановительным рефлаксом в ее фронтальных частях. В качестве органической фазы можно использовать практически все классы экстрагентов, в том числе нейтральные фосфорорганические соединения, кислоты, основания, спирты, амины, кетоны, эфиры, хелаты, а также катионообменные и анионообменные смолы. В полосе урана его четырехвалентная форма предпочтительно находится в органической фазе, а трехвалентная - в водной фазе, то есть здесь реализуется случай, когда коэффициент разделения валентных форм урана не равен единице. Процесс проводят в растворе хлористоводородной кислоты в присутствии металлов III-IV группы с концентрацией 1 ppm с осуществлением редокс-рефлакса урана (проведением окислительно-восстановительного процесса с переводом урана в противопоставляемую валентную форму и другую фазу) по концам его полосы, а именно с исчерпывающей (полной) реэкстракцией его из органической фазы в водную в головной части полосы урана и восстановлением четырехвалентного урана до трехвалентного состояния с возвратом его в ступень отбора четырехвалентного урана и с окислением трехвалентного урана до четырехвалентного состояния, исчерпывающей экстракцией четырехвалентного урана и возвратом его с экстрагентом в тыловую часть полосы урана (в ступень отбора трехвалентного урана). Запитывают такой экстракционный каскад подачей в среднюю часть каскада исходного водного раствора урана. За счет неравномерного перераспределения изотопов урана в его полосе между двумя его валентными формами, находящимися в разных несмешивающихся фазах, осуществляется перенос легких изотопов урана с четырехвалентным ураном и тяжелых изотопов урана - с трехвалентным ураном к противоположным концам полосы урана. При этом чем больше количество ступеней контакта реализуется в полосе урана, тем выше конечная степень разделения изотопов. Схематически процесс разделения изотопов урана с изотопным обменом между ураном (III) и ураном (IV) представлен на фиг. 2. В одном из примеров реализации указанного способа приведены следующие данные. Разделение изотопов природного урана провели в экстракционном каскаде, состоящем из 70 ступеней. Состав фаз:

Водная фаза на входе каскада имела состав:

0,1 M;

Органическая фаза на входе каскада - 50%-ный ТБФ в додекане. Восстановление четырехвалентного урана проводили электрохимически и диафрагменном электролизе с ртутным катодом, а окисление трехвалентного урана - хлором. Из природного урана, содержащего 0,7194% урана-235, был получен обогащенный продукт, содержащий 0,80% урана-235, и обедненный продукт (отвал), содержащий 0,7047% урана-235. Недостатками данного способа являются:

Необходимость проведения редокс-рефлакса валентных форм урана по концам его полосы (то есть перевода урана в противопоставляемую валентную форму и другую фазу с возвратом его во фронтальную часть полосы урана, где был произведен отбор урана);

Крайне низкая химическая устойчивость растворов трехвалентного урана и, как следствие, необходимость использования солянокислой среды с минимальным содержанием примесей металлов III-IV группы. При этом однократный коэффициент разделения изотопов урана не превышает величины 1,0030. Задача изобретения - увеличение степени разделения изотопов, уменьшение числа используемых реагентов, увеличение химической устойчивости обменной системы. Поставленная задача решается тем, что в способе разделения изотопов урана, включающем изотопный обмен между двумя его валентными формами, одной из которых является четырехвалентный уран, движущимися в полосе, сформированной в процессе противоточной экстракции, обеспечивающей коэффициент разделения валентных форм урана, не равный единице, с рефлаксом валентных форм урана методами исчерпывающей экстракции и реэкстракции по концам его полосы, в качестве второй валентной формы используют шестивалентный уран, изотопный обмен проводят в растворах азотной кислоты, а рефлакс урана осуществляют без изменения его валентного состояния. Благодаря тому, что коэффициент разделения валентных форм не равен единице, создается полоса урана с разнесенными по ее концам зонами двух противопоставляемых валентных форм урана: четырех- и шестивалентного урана, и реакция изотопного обмена проходит в месте перекрытия разнесенных зон валентных форм урана, где направление межфазного переноса валентных форм противоположно. В соответствии с традиционными представлениями в такой системе максимальная степень разделения изотопов не может превысить значения, равного величине однократного коэффициента разделения изотопов, например для пары уран (VI)/уран (IV) 235/238 = 1,0013, так как сама операция по разделению валентных форм урана в полосе урана, приведенных в изотопное равновесие в питающем растворе, не должна приводить к увеличению изотопного эффекта. Однако совершенно неожиданно был получен изотопный эффект, величина которого на два порядка превышала расчетное значение, равное однократному коэффициенту разделения, причем направление изотопного эффекта оказалось обратным аналогу, то есть в этом случае легким изотопом обогатился четырехвалентный уран. Вероятно, это является следствием перераспределения изотопов урана между его валентными формами в процессе встречного межфазного переноса валентных форм урана, которое реализуется в месте перекрытия полос противопоставляемых валентных форм урана. В способе - прототипе и аналоге этот процесс практически отсутствует, так как в них реализуется редокс-рефлакс по концам полосы урана, тогда как в предложенном способе рефлакс урана проводят без изменения его валентности. Примеры реализации способа

В трех примерах реализации способа приведены данные по разделению смеси изотопов урана-232 и урана-238, присутствующих в высокофоновом уране. Содержание урана-232 определяли по ОСТ 95.999-92, включающем химическое выделение урана и последующее альфа-спектрометрическое определение содержания урана-232 в % к урану-238. Опыты, в которых было организовано движение полосы из шестивалентной и четырехвалентной форм урана, были поставлены в двух вариантах: хроматографическом и в варианте противоточной экстракции. Пример 1. В эксперименте использовалась хроматографическая колонка, снаряженная тефлоновым порошком с фракцией 0,25 - 0,5 мм, на поверхность которого предварительно нанесен экстрагент 65%-ный ТБФ в РЭД-2 в количестве 5% от веса порошка. Характеристики колонки:

Высота - 1м;

Диаметр - 0,1 м;

Вес тефлонового порошка (0,25 - 0,5 мм) - 72,14 г;

Вес экстрагента - 3,607 г;

Объем межзернового пространства - 35 см 3 . Колонка предварительно была приведена в равновесие с раствором, содержащим азотной кислоты 2 моль/л и гидразина 0,5 г/л. Чтобы сформировать в колонке полосу урана (IV), в нее вводили 2 мл раствора следующего состава:

115,5 г/л;

2,0 моль/л;

0,5 г/л. Затем промывали колонку 60 мл раствора U(VI) состава:

31,0 г/л;

2,0 моль/л;

0,5 г/л. В конце эксперимента колонка промывалась раствором, содержащим азотную кислоту с концентрацией 0,3 моль/л для реэкстракции урана (VI). Таким образом в эксперименте было реализовано противоточное движение водной и органической фаз с образованием полосы двух валентных форм урана и с исчерпывающей экстракцией и реэкстракцией по концам полосы урана. Поступающий в колонку шестивалентный уран вытеснял четырехвалентный уран. Движение по колонке полосы четырехвалентного урана, ее передний и задний фронт можно было наблюдать визуально. Продолжительность эксперимента 4 часа. При выходе из колонки заднего фронта четырехвалентного урана (переднего фронта шестивалентного урана) отбирали пробы для анализа на содержание урана четырехвалентного, шестивалентного и изотопного состава. Изотопный состав исходного урана и результаты эксперимента приведены соответственно в табл. 1 и 2. Из данных табл. 2 следует, что легкими изотопами обогащается уран со стороны заднего фронта полосы четырехвалентного урана в месте ее перекрытия с фронтом шестивалентного урана. Пример N 2. В эксперименте использовалась та же хроматографическая колонка, что и в первом опыте. Колонка предварительно была приведена в равновесие с раствором, содержащим азотной кислоты 2 моль/л и гидразина 0,5 г/л. Чтобы сформировать в колонке полосу урана (IV), в нее ввели 1 мл раствора следующего состава:

163,3 г/л;

29,7 г/л;

2,13 моль/д;

26 г/л,

И затем элюировали четырехвалентный уран раствором шестивалентного урана состава:

100,0 г/л;

2,0 моль/л;

0,5 г/л. В процессе элюирования четырехвалентный уран вытеснялся на передний фронт полосы урана. Поступающий в колонку шестивалентный уран вытеснял четырехвалентный уран на передний фронт. Движение по колонке полосы четырехвалентного урана можно было наблюдать визуально. Продолжительность эксперимента 4 часа. При выходе из колонки заднего фронта четырехвалентного урана (переднего фронта шестивалентного урана) отбирали пробы для анализа на содержание урана четырехвалентного, шестивалентного и изотопного состава. Результаты приведены в табл. 3. Из данных табл. 3 следует, что легкими изотопами обогащается уран, начиная со стороны заднего фронта полосы четырехвалентного урана в месте ее перекрытия с фронтом шестивалентного урана и кончая передним фронтом полосы четырехвалентного урана. Пример N 3. В этом примере описан изотопный эффект, который был зафиксирован при экстракционной переработке растворов высокофонового урана, находящегося в шестивалентном состоянии. Технологией переработки высокофонового урана предусмотрено введение в исходный и промывной растворы четырехвалентного урана, применяемого для восстановления плутония до трехвалентного состояния. В экстракционной колонне в процессе переработки исходного раствора высокофонового урана, содержащего азотной кислоты 30 - 60 г/л, при соотношении фаз O:B = 2,5:1 и насыщении экстрагента шестивалентным ураном 100 - 105 г/л четырехвалентный уран образует концентрационный пик на фронте шестивалентного урана. В зоне перекрытия фронтов четырехвалентного и шестивалентного урана воспроизводится ситуация с противоточным движением валентных форм урана через границу раздела фаз, когда четырехвалентный уран вытесняется из органической фазы шестивалентным ураном и реэкстрагируется в водную фазу, обогащаясь легкими изотопами, а шестивалентный наоборот - экстрагируется в органическую фазу, обогащаясь тяжелыми изотопами. Частично, в небольших количествах (< 1 г/л), уран уходил с рафинатом. Так как пик четырехвалентного урана находился ближе к выходу рафината из колонны, чем фронт шестивалентного урана, то в рафинате относительное содержание в уране его четырехвалентной формы оказывалось значительно выше, чем в реэкстракте урана, что повлекло изменение изотопного состава урана в рафинате и в реэкстракте. Результаты анализа исходного урана, урана, ушедшего с рафинатом, и урана в упаренном реэкстракте показали (см. табл. 4), что наблюдается концентрирование урана-232 в уране, теряемом с рафинатом, и обеднение по этому изотопу урана реэкстракта.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Способ химического разделения изотопов урана, включающий изотопный обмен между двумя его валентными формами, одной из которых является четырехвалентный уран, движущимися в полосе, сформированной в процессе противоточной экстракции, обеспечивающей коэффициент разделения валентных форм урана, не равный единице, с рефлаксом валентных форм урана методами исчерпывающей экстракции и реэкстрации по концам его полосы, отличающийся тем, что в качестве второй валентной формы используют шестивалентный уран, изотопный обмен проводят в растворах азотной кислоты, а рефлакс урана осуществляют без изменения его валентного состояния.

Разделение изотопов - технологический процесс изменения изотопного состава вещества, состоящего из смеси различных изотопов одного химического элемента . Из одной смеси изотопов на выходе процесса получают две смеси: одна с повышенным содержанием требуемого изотопа (обогащенная смесь), другая с пониженным (обедненная смесь).

Основное применение процесса разделения изотопов - обогащение урана изотопом 235 U для производства ядерного топлива, оружейных радиоактивных материалов и прочих применений, связанных с использованием радиоактивных веществ.

Промышленную работу по разделению изотопов измеряют в единицах работы разделения (ЕРР). Для определённого изменения изотопного состава определённой исходной смеси требуется одинаковое количество ЕРР, независимо от технологии разделения изотопов.

Энциклопедичный YouTube

    1 / 5

    ✪ НЕПТУНИЙ 237 - НАРАБОТКА НЕПТУНИЯ ИЗ СОЛЕЙ УРАНА. РАДИОАКТИВНЫЙ РАСПАД НИТРАТА НЕПТУНИЛА

    ✪ СХК получил контракт на производство стабильных изотопов

    ✪ Химия 8 Простые и сложные вещества Состав веществ

    ✪ 10. Химические элементы

    ✪ урок 2. Методы познания в химии. Техника безопасности на уроках химии.

    Субтитры

Общие принципы

Разделение изотопов (например извлечение 6 Li , 235 U , ) всегда сопряжено со значительными трудностями, ибо изотопы , представляющие собой мало отличающиеся по массе вариации одного элемента , химически ведут себя практически одинаково. Но - скорость прохождения некоторых реакций отличается в зависимости от изотопа элемента, кроме того, можно использовать различие в их физических свойствах - например в массе .

Как бы то ни было, различия в поведении изотопов настолько малы, что за одну стадию разделения, вещество обогащается на сотые доли процента и повторять процесс разделения приходится снова и снова - огромное количество раз. Технологически это осуществляется последовательным пропуском разделяемого объема изотопов через однотипные ячейки, производящие разделение, - каскады. Для получения необходимого разделения, каскадов может несколько тысяч последовательно, а для получения необходимого объема, десятки и сотни тысяч таких последовательных групп каскадов включенных параллельно.

На производительность подобной каскадной системы влияют две причины: степень обогащения на каждой из ступеней и потери искомого изотопа в отходном потоке.

Поясним второй фактор. На каждой из стадий обогащения поток разделяется на две части - обогащённую и обеднённую нужным изотопом. Поскольку степень обогащения чрезвычайно низка, суммарная масса изотопа в отработанной породе может легко превысить его массу в обогащённой части. Для исключения такой потери ценного сырья обеднённый поток каждой последующей ступени попадает снова на вход предыдущей.

Исходный материал не поступает на первую стадию каскада. Он вводится в систему сразу на некоторую, n-ю ступень. Благодаря этому с первой ступени выводится в утиль сильно обеднённый по основному изотопу материал.

Основные используемые методы разделения изотопов

  • Электромагнитное разделение
  • Газовая диффузия
  • Газовая или жидкостная термодиффузия
  • Аэродинамическая сепарация
  • Лазерное разделение изотопов
  • Химическое обогащение
  • Фотохимическое разделение

В любом случае, количество произведённого обогащённого материала зависит от желаемой степени обогащения и обеднения выходных потоков. Если исходное вещество имеется в большом количестве и дёшево, то производительность каскада можно увеличить за счёт отбрасывания вместе с отходами и большого количества неизвлёченного полезного элемента (пример - производство дейтерия из обычной воды). При необходимости достигается большая степень извлечения изотопа из материала-сырца (например, при обогащении урана).

Электромагнитное разделение

Метод электромагнитного разделения основан на одинаковой силе взаимодействия магнитного поля и одинаково электрически заряженных частиц. Однако при одинаковой силе действия частицы различной массы будут вести себя по разному. Например, траектория одинаково заряженных ионов, движущихся в магнитном поле, будет зависеть от их массы. Поставив ловушки в соответствующих местах установки, можно собирать соответствующие изотопы. По сути дела такие установки, называемые калютронами, являются огромными масс-спектрометрами . В них ионы разделяемых веществ, двигаясь в сильном магнитном поле, закручиваются с радиусами, пропорциональными их массам и попадают в приёмники, где и накапливаются.

Этот метод позволяет разделять любые комбинации изотопов, обладает очень высокой степенью разделения. Обычно достаточно двух проходов для получения степени обогащения выше 80 % из бедного вещества (с исходным содержанием желаемого изотопа менее 1 %). Однако электромагнитное разделение плохо приспособлено для промышленного производства: большая часть веществ осаждается внутри калютрона, так что его приходится периодически останавливать на обслуживание. Остальные недостатки - большое энергопотребление, сложность и дороговизна технического обслуживания, низкая производительность. Основная сфера применения метода - получение небольших количеств чистых изотопов для лабораторного применения. Тем не менее, во время второй мировой войны была построена установка Y-12 , вышедшая с января 1945 на мощность 204 грамма 80 % U-235 в день.

Эффективность . Завод, производящий 50 кг высокообогащённого урана в год за счет электромагнитного разделения (calutron ), по оценкам будет потреблять свыше 50 МВт электричества.

Газовая диффузия

Этот метод использует различие в скоростях движения различных по массе молекул газа. Понятно, что он будет подходить только для веществ, находящихся в газообразном состоянии.

При различных скоростях движения молекул, если заставить их двигаться через тонкую трубочку, более быстрые и лёгкие из них обгонят более тяжёлые. Для этого трубка должна быть настолько тонка, чтобы молекулы двигались по ней поодиночке. Таким образом, ключевой момент здесь - изготовление пористых мембран для разделения с типовыми размерами пор десятки - сотни нанометров. Они должны не допускать утечек, выдерживать большое избыточное давление и обладать стойкостью к фторсодержащим средам. Существовало несколько методов получения пористых мембран, например:

  • Спекание металлических или полимерных порошков при таких условиях, что между крупинками порошка оставались нормированные зазоры.
  • Вытравливание одного металла из сплава двух металлов при определенных условиях обеспечивало пористую структуру.
  • Электролитическое оксидирование алюминия образует пористую структуру оксида алюминия.

Мембраны обычно изготавливались в виде трубок длиной до нескольких метров. Из нескольких сотен трубок собирали один каскад разделения.

Для некоторых лёгких элементов степень разделения может быть достаточно велика, но для урана - только 1.00429 (выходной поток каждой ступени обогащается в 1.00429 раза). Для получения больших степеней обогащения иногда соединяли последовательно несколько тысяч каскадов разделения. Учитывая, что один типовой промышленный каскад занимал площадь до 100м 2 и более, то газодиффузионные обогатительные предприятия были циклопические по размерам. Относительно большие потери давления на мембранах и размеры установок определяли огромные энергозатраты компрессоров. Кроме того, завод содержал огромные количества технологического гексафторида: иногда от пуска завода до получения первого продукта на выходе проходило несколько недель, в течение которых гексафторид последовательно заполнял объемы всех каскадов. Это обстоятельство предъявляло очень серьезные требования к надежности оборудования, ведь отказ даже одного каскада мог вызвать остановку всей цепочки. Чтобы минимизировать ущерб от технологических остановок каскады снабжались автоматикой контроля работоспособности и обхода проблемного каскада.

Термодиффузия

В этом случае опять же, используется различие в скоростях движения молекул. Более лёгкие из них при существовании разницы температуры имеют свойство оказываться в более нагретой области. Коэффициент разделения зависит от отношения разницы массы изотопов к общей массе и больший для лёгких элементов. Несмотря на свою простоту, в этом методе требуются большие энергозатраты для создания и поддержания нагрева. На заре ядерной эры существовали промышленные установки на базе термодиффузии. В настоящее время самостоятельно широко не применяется, однако идея термодиффузии используется для увеличения эффективности газовых центрифуг .

Газовое центрифугирование

Идею центрифужной сепарации начали активно разрабатывать во время Второй Мировой войны. Однако трудности оптимизации технологии задержали её развитие, а в западных странах даже был вынесен вердикт о экономической бесперспективности метода. В СССР промышленное внедрение центрифужной технологии началось также только после промышленного освоения газовой диффузии.

Если газообразную смесь изотопов пропускать через высокоскоростные газовые центрифуги , то центробежная сила разделит более лёгкие или тяжёлые частицы на слои, где их и можно будет собрать. Большое преимущество центрифугирования состоит в зависимости коэффициента разделения от абсолютной разницы в массе, а не от отношения масс. Центрифуга одинаково хорошо работает и с лёгкими, и с тяжёлыми элементами. Степень разделения пропорциональна квадрату отношения скорости вращения к скорости молекул в газе. Отсюда очень желательно как можно быстрее раскрутить центрифугу. Типичные линейные скорости вращающихся роторов - 250-350 м/с, и более 600 м/с в усовершенствованных центрифугах. Разница давлений у оси центрифуги и у внешней стенки может достигать десятков тысяч раз, поэтому центрифужные каскады работают при невысоких давлениях во избежание конденсации гексафторида. Для улучшения сепарации термодиффузией в центрифугах создается градиент температур в несколько десятков градусов вдоль оси центрифуги.

Типичный коэффициент сепарации - 1.01 - 1.1. По сравнению с газодиффузионными установками этот метод имеет уменьшенное энергопотребление, большую лёгкость в наращивании мощности. В настоящее время газовое центрифугирование - основной промышленный метод разделения изотопов в России.

Аэродинамическая сепарация

Этот способ можно рассматривать как вариант центрифугирования, но вместо закручивания газа в центрифуге, он завихряется при выходе из специальной форсунки, куда подаётся под давлением. Эта технология, основанная на вихревом эффекте , использовалась ЮАР и Германией.

Проблемы технологии заключались в том что радиус форсунки около 100 мкм, при этом суммарная длина форсунки на каждом промышленном каскаде разделения исчислялась сотнями и тысячами метров. Такая длина набиралась кусками по нескольку десятков-сотен сантиметров. Помимо трудностей изготовления форсунок существовала проблема газа-разбавителя, например гелия. Разбавитель позволял удерживать гексафторид урана в газообразной фазе при больших давлениях на входе в форсунки, необходимых для создания высокоскоростного потока в форсунке. На выходе производства разбавитель и гексафторид необходимо было разделять. Большие давления определяли значительные энергозатраты.

Лазерное разделение изотопов (ЛРИ)

Лазерное разделение не является самостоятельным методом, но используется для улучшения характеристик электромагнитного или химического методов разделения. Метод основан на избирательной ионизации одного из изотопов электромагнитным излучением (например, светом лазера). Избирательность ионизации основана на резонансном (узкополосном) поглощении света атомами, разные изотопы имеют разный спектр поглощения излучения. Это значит что можно подобрать такие параметры облучения при которых преимущественно ионизируются атомы заданного изотопа. Дальше ионизированные атомы могут быть отделены, например, в магнитном поле (AVLIS (англ.) русск. ). Кроме того, ионизация атомов может менять скорость химических реакций, например, облегчая распад некоторых химических соединений (MLIS (англ.) русск. ).

Лазерная технология разделения развивается с 1970-х годов многими странами и считается перспективной, однако все ещё не вышла за рамки исследовательских работ. В 90-х годах прошлого века в США существовала программа исследования лазерного обогащения с электромагнитной сепарацией на экспериментальной установке, однако она была закрыта. В настоящее время в США осуществляется программа исследования на демонстрационной установке одного из вариантов лазерного обогащения с химической сепарацией под названием SILEX (англ.) русск. . Технология разработана в 1992 году австралийской компанией Silex. С 2006 года работы по технологии Silex ведёт компания Global Laser Enrichment LLC. Получена лицензия на строительство завода в Уилмингтоне (штат Северная Каролина).

Химическое обогащение

Химическое обогащение использует разницу в скорости протекания химических реакций с различными изотопами. Лучше всего оно работает при разделении лёгких элементов, где разница значительна. В промышленном производстве применяются реакции, идущие с двумя реактивами, находящимися в различных фазах (газ/жидкость, жидкость/твёрдое вещество, несмешивающиеся жидкости). Это позволяет легко разделять обогащённый и обеднённый потоки. Используя дополнительно разницу температур между фазами, достигается дополнительный рост коэффициента разделения. На сегодня химическое разделение - самая энергосберегающая технология получения тяжёлой воды. Кроме производства дейтерия, оно применяется для извлечения 6 Li. Во Франции и Японии разрабатывались методы химического обогащения урана, так и не дошедшие до промышленного освоения.

Дистилляция

Дистилляция (перегонка) использует различие в температурах кипения различных по массе изотопов. Обычно чем меньше масса атома - тем ниже температура кипения этого изотопа . Лучше всего это работает опять же, на лёгких элементах. Дистилляция успешно применяется как завершающая стадия в производстве тяжёлой воды.

ИЗОТОПОВ РАЗДЕЛЕНИЕ - выделение отдельных изотопов из естеств. их смеси или обогащение смеси отдельными изотопами. Первые попытки И. р. сделаны Ф. У. Астоном (F. W. Aston, 1949) и др. гл. обр. для обнаружения изотопов у стабильных элементов, точного измерения массы их атомов и относит. содержания (см. Mасс-спектроскопия ).В 30-х гг. фундам. исследования в области потребовали выделения отдельных изотопов в кол-вах порядка неск. мг (дейтерий производился в промышл. масштабах). Дальнейшее развитие методов И. р. обусловлено развитием , для к-рой требовался уран, обогащённый 235 U и др. (см. Ядерное горючее ),а также применением в физике, химии, биологии и др. метода изотопных индикаторов .
Классификация и характеристики методов . И. р. основано на различиях физ. и хим. свойств изотопов и их соединений. Эти различия, обусловленные разницей масс атомов, для большинства элементов невелики, что обычно приводит к необходимости многократного повторения единичной операции. Во всякой разделит. установке исходная смесь делится не менее чем на 2 фракции, одна из к-рых обогащается концентрируемым изотопом за счёт других. Эффективность работы разделит. установки определяется её производительностью G и коэф. разделения a. Так, при разделении бинарной смеси:

Где С" и 1-С" - доли лёгкого и тяжёлого изотопов во фракции, обогащённой лёгким изотопом; С"" и 1-С"" - в тяжёлой фракции. Если a-1Ъ1, что имеет место для большинства методов (см. ниже), то обычно пользуются коэф. обогащения e=a-1. Повышение а обычно связано с уменьшением G . Поэтому методы, обеспечивающие большие a, не всегда оказываются экономически выгодными. Выбор метода определяется свойствами элемента, содержанием в смеси концентрируемого изотопа, заданной степенью разделения q=a N (N - число ступеней разделения). Различают молекулярно-кинетич., физико-хим. и электромагн. методы И. р. Первые два метода основаны на различии ср. статистич. свойств изотопных соединений, обусловленном разницей масс изотопов. Для этих методов е, как правило, невелики, а G могут быть большими. Электромагн. методы основаны на разл. поведении изотопов в электрич. и магн. полях. Как правило, эти методы позволяют получить высокие значения а при малых G в 1 цикле И. р.
Молекулярно-кинетические методы . Газовая диффузия через пористые перегородки (фильтры). Газообразное соединение прокачивается через пористую перегородку. При достаточно низких давлениях, когда длина свободного пробега молекул значительно превышает ср. диаметр пор (молекулярное течение, кнудсеновская или эффузия, см. Динамика разреженных газов ),каждый компонент смеси газов движется независимо от др. под действием градиента . Скорость движения пропорц. частоте столкновений молекул с поверхностью пор, т. е. ср. тепловой скорости молекул:

Здесь Т - темп-pa, R - газовая постоянная, М - масса молекулы. Т. к. при М 1 >М 2 , то часть смеси, прошедшая через фильтр, обогащается лёгким изотопом. При истечении в абс. вакуум достигается макс. значение:

Для большинства элементов

где DМ=М 2 - М 1 . Т. к. диффузия через фильтр происходит в пространство, заполненное тем же газом при пониженном давлении, то реальный коэф. обогащения e
Рис. 1. Схема газодиффузионной установки.

При этом DM/2M=3/2.350=0,0043. Для получения из природного U с обогащением по 235 U порядка 4% требуется от 1000 до 1500 ступеней (рис. 1). Газодиффузионные заводы для промышл. разделения изотопов U действуют в СССР , США, Франции, Англии и Китае .
Macc-диффузия (диффузия в потоке пара) . Различие скоростей диффузии 2-х изотопов в потоке 3-го (разделительного) газа приводит к частичному разделению изотопной смеси; эффект И. р. при диффузии в струю пара был открыт Г. Герцем (Н. Hertz) в 1922. Коэф. обогащения:

где D 13 , D 23 - коэф. диффузии изотопов в 3-й газ. В качестве него используют нары, к-рые можно затем легко сконденсировать и отделить от смеси изотопов. Умножение элементарного эффекта возможно при увеличении потока пара. Процесс можно проводить в каскадах разделительных насосов (Герц) или в противоточных цилиндрич. колоннах (рис. 2).

Рис. 2. Масс-диффузионная колонна.

В колонне, цилиндрич. сосуде, перегороженном вдоль оси пористой диафрагмой, газообразная изотопная смесь движется навстречу потоку вспомогат. пара. Вследствие перепада концентраций газа и пара в поперечном сечении цилиндра и большего коэф. диффузии для более лёгких молекул происходит обогащение лёгким изотопом части газа, прошедшего сквозь поток пара в левую часть цилиндра. Обогащённая часть выводится из верхней части цилиндра вместе с осн. потоком пара, а оставшаяся в первой половине часть газа движется вдоль диафрагмы и выводится из аппарата. Цилиндрич. пористая диафрагма служит для предотвращения перемешивания обогащённой и обеднённой смеси и для создания регулируемых извне вертикальных потоков газа. Т. о., первичный эффект И. р. возникает при диффузии смеси в радиальном потоке пара. Противоточное движение в вертикальном направлении переводит радиальный эффект И. р. в осевой и обеспечивает умножение эффекта, зависящее от высоты колонны .
Термодиффузия . Перепад темп-ры в газе или жидкости вызывает диффузию, приводящую к частичному И. р. Если поток, вызванный термодиффузией, уравновешен противоположным ему потоком, обусловленным диффузией, то первичный коэф. обогащения определяется ф-лой:

где a т - постоянная термодиффузии, зависящая от характера межмолекулярного взаимодействия и относит. разности масс молекул. В большинстве газовых смесей в холодной области возрастает концентрация тяжёлого газа, в горячей - лёгкого. Для умножения обычно малого первичного эффекта применяется противоточная термодиффузионная колонна, состоящая из охлаждаемой снаружи вертикальной трубки, внутри к-рой помещается нагреваемая металлич. нить или трубка меньшего диаметра (рис. 3). Разность темп-р вызывает непрерывно идущее поперечное термодиффузионное разделение и одновременно создаёт вертикальную конвекцию газовой смеси: лёгкий изотоп, обогащаемый около нагретой трубки (T 1), уносится восходящим конвектизным потоком к верхнему концу колонны, а тяжёлый - увлекается вниз.

Рис. 3. Термодиффузионная колонна с кольцевым зазором.

При достаточной длине колонны можно достичь почти полного разделения смеси. Методом термодиффузии получены изотопы (концентрация > 99%): 3 Не, 13 С, 15 N, 18 O, 20 Ne, 21 Ne, 22 Ne, 35 С1, 37 С1, 36 Аr, 38 Аr, 84 Кr, 86 Кr, 136 Хе . Термодиффузия в жидком UF 6 применялась в США для обогащения природного урана изотопом 235 U до концентрации 1%. Для промышл. И. р. метод термодиффузии неэффективен.
Электролиз воды . При электролизе воды или водных растворов электролитов скорость электролиза D 2 O меньше, чем Н 2 О. В результате в электролите растёт концентрация D (a=6-8). Электролиз воды был первым промышл. методом получения D 2 O (электролизный завод в Норвегии в 40-х гг. производил тонны D 2 O в год). Для получения чистой D 2 O применяют электролитич. каскад из 15 ступеней в сочетании с изотопным обменом (см. ниже) на первых 3 ступенях. Электролиз требует значит. затрат электроэнергии (на 1 кг D 2 O 125000 кВт.ч). Электролиз можно применять для отделения Т от Н (a=14). Для др. элементов электролиз неэффективен, т. к. a@l .
Миграция ионов . При прохождении электрич. тока через электролит (водный раствор, расплав соли) более подвижные ионы концентрируются у катода. Первичный эффект обогащения (для большинства элементов e<10 -2) может быть умножен в противоточных ячейках .
Центрифугирование . В центрифуге, вращающейся с большой скоростью, более тяжёлые частицы иод влиянием центробежной силы концентрируются у периферии, более лёгкие - у оси ротора. Во вращающемся газе устанавливается равновесное распределение n=n 0 ехр(Mw 2 r 2 /2RT), где w - угловая скорость, r - радиус вращения, п 0 - плотность при r=0. В смеси двух идеальных газов с молекулярными массами M 1 и M 2 , помещённой во вращающийся полый цилиндр (ротор), распределение устанавливается для каждого газа независимо. Поэтому макс. коэф. разделения в радиальном направлении:

где v - линейная скорость вращения ротора радиуса r 0 . Т. к. a 0 зависит от DM, метод наиболее пригоден для И. р. тяжёлых элементов, где DМ выше. Для умножения первичного эффекта применяется противоточная циркуляция смеси внутри ротора, преобразующая радиальное обогащение в аксиальное и позволяющая производить отбор обогащённой и обеднённой фракций вблизи торцевых крышек ротора. Разделит. мощность центрифуги ограничена макс. теоретич. значением: rD(DMv 2 /2RT) 2 pz/2, где r - плотность, D - коэф. взаимной диффузии изотопов, z - длина ротора. В разделит. каскадах применяется параллельное соединение центрифуг в ступени. Центрифуги использовались впервые Линдеманом и Астоном в 1919, в дальнейшем для частичного И. р. Cl, Br, Xe, U. Программы развития метода центрифугирования для обогащения U есть в странах Европы, в США и Японии . Для обогащения 235 U используют эффект разделения, создаваемый центробежными силами при искривлении потока UF 6 (разделит, сопло в ФРГ, вихревая трубка в ЮАР). Для увеличения первичного эффекта к UF 6 добавляют лёгкий вспомогат. газ (Н 2 или Не), увеличивающий скорость UF 6 в потоке смеси. При этом возрастают и действующие на UF 6 центробежные силы и e 0 в 4-8 раз выше, чем в случае газовой диффузии .
Физико-химические методы
Ректификация (дистилляция, фракционная перегонка). Метод основан на различии в равновесном изотопном составе жидкой и газообразной фаз. В большинстве случаев в паре концентрируется лёгкий изотоп. Коэф. разделения е можно оценить из полуэмпирич. ур-ния Бигелейзена:

где А - константа, зависящая от строения молекулы. Эффект разделения умножается в ректификац. колоннах благодаря противотоку фаз. Ректификация применяется для произ-ва обогащённых изотопов лёгких элементов (D, 10 В, 11 В, 13 С, 15 N, 18 0). Наиб, эффективная низкотемпературная ректификация, напр, в смесях H 2 -D 2 ; 13 Co- 12 Co и др.
Изотопный обмен основан на хим. реакциях, при к-рых происходит термодинамически равновесное перераспределение изотопов к--л. элемента между реагирующими веществами. Так, напр., при контакте НСl с НВr, в к-рых первонач. содержание дейтерия в водороде было одинаковым, в результате обменной реакции в НСl содержание D будет неск. выше, чем в НВr. Применение неск. каскадов позволяет получать дейтерий и обогащённые отд. изотопами смеси для др. лёгких элементов (6 Li, 7 Li, 10 B, 11 В, 13 С, 15 N, 18 O). Разрабатывается метод обогащения 235 U с использованием ионообменной реакции между U в смоле и U в растворе (e 0 =1,5.10 -3) . Достоинства молекулярно-кинетич. и физ--хим. методов: возможность экономичного И. р. в промышл. масштабах и практически полное использование вещества в 1 цикле разделения. Недостатки: необходимость газовой фазы (не все элементы образуют стойкие газообразные соединения); значит. кол-во смеси; неуниверсальность установок; разделит. каскады и колонны должны содержать значит. кол-ва концентрируемых изотопов. Лит.: 1) Атомная наука и техника в СССР, М., 1977; 2) Виллани С., Обогащение урана, М., 1983; 3) Розен А. М., Теория разделения изотопов в колоннах, М., 1960; 4) Шемля М., Перье Ж., Разделение изотопов, пер. с франц., М., 1980; 5) Рабинович Г. Д., Разделение изотопов и других смесей термодиффузией, М., 1980; 6) Андреев Б. М., Зельвенский Я. Д., Kатальнков C. Г., Разделение стабильных изотопов физико-химическими методами, М., 1982; 7) Ehrfeld W., Elements of flow and diffusion processes in separation nozzles, B.- , 1983. А. А. Сазыкин .
Электромагнитные методы
Собственно электромагнитный метод основан на том же принципе, что и масс-спектрометр .Любой масс-спектрометр является миниатюрной установкой для И. р. Для получения больших кол-в изотопов служат крупные установки (амер. термин калютроны), работающие по принципу масс-спектрометра Демпстера (рис. 4) .


Рис. 4. Принципиальная схема электромагнитного сепаратора.

В однородном магн. поле с напряжённостью Н расстояние d между фокусами соседних изотопов с массами М и M+DM и Ze (дисперсия) составляет:

Здесь ZeV - энергия иона (все величины выражены в системе единиц СГСЕ), а ширина фокуса каждого изотопа (аберрация):

где j - угол раствора ионного пучка в плоскости, перпендикулярной Н. И. р. возможно только при dН - при j<2(DM/M) 1/2 . Для увеличения j и обеспечения тем самым большей производительности разделит, установки применяют неоднородные (т. н. безаберрационные) магн. поля , с помощью к-рых удаётся хорошо фокусировать пучки ионов с j@(25-30)° и энергией ионов 25-40 кэВ. Производительность Q разделит. установки (в идеальном случае) связана с силой тока I пучка однозарядных ионов выражением:

Q=0,89AС 0 I (г/сутки). (11)

Здесь А - ат. масса разделяемого элемента, С 0 - относит. концентрация выделяемого изотопа в исходной смеси (I в А) . Промышл. установки позволяют накапливать до неск. десятков г изотопов в сутки. При этом коэф. обогащения в 1 цикле разделения a=C/C 0 ~ 10- 10 3 (С - относит, концентрация изотопа в обогащённой смеси). Типичные размеры вакуумной камеры (в м): 3.1,5.0,4. Ток I определяется гл. обр. фокусировкой пучка, к-рая в безаберрационном магн. поле зависит от компенсации пространств. заряда пучка. Если бы расталкивание ионов пучка собств. пространств. зарядом не было скомпенсировано, то обусловленная им аберрация пучка могла бы быть меньше дисперсии лить при очень малом I. В действительности возможна нейтрализация пространств. заряда электронами, образуемыми самим пучком в остаточном газе камеры (давление р=10 -5 мм рт. ст.). Если бы ток I был постоянным во времени, то компенсация пространств. заряда, установившись (для этого достаточно ~10 -4 с), сохранялась бы. Этому, однако, препятствуют колебат. процессы как в самом пучке, так и в ионном источнике. Вследствие этого плотность ионного тока (при определ. условиях) колеблется так быстро, что вызывает динамич. декомпенсацию пространств. заряда, резко нарушающую процесс И. р. Исследование динамич. декомпенсации позволило осуществить И. р. разл. элементов при макс. токе (для элементов ср. масс - до неск. сотен мА). В ионном источнике пары рабочего вещества ионизуются в газовом разряде, горящем в продольном магн. поле. Возникающие ионы извлекаются из разряда электрич. полем, ускоряются и поступают в разделит. камеру в виде сформированного ионного пучка. Вследствие неполной паров и наличия в пучке ионов с разл. кратностью заряда коэф. использования рабочего вещества обычно ~20-50%. В приёмнике ионов пучки изотопов попадают на стенки изотопных "карманов" и оседают на них в виде нейтральных атомов. Распыление накопленного вещества и отражение ионов от стенок карманов обусловливают неполное улавливание вещества, переносимого ионным пучком. Накопленное вещество извлекается из приёмника хим. методами. Коэф. улавливания и извлечения вещества ~50-80%. Т. о., коэф. использования вещества в 1 цикле И. р. от 10 до 40%. Электромагн. методом осуществляется разделение как стабильных, так и радиоактивных изотопов. Для разделения тяжёлых элементов иногда применяются установки с меньшей производительностью, но с повышенной дисперсией, в к-рых коэф. разделения а достигает 1000. В одной из таких установок с поворотом пучка на 225° в магн. поле d= 20 мм на 1% относит. разности масс и e=1000 для U и Рu при I=10 мА. Существует двухкаскадный масс-сепаратор, в к-ром фокус пучка ионов изотопа в конце первого каскада служит источником пучка для 2-го каскада; полный угол отклонения пучка ~250°; для 235 U e=1400. Существуют калютроны с уменьшенной производительностью (на ~50%), по с увеличенной (в 1,5 раза) дисперсией, с углом поворота пучка на 255°. Для разделения стабильных изотопов применяются также малые установки с углом поворота пучка 60° и 90°. В случае короткоживущих изотопов ( T 1/2 /W Если при этом на смесь ионов действует переменное электрич. поле с частотой w, то энергию поглощают ионы, находящиеся в с полем: W=w. При этом r H возрастает, что позволяет отделить эти ионы от других (см. Циклотронный резонанс ). Для реализации метода требуется протяжённый столб плазмы диаметром 2r Hмакс. Для И. p. U при H=1 Тл и kT=10 эВ приемлема плотность плазмы n~10 12 -10 13 ионов.см -3 . Для И. р. К при n=10 10 -10 11 ионов.см -3 при обогащении 41 К a=10 .
Плазменное разделение . Используется вращение плазмы под действием силы Лоренца или магн. сжатие плазмы бегущей высокочастотной волной. В плазменной центрифуге могут быть получены высокие центробежные ускорения (до 10 8 м/с 2), но при очень высокой темп-ре (напр., 50 000 К). Для изотопов Кr, Аr, Ne, U a@1,1-1,3.
Оптические методы . Основаны на изотопич. сдвиге спектральных линий поглощения электромагн. излучения. Если длина волны К падающего на изотопную смесь атомов или молекул монохроматич. света совпадает с линией поглощения одного из изотопов, то свет поглощают только атомы этого изотопа, переходя в возбуждённое состояние.

Рис. 5. Принцип лазерного И. р. с использованием молекул: 1 - основное состояние молекул; 2- колебательные уравнения; 3 - электронные уровни; 4 - одноступенчатый фотолиз; 5, 6 - двухступенчатый фотолиз; 7 - многофотонная диссоциация; 8, 9 - разделение изотопов происходит в результате химической реакции.

Возбуждённые атомы отделяют от невозбуждённых фотохим. и физ.. методами (фотоионизация, фотолиз). Ввиду избирательности поглощения значение а может быть высоким. Достигнутая в первичном акте селективность на практике может ухудшаться из-за обмена энергией возбуждения или зарядами при столкновении с др. изотопом, вторичных хим. реакций и др. Первые опыты К. Цубера (К. Zuber, 1935, фотохим. окисление) дали для обогащения 200 Hg и 202 Hg a@4. Для оптич. И. р. используются лазеры. Лазерное излучение можно применять для селективного возбуждения электронных уровней атомов или колебат. уровней молекул (рис. 5). Если электронный уровень выше порога диссоциации, для распада молекулы достаточно одного фотона (одноступенчатый фотолиз); пример - обогащение D и 13 С при фотолизе формальдегида. При возбуждении на уровень (электронный или колебательный) ниже порога диссоциации необходим второй фотон с l, достаточной для диссоциации (двухступенчатый фотолиз); примеры: обогащение 14 N, 15 N и 10 В, 11 В, при фотолизе NH 3 и ВС1 3 под действием ИК-излучения СO 2 -лазера и прошедшего через оптич. фильтр УФ-излучения искры или лампы-вспышки; фотолиз UF 6 с помощью ИК-излучения (l=16 мкм) и УФ-лазеров . Для многоатомных молекул возможна многофотонная диссоциация под действием только ИК-излучения; примеры: обогащение изотопами при воздействии излучения СO 2 -лаэера на SF 6 (32 S, 34 S), CF 3 (13 C, 12 C), BC1 3 (10 B, 11 B), SiF 4 (28 Si, 29 Si, 30 Si), CC1 4 (13 C, 35 C1, 37 C1) и др. При возбуждении на электронный или колебат. уровень выше порога хим. реакции возможно ускорение реакции; примеры: обогащение 14 N, 15 N в реакции N 2 +O 2 и 10 В, 11 В в реакции BC1 3 +H 2 S. Для И. р. с использованием ат. паров металла необходимы лазер на красителях и УФ-лазер. Первый (излучающий обычно в видимой части спектра) производит селективное возбуждение одного изотопа, второй - ионизацию возбуждённых атомов.

Рис. 6. Схема лазерного обогащения 235 U фотоионизацией: 1 - излучение возбуждающего лазера; 2 - излучение ионизирующего лазера; 3 - поток атомных паров; 4-коллектор ионов; 5 - конденсатор пара.

Полученные ионы отклоняются электромагн. полем к коллектору. Нейтральные пары собирают на др. коллекторе. Процесс лазерной фотоионизации атомов применён для изучения И. p. Rb, Li, Ca, Nd, Sm, Eu, Cd, Dy, Er, Yb, U. Достоинства лазерного И. р.: универсальность, возможность воздействия только на 1 изотоп (в США есть программа разработки лазерной технологии обогащения природного урана методом фотоионизации паров 235 U (рис. 6). Лит.: Импульсные СО 2 -лазеры и их применение для разделения изотопов, М., 1983; Басов Н. Г. и др., Новые методы разделения изотопов, "УФН", 1977, т. 121, с. 427; Карлов Н. В. и др., Селективная фотоионизация атомов и ее применение для разделения изотопов и спектроскопии, "УФН", 1979, т. 127, с. 593. А. А. Сазыкин .

Разделение изотопов — технологический процесс, в котором из материала, состоящего из смеси различных изотопов одного химического элемента, выделяются отдельные изотопы этого элемента. Разделение изотопов всегда сопряжено со значительными трудностями, так как изотопы, представляющие собой мало отличающиеся по массе вариации одного элемента, химически ведут себя практически одинаково. Но — скорость прохождения некоторых реакций отличается в зависимости от изотопа элемента, кроме того, можно использовать различие в их физических свойствах — например в массе. Различия в поведении изотопов настолько малы, что за одну стадию разделения, вещество обогащается на сотые доли процента и повторять процесс разделения приходится снова и снова — огромное количество раз. На производительность подобной каскадной системы влияют две причины: степень обогащения на каждой из ступеней и потери искомого изотопа в отходном потоке.

Основные методы разделения изотопов

Электромагнитное разделение

Метод электромагнитного разделения основан на различном действии магнитного поля на одинаково электрически заряженные частицы различной массы. Установки, называемые калютронами, являются огромными масс-спектрометрами. Ионы разделяемых веществ, двигаясь в сильном магнитном поле, закручиваются с радиусами, пропорциональными их массам и попадают в приемники, где и накапливаются.

Этот метод позволяет разделять любые комбинации изотопов, обладает очень высокой степенью разделения. Обычно достаточно двух проходов для получения степени обогащения выше 80 % из бедного вещества (с исходным содержанием желаемого изотопа менее 1 %). Однако электромагнитное разделение плохо приспособлено для промышленного производства: большая часть веществ осаждается внутри калютрона, так что его приходится периодически останавливать на обслуживание. Остальные недостатки — большое энергопотребление, сложность и дороговизна технического обслуживания, низкая производительность. Основная сфера применения метода — получение небольших количеств чистых изотопов для лабораторного применения.

Газовая диффузия

Этот метод использует различие в скоростях движения различных по массе молекул газа. Понятно, что он будет подходить только для веществ, находящихся в газообразном состоянии. При различных скоростях движения молекул, если заставить их двигаться через тонкую трубочку, более быстрые и легкие из них обгонят более тяжелые. Для этого трубка должна быть настолько тонка, чтобы молекулы двигались по ней поодиночке. Таким образом, ключевой момент здесь — изготовление пористых мембран для разделения. Они должны не допускать утечек, выдерживать избыточное давление.

Для некоторых легких элементов степень разделения может быть достаточно велика, но для урана — только 1.00429 (выходной поток каждой ступени обогащается в 1.00429 раза). Поэтому газодиффузионные обогатительные предприятия — циклопические по размерам, состоящие из тысяч ступеней обогащения.

Газовое центрифугирование

Впервые эта технология была разработана в Германии, во время второй мировой, но промышленно нигде не применялась до начала 50-х. Если газообразную смесь изотопов пропускать через высокоскоростные центрифуги, то центробежная сила разделит более легкие или тяжелые частицы на слои, где их и можно будет собрать. Большое преимущество центрифугирования состоит в зависимости коэффициента разделения от абсолютной разницы в массе, а не от отношения масс. Центрифуга одинаково хорошо работает и с легкими, и с тяжелыми элементами. Степень разделения пропорциональна квадрату отношения скорости вращения к скорости молекул в газе. Отсюда очень желательно как можно быстрее раскрутить центрифугу. Типичные линейные скорости вращающихся роторов — 250—350 м/с, и более 600 м/с в усовершенствованных центрифугах.

Типичный коэффициент сепарации — 1.01 — 1.1. По сравнению с газодиффузионными установками этот метод имеет уменьшенное энергопотребление, большую легкость в наращивании мощности. В настоящее время газовое центрифугирование — основной промышленный метод разделения изотопов в России.

Производители стабильных изотопов: В контур ГК «Росатом» входят предприятия, осуществляющие промышленное производство изотопов средних и тяжелых масс, а также изотопов благородных газов. Для промышленного разделения изотопов применяются электромагнитная и газо- центрифужная технологии. Эти технологии позволяют разделять изотопы практически всех элементов таблицы Менделеева. В число предприятий ГК «Росатом», использующих указанные методы разделения изотопов входят следующие:

  1. ФГУП «Комбинат «Электрохимприбор» - 209 наименований (электромагнитный метод).
  2. ОАО «Производственное объединение «Электрохимический завод» производит 95 наименований изотопов (газоцентрифужный метод).
  3. ОАО «Сибирский химический комбинат» - 91 наименование изотопов (газоцентрифужный метод).
  4. ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ» - 24 наименования (газоцентрифужный метод)
    5.

Ионизируется, затем ионы ускоряются электрич. полем и попадают в разделит. камеру, где под действием магн. поля, перпендикулярного направлению движения ионов , смесь разделяется на отдельные пучки с одинаковыми значениями m/z; затем пучки собираются в разные приемники. Этим методом можно выделить все изотопы данного элемента. Его применяют для получения малых кол-в изотопов более 50 элементов; впервые этим методом было получено неск. кг 235 U (1943-45). Недостатки метода: малая производительность, низкая степень использования сырья, сложность аппаратуры, большие энергозатраты.
Фотохимический метод (лазерное изотопов разделение) основан на том, что молекулы разного изотопного состава возбуждаются излучением разл. длины волны. Используя монохроматич. излучение лазера , удается селективно возбуждать молекулы , содержащие определенный изотоп данного элемента. Возбужденные молекулы отделяют затем посредством хим. р-ций, воздействием электрич. поля или др. способом. Метод можно применять для любых элементов. Пока его используют только в лаб. масштабах; осн. затруднения связаны с необходимостью сохранения селективности на всех следующих после поглощения кванта света стадиях (см. Лазерная химия).
Методы разделения второй группы основаны на неравномерном распределении молекул разного изотопного состава между двумя фазами системы или между двумя зонами одной фазы, в к-рых поддерживаются разл. значения т-ры, давления , электрич. потенциала или др. параметра. Если изменением агрегатного состояния части смеси или воздействием поля разделить исходную смесь на две фракции с разным содержанием изотопов , то элементарный разделит. эффект такой операции характеризуют коэффициентом разделения a . Для смеси двух изотопов

где N" и N: молярные доли выделяемого изотопа в обогащенной и обедненной фракциях. Изменение изотопного состава обогащенной фракции по сравнению с поступающей смесью характеризуют коэффициентом обогащения

где N - молярная доля выделяемого изотопа в поступающей смеси. Величина b может принимать значения в пределах от 1 до a в зависимости от соотношения масс обогащенной и обедненной фракций. Для разделения изотопов всех хим. элементов (кроме водорода) значение а лишь немного больше 1. Поэтому элементарный разделит. эффект умножают в каскадах или в колоннах. Каскады представляют собой последовательно соединенные элементы однократного разделит. действия (ступени). В т. наз. простом каскаде обогащенную фракцию первой ступени подают на вторую ступень, повторяют операцию разделения, затем обогащенную фракцию второй ступени подают на третью спупень и т. д. В целях экономии исходного материала обедненные фракции дальних ступеней, к-рые по сравнению с исходной смесью обогащены целевым изотопом , не отбрасывают, а используют как дополнит. сырье на предыдущих ступенях (осуществляют рециркуляцию потоков). Чаще всего обедненную фракцию послед. ступени (молярная доля выделяемого изотопа N: i+1) возвращают на предыдущую ступень (рис. 1). В оптим. варианте состав фракции, возвращаемой на i-ю ступень, должен быть одинаковым с составом поступающей на эту ступень обогащенной фракции предыдущей (i - 1)-ступени (молярная доля N" i - 1). Если значения b для всех ступеней одинаковы, достигаемая в таком каскаде (наз. идеальным) степень разделения

где N p и N 0 - молярные доли изотопа в продукте и исходной смеси, n - число ступеней каскада.

Рис. 1. Схема каскада с рециркуляцией потока смеси (N - молярная доля выделяемого изотопа ; N 0 - в исходной смеси; N" i и N: i - соотв. в обогащенной и обедненной фракциях i-ступени; N p - в продукте (N p =N" n); N w в отходах (N w - N: 1).

Для снижения затрат энергии на перемещение потоков, уменьшения объема аппаратуры и периода первонач. накопления изотопа (см. ниже) обычно сокращают потоки при переходе от низких ступеней к более высоким, т. е. ведут процесс так, чтобы обогащенная фракция данной ступени была по массе меньше обогащенной фракции предыдущей ступени. В ряде случаев используют каскады без сокращения потоков (т. наз. прямоугольные каскады). Аналогами прямоугольного каскада являются противоточные разделит. колонны, напр., ректификационные. В каскадах перемещение потоков между ступенями осуществляют с помощью насосов или др. устройств, в колоннах за счет конвекц. потоков, возникающих из-за различия плотностей, избыточного давления , электрич. потенциала или др. При этом в каждом поперечном сечении колонны изотопы перераспределяются между перемещающимися в противоположных направлениях потоками (в соответствии с элементарным разделит эффектом). Для достижения в прямоугольном каскаде (или в противоточной колонне) степеней разделения больших, чем в единичной операции (q > b ), часть выходящего с последней ступени обогащенного потока возвращают в каскад или колонну (рис. 2) проводят обращение потока (напр., испарение жидкости или конденсация пара при ректификации). Накопление целевого изотопа начинается на конце каскада (или колонны), где вследствие обращения потока контактирующие фракции или потоки выводятся из состояния равновесия . В результате в контакт с обогащенной фракцией данной ступени приходит фракция, имеющая несколько более высокое содержание целевого изотопа , чем обедненная фракция, уведенная с этой ступени. Послед. перераспределение изотопов приводит к увеличению концентрации изотопа по сравнению с исходной в обеих покидающих эту ступень фракциях. По мере протекания процесса обогащение на конце каскада увеличивается, из состояния равновесия выводятся все более удаленные от места обращения потока ступени и протяженность обогащенной части каскада растет. После достижения на конце каскада требуемой степени разделения начинают отбирать продукт. Далее каскад (или колонна) работает в стационарном режиме.

Рис. 2. Схемапротивоточной колонны с обращением потока.

Вследствие малых отличий a от 1, а также из-за низких для мн. элементов исходных концентраций целевого изотопа период накопления изотопа (пусковой период установки) составляет сотни и тысячи часов. Для характеристики эффективности колонн используют понятие высоты, эквивалентной теоретич. ступени (ВЭТС), - высоты участка колонны, на к-ром при стационарном режиме составы выходящих потоков связаны таким же соотношением, как в однократной разделит. операции. Для колонны или прямоугольного каскада макс. степень разделения достигается при работе без отбора продукта. В этих условиях q = a n , где п - число ступеней каскада или число эквивалентных ступеней разделения колонны. При работе с отбором продукта степень разделения снижается. Осн. характеристики процесса изотопов разделения зависят от a : производительность (кол-во продукта, получаемого в единицу времени) и lnq пропорциональны (a - 1), кол-во перерабатываемого в каскаде в-ва и энергетич. затраты обратно пропорциональны (a - 1) 2 , пусковой период сокращается при увеличении a . Как правило, для достижения нужного обогащения требуется большое число ступеней, переработка больших материальных потоков и большие затраты энергии. Поэтому очень важен выбор условий, при к-рых отличия a от 1 были бы максимальными. Для каждого метода характерна своя зависимость a от св-в разделяемых молекул и от условий разделения. В грубом приближении для большинства методов величина (a - 1) пропорциональна (М 1 - М 2)/М 1 , где M 1 и М 2 - массы изотопно различающихся молекул . Рассмотрим осн. методы, используемые для разделения изотопов .
Дистилляция . Изотопов разделение основано на различиях в равновесном составе жидкости и пара . Обычно соед., содержащее легкий изотоп , концентрируется в паре . Значение а равно отношению давлений насыщ. пара (летучестей) изотопно различающихся соед., оно уменьшается с повышением мол. массы и т-ры. Осуществляют изотопов разделение в противоточных колоннах. Применяется для пром. разделения изотопов водорода и, в меньших масштабах, В, С, N, О.
Изотопный обмен . Изотопов разделение обусловлено отличием от единицы константы равновесия обмена изотопами данного элемента между двумя соед., находящимися в контактирующих фазах (чаще всего жидкость и газ , но используются также системы жидкость жидкость , жидкость твердая фаза и газ - твердая фаза). Осуществляется в противоточных колоннах. Для обращения потоков применяют термич. или электрохим. разложение либо р-ции со вспомогат. в-вами. Напр., при концентрировании изотопа 10 В обменом между BF 3 и его соединением с анизолом последнее разлагают при нагр. и BF 3 возвращают в колонну. При разделении изотопов лития обменом между амальгамой и р-рами солей литий переводят в амальгаму электролизом р-ра соли на текущем ртутном электроде . При концентрировании изотопа 15 N обменом между HNO 3 и NO азотную к-ту восстанавливают диоксидом серы . В случае разделения изотопов водорода процессы изотопного обмена с обращением потока не применяют, т.к. более экономичной оказывается двухтемпературная схема (рис. 3), в к-рой вместо перевода всей обогащенной смеси в др. фазу путем превращ. одного соед. в другое используют изотопный обмен между теми же соед. (напр., Н 2 О и H 2 S) при более высокой т-ре (меньшем a ). В результате из покидающей холодную колонну фазы (Н 2 О) в поступающую фазу (H 2 S) переводится избыточное по сравнению с исходным кол-во накапливаемого изотопа . Обогащенная дейтерием вода выводится на границе холодной и горячей колонн. Изотопный обмен применяется для пром. разделения изотопов легких элементов: водорода , Li, В, N, С.

Рис. 3. Схемадвухтемпературного концентрирования дейтерия (Т 2 > T 1).

Центрифугирование . Изотопов разделение основано на распределении компонентов газовой смеси в центробежном поле. Осуществляется в противоточной газовой центрифуге , к-рая представляет собой узкий вертикальный цилиндр, вращающийся вокруг своей оси с большой скоростью. Тяжелый изотоп концентрируется на периферии цилиндра, легкий -вблизи его оси. Из-за различий плотности смесь перемещается вдоль оси вверх, а по периферии - вниз. В отличие от др. методов, а определяется абс. разностью масс разделяемых изотопов М 1 и М 2 , а не относительной (М 1 - M 2)/M 1 , поэтому метод применяется как для легких, так и для тяжелых элементов (С, Кr, Хе, U).
Эффузия газов . Метод основан на том, что при мол. истечении (эффузии) смеси изотопно замещенных молекул через пористую перегородку с отверстиями, диаметр к-рых меньше длины свободного пробега молекул газа , легкие молекулы проникают через перегородку быстрее, чем тяжелые. Макс. значение . Изотопов разделение осуществляют в каскаде ступеней. Каждая ступень представляет собой камеру, разделенную пористой перегородкой, по одну сторону к-рой насосом нагнетается газообразная разделяемая смесь. Проходящая через перегородку смесь оказывается обогащенной легким изотопом . Метод применяется для разделения изотопов Н, Не, С, а также для пром. концентрирования 235 U (в виде UF 6).
Macc-диффузия. Изотопов разделение основано на различии в скоростях диффузии изотопнозамещенных молекул газа в потоке вспомогат. разделительного пара . Вспомогат. пар должен обладать высоким коэф. диффузии в разделяемой смеси и легко отделяться от нее. Часто в качестве вспомогат. пара используют пары . Изотопов разделение осуществляется либо в каскаде ступеней (наз. насосами), либо в противоточной колонне. Ступень однократного действия представляет собой цилиндр, внутри к-рого соосно размещена цилиндрич. диафрагма с отверстиями диаметром ок. 10 мк (рис. 4). По центр. каналу движется вспомогат. пар , по кольцевому зазору между каналом и стенкой цилиндра в противоположном направлении разделяемая смесь. Молекулы смеси диффундируют в отверстиях диафрагмы через встречный поток вспомогат. пара . Выходящая из центр. канала часть смеси, увлекаемая вспомогат. паром , обогащена легким изотопом , выходящая из кольцевого канала тяжелым. В противоточной колонне вспомогат. пар подается равномерно по всей высоте колонны через трубку с отверстиями, помещенную вдоль оси, диффундирует сквозь отверстия к стенкам колонны и конденсируется. Элементарный разделит. эффект возникает в каждом поперечном сечении из-за диффузии изотопно замещенных молекул газообразной смеси к оси колонны. В результате у оси повышается концентрация легкого изотопа , у стенок - тяжелого. Различия в плотности, а также движение вниз по стенке пленки конденсата приводят к возникновению конвекц. потоков, направленных около оси вверх, а у стенок - вниз. Метод применяется для разделения изотопов Ne, Аr, С.


Рис. 4. Схема масс-диффузионной ступени: 1 - испаритель ; 2 - диафрагма; 3 - конденсац. поверхность; 4 - конденсатор.