ИЗОТОПОВ РАЗДЕЛЕНИЕ

Разделение изотопов — Основные используемые методы разделения изотопов

ИЗОТОПОВ РАЗДЕЛЕНИЕ
01 марта 2011

1. Разделение изотопов

2. Основные используемые методы разделения изотопов

  • Электромагнитное разделение
  • Газовая диффузия
  • Жидкостная термодиффузия
  • Газовое центрифугирование
  • Аэродинамическая сепарация
  • Лазерное разделение изотопов
  • Химическое обогащение
  • Дистилляция
  • Электролиз
  • Фотохимическое разделение

В любом случае, количество произведенного обогащенного материала зависит от желаемой степени обогащения и обеднения выходных потоков.

Если исходное вещество имеется в большом количестве и дешево, то производительность каскада можно увеличить за счет отбрасывания вместе с отходами и большого количества неизвлеченного полезного элемента.

При необходимости достигается большая степень извлечения изотопа из материала-сырца.

Электромагнитное разделение

Метод электромагнитного разделения основан на различном действии магнитного поля на одинаково электрически заряженные частицы различной массы.

По сути дела такие 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.

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.

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. Поэтому газодиффузионные обогатительные предприятия — циклопические по размерам, состоящие из тысяч ступеней обогащения.

Жидкостная термодиффузия

В этом случае опять же, используется различие в скоростях движения молекул. Более легкие 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 легких элементов. Несмотря на свою простоту, в этом методе требуются большие энергозатраты для создания и поддержания нагрева.

Поэтому широко не применяется.

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.

Аэродинамическая сепарация

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

Лазерное разделение изотопов

Различные изотопы поглощают свет с немного различной длиной волны. При помощи точно настроенного лазера можно избирательно ионизировать атомы какого-то определенного изотопа.

Получившиеся ионы можно легко отделить, допустим, магнитным полем. Такая технология имеет чрезвычайную эффективность и применялась в ЮАР, КНР, США и Франции.

Технология имеет большой недостаток, а именно трудность в перестройке аппаратуры с одного изотопа на другой.

Химическое обогащение

Химическое обогащение использует разницу в скорости протекания химических реакций с различными изотопами. Лучше всего оно работает при разделении легких элементов, где разница значительна. В промышленном производстве применяются реакции, идущие с двумя реактивами, находящимися в различных фазах. Это позволяет легко разделять обогащенный и обедненный потоки.

Используя дополнительно разницу температур между фазами, достигается дополнительный рост коэффициента разделения. На сегодня химическое разделение — самая энергосберегающая технология получения тяжелой воды. Кроме производства дейтерия, оно применяется для извлечения Li-6.

Во Франции и Японии разрабатывались методы химического обогащения урана, так и не дошедшие до промышленного освоения.

Дистилляция

Дистилляция 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 легких элементах. Дистилляция успешно применяется для производства тяжелой воды.

Электролиз

Единственная сфера применения электролиза — производство тяжёлой воды. При электролизе воды разделяются на газы в основном «легкие» молекулы. Этот самый эффективный метод получения дейтерия требует такого количества энергии, что по экономическим соображениям, если он и задействуется, то на поздних стадиях очистки.

ИЗОТО́ПОВ РАЗДЕЛЕ́НИЕ

ИЗОТОПОВ РАЗДЕЛЕНИЕ

Авторы: Л. B. Инжечик

ИЗОТО́ПОВ РАЗДЕЛЕ́НИЕ, уве­ли­че­ние или умень­ше­ние со­дер­жа­ния (обо­га­ще­ние или обед­не­ние) оп­ре­де­лён­но­го изо­то­па в сме­си не­сколь­ких изо­то­пов. И. р. ос­но­ва­но на раз­ли­чи­ях фи­зич. и хи­мич. cвойств изо­то­пов и их со­еди­не­ний. Раз­ви­тие ме­то­дов И. р.

обу­слов­ле­но гл. обр. раз­ви­ти­ем ядер­ной энер­ге­ти­ки, для ко­то­рой тре­бо­вал­ся уран, обо­га­щён­ный по изо­то­пу $ce{{235}U}$. В свою оче­редь, ос­вое­ние И. р. от­кры­ло воз­мож­но­сти для дру­гих мно­го­числ.

при­ме­не­ний изо­то­пов в фи­зи­ке, хи­мии, био­ло­гии и тех­ни­ке.

И. р. ха­рак­те­ри­зу­ет­ся ко­эф. раз­де­ле­ния $α$, ко­то­рый в про­стей­шем слу­чае би­нар­ной сме­си оп­ре­де­ля­ет­ся как $α=frac{C_1/(1-C_1)}{C_0/(1-C_0)}$

, где $C_0$ – кон­цен­тра­ция од­но­го из изо­то­пов в ис­ход­ном ве­ще­стве, $C_1$ – его кон­цен­тра­ция в од­ном из вы­ход­ных про­дук­тов. Для изо­топ­но­го обо­га­ще­ния важ­ной ха­рак­те­ри­сти­кой яв­ля­ет­ся ко­эф. ис­поль­зо­ва­ния сы­рья, или ко­эф.

из­вле­че­ния, ко­то­рый обо­зна­ча­ет до­лю це­ле­во­го изо­то­па, по­па­даю­ще­го из сы­рья в обо­га­щён­ную фрак­цию. В ка­чест­ве ме­ры уси­лий, за­тра­чи­вае­мых на раз­де­ле­ние дан­но­го ко­ли­че­ст­ва ма­те­риа­ла ис­ход­но­го изо­топ­но­го со­ста­ва на две фрак­ции с разл.

изо­топ­ны­ми со­ста­ва­ми, ис­поль­зу­ет­ся еди­ни­ца ра­бо­ты раз­де­ле­ния ЕРР (Separative Work Unit – SWU), имею­щая раз­мер­ность ки­ло­грам­ма.

Ра­бо­та раз­де­ле­ния в ЕРР оп­ре­де­ля­ет­ся по фор­му­ле: $$U=P(2C_p-1)ln left(frac{C_p}{1-C_p}
ight)+$$ $$+W(2C_w-1)ln left(frac{C_w}{1-C_w}
ight)-$$ $$-F(2C_p-1)ln left(frac{C_f}{1-C_f}
ight),$$

где $P,, W,, F$ – мас­сы обо­га­щён­но­го про­дук­та, обед­нён­но­го от­ва­ла и из­рас­хо­до­ван­но­го сы­рья со­от­вет­ст­вен­но, $C_p,, C_w, и, C_f$ – кон­цен­тра­ции изо­то­па в про­дук­те, от­ва­ле и сы­рье со­от­вет­ст­вен­но.

Для И. р. при­ме­ня­ют сле­дую­щие груп­пы ме­то­дов: элек­тро­маг­нит­ные (вклю­чая плаз­мен­ные), га­зо­ди­на­мич., фи­зи­ко-хи­мич. и оп­тич. (гл. обр. ла­зер­ные). Элек­тро­маг­нит­ные и оп­тич.

ме­то­ды по­зво­ля­ют в од­но­крат­ном про­цес­се с по­мо­щью еди­нич­но­го раз­де­ли­тель­но­го уст­рой­ст­ва – се­па­ра­то­ра – по­лу­чать вы­со­кий ко­эф. раз­де­ле­ния $α$, дос­ти­гаю­щий не­сколь­ких ты­сяч. Для га­зо­ди­на­мич. и фи­зи­ко-хи­мич. ме­то­дов И. р.

ха­рак­тер­ны низ­кие ко­эф. раз­де­ле­ния в од­но­крат­ном про­цес­се: $α-1≪1$, по­это­му в этих ме­то­дах для дос­ти­же­ния за­мет­но­го изо­топ­но­го обо­га­ще­ния про­цесс мно­го­крат­но по­вто­ря­ет­ся, для че­го боль­шое ко­ли­че­ст­во га­зо­ди­на­мич.

се­па­ра­то­ров объ­е­ди­ня­ют в кас­ка­ды, а фи­зи­ко-хи­мич. про­цес­сы осу­ще­ст­в­ля­ют в мно­го­сту­пен­ча­тых ко­лон­нах.

Электромагнитные методы

Пер­вый и при­ме­няе­мый до сих пор элек­тро­маг­нит­ный ме­тод И. р. ис­поль­зу­ет прин­цип ра­бо­ты масс-спек­тро­мет­ра, ос­но­ван­ный на раз­ли­чии тра­ек­то­рий дви­же­ния в маг­нит­ном по­ле ус­ко­рен­ных ио­нов оди­на­ко­во­го за­ря­да, но разл. мас­сы.

Се­па­рато­ры масс-спек­тро­мет­рич. ти­па мо­гут раз­де­лять изо­то­пы лю­бых эле­мен­тов и ха­рак­те­ри­зу­ют­ся вы­со­ким ко­эф. раз­де­ле­ния. Их не­дос­тат­ка­ми яв­ля­ют­ся низ­кая про­из­во­ди­тель­ность (де­сят­ки грам­мов в год), низ­кий ко­эф.

из­вле­че­ния це­ле­во­го изо­то­па (не бо­лее еди­ниц про­цен­тов) и вы­со­кое удель­ное энер­го­по­треб­ле­ние, что оп­ре­де­ля­ет вы­со­кую стои­мость изо­то­пов, по­лу­чен­ных этим ме­то­дом. Од­на­ко су­ще­ст­ву­ют эле­мен­ты, изо­то­пы ко­то­рых не раз­де­ля­ют­ся др. ме­то­да­ми, напр.

боль­шин­ст­во ред­ко­зе­мель­ных и бла­го­род­ных ме­тал­лов.

К элек­тро­маг­нит­ной груп­пе ме­то­дов И. р. от­но­сят так­же плаз­мен­ные ме­то­ды и пре­ж­де все­го ме­тод ион-цик­ло­трон­но­го ре­зо­нан­са (ИЦР-ме­тод). Он ос­но­ван на из­ме­не­нии тра­ек­то­рии ио­нов, дви­жу­щих­ся в по­то­ке плаз­мы вдоль маг­нит­ного по­ля.

При об­лу­че­нии плаз­мы ра­дио­час­тот­ным элек­тро­маг­нит­ным по­лем ре­зо­нанс­ной (для ио­нов дан­ной мас­сы) час­то­ты эти ио­ны на­чи­на­ют дви­гать­ся по рас­кру­чи­ваю­щей­ся спи­ра­ли и мо­гут быть от­де­ле­ны от не­ре­зо­нанс­ных с по­мо­щью кол­лек­то­ра спец. фор­мы.

ИЦР-се­па­ра­тор обыч­но вклю­ча­ет в се­бя сверх­про­во­дя­щие маг­ни­ты и др. слож­ное обо­ру­до­вание. Как и масс-спек­тро­мет­ри­чес­кий, этот ме­тод раз­де­ле­ния при­ме­ним для лю­бых эле­мен­тов, ко­эф. из­вле­че­ния це­ле­во­го изо­то­па столь же ни­зок.

Од­на­ко ИЦР-ме­тод бо­лее про­из­во­ди­те­лен, чем масс-спек­тро­мет­ри­чес­кий, хо­тя дос­ти­жи­мые с его по­мо­щью ко­эф­фи­ци­ен­ты раз­де­ле­ния мень­ше.

Газодинамические методы

И. р. под­раз­де­ля­ют­ся на диф­фу­зи­он­ный и цен­тро­беж­ный. Для при­ме­не­ния этих ме­то­дов не­об­хо­ди­мо на­ли­чие га­зо­об­раз­но­го со­еди­не­ния эле­мен­та, изо­то­пы ко­то­ро­го нуж­но раз­де­лять.

В диф­фу­зи­он­ном ме­то­де ис­поль­зу­ет­ся раз­ли­чие ско­ро­сти га­зо­вой диф­фу­зии мо­ле­кул раз­ных масс сквозь по­рис­тую пе­ре­го­род­ку. Диф­фу­зи­он­ный про­цесс раз­де­ле­ния изо­то­пов ура­на стал ос­но­вой пер­во­го ин­ду­ст­ри­аль­но­го про­из-ва обо­га­щён­но­го $ce{{235}U}$.

Для это­го ис­поль­зу­ет­ся га­зо­об­раз­ный гек­са­фто­рид ура­на $ce{UF_6}$. Макс. ко­эф. раз­де­ле­ния при диф­фу­зии мо­ле­кул раз­ных масс $M_1$ и $M_2$ ра­вен: $α_{макс} =sqrt{M_1/M_2}$. Для $ce{{235}U}$ и $ce{{238}U}$ $α = 1,0043$, тех­ни­че­ски дос­ти­жи­мый ко­эф. раз­де­ле­ния ещё мень­ше. Диф­фу­зи­он­ный ме­тод И.

 р. ха­рак­те­ри­зу­ет­ся вы­со­кой про­из­во­ди­тель­но­стью и удель­ным энер­го­по­треб­ле­ни­ем, зна­чи­тель­но мень­шим, чем у элек­тро­маг­нит­но­го.

В цен­тро­беж­ном ме­то­де И. р. га­зо­об­раз­ное ра­бо­чее ве­ще­ст­во, со­дер­жа­щее мо­ле­ку­лы разл. мас­сы, под­вер­га­ет­ся воз­дей­ст­вию по­ля цен­тро­беж­ных сил, воз­ни­каю­щих при по­во­ро­те струи га­за или при вра­ще­нии га­за. Бо­лее тя­жё­лые мо­ле­ку­лы кон­цен­три­ру­ют­ся у пе­ри­фе­рии цен­три­фу­ги, а лёг­кие – у оси. И. р.

с по­мо­щью га­зо­вых цен­три­фуг – наи­бо­лее эф­фек­тив­ный ме­тод для пром. раз­де­ле­ния изо­то­пов ура­на и мн. др. эле­мен­тов. Пер­вые раз­ра­бот­ки цен­три­фу­ги для пром. раз­де­ле­ния изо­то­пов ура­на бы­ли вы­пол­не­ны в СССР в кон. 1940-х гг. груп­пой сов. и нем. спе­циа­ли­стов.

Эти раз­ра­бот­ки ста­ли ос­но­вой для соз­да­ния в СССР пром-сти по обо­га­ще­нию ура­на.

Раз­де­ли­тель­ная спо­соб­ность еди­нич­ной цен­три­фу­ги мо­жет дос­ти­гать ве­ли­чи­ны от 12 ЕРР/год до 40 ЕРР/год в зави­си­мо­сти от кон­ст­рук­ции. Се­бе­стои­мость И. р. с по­мо­щью цен­три­фуг бо­лее чем на по­ря­док ни­же се­бе­стои­мо­сти диф­фу­зи­он­ной тех­но­ло­гии.

Физико-химические методы

ис­поль­зу­ют ма­лые раз­ли­чия фи­зи­ко-хи­мич. свойств ве­ществ – ле­ту­че­сти, ско­ро­сти хи­мич. ре­ак­ций и др., – ко­то­рые оп­ре­де­ля­ют­ся изо­топ­ным со­ста­вом мо­ле­кул. Наи­бо­лее эф­фек­тив­ны­ми про­цес­са­ми для этих ме­то­дов яв­ля­ют­ся рек­ти­фи­ка­ция и изо­топ­ный об­мен. Раз­де­ли­тель­ная спо­соб­ность фи­зи­ко-хи­мич.

ме­то­дов оп­ре­де­ля­ет­ся от­но­ше­ни­ем масс раз­де­ляе­мых мо­ле­кул, по­это­му они ис­поль­зу­ют­ся для пром. про­из­вод­ст­ва изо­то­пов эле­мен­тов ма­лых и сред­них масс: $ce{H,, B,, C,, N,, O}$. Напр., ос­нов­ное ко­ли­че­ст­во тя­жё­лой во­ды $ce{D_2O}$, про­из­ве­дён­ное в ми­ре, по­лу­че­но ме­то­дом изо­топ­но­го об­ме­на.

Про­из­во­ди­тель­ность пром. ус­та­но­вок дос­ти­га­ет 800 т тя­жё­лой во­ды в год. Для по­лу­че­ния про­дук­та с вы­со­ким изо­топ­ным обо­га­ще­ни­ем про­цесс мно­го­крат­но по­вто­ря­ют в раз­де­ли­тель­ных ко­лон­нах мно­го­мет­ро­вой вы­со­ты. При пром.

раз­де­ле­нии изо­то­пов лёг­ких эле­мен­тов та­кие ко­лон­ны ус­пеш­но кон­ку­ри­ру­ют с цен­три­фу­га­ми.

Оптические методы

ос­но­ва­ны на раз­ли­чи­ях оп­тич. спек­тров изо­то­пов или мо­ле­кул раз­но­го изо­топ­но­го со­ста­ва. Воз­дей­ст­вуя на изо­топ­ную смесь ре­зо­нанс­но на­стро­ен­ным ис­точ­ни­ком све­та, мож­но се­лек­тив­но воз­бу­ж­дать или ио­ни­зи­ро­вать ато­мы или мо­ле­ку­лы с оп­ре­де­лён­ным изо­то­пом и за­тем фи­зи­че­ски или хи­ми­че­ски их раз­де­лять. Оп­тич.

ме­то­ды под­раз­де­ля­ют­ся на две груп­пы: ато­мар­ные и мо­ле­ку­ляр­ные. Пер­вые ос­но­ва­ны на мно­го­фо­тон­ной се­лек­тив­ной ио­ни­за­ции ато­мов це­ле­во­го изо­то­па в по­то­ке ато­мар­но­го па­ра изо­топ­ной сме­си. Ио­ни­зо­ван­ные ато­мы из­вле­кае­мо­го изо­то­па от­кло­ня­ют­ся от пуч­ка ней­траль­ных ато­мов с по­мо­щью элек­трич.

по­ля и со­би­ра­ют­ся на от­дель­ный кол­лек­тор. В мо­леку­ляр­ных про­цес­сах И. р. се­лек­тив­но воз­бу­ж­дён­ные мо­ле­ку­лы всту­па­ют в хи­мич. ре­ак­цию и от­де­ля­ют­ся от не­воз­бу­ж­дён­ных мо­ле­кул хи­мич. ме­то­да­ми. Для раз­де­ле­ния изо­то­пов рту­ти фо­то­хи­мич. ме­то­дом мо­жет быть ис­поль­зо­ван свет мощ­ной ртут­ной лам­пы.

Для ос­таль­ных эле­мен­тов не­об­хо­ди­мы ла­зер­ные ис­точ­ни­ки све­та с бо­лее уз­кой ли­ни­ей и боль­шей спек­траль­ной плот­но­стью из­лу­че­ния. Ла­зер­ные ме­то­ды И. р. мо­гут быть эф­фек­тив­нее цен­тро­беж­ных при из­вле­че­нии из мно­го­ком­по­нент­ной изо­топ­ной сме­си изо­то­пов сред­них масс, напр.

для уда­ле­ния из об­лу­чён­но­го ядер­но­го то­п­ли­ва изо­то­пов $ce{{232}U,, {234}U, и, {236}U}$, ме­шаю­щих его вто­рич­но­му ис­поль­зо­ва­нию.

Разделение изотопов

ИЗОТОПОВ РАЗДЕЛЕНИЕ

Разделение изотопов (например извлечение Li-6, U-235, D) всегда сопряжено со значительными трудностями, ибо изотопы, представляющие собой чуть 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, различии 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.

Поясним второй фактор. На каждой из стадий обогащения поток разделяется на две части — обогащенную и обедненную нужным изотопом.

Поскольку степень обогащения чрезвычайно низка, суммарная масса изотопа в отработанной породе может легко превысить его массу в обогащенной части.

Для исключения такой потери ценного сырья обедненный 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 выводиться в утиль сильно обедненный по основному изотопу материал.

Основные используемые методы разделения изотопов

  • Электромагнитное разделение
  • Газовая диффузия
  • Жидкостная термодиффузия
  • Газовое центрифугирование
  • Аэродинамическая сепарация
  • AVLIS (испарение с использованием лазера)
  • Химическое обогащение
  • Дистилляция
  • Электролиз

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

Электромагнитное разделение

Метод электромагнитного разделения основан на различном действии магнитного поля на заряженные частицы различной массы массы. По сути дела такие 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.

Тем не менее, во время второй мировой войны была построена установка Y-12, вышедшая с января 1945 на мощность 204 грамм 80% U-235 в день.

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. {Фотографии американских предприятий по обогащению урана K-25 и Y-12 здесь.}

Жидкостная термодиффузия

В этом случае опять же, используется различие в скоростях движения молекул. Более легкие 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 легких элементов. Несмотря на свою простоту, в этом методе требуются большие энергозатраты для создания и поддержания нагрева.

Поэтому широко не применяется.

Газовое центрифугирование

Впервые эта технология была разработана в Германии, во время второй мировой, но промышленно нигде не применялась до начала 60-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 до 600 м/с в усовершенствованных центрифугах.

Типичный коэффециент 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 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 подается под большим давлением. Эта технология, основанная на вихревом эффекте, использовалась ЮАР и Германией.

AVLIS (испарение с использованием лазера)

Различные изотопы поглощают свет с немного различной длиной волны. При помощи точно настроенного лазера можно избирательно ионизировать атомы какого-то определенного изотопа. Получившиеся ионы можно легко отделить, допустим, магнитным полем.

Такая технология имеет чрезвычайную эффективность, однако в промышленных масштабах пока не применяется. Технология, разрабатываемая в США, но до сих пор не развита далее опытных образцов.

Имеет большой недостаток, а именно трудность в перестройке аппаратуры с одного изотопа на другой.

Химическое обогащение

Химическое обогащение использует разницу в скорости протекания химических реакций с различными изотопами. Лучше всего оно работает при разделении легких элементов, где разница значительна.

В промышленном производстве применяются реакции, идущие с двумя реактивами, находящимися в различных фазах (газ/жидкость, жидкость/твердое вещество, несмешивающиеся жидкости). Это позволяет легко разделять обогащенный и обедненный потоки.

Используя дополнительно разницу температур между фазами, достигается дополнительный рост коэффициента разделения. На сегодня химическое разделение — самая энергосберегающая технология получения тяжелой воды. Кроме производства дейтерия, оно применяется для извлечения Li-6.

Во Франции и Японии разрабатывались методы химического обогащения урана, так и не дошедшие до промышленного освоения.

Дистилляция

Дистилляция (перегонка) использует различие в скорости испарения различных по массе изотопов. Чем меньше масса атома — тем быстрее будет испаряться этот изотоп. Лучше всего это работает опять же, на легких элементах. Дистилляция успешно применяется для производства тяжелой воды.

Электролиз

Единственная сфера применения электролиза — производство тяжёлой воды. При электролизе воды разделяются на газы в основном «легкие» молекулы (с обычным водородом). Этот самый эффективный метод получения дейтерия (коэффициент разделения более 7) требует такого количества энергии, что по экономическим соображениям, если он и задействуется, то на поздних стадиях очистки.

Категории:

План:

    Введение

  • 1 Общие принципы
  • 2 Основные используемые методы разделения изотопов
    • 2.1 Электромагнитное разделение
    • 2.2 Газовая диффузия
    • 2.3 Жидкостная термодиффузия
    • 2.4 Газовое центрифугирование
    • 2.5 Аэродинамическая сепарация
    • 2.

      6 Лазерное разделение изотопов (ЛРИ)

    • 2.7 Химическое обогащение
    • 2.8 Дистилляция
    • 2.

      9 Электролиз

  • Примечания

Разделение изотопов — технологический процесс, в котором из материала, состоящего из смеси различных изотопов одного химического элемента, выделяются отдельные изотопы этого элемента.

Основное применение процесса разделения изотопов — производство ядерного топлива, оружейных радиоактивных материалов и прочие приложения, связанные с использованием радиоактивных веществ. В таких случаях разделение обычно преследует цель обогащения или обеднения материала определёнными радиоактивными изотопами.

1. Общие принципы

Разделение изотопов (например извлечение 6Li, 235U, D) 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.

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 — обогащенную и обедненную нужным изотопом.

Поскольку степень обогащения чрезвычайно низка, суммарная масса изотопа в отработанной породе может легко превысить его массу в обогащенной части.

Для исключения такой потери ценного сырья обедненный 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 обедненный по основному изотопу материал.

2. Основные используемые методы разделения изотопов

  • Электромагнитное разделение
  • Газовая диффузия
  • Жидкостная термодиффузия
  • Газовое центрифугирование
  • Аэродинамическая сепарация
  • Лазерное разделение изотопов
  • Химическое обогащение
  • Дистилляция
  • Электролиз
  • Фотохимическое разделение

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

2.1. Электромагнитное разделение

Метод электромагнитного разделения основан на различном действии магнитного поля на одинаково электрически заряженные частицы различной массы.

По сути дела такие 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.

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.

2.2. 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.

2.3. Жидкостная термодиффузия

В этом случае опять же, используется различие в скоростях движения молекул. Более легкие 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 легких элементов. Несмотря на свою простоту, в этом методе требуются большие энергозатраты для создания и поддержания нагрева.

Поэтому широко не применяется.

2.4. 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.

2.5. Аэродинамическая сепарация

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

2.6. Лазерное разделение изотопов (ЛРИ)

Различные изотопы поглощают свет с немного различной длиной волны. При помощи точно настроенного лазера можно избирательно ионизировать атомы какого-то определенного изотопа.

Получившиеся ионы можно легко отделить, допустим, магнитным полем. Такая технология имеет чрезвычайную эффективность и применялась в ЮАР (MLIS), КНР (CRISLA), США (AVLIS) и Франции (SILVA).

[1] Технология имеет большой недостаток, а именно трудность в перестройке аппаратуры с одного изотопа на другой.

2.7. Химическое обогащение

Химическое обогащение использует разницу в скорости протекания химических реакций с различными изотопами. Лучше всего оно работает при разделении легких элементов, где разница значительна.

В промышленном производстве применяются реакции, идущие с двумя реактивами, находящимися в различных фазах (газ/жидкость, жидкость/твердое вещество, несмешивающиеся жидкости). Это позволяет легко разделять обогащенный и обедненный потоки.

Используя дополнительно разницу температур между фазами, достигается дополнительный рост коэффициента разделения. На сегодня химическое разделение — самая энергосберегающая технология получения тяжелой воды. Кроме производства дейтерия, оно применяется для извлечения Li-6.

Во Франции и Японии разрабатывались методы химического обогащения урана, так и не дошедшие до промышленного освоения.

2.8. 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 легких элементах. Дистилляция успешно применяется для производства тяжелой воды.

2.9. Электролиз

Единственная сфера применения электролиза — производство тяжёлой воды. При электролизе воды разделяются на газы в основном «легкие» молекулы (с обычным водородом). Этот самый эффективный метод получения дейтерия (коэффициент разделения более 7) требует такого количества энергии, что по экономическим соображениям, если он и задействуется, то на поздних стадиях очистки.

Примечания

  1. Обогащение Урана в Мире — www.ieer.org/ensec/no-31/no31russ/uenrichtable.html

скачать
Данный реферат составлен на основе статьи из русской Википедии. Синхронизация выполнена 11.07.

11 16:09:38
Похожие рефераты: Распространённость изотопов, Список изотопов с собственными названиями, Фракционирование радиогенных изотопов и изобаров, Разделение, Разделение организации, Разделение церквей, Разделение Кореи, Разделение ответственности, Разделение секрета.

Категории: Ядерная химическая технология, Ядерная энергетика, Производственные процессы и операции, Изотопы.

Текст доступен по лицензии Creative Commons Attribution-ShareA.

Поделиться:
Нет комментариев

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.

×
Рекомендуем посмотреть