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).