ИЗОТО́ПОВ РАЗДЕЛЕ́НИЕ
-
Рубрика: Физика
-
-
Скопировать библиографическую ссылку:
Книжная версия:
Электронная версия:
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 U235. 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}\right)+ +W(2C_w-1)\ln \left(\frac{C_w}{1-C_w}\right)- -F(2C_p-1)\ln \left(\frac{C_f}{1-C_f}\right),
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.