ИЗОТО́ПОВ РАЗДЕЛЕ́НИЕ

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: $$U=P(2C_p-1)\ln \left(\frac{C_p}{1-C_p}\right)+$$ $$+W(2C_w-1)\ln \left(\frac{C_w}{1-C_w}\right)-$$ $$-F(2C_p-1)\ln \left(\frac{C_f}{1-C_f}\right),$$

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.