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=C1/(1−C1)C0/(1−C0)
, где C0 – концентрация одного из изотопов в исходном веществе, C1 – 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(2Cp−1)ln(Cp1−Cp)+ +W(2Cw−1)ln(Cw1−Cw)− −F(2Cp−1)ln(Cf1−Cf),
где P,W,F – массы обогащённого продукта, обеднённого отвала и израсходованного сырья соответственно, Cp,CwиCf – 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 U235. Для этого используется газообразный гексафторид урана UF6. Макс. коэф. разделения при диффузии молекул разных масс M1 и M2 равен: αмакс=√M1/M2. Для U235 и U238 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: H,B,C,N,O. Напр., основное количество тяжёлой воды D2O, 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 U232,U234иU236, мешающих его вторичному использованию.