Изотопов разделение

ИЗОТОПОВ РАЗДЕЛЕНИЕ, увеличение или уменьшение содержания (обогащение или обеднение) определённого изотопа в смеси нескольких изотопов. Изотопов разделение основано на различиях физических и химических свойств изотопов и их соединений. Развитие методов изотопов разделения обусловлено главным образом развитием ядерной энергетики, для которой требовался уран, обогащённый по изотопу 235U. В свою очередь, освоение изотопов разделения открыло возможности для других многочисленных применений изотопов в физике, химии, биологии и технике.

Изотопов  разделение характеризуется коэффициентом разделения а, который в простейшем случае бинарной смеси определяется как α = [C1/(1-C1)]/[C0/(1-C0)], где С0 – концентрация одного из изотопов в исходном веществе, С1 - его концентрация в одном из выходных продуктов. Для изотопного обогащения важной характеристикой является коэффициент использования сырья, или коэффициент 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 различными изотопными составами, используется единица работы разделения ЕРР (Separative Work Unit - SWU), имеющая размерность килограмма. Работа разделения в ЕРР определяется по формуле:

Реклама

Изотопов разделение

где Р, W, F - массы обогащённого продукта, обеднённого отвала и израсходованного сырья соответственно, Ср, Cw и Cf -концентрации изотопа в продукте, отвале и сырье соответственно.

Для изотопов разделения применяют следующие группы методов: электромагнитные (включая плазменные), газодинамические, физико-химические и оптические (главным образом лазерные). Электромагнитные и оптические методы позволяют в однократном процессе с помощью единичного разделительного устройства - сепаратора - получать высокий коэффициент разделения α, достигающий нескольких тысяч. Для газодинамических и физико-химических методов изотопов разделения характерны низкие коэффициенты разделения в однократном процессе: α - 1 << 1, поэтому в этих методах для достижения заметного изотопного обогащения процесс многократно повторяется, для чего большое количество газодинамических сепараторов объединяют в каскады, а физико-химические процессы осуществляют в многоступенчатых колоннах.

Электромагнитные методы. Первый и применяемый до сих пор электромагнитный метод изотопов разделения использует принцип работы масс-спектрометра, основанный на различии траекторий движения в магнитном поле ускоренных ионов одинакового заряда, но различной массы. Сепараторы масс-спектрометрического типа могут разделять изотопы любых элементов и характеризуются высоким коэффициентом разделения. Их недостатками являются низкая производительность (десятки граммов в год), низкий коэффициент 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 другими методами, например большинство редкоземельных и благородных металлов.

К электромагнитной группе методов изотопов разделения 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 специальной формы. ИЦР-сепаратор обычно включает в себя сверхпроводящие магниты и другое сложное оборудование. Как и масс-спектрометрический, этот метод разделения применим для любых элементов, коэффициент извлечения целевого изотопа столь же низок. Однако ИЦР-метод более производителен, чем масс-спектрометрический, хотя достижимые с его помощью коэффициенты разделения меньше.

Газодинамические методы изотопов разделения подразделяются на диффузионные и центробежные. 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 производства обогащённого 235U. Для этого используется газообразный гексафторид урана UF6. Максимальный коэффициент разделения при диффузии молекул разных масс М1 и М2 равен: αмакс = √М12. Для 235U и 238U α = 1,0043, технически достижимый коэффициент разделения ещё меньше. Диффузионный метод изотопов разделения характеризуется высокой производительностью и удельным энергопотреблением, значительно меньшим, чем у электромагнитного.

В центробежном методе изотопов разделения газообразное рабочее вещество, содержащее молекулы различной 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. Изотопов  разделение с помощью газовых центрифуг - наиболее эффективный метод для промышленного разделения изотопов урана и многих других элементов. Первые разработки центрифуги для промышленного разделения изотопов урана были выполнены в СССР в конце 1940-х годов группой советских и немецких специалистов. Эти разработки стали основой для создания в СССР промышленности по обогащению урана.

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

Физико-химические методы используют малые различия физико-химических свойств веществ - летучести, скорости химических реакций и др., - которые определяются изотопным составом молекул. Наиболее эффективными процессами для этих методов являются ректификация и изотопный обмен. Разделительная способность физико-химических методов определяется отношением масс разделяемых молекул, поэтому они используются для промышленного производства изотопов элементов малых и средних масс: Н, В, С, N, О. Например, основное количество тяжёлой воды D2О, произведённое в мире, получено методом изотопного обмена. Производительность промышленных установок достигает 800 тонн тяжёлой воды в год. Для получения продукта с высоким изотопным обогащением процесс многократно повторяют в разделительных колоннах многометровой высоты. При промышленном разделении изотопов лёгких элементов такие колонны успешно конкурируют с центрифугами.

Оптические методы основаны на различиях оптических 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. Оптические 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 электрического поля и собираются на отдельный коллектор. В молекулярных процессах изотопов разделения селективно возбуждённые молекулы вступают в химическую реакцию и отделяются от невозбуждённых молекул химическими методами. Для разделения изотопов ртути фотохимическим 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 изотопов разделения могут быть эффективнее центробежных при извлечении из многокомпонентной изотопной смеси изотопов средних масс, например для удаления из облучённого ядерного топлива изотопов 232U, 234U и 236U, мешающих его вторичному использованию.

Лит.: Синев Н. М. Экономика атомной энергетики. 3-е изд. М., 1987; Изотопы: свойства, получение, применение / Под редакцией В. Ю. Баранова. М., 2005. Т. 1-2.

Л. В. Инжечик.