Поділ ізотопів

Поділ ізотопів - технологічний процес, у якому з матеріалу, що складається із суміші різних ізотопів одного хімічного елемента, виділяються окремі ізотопи цього елемента. Основне застосування процесу розділення ізотопів - виробництво ядерного палива, збройових радіоактивних матеріалів, та інші застосування, пов'язані з використанням радіоактивних речовин. У таких випадках поділ зазвичай переслідує мету збагачення або збіднення матеріалу певними радіоактивними ізотопами.


1. Загальні принципи

Поділ ізотопів (наприклад витяг 6 Li, 235 U, D) завжди пов'язане зі значними труднощами, бо ізотопи, що представляють собою мало відрізняються по масі варіації одного елемента, хімічно поводяться практично однаково. Але - швидкість проходження деяких реакцій відрізняється в залежності від ізотопу елемента, крім того, можна використовувати відмінність у їх фізичних властивостях - наприклад в масі.

Як би там не було, відмінності в поведінці ізотопів настільки малі, що за одну стадію поділу, речовина збагачується на соті частки відсотка і повторювати процес поділу доводиться знову і знову - величезна кількість разів.

На продуктивність подібної каскадної системи впливають дві причини: ступінь збагачення на кожній із ступенів і втрати шуканого ізотопу в відхідну потоці.

Пояснимо другий фактор. На кожній із стадій збагачення потік розділяється на дві частини - збагаченого та збідненого потрібним ізотопом. Оскільки ступінь збагачення надзвичайно низька, сумарна маса ізотопу в відпрацьованої породи може легко перевищити його масу в збагаченої частини. Для виключення такої втрати цінної сировини збіднений потік кожної наступної щаблі потрапляє знову на вхід попередньої.

Вихідний матеріал не поступає на першу стадію каскаду. Він вводиться в систему відразу на деяку, n-у сходинку. Завдяки цьому з першої сходинки виводиться в утиль сильно збіднений за основним ізотопу матеріал.


2. Основні використовувані методи розділення ізотопів

У будь-якому випадку, кількість виробленого збагаченого матеріалу залежить від бажаного ступеня збагачення і збіднення вихідних потоків. Якщо вихідна речовина є у великій кількості і дешево, то продуктивність каскаду можна збільшити за рахунок відкидання разом з відходами та великої кількості витягуванні корисного елемента (приклад - виробництво дейтерію зі звичайної води). При необхідності досягається велика ступінь вилучення ізотопу з матеріалу-сирцю (наприклад, при збагаченні урану або плутонію).


2.1. Електромагнітне поділ

Метод електромагнітного розділення заснований на різному дії магнітного поля на однаково електрично заряджені частинки різної маси. По суті справи такі установки, звані калютронамі, є величезними мас-спектрометрами. Іони поділюваних речовин, рухаючись в сильному магнітному полі, закручуються з радіусами, пропорційними їх масам і потрапляють в приймачі, де і накопичуються.

Цей метод дозволяє розділяти будь-які комбінації ізотопів, володіє дуже високим ступенем розподілу. Зазвичай достатньо двох проходів для отримання ступеня збагачення вище 80% з бідного речовини (з вихідним вмістом бажаного ізотопу менше 1%). Однак електромагнітне поділ погано пристосоване для промислового виробництва: велика частина речовин осідає всередині калютрона, так що його доводиться періодично зупиняти на обслуговування. Решта недоліки - велике енергоспоживання, складність і дорожнеча технічного обслуговування, низька продуктивність. Основна сфера застосування методу - отримання невеликих кількостей чистих ізотопів для лабораторного застосування. Тим не менше, під час другої світової війни була побудована установка Y-12, що вийшла з січня 1945 на потужність 204 грама 80% U-235 в день.


2.2. Газова дифузія

Цей метод використовує різниця у швидкостях руху різних за масою молекул газу. Зрозуміло, що він буде підходити тільки для речовин, що знаходяться в газоподібному стані.

При різних швидкостях руху молекул, якщо змусити їх рухатися через тонку трубочку, більш швидкі та легкі з них обженуть більш важкі. Для цього трубка повинна бути настільки тонка, щоб молекули рухалися по ній поодинці. Таким чином, ключовий момент тут - виготовлення пористих мембран для поділу. Вони повинні не допускати витоків, витримувати надмірний тиск.

Для деяких легких елементів ступінь поділу може бути досить велика, але для урану - тільки 1.00429 (вихідний потік кожному ступені збагачується в 1.00429 рази). Тому газодифузійних збагачувальні підприємства - циклопічні за розмірами, що складаються з тисяч ступенів збагачення.


2.3. Рідинна термодифузія

У цьому випадку знову ж, використовується відмінність в швидкостях руху молекул. Більш легкі з них при існуванні різниці температури мають властивість виявлятися в більш нагрітої області. Коефіцієнт поділу залежить від ставлення різниці маси ізотопів до загальної маси і більший для легких елементів. Незважаючи на свою простоту, в цьому методі потрібні великі енерговитрати для створення і підтримки нагріву. Тому широко не застосовується.

2.4. Газове центрифугування

Вперше ця технологія була розроблена в Німеччині, під час другої світової, але промислово ніде не застосовувалася до початку 50-х. Якщо газоподібну суміш ізотопів пропускати через високошвидкісні газові центрифуги, то відцентрова сила розділить більш легкі або важкі частки на шари, де їх і можна буде зібрати. Велика перевага центрифугування складається в залежності коефіцієнта поділу від абсолютної різниці в масі, а не від відношення мас. Центрифуга однаково добре працює і з легкими, і з важкими елементами. Ступінь поділу пропорційна квадрату відносини швидкості обертання до швидкості молекул в газі. Звідси дуже бажано якнайшвидше розкрутити центрифугу. Типові лінійні швидкості обертових роторів - 250-350 м / с, і більше 600 м / с у вдосконалених центрифугах.

Типовий коефіцієнт сепарації - 1.01 - 1.1. У порівнянні з газодифузійних установками цей метод має зменшене енергоспоживання, велику легкість в нарощуванні потужності. В даний час газове центрифугування - основний промисловий метод розділення ізотопів в Росії.


2.5. Аеродинамічна сепарація

Цей спосіб можна розглядати як варіант центрифугування, але замість закручування газу в центрифузі, він завихряется при виході зі спеціальної форсунки, куди подається під тиском. Ця технологія, заснована на вихровому ефекті, використовувалася ПАР і Німеччиною.

2.6. Лазерне поділ ізотопів (лри)

Різні ізотопи поглинають світло з трохи різною довжиною хвилі. За допомогою точно налаштованого лазера можна вибірково іонізувати атоми якогось певного ізотопу. Утворені іони можна легко відокремити, припустимо, магнітним полем. Така технологія має надзвичайну ефективність і застосовувалася в ПАР (MLIS), КНР (CRISLA), США (AVLIS) і Франції (SILVA). [1] Технологія має великий недолік, а саме труднощі в перебудові апаратури з одного ізотопу на інший. На зміну AVLIS прийшла SILEX (Separation of Isotopes by Laser EXcitation) розробки "General Electric" і "Hitachi". Розпочато будівництво заводу в Вілмінгтоні, штат Північна Кароліна.


2.7. Хімічне збагачення

Хімічне збагачення використовує різницю в швидкості протікання хімічних реакцій з різними ізотопами. Краще всього воно працює при поділі легких елементів, де різниця значна. У промисловому виробництві застосовуються реакції, що йдуть з двома реактивами, що знаходяться в різних фазах (газ / рідина, рідина / тверда речовина, незмішувані рідини). Це дозволяє легко розділяти збагачений і збіднений потоки. Використовуючи додатково різницю температур між фазами, досягається додаткове зростання коефіцієнта поділу. На сьогодні хімічне розділення - сама енергозберігаюча технологія отримання важкої води. Крім виробництва дейтерію, воно застосовується для вилучення 6 Li. У Франції та Японії розроблялися методи хімічного збагачення урану, так і не дійшли до промислового освоєння.


2.8. Дистиляція

Дистиляція (перегонка) використовує відмінність в температурах кипіння різних по масі ізотопів. Зазвичай чим менше маса атома - тим нижче температура кипіння цього ізотопу. Найкраще це працює знову ж таки, на легких елементах. Дистиляція успішно застосовується як завершальна стадія у виробництві важкої води.

2.9. Електроліз

Єдина сфера застосування електролізу - виробництво важкої води. При електролізі води поділяються на гази в основному "легкі" молекули (зі звичайним воднем). Цей самий ефективний метод отримання дейтерію (коефіцієнт поділу більш 7) вимагає такої кількості енергії, що з економічних міркувань, якщо він і задіюється, то на пізніх стадіях очищення.


Примітки

  1. Збагачення Урана у Світі - www.ieer.org/ensec/no-31/no31russ/uenrichtable.html