21-10-2023
Разделение изотопов — технологический процесс, в котором из материала, состоящего из смеси различных изотопов одного химического элемента, выделяются отдельные изотопы этого элемента. Основное применение процесса разделения изотопов — производство ядерного топлива, оружейных радиоактивных материалов и прочие приложения, связанные с использованием радиоактивных веществ. В таких случаях разделение обычно преследует цель обогащения или обеднения материала определёнными радиоактивными изотопами.
Содержание |
Разделение изотопов (например извлечение 6Li, 235U, D) всегда сопряжено со значительными трудностями, ибо изотопы, представляющие собой мало отличающиеся по массе вариации одного элемента, химически ведут себя практически одинаково. Но — скорость прохождения некоторых реакций отличается в зависимости от изотопа элемента, кроме того, можно использовать различие в их физических свойствах — например в массе.
Как бы то ни было, различия в поведении изотопов настолько малы, что за одну стадию разделения, вещество обогащается на сотые доли процента и повторять процесс разделения приходится снова и снова — огромное количество раз.
На производительность подобной каскадной системы влияют две причины: степень обогащения на каждой из ступеней и потери искомого изотопа в отходном потоке.
Поясним второй фактор. На каждой из стадий обогащения поток разделяется на две части — обогащённую и обеднённую нужным изотопом. Поскольку степень обогащения чрезвычайно низка, суммарная масса изотопа в отработанной породе может легко превысить его массу в обогащённой части. Для исключения такой потери ценного сырья обеднённый поток каждой последующей ступени попадает снова на вход предыдущей.
Исходный материал не поступает на первую стадию каскада. Он вводится в систему сразу на некоторую, n-ю ступень. Благодаря этому с первой ступени выводится в утиль сильно обеднённый по основному изотопу материал.
В любом случае, количество произведённого обогащённого материала зависит от желаемой степени обогащения и обеднения выходных потоков. Если исходное вещество имеется в большом количестве и дёшево, то производительность каскада можно увеличить за счёт отбрасывания вместе с отходами и большого количества неизвлёченного полезного элемента (пример — производство дейтерия из обычной воды). При необходимости достигается большая степень извлечения изотопа из материала-сырца (например, при обогащении урана или плутония).
Метод электромагнитного разделения основан на различном действии магнитного поля на одинаково электрически заряженные частицы различной массы. По сути дела такие установки, называемые калютронами, являются огромными масс-спектрометрами. Ионы разделяемых веществ, двигаясь в сильном магнитном поле, закручиваются с радиусами, пропорциональными их массам и попадают в приёмники, где и накапливаются.
Этот метод позволяет разделять любые комбинации изотопов, обладает очень высокой степенью разделения. Обычно достаточно двух проходов для получения степени обогащения выше 80 % из бедного вещества (с исходным содержанием желаемого изотопа менее 1 %). Однако электромагнитное разделение плохо приспособлено для промышленного производства: большая часть веществ осаждается внутри калютрона, так что его приходится периодически останавливать на обслуживание. Остальные недостатки — большое энергопотребление, сложность и дороговизна технического обслуживания, низкая производительность. Основная сфера применения метода — получение небольших количеств чистых изотопов для лабораторного применения. Тем не менее, во время второй мировой войны была построена установка Y-12, вышедшая с января 1945 на мощность 204 грамма 80 % U-235 в день.
Этот метод использует различие в скоростях движения различных по массе молекул газа. Понятно, что он будет подходить только для веществ, находящихся в газообразном состоянии.
При различных скоростях движения молекул, если заставить их двигаться через тонкую трубочку, более быстрые и лёгкие из них обгонят более тяжёлые. Для этого трубка должна быть настолько тонка, чтобы молекулы двигались по ней поодиночке. Таким образом, ключевой момент здесь — изготовление пористых мембран для разделения. Они должны не допускать утечек, выдерживать избыточное давление.
Для некоторых лёгких элементов степень разделения может быть достаточно велика, но для урана — только 1.00429 (выходной поток каждой ступени обогащается в 1.00429 раза). Поэтому газодиффузионные обогатительные предприятия — циклопические по размерам, состоящие из тысяч ступеней обогащения.
В этом случае опять же, используется различие в скоростях движения молекул. Более лёгкие из них при существовании разницы температуры имеют свойство оказываться в более нагретой области. Коэффициент разделения зависит от отношения разницы массы изотопов к общей массе и больший для лёгких элементов. Несмотря на свою простоту, в этом методе требуются большие энергозатраты для создания и поддержания нагрева. Поэтому широко не применяется.
Впервые эта технология была разработана в Германии, во время второй мировой, но промышленно нигде не применялась до начала 50-х. Если газообразную смесь изотопов пропускать через высокоскоростные центрифуги Циппе, то центробежная сила разделит более лёгкие или тяжёлые частицы на слои, где их и можно будет собрать. Большое преимущество центрифугирования состоит в зависимости коэффициента разделения от абсолютной разницы в массе, а не от отношения масс. Центрифуга одинаково хорошо работает и с лёгкими, и с тяжёлыми элементами. Степень разделения пропорциональна квадрату отношения скорости вращения к скорости молекул в газе. Отсюда очень желательно как можно быстрее раскрутить центрифугу. Типичные линейные скорости вращающихся роторов — 250—350 м/с, и более 600 м/с в усовершенствованных центрифугах.
Типичный коэффициент сепарации — 1.01 — 1.1. По сравнению с газодиффузионными установками этот метод имеет уменьшенное энергопотребление, большую лёгкость в наращивании мощности. В настоящее время газовое центрифугирование — основной промышленный метод разделения изотопов в России.
Этот способ можно рассматривать как вариант центрифугирования, но вместо закручивания газа в центрифуге, он завихряется при выходе из специальной форсунки, куда подаётся под давлением. Эта технология, основанная на вихревом эффекте, использовалась ЮАР и Германией.
Различные изотопы поглощают свет с немного различной длиной волны. При помощи точно настроенного лазера можно избирательно ионизировать атомы какого-то определённого изотопа. Получившиеся ионы можно легко отделить, допустим, магнитным полем. Такая технология имеет чрезвычайную эффективность и применялась в ЮАР (MLIS), КНР (CRISLA), США (AVLIS) и Франции (SILVA).[1] Технология имеет большой недостаток, а именно трудность в перестройке аппаратуры с одного изотопа на другой. На смену AVLIS пришла SILEX (Separation of Isotopes by Laser EXcitation) разработки "General Electric" и "Hitachi". Начато строительство завода в Уилмингтоне, штат Северная Каролина.
Химическое обогащение использует разницу в скорости протекания химических реакций с различными изотопами. Лучше всего оно работает при разделении лёгких элементов, где разница значительна. В промышленном производстве применяются реакции, идущие с двумя реактивами, находящимися в различных фазах (газ/жидкость, жидкость/твёрдое вещество, несмешивающиеся жидкости). Это позволяет легко разделять обогащённый и обеднённый потоки. Используя дополнительно разницу температур между фазами, достигается дополнительный рост коэффициента разделения. На сегодня химическое разделение — самая энергосберегающая технология получения тяжёлой воды. Кроме производства дейтерия, оно применяется для извлечения 6Li. Во Франции и Японии разрабатывались методы химического обогащения урана, так и не дошедшие до промышленного освоения.
Дистилляция (перегонка) использует различие в температурах кипения различных по массе изотопов. Обычно чем меньше масса атома — тем ниже температура кипения этого изотопа. Лучше всего это работает опять же, на лёгких элементах. Дистилляция успешно применяется как завершающая стадия в производстве тяжёлой воды.
Единственная сфера применения электролиза — производство тяжёлой воды. При электролизе воды разделяются на газы в основном «лёгкие» молекулы (с обычным водородом). Этот самый эффективный метод получения дейтерия (коэффициент разделения более 7) требует такого количества энергии, что по экономическим соображениям, если он и задействуется, то на поздних стадиях очистки.
Разделение изотопов.