Разделение изотопов. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Разделение изотопов - выделение отдельных изотопов из естеств. их смеси или обогащение смеси отдельными изотопами. Первые попытки И. р. сделаны Ф. У. Астоном (F. W. Aston, 1949) и др. гл. обр. для обнаружения изотопов у стабильных элементов, точного измерения массы их атомов и относит. содержания (см. Mасс-спектроскопия ).В 30-х гг. фундам. исследования в области ядерной физики потребовали выделения отдельных изотопов в кол-вах порядка неск. мг (дейтерий производился в промышл. масштабах). Дальнейшее развитие методов И. р. обусловлено развитием ядерной энергетики, для к-рой требовался уран, обогащённый ²³⁵U и др. (см. Ядерное горючее ),а также применением в физике, химии, биологии и др. метода изотопных индикаторов [1, 4].
Классификация и характеристики методов. И. р. основано на различиях физ. и хим. свойств изотопов и их соединений. Эти различия, обусловленные разницей масс атомов, для большинства элементов невелики, что обычно приводит к необходимости многократного повторения единичной операции. Во всякой разделит. установке исходная смесь делится не менее чем на 2 фракции, одна из к-рых обогащается концентрируемым изотопом за счёт других. Эффективность работы разделит. установки определяется её производительностью G и коэф. разделения a. Так, при разделении бинарной смеси:

где С' и 1-С' - доли лёгкого и тяжёлого изотопов во фракции, обогащённой лёгким изотопом; С'' и 1-С'' - в тяжёлой фракции. Если a-1Ъ1, что имеет место для большинства методов (см. ниже), то обычно пользуются коэф. обогащения e=a-1. Повышение а обычно связано с уменьшением G. Поэтому методы, обеспечивающие большие a, не всегда оказываются экономически выгодными. Выбор метода определяется свойствами элемента, содержанием в смеси концентрируемого изотопа, заданной степенью разделения q=a^N (N - число ступеней разделения). Различают молекулярно-кинетич., физико-хим. и электромагн. методы разделения изотопов. Первые два метода основаны на различии ср. статистич. свойств изотопных соединений, обусловленном разницей масс изотопов. Для этих методов е, как правило, невелики, а G могут быть большими. Электромагн. методы основаны на разл. поведении изотопов в электрич. и магн. полях. Как правило, эти методы позволяют получить высокие значения а при малых G в 1 цикле разделения изотопов.
Молекулярно-кинетические методы. Газовая диффузия через пористые перегородки (фильтры). Газообразное соединение прокачивается через пористую перегородку. При достаточно низких давлениях, когда длина свободного пробега молекул значительно превышает ср. диаметр пор (молекулярное течение, кнудсеновская диффузия или эффузия, см. Динамика разреженных газов ),каждый компонент смеси газов движется независимо от др. под действием градиента парциального давления. Скорость движения пропорц. частоте столкновений молекул с поверхностью пор, т. е. ср. тепловой скорости молекул:

Здесь Т - темп-pa, R - газовая постоянная, М - масса молекулы. Т. к.

при М₁>М₂, то часть смеси, прошедшая через фильтр, обогащается лёгким изотопом. При истечении в абс. вакуум достигается макс. значение:

Для большинства элементов

где DМ=М₂- М₁. Т. к. диффузия через фильтр происходит в пространство, заполненное тем же газом при пониженном давлении, то реальный коэф. обогащения e<e₀ из-за частичного обратного перетекания обогащённой смеси. Метод газовой диффузии впервые осуществили Линдеман (Lindemann) и Астон (1913). В дальнейшем он был разработан для промышл. произ-ва урана, обогащённого ²³⁵U. Для разделения применяется газ UF₃.

Рис. 1. Схема газодиффузионной установки.

При этом DM/2M=3/2.350=0,0043. Для получения из природного U с обогащением по ²³⁵U порядка 4% требуется от 1000 до 1500 ступеней (рис. 1). Газодиффузионные заводы для промышл. разделения изотопов U действуют в СССР [1], США, Франции, Англии и Китае [2, 7].
Macc-диффузия (диффузия в потоке пара). Различие скоростей диффузии 2-х изотопов в потоке 3-го (разделительного) газа приводит к частичному разделению изотопной смеси; эффект И. р. при диффузии в струю пара был открыт Г. Герцем (Н. Hertz) в 1922. Коэф. обогащения:

где D₁₃, D₂₃ - коэф. диффузии изотопов в 3-й газ. В качестве него используют нары, к-рые можно затем легко сконденсировать и отделить от смеси изотопов. Умножение элементарного эффекта возможно при увеличении потока пара. Процесс можно проводить в каскадах разделительных насосов (Герц) или в противоточных цилиндрич. колоннах (рис. 2).

Рис. 2. Масс-диффузионная колонна.

В колонне, цилиндрич. сосуде, перегороженном вдоль оси пористой диафрагмой, газообразная изотопная смесь движется навстречу потоку вспомогат. пара. Вследствие перепада концентраций газа и пара в поперечном сечении цилиндра и большего коэф. диффузии для более лёгких молекул происходит обогащение лёгким изотопом части газа, прошедшего сквозь поток пара в левую часть цилиндра. Обогащённая часть выводится из верхней части цилиндра вместе с осн. потоком пара, а оставшаяся в первой половине часть газа движется вдоль диафрагмы и выводится из аппарата. Цилиндрич. пористая диафрагма служит для предотвращения перемешивания обогащённой и обеднённой смеси и для создания регулируемых извне вертикальных потоков газа. Т. о., первичный эффект И. р. возникает при диффузии смеси в радиальном потоке пара. Противоточное движение в вертикальном направлении переводит радиальный эффект И. р. в осевой и обеспечивает умножение эффекта, зависящее от высоты колонны [3].
Термодиффузия. Перепад температуры в газе или жидкости вызывает диффузию, приводящую к частичному И. р. Если поток, вызванный термодиффузией, уравновешен противоположным ему потоком, обусловленным диффузией, то первичный коэф. обогащения определяется ф-лой:

где a_т - постоянная термодиффузии, зависящая от характера межмолекулярного взаимодействия и относит. разности масс молекул. В большинстве газовых смесей в холодной области возрастает концентрация тяжёлого газа, в горячей - лёгкого. Для умножения обычно малого первичного эффекта применяется противоточная термодиффузионная колонна, состоящая из охлаждаемой снаружи вертикальной трубки, внутри к-рой помещается нагреваемая металлич. нить или трубка меньшего диаметра (рис. 3). Разность температур вызывает непрерывно идущее поперечное термодиффузионное разделение и одновременно создаёт вертикальную конвекцию газовой смеси: лёгкий изотоп, обогащаемый около нагретой трубки (T₁), уносится восходящим конвектизным потоком к верхнему концу колонны, а тяжёлый - увлекается вниз.

Рис. 3. Термодиффузионная колонна с кольцевым зазором.

При достаточной длине колонны можно достичь почти полного разделения смеси. Методом термодиффузии получены изотопы (концентрация > 99%): ³Не, ¹³С, ¹⁵N, ¹⁸O, ²⁰Ne, ²¹Ne, ²²Ne, ³⁵С1, ³⁷С1, ³⁶Аr, ³⁸Аr, ⁸⁴Кr, ⁸⁶Кr, ¹³⁶Хе [4, 5]. Термодиффузия в жидком UF₆ применялась в США для обогащения природного урана изотопом ²³⁵U до концентрации 1%. Для промышл. И. р. метод термодиффузии неэффективен.
Электролиз воды. При электролизе воды или водных растворов электролитов скорость электролиза D₂O меньше, чем Н₂О. В результате в электролите растёт концентрация D (a=6-8). Электролиз воды был первым промышл. методом получения D₂O (электролизный завод в Норвегии в 40-х гг. производил тонны D₂O в год). Для получения чистой D₂O применяют электролитич. каскад из 15 ступеней в сочетании с изотопным обменом (см. ниже) на первых 3 ступенях. Электролиз требует значит. затрат электроэнергии (на 1 кг D₂O 125000 кВт.ч). Электролиз можно применять для отделения Т от Н (a=14). Для др. элементов электролиз неэффективен, т. к. a@l [5].
Миграция ионов. При прохождении электрич. тока через электролит (водный раствор, расплав соли) более подвижные ионы концентрируются у катода. Первичный эффект обогащения (для большинства элементов e<10^-2) может быть умножен в противоточных ячейках [3].
Центрифугирование. В центрифуге, вращающейся с большой скоростью, более тяжёлые частицы иод влиянием центробежной силы концентрируются у периферии, более лёгкие - у оси ротора. Во вращающемся газе устанавливается равновесное распределение плотности n=n₀ехр(Mw²r²/2RT), где w - угловая скорость, r - радиус вращения, п₀ - плотность при r=0. В смеси двух идеальных газов с молекулярными массами M₁ и M₂, помещённой во вращающийся полый цилиндр (ротор), распределение устанавливается для каждого газа независимо. Поэтому макс. коэф. разделения в радиальном направлении:

где v - линейная скорость вращения ротора радиуса r₀. Т. к. a₀ зависит от DM, метод наиболее пригоден для И. р. тяжёлых элементов, где DМ выше. Для умножения первичного эффекта применяется противоточная циркуляция смеси внутри ротора, преобразующая радиальное обогащение в аксиальное и позволяющая производить отбор обогащённой и обеднённой фракций вблизи торцевых крышек ротора. Разделит. мощность центрифуги ограничена макс. теоретич. значением: rD(DMv²/2RT)²pz/2, где r - плотность, D - коэф. взаимной диффузии изотопов, z - длина ротора. В разделит. каскадах применяется параллельное соединение центрифуг в ступени. Центрифуги использовались впервые Линдеманом и Астоном в 1919, в дальнейшем для частичного И. р. Cl, Br, Xe, U. Программы развития метода центрифугирования для обогащения U есть в странах Европы, в США и Японии [2]. Для обогащения ²³⁵U используют эффект разделения, создаваемый центробежными силами при искривлении потока UF₆ (разделит, сопло в ФРГ, вихревая трубка в ЮАР). Для увеличения первичного эффекта к UF₆добавляют лёгкий вспомогат. газ (Н₂ или Не), увеличивающий скорость UF₆ в потоке смеси. При этом возрастают и действующие на UF₆ центробежные силы и e₀ в 4-8 раз выше, чем в случае газовой диффузии [2, 4].
Физико-химические методы [6]
Ректификация (дистилляция, фракционная перегонка). Метод основан на различии в равновесном изотопном составе жидкой и газообразной фаз. В большинстве случаев в паре концентрируется лёгкий изотоп. Коэф. разделения е можно оценить из полуэмпирич. ур-ния Бигелейзена:

где А - константа, зависящая от строения молекулы. Эффект разделения умножается в ректификац. колоннах благодаря противотоку фаз. Ректификация применяется для произ-ва обогащённых изотопов лёгких элементов (D, ¹⁰В, ¹¹В, ¹³С, ¹⁵N, ¹⁸0). Наиб, эффективная низкотемпературная ректификация, напр, в смесях H₂-D₂; ¹³Co-¹²Co и др.
Изотопный обмен основан на хим. реакциях, при к-рых происходит термодинамически равновесное перераспределение изотопов к--л. элемента между реагирующими веществами. Так, напр., при контакте НСl с НВr, в к-рых первонач. содержание дейтерия в водороде было одинаковым, в результате обменной реакции в НСl содержание D будет неск. выше, чем в НВr. Применение неск. каскадов позволяет получать дейтерий и обогащённые отд. изотопами смеси для др. лёгких элементов (⁶Li, ⁷Li, ¹⁰B, ¹¹В, ¹³С, ¹⁵N, ¹⁸O). Разрабатывается метод обогащения ²³⁵U с использованием ионообменной реакции между U в смоле и U в растворе (e₀=1,5.10^-3) [2, 4]. Достоинства молекулярно-кинетич. и физ--хим. методов: возможность экономичного И. р. в промышл. масштабах и практически полное использование вещества в 1 цикле разделения. Недостатки: необходимость газовой фазы (не все элементы образуют стойкие газообразные соединения); значит. кол-во смеси; неуниверсальность установок; разделит. каскады и колонны должны содержать значит. кол-ва концентрируемых изотопов. Лит.: 1) Атомная наука и техника в СССР, М., 1977; 2) Виллани С., Обогащение урана, М., 1983; 3) Розен А. М., Теория разделения изотопов в колоннах, М., 1960; 4) Шемля М., Перье Ж., Разделение изотопов, пер. с франц., М., 1980; 5) Рабинович Г. Д., Разделение изотопов и других смесей термодиффузией, М., 1980; 6) Андреев Б. М., Зельвенский Я. Д., Kатальнков C. Г., Разделение стабильных изотопов физико-химическими методами, М., 1982; 7) Ehrfeld W., Elements of flow and diffusion processes in separation nozzles, B.- [a. o.], 1983. А. А. Сазыкин.
Электромагнитные методы
Собственно электромагнитный метод основан на том же принципе, что и масс-спектрометр .Любой масс-спектрометр является миниатюрной установкой для И. р. Для получения больших кол-в изотопов служат крупные установки (амер. термин калютроны), работающие по принципу масс-спектрометра Демпстера (рис. 4) [1-4].

Рис. 4. Принципиальная схема электромагнитного сепаратора.

В однородном магн. поле с напряжённостью Н расстояние d между фокусами соседних изотопов с массами М и M+DM и зарядом Ze (дисперсия) составляет:

Здесь ZeV - энергия иона (все величины выражены в системе единиц СГСЕ), а ширина фокуса каждого изотопа (аберрация):

где j - угол раствора ионного пучка в плоскости, перпендикулярной Н. И. р. возможно только при d<d, т. е. в однородном поле Н - при j<2(DM/M)^1/2. Для увеличения j и обеспечения тем самым большей производительности разделит, установки применяют неоднородные (т. н. безаберрационные) магн. поля [1-3, 5], с помощью к-рых удаётся хорошо фокусировать пучки ионов с j@(25-30)° и энергией ионов 25-40 кэВ. Производительность Q разделит. установки (в идеальном случае) связана с силой тока I пучка однозарядных ионов выражением:

Здесь А - ат. масса разделяемого элемента, С₀ - относит. концентрация выделяемого изотопа в исходной смеси (I в А). Промышл. установки позволяют накапливать до неск. десятков г изотопов в сутки. При этом коэф. обогащения в 1 цикле разделения a=C/C₀~10- 10³ (С - относит, концентрация изотопа в обогащённой смеси). Типичные размеры вакуумной камеры (в м): 3.1,5.0,4. Ток I определяется гл. обр. фокусировкой пучка, к-рая в безаберрационном магн. поле зависит от компенсации пространств. заряда пучка. Если бы расталкивание ионов пучка собств. пространств. зарядом не было скомпенсировано, то обусловленная им аберрация пучка могла бы быть меньше дисперсии лить при очень малом I. В действительности возможна нейтрализация пространств. заряда электронами, образуемыми самим пучком в остаточном газе камеры (давление р=10^-5 мм рт. ст.). Если бы ток I был постоянным во времени, то компенсация пространств. заряда, установившись (для этого достаточно ~10^-4с), сохранялась бы. Этому, однако, препятствуют колебат. процессы как в самом пучке, так и в ионном источнике. Вследствие этого плотность ионного тока (при определ. условиях) колеблется так быстро, что вызывает динамич. декомпенсацию пространств. заряда, резко нарушающую процесс И. р. Исследование динамич. декомпенсации [4] позволило осуществить И. р. разл. элементов при макс. токе (для элементов ср. масс - до неск. сотен мА). В ионном источнике пары рабочего вещества ионизуются в газовом разряде, горящем в продольном магн. поле. Возникающие ионы извлекаются из разряда электрич. полем, ускоряются и поступают в разделит. камеру в виде сформированного ионного пучка. Вследствие неполной ионизации паров и наличия в пучке ионов с разл. кратностью заряда коэф. использования рабочего вещества обычно ~20-50%. В приёмнике ионов [5] пучки изотопов попадают на стенки изотопных "карманов" и оседают на них в виде нейтральных атомов. Распыление накопленного вещества и отражение ионов от стенок карманов обусловливают неполное улавливание вещества, переносимого ионным пучком. Накопленное вещество извлекается из приёмника хим. методами. Коэф. улавливания и извлечения вещества ~50-80%. Т. о., коэф. использования вещества в 1 цикле И. р. от 10 до 40%. Электромагн. методом осуществляется разделение как стабильных, так и радиоактивных изотопов. Для разделения тяжёлых элементов иногда применяются установки с меньшей производительностью, но с повышенной дисперсией, в к-рых коэф. разделения а достигает 1000. В одной из таких установок [1] с поворотом пучка на 225° в магн. поле d=20 мм на 1% относит. разности масс и e=1000 для U и Рu при I=10 мА. Существует двухкаскадный масс-сепаратор, в к-ром фокус пучка ионов изотопа в конце первого каскада служит источником пучка для 2-го каскада; полный угол отклонения пучка ~250°; для ²³⁵U e=1400. Существуют калютроны с уменьшенной производительностью (на ~50%), по с увеличенной (в 1,5 раза) дисперсией, с углом поворота пучка на 255°. Для разделения стабильных изотопов применяются также малые установки с углом поворота пучка 60° и 90°. В случае короткоживущих изотопов (период полураспада T_1/2[20 мс) первичные ионы, создаваемые в ядерных реакциях, вводятся непосредственно в масс-сепаратор (экспресс-информация). Осн. преимущества метода: высокий коэф. обогащения в 1 цикле; возможность одновременного разделения всех изотопов; универсальность, позволяющая переключать одну и ту же установку для разделения стабильных и радиоактивных изотопов. Недостатки: малые производительность и коэф. использования вещества; большие энерготич. и эксплуатац. затраты. Электромагн. методом осуществлено разделение практически всех стабильных изотопов. В СССР существует Государственный фонд стабильных изотопов.

Литература по разделению изотопов

Знаете ли Вы, что любой разумный человек скажет, что не может быть улыбки без кота и дыма без огня, что-то там, в космосе, должно быть, теплое, излучающее ЭМ-волны, соответствующее температуре 2.7ºК. Действительно, наблюдаемое космическое микроволновое излучение (CMB) есть тепловое излучение частиц эфира, имеющих температуру 2.7ºK. Еще в начале ХХ века великие химики и физики Д. И. Менделеев и Вальтер Нернст предсказали, что такое излучение (температура) должно обнаруживаться в космосе. В 1933 году проф. Эрих Регенер из Штуттгарта с помощью стратосферных зондов измерил эту температуру. Его измерения дали 2.8ºK - практически точное современное значение. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.