Разделение изотопов

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 применения, связанные с использованием радиоактивных веществ. В таких случаях разделение обычно преследует цель обогащения или обеднения материала определёнными радиоактивными изотопами.

Общие принципы

Разделение изотопов (например извлечение , 235 U , ) 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.

Основные используемые методы разделения изотопов

• Электромагнитное разделение
• Газовая диффузия
• Жидкостная термодиффузия
• Газовое центрифугирование
• Аэродинамическая сепарация
• Лазерное разделение изотопов
• Химическое обогащение
• Фотохимическое разделение

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).

Электромагнитное разделение

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.

Газовая диффузия

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.

Жидкостная термодиффузия

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.

Газовое центрифугирование

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 газовые центрифуги , 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.

Аэродинамическая сепарация

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.

Лазерное разделение изотопов (ЛРИ)

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). 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

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 6 Li. Во Франции и Японии разрабатывались методы химического обогащения урана, так и не дошедшие до промышленного освоения.

Дистилляция

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Разделение изотопов" в других словарях:

разделение изотопов - — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN isotope separationisotope fractionation …

разделение изотопов - izotopų atskyrimas statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: angl. isotope separation vok. Isotopentrennung, f rus. разделение изотопов, n pranc. séparation d isotopes, f … Radioelektronikos terminų žodynas

Обусловлено различиями физико хим. свойств, связанными с их массой и определяющими разные скорости их диффузии, испарения и т. д. Термодинамические особенности изотопов и их соединений несколько различаются, чем объясняется их несколько отличное… … Геологическая энциклопедия

разделение изотопов в высокоградиентном магнитном поле - — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN high gradient magnetic isotope separation … Справочник технического переводчика

разделение изотопов в оперативном режиме - — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN isotope separation on lineISOL … Справочник технического переводчика

разделение изотопов выпариванием с помощью лазеров - — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN atomic vapor laser isotope separationAVLIS … Справочник технического переводчика

разделение изотопов методом химического обмена - — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN CHEMEX (chemical exchange) process … Справочник технического переводчика

разделение изотопов на молекулярном уровне с помощью лазеров - — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN molecular laser isotope separationMLIS … Справочник технического переводчика

Разделение изотопов, основанное на изотопич. сдвиге уровней энергии атомов и молекул и использовании резонансного воздействия лазерного излучения. Интенсивное монохроматическое излучение лазера, вызывая переходы между соответствующими энергетич.… … Физическая энциклопедия

Вот этот невзрачный серый цилиндр и является ключевым звеном российской атомной индустрии. Выглядит, конечно, не слишком презентабельно, но стоит понять его назначение и взглянуть на технические характеристики, как начинаешь осознавать, почему секрет его создания и устройства государство охраняет как зеницу ока.

Перед вами газовая центрифуга для разделения изотопов урана ВТ-3Ф (n-го поколения). Принцип действия элементарный, как у молочного сепаратора, тяжелое под воздействием центробежной силы отделяется от легкого. Так в чем же её значимость и уникальность?

Для начала ответим на другой вопрос - а вообще, зачем разделять уран?
Природный уран, который прямо в земле лежит, представляет из себя коктейль из двух изотопов: урана-238 и урана-235 (и 0,0054 % U-234).

Уран-238 - это просто тяжелый, серого цвета металл. Из него можно сделать артиллерийский снаряд, ну или… брелок для ключей. А вот, что можно сделать из урана-235? Ну, во-первых, атомную бомбу, во-вторых, топливо для АЭС. И вот тут мы подходим к ключевому вопросу - как разделить эти два, практически идентичных атома, друг от друга? Нет, ну действительно, КАК?!

Кстати: Радиус ядра атома урана -1.5 10-8 см.
Для того, чтобы атомы урана можно было загнать в технологическую цепочку, его (уран) нужно превратить в газообразное состояние. Кипятить смысла нет, достаточно соединить уран с фтором и получить гексафторид урана ГФУ . Технология его получения не очень сложная и затратная, а потому ГФУ получают прямо там, где этот уран и добывают. UF6 является единственным легколетучим соединением урана (при нагревании до 53°С гексафторид непосредственно переходит из твердого состояния в газообразное). Затем его закачивают в специальные емкости и отправляют на обогащение.

UF6 является единственным легколетучим соединением урана (при нагревании до 53°С гексафторид непосредственно переходит из твердого состояния в газообразное). Затем его закачивают в специальные емкости и отправляют на обогащение.

Немного истории

В самом начале ядерной гонки, величайшими научными умами, как СССР, так и США, осваивалась идея диффузионного разделения - пропускать уран через сито. Маленький 235-й изотоп проскочит, а «толстый» 238-й застрянет. Причем изготовить сито с нано-отверстиями для советской промышленности в 1946-м году было не самой сложной задачей.

Из доклада Исаака Константиновича Кикоина на научно-технического совете при Совете Народных Комиссаров (приведен в сборнике рассекреченных материалах по атомному проекту СССР (Ред. Рябев)): В настоящее время мы научились делать сетки с отверстиями около 5/1 000 мм, т.е. в 50 раз большими длины свободного пробега молекул при атмосферном давлении. Следовательно, давление газа, при котором разделение изотопов на таких сетках будет происходить, должно быть меньше 1/50 атмосферного давления. Практически мы предполагаем работать при давлении около 0,01 атмосферы, т.е. в условиях хорошего вакуума. Расчет показывает, что для получения продукта, обогащенного до концентрации в 90 % легким изотопом (такая концентрация достаточна для получения взрывчатого вещества), нужно соединить в каскад около 2 000 таких ступеней. В проектируемой и частично изготовленной нами машине рассчитывается получить 75-100 г урана-235 в сутки. Установка будет состоять приблизительно из 80-100 «колонн», в каждой из которых будет смонтировано 20-25 ступеней».

Доклад Берии Сталину о подготовке первого атомного взрыва. Внизу дана небольшая справка о наработанных ядерных материалах к началу лета 1949-го года.

И вот теперь сами представьте - 2000 здоровенных установок, ради каких-то 100 грамм! Ну, а куда деваться-то, бомбы ведь нужны. И стали строить заводы, и не просто заводы, а целые города. И ладно только города, электричества эти диффузионные заводы требовали столько, что приходилось строить рядом отдельные электростанции.

На фото: первый в мире завод газодиффузионного обогащения урана К-25 в Ок-Ридже (США). Строительство обошлось в $500 млн. Протяженность U-образного здания около полумили.

В СССР Первая очередь Д-1 комбината №813 была рассчитана на суммарный выпуск 140 граммов 92-93 %-ного урана-235 в сутки на 2-х идентичных по мощности каскадах из 3100 ступеней разделения. Под производство отводился недостроенный авиационный завод в поселке Верх-Нейвинск, что в 60 км от Свердловска. Позже он превратился в Свердловск-44, а 813-й завод в Уральский электрохимический комбинат - крупнейшее в мире разделительное производство.

Уральский электрохимический комбинат - крупнейшее в мире разделительное производство.

И хотя технология диффузионного разделения, пусть и с большими технологическими трудностями, но была отлажена, идея освоения более экономичного центрифужного процесса не сходила с повестки дня. Ведь если удастся создать центрифугу, то энергопотребление сократится от 20 до 50 раз!

Как устроена центрифуга?

Устроена она более чем элементарно и похожа на старую стиральную машину, работающую в режиме «отжим/сушка». В герметичном кожухе находится вращающийся ротор. В этот ротор подается газ (UF6) . За счет центробежной силы, в сотни тысяч раз превышающей поле тяготения Земли, газ начинает разделяться на «тяжелую» и «легкую» фракции. Легкие и тяжелые молекулы начинают группироваться в разных зонах ротора, но не в центре и по периметру, а вверху и внизу. Это возникает из-за конвекционных потоков - крышка ротора имеет подогрев и возникает противоток газа. Вверху и внизу цилиндра установлены две небольших трубочки - заборника. В нижнюю трубку попадает обедненная смесь, в верхнюю - смесь с большей концентрацией атомов 235U . Эта смесь попадает в следующую центрифугу, и так далее, пока концентрация 235-го урана не достигнет нужного значения. Цепочка центрифуг называется каскад.

Как устроена центрифуга?

Технические особенности

Ну, во-первых, скорость вращения у современного поколения центрифуг достигает 2000 об/сек (тут даже не знаю с чем сравнить…в 10 раз быстрее, чем турбина в авиадвигателе)! И работает она без остановки ТРИ ДЕСЯТКА лет! Т.е. сейчас в каскадах вращаются центрифуги, включенные еще при Брежневе! СССР уже нет, а они все крутятся и крутятся. Не трудно подсчитать, что за свой рабочий цикл ротор совершает 2 000 000 000 000 (два триллиона) оборотов. И какой подшипник это выдержит? Да никакой! Нет там подшипников. Сам ротор представляет из себя обыкновенный волчок, внизу у него прочная иголка, опирающаяся на корундовый подпятник, а верхний конец висит в вакууме, удерживаясь электромагнитным полем. Иголка тоже непростая, сделанная из обычной проволоки для рояльных струн, она закалена очень хитрым способом (каким - ГТ). Нетрудно представить, что при такой бешеной скорости вращения, сама центрифуга должна быть не просто прочной, а сверхпрочной.

Вспоминает академик Иосиф Фридляндер: «Трижды вполне расстрелять могли. Однажды, когда мы уже получили Ленинскую премию, случилась крупная авария, у центрифуги отлетела крышка. Куски разлетелись, разрушили другие центрифуги. Поднялось радиоактивное облако. Пришлось всю линию останавливать - километр установок! В Средмаше центрифугами командовал генерал Зверев, до атомного проекта он работал в ведомстве Берии. Генерал на совещании сказал: "Положение критическое. Под угрозой оборона страны. Если мы быстро не выправим положение, для вас повторится 37-й год". И сразу совещание закрыл. Придумали мы тогда совершенно новую технологию с полностью изотропной равномерной структурой крышек, но требовались очень сложные установки. С тех пор именно такие крышки и производятся. Никаких неприятностей больше не было. В России 3 обогатительных завода, центрифуг - многие сотни тысяч.»

На фото: испытания первого поколения центрифуг.

Корпуса роторов тоже поначалу были металлические, пока на смену им не пришел… углепластик. Легкий и особопрочный на разрыв, он является идеальным материалом для вращающегося цилиндра.

Вспоминает Генеральный директор УЭХК (2009-2012) Александр Куркин: «Доходило до смешного. Когда испытывали и проверяли новое, более «оборотистое» поколение центрифуг, один из сотрудников не стал дожидаться полной остановки ротора, отключил ее из каскада и решил перенести на руках на стенд. Но вместо движения вперед, как не упирался, он с этим цилиндром в обнимку, стал двигаться назад. Так мы воочию убедились, что земля вращается, а гироскоп, это великая сила.»

Кто изобрел?

О, это загадка, погружённая в тайну и укутанная неизвестностью. Тут вам и немецкие плененные физики, ЦРУ, офицеры СМЕРШа и даже сбитый летчик-шпион Пауэрс. А вообще, принцип газовой центрифуги описан еще в конце 19-го века.
Ещё на заре Атомного проекта инженер Особого конструкторского бюро Кировского завода Виктор Сергеев предлагал центрифужный метод разделения, но сначала его идею коллеги не одобряли. Параллельно над созданием разделительной центрифуги в специальном НИИ--5 в Сухуми бились учёные из побеждённой Германии: доктор Макс Штеенбек, который при Гитлере работал ведущим инженером Siemens, и бывший механик «Люфтваффе», выпускник Венского университета Гернот Циппе. Всего в группу входило около 300 «вывезенных» физиков.

Вспоминает генеральный директор ЗАО «Центротех-СПб» ГК «Росатом» Алексей Калитеевский: «Наши специалисты пришли к выводу, что немецкая центрифуга абсолютно непригодна для промышленного производства. В аппарате Штеенбека не было системы передачи частично обогащённого продукта в следующую ступень. Предлагалось охлаждать концы крышки и замораживать газ, а потом его разморозить, собрать и пустить в следующую центрифугу. То есть, схема неработоспособная. Однако в проекте было несколько очень интересных и необычных технических решений. Эти «интересные и необычные решения» были соединены с результатами, полученными советскими учёными, в частности с предложениями Виктора Сергеева. Условно говоря, наша компактная центрифуга — на треть плод немецкой мысли, а на две трети — советской». Кстати, когда Сергеев приезжал в Абхазию и высказывал тем же Штеенбеку и Циппе свои мысли по поводу отбора урана, Штеенбек и Циппе отмахнулись от них, как от нереализуемых.

Итак, что же придумал Сергеев?

А предложение Сергеева заключалось в создании отборников газа в виде трубок Пито. Но доктор Штеенбек, съевший зубы, как он считал, на этой теме, проявил категоричность: «Они станут тормозить поток, вызывать турбулентность, и никакого разделения не будет!» Спустя годы, работая над мемуарами, он об этом пожалеет: «Идея, достойная того, чтобы исходить от нас! Но мне она в голову не приходила...».
Позже, оказавшись за пределами СССР, Штеенбек центрифугами больше не занимался. А вот Геронт Циппе перед отъездом в Германию имел возможность ознакомиться с опытным образцом центрифуги Сергеева и гениально простым принципом ее работы. Оказавшись на Западе, «хитрый Циппе», как его нередко называли, запатентовал конструкцию центрифуги под своим именем (патент №1071597 от 1957 года, заявлен в 13 странах). В 1957 году, переехав в США, Циппе построил там работающую установку, воспроизведя по памяти опытный образец Сергеева. И назвал ее, отдадим должное, «Русской центрифугой».

Кстати, русская инженерная мысль проявила себя и в многих других случаях. В качестве примера можно привести элементарный аварийный запорный клапан. Там нет датчиков, детектеров и электронных схем. Там есть только самоварный краник, который своим лепестком касается станины каскада. Если что не так, и центрифуга меняет свое положение в пространстве, он просто поворачивается и закрывает входную магистраль. Это как в анекдоте про американскую ручку и русский карандаш в космосе.

Переехав в США, Циппе построил там работающую установку, воспроизведя по памяти опытный образец Сергеева. И назвал ее «Русской центрифугой».

Наши дни

На этой неделе автор этих строк присутствовал на знаменательном событии - закрытии российского офиса наблюдателей министерства энергетики США по контракту ВОУ-НОУ . Эта сделка (высокообогащенный уран - низкообогащенный уран) была, да и остается, крупнейшим соглашением в области ядерной энергетики между Россией и Америкой. По условиям контракта, российские атомщики переработали 500 тонн нашего оружейного (90%) урана в топливный (4%) ГФУ для американских АЭС. Доходы за 1993-2009 годы составили 8,8 млрд. долларов США. Это стало логическим исходом технологического прорыва наших ядерщиков в области разделения изотопов, сделанного в послевоенные годы.

Благодаря центрифугам мы получили тысячи тонн относительно дешевого, как военного, так и коммерческого продукта. Атомная отрасль, одна из немногих оставшихся (военная авиация, космос), где Россия удерживает непререкаемое первенство. Одних только зарубежных заказов на десять лет вперед (с 2013 года по 2022 год), портфель «Росатома» без учета контракта ВОУ-НОУ составляет 69,3 миллиарда долларов. В 2011 году он перевалил за 50 миллиардов.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.

Sp-force-hide { display: none;}.sp-form { display: block; background: #ffffff; padding: 15px; width: 960px; max-width: 100%; border-radius: 5px; -moz-border-radius: 5px; -webkit-border-radius: 5px; border-color: #dddddd; border-style: solid; border-width: 1px; font-family: Arial, "Helvetica Neue", sans-serif; background-repeat: no-repeat; background-position: center; background-size: auto;}.sp-form input { display: inline-block; opacity: 1; visibility: visible;}.sp-form .sp-form-fields-wrapper { margin: 0 auto; width: 930px;}.sp-form .sp-form-control { background: #ffffff; border-color: #cccccc; border-style: solid; border-width: 1px; font-size: 15px; padding-left: 8.75px; padding-right: 8.75px; border-radius: 4px; -moz-border-radius: 4px; -webkit-border-radius: 4px; height: 35px; width: 100%;}.sp-form .sp-field label { color: #444444; font-size: 13px; font-style: normal; font-weight: bold;}.sp-form .sp-button { border-radius: 4px; -moz-border-radius: 4px; -webkit-border-radius: 4px; background-color: #0089bf; color: #ffffff; width: auto; font-weight: 700; font-style: normal; font-family: Arial, sans-serif;}.sp-form .sp-button-container { text-align: left;}

ИЗОТОПОВ РАЗДЕЛЕНИЕ - 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 потребовали выделения отдельных изотопов в кол-вах порядка неск. мг (дейтерий производился в промышл. масштабах). Дальнейшее развитие методов И. р. обусловлено развитием , для к-рой требовался уран, обогащённый 235 U и др. (см. Ядерное горючее ),а также применением в физике, химии, биологии и др. метода изотопных индикаторов .
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 И. р. 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 И. р.
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 или эффузия, см. Динамика разреженных газов ),каждый компонент смеси газов движется независимо от др. под действием градиента . 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 М 1 >М 2 , то часть смеси, прошедшая через фильтр, обогащается лёгким изотопом. При истечении в абс. вакуум достигается макс. значение:

Для большинства элементов

где DМ=М 2 - М 1 . Т. к. диффузия через фильтр происходит в пространство, заполненное тем же газом при пониженном давлении, то реальный коэф. обогащения e
Рис. 1. Схема газодиффузионной установки.

При этом DM/2M=3/2.350=0,0043. Для получения из природного U с обогащением по 235 U порядка 4% требуется от 1000 до 1500 ступеней (рис. 1). Газодиффузионные заводы для промышл. разделения изотопов U действуют в СССР , США, Франции, Англии и Китае .
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 D 13 , D 23 - 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 .
Термодиффузия . Перепад темп-ры 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 темп-р вызывает непрерывно идущее поперечное термодиффузионное разделение и одновременно создаёт вертикальную конвекцию газовой смеси: лёгкий изотоп, обогащаемый около нагретой трубки (T 1), 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%): 3 Не, 13 С, 15 N, 18 O, 20 Ne, 21 Ne, 22 Ne, 35 С1, 37 С1, 36 Аr, 38 Аr, 84 Кr, 86 Кr, 136 Хе . Термодиффузия в жидком UF 6 применялась в США для обогащения природного урана изотопом 235 U до концентрации 1%. Для промышл. И. р. метод термодиффузии неэффективен.
Электролиз воды . При электролизе воды или водных растворов электролитов скорость электролиза D 2 O меньше, чем Н 2 О. В результате в электролите растёт концентрация D (a=6-8). Электролиз воды был первым промышл. методом получения D 2 O (электролизный завод в Норвегии в 40-х гг. производил тонны D 2 O в год). Для получения чистой D 2 O 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 D 2 O 125000 кВт.ч). Электролиз можно применять для отделения Т от Н (a=14). Для др. элементов электролиз неэффективен, т. к. a@l .
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 .
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 n=n 0 ехр(Mw 2 r 2 /2RT), где w - угловая скорость, r - радиус вращения, п 0 - плотность при r=0. В смеси двух идеальных газов с молекулярными массами M 1 и M 2 , 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 r 0 . Т. к. a 0 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(DMv 2 /2RT) 2 pz/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 . Для обогащения 235 U используют эффект разделения, создаваемый центробежными силами при искривлении потока UF 6 (разделит, сопло в ФРГ, вихревая трубка в ЮАР). Для увеличения первичного эффекта к UF 6 добавляют лёгкий вспомогат. газ (Н 2 или Не), увеличивающий скорость UF 6 в потоке смеси. При этом возрастают и действующие на UF 6 центробежные силы и e 0 в 4-8 раз выше, чем в случае газовой диффузии .
Физико-химические методы
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, 10 В, 11 В, 13 С, 15 N, 18 0). Наиб, эффективная низкотемпературная ректификация, напр, в смесях H 2 -D 2 ; 13 Co- 12 Co 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 (6 Li, 7 Li, 10 B, 11 В, 13 С, 15 N, 18 O). Разрабатывается метод обогащения 235 U с использованием ионообменной реакции между U в смоле и U в растворе (e 0 =1,5.10 -3) . 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.- , 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) .


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 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 dН - 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 , 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:

Q=0,89AС 0 I (г/сутки). (11)

Здесь А - ат. масса разделяемого элемента, С 0 - 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/C 0 ~ 10- 10 3 (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 -4 с), 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 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 паров и наличия в пучке ионов с разл. кратностью заряда коэф. использования рабочего вещества обычно ~20-50%. В приёмнике ионов 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 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 235 U 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 ( T 1/2 /W Если при этом на смесь ионов действует переменное электрич. поле с частотой w, то энергию поглощают ионы, находящиеся в с полем: W=w. При этом r H возрастает, что позволяет отделить эти ионы от других (см. Циклотронный резонанс ). Для реализации метода требуется протяжённый столб плазмы диаметром 2r Hмакс. Для И. p. U при H=1 Тл и kT=10 эВ приемлема плотность плазмы n~10 12 -10 13 ионов.см -3 . Для И. р. К при n=10 10 -10 11 ионов.см -3 при обогащении 41 К a=10 .
Плазменное разделение . Используется вращение плазмы под действием силы Лоренца или магн. сжатие плазмы бегущей высокочастотной волной. В плазменной центрифуге могут быть получены высокие центробежные ускорения (до 10 8 м/с 2), но при очень высокой темп-ре (напр., 50 000 К). Для изотопов Кr, Аr, Ne, U a@1,1-1,3.
Оптические методы . Основаны на изотопич. сдвиге спектральных линий поглощения электромагн. излучения. Если длина волны К падающего на изотопную смесь атомов или молекул монохроматич. света совпадает с линией поглощения одного из изотопов, то свет поглощают только атомы этого изотопа, переходя в возбуждённое состояние.

Рис. 5. Принцип лазерного И. р. с использованием молекул: 1 - основное состояние молекул; 2- колебательные уравнения; 3 - электронные уровни; 4 - одноступенчатый фотолиз; 5, 6 - двухступенчатый фотолиз; 7 - многофотонная диссоциация; 8, 9 - разделение изотопов происходит в результате химической реакции.

Возбуждённые атомы отделяют от невозбуждённых фотохим. и физ.. методами (фотоионизация, фотолиз). Ввиду избирательности поглощения значение а может быть высоким. Достигнутая в первичном акте селективность на практике может ухудшаться из-за обмена энергией возбуждения или зарядами при столкновении с др. изотопом, вторичных хим. реакций и др. Первые опыты К. Цубера (К. Zuber, 1935, фотохим. окисление) дали для обогащения 200 Hg и 202 Hg a@4. Для оптич. И. р. используются лазеры. Лазерное излучение можно применять для селективного возбуждения электронных уровней атомов или колебат. уровней молекул (рис. 5). Если электронный уровень выше порога диссоциации, для распада молекулы достаточно одного фотона (одноступенчатый фотолиз); пример - обогащение D и 13 С при фотолизе формальдегида. При возбуждении на уровень (электронный или колебательный) ниже порога диссоциации необходим второй фотон с l, достаточной для диссоциации (двухступенчатый фотолиз); примеры: обогащение 14 N, 15 N и 10 В, 11 В, при фотолизе NH 3 и ВС1 3 под действием ИК-излучения СO 2 -лазера и прошедшего через оптич. фильтр УФ-излучения искры или лампы-вспышки; фотолиз UF 6 с помощью ИК-излучения (l=16 мкм) и УФ-лазеров . Для многоатомных молекул возможна многофотонная диссоциация под действием только ИК-излучения; примеры: обогащение изотопами при воздействии излучения СO 2 -лаэера на SF 6 (32 S, 34 S), CF 3 (13 C, 12 C), BC1 3 (10 B, 11 B), SiF 4 (28 Si, 29 Si, 30 Si), CC1 4 (13 C, 35 C1, 37 C1) и др. При возбуждении на электронный или колебат. уровень выше порога хим. реакции возможно ускорение реакции; примеры: обогащение 14 N, 15 N в реакции N 2 +O 2 и 10 В, 11 В в реакции BC1 3 +H 2 S. Для И. р. с использованием ат. паров металла необходимы лазер на красителях и УФ-лазер. Первый (излучающий обычно в видимой части спектра) производит селективное возбуждение одного изотопа, второй - ионизацию возбуждённых атомов.

Рис. 6. Схема лазерного обогащения 235 U фотоионизацией: 1 - излучение возбуждающего лазера; 2 - излучение ионизирующего лазера; 3 - поток атомных паров; 4-коллектор ионов; 5 - конденсатор пара.

Полученные ионы отклоняются электромагн. полем к коллектору. Нейтральные пары собирают на др. коллекторе. Процесс лазерной фотоионизации атомов применён для изучения И. p. Rb, Li, Ca, Nd, Sm, Eu, Cd, Dy, Er, Yb, U. Достоинства лазерного И. р.: универсальность, возможность воздействия только на 1 изотоп (в США есть программа разработки лазерной технологии обогащения природного урана методом фотоионизации паров 235 U (рис. 6). Лит.: Импульсные СО 2 -лазеры и их применение для разделения изотопов, М., 1983; Басов Н. Г. и др., Новые методы разделения изотопов, "УФН", 1977, т. 121, с. 427; Карлов Н. В. и др., Селективная фотоионизация атомов и ее применение для разделения изотопов и спектроскопии, "УФН", 1979, т. 127, с. 593. А. А. Сазыкин .

Разделение изотопов — технологический процесс, в котором из материала, состоящего из смеси различных изотопов одного химического элемента, выделяются отдельные изотопы этого элемента. Разделение изотопов всегда сопряжено со значительными трудностями, так как 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. 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.

Основные методы разделения изотопов

Электромагнитное разделение

Метод электромагнитного разделения основан на различном действии магнитного поля на одинаково электрически заряженные частицы различной массы. Установки, называемые калютронами, являются огромными масс-спектрометрами. Ионы разделяемых веществ, двигаясь в сильном магнитном поле, закручиваются с радиусами, пропорциональными их массам и попадают в приемники, 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.

Газовая диффузия

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 легкие из них обгонят более тяжелые. 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 легких 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.

Газовое центрифугирование

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, то центробежная сила разделит более легкие или тяжелые 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 легкими, и с тяжелыми 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 легкость в наращивании мощности. В настоящее время газовое центрифугирование — основной промышленный метод разделения изотопов в России.

Производители стабильных изотопов: В контур ГК «Росатом» входят предприятия, осуществляющие промышленное производство изотопов средних и тяжелых масс, а также изотопов благородных газов. Для промышленного разделения изотопов применяются электромагнитная и газо- центрифужная технологии. Эти технологии позволяют разделять изотопы практически всех элементов таблицы Менделеева. В число предприятий ГК «Росатом», использующих указанные методы разделения изотопов входят следующие:

1. ФГУП «Комбинат «Электрохимприбор» - 209 наименований (электромагнитный метод).
2. ОАО «Производственное объединение «Электрохимический завод» производит 95 наименований изотопов (газоцентрифужный метод).
3. ОАО «Сибирский химический комбинат» - 91 наименование изотопов (газоцентрифужный метод).
4. ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ» - 24 наименования (газоцентрифужный метод)

Изобретение относится к ядерной энергетике и может быть использовано при корректировке изотопного состава ядерного топлива. В хроматографическую колонну с тефлоновым порошком, на поверхность которого нанесен экстрагент, заливают раствор, содержащий: -115,5 г/л, -2,0 моль/л, -0,5 г/л. Сформировывают полосу урана (IV). Процесс противоточной экстракции обеспечивает коэффициент разделения, не равный 1. Рефлакс урана осуществляют без изменения валентного состояния методом исчерпывающей экстракции и реэкстракции по концам полосы. Увеличивается степень разделения изотопов U 238 и U 232 , уменьшается число реагентов. Обменная система химически устойчива. 4 табл., 2 ил.

Изобретение относится к процессам разделения изотопов урана химическими методами и может быть использовано в радиохимическом производстве для корректировки изотопного состава ядерного топлива. Известны различные способы разделения изотопов урана химическими методами. Из них наиболее эффективными являются методы, основанные на реакции изотопного обмена между двумя валентными формами урана, находящимися в разных фазах - водной и органической. Так, например, известен способ разделения изотопов урана японской фирмы "Асахи Кемикл индастри" (Пат. США N 4118457, кл. B 01 D 59/30, 03.10.78), в основу которого положена реакция изотопного обмена между четырех- и шестивалентным ураном, находящимся соответственно в фазе раствора и анионообменной смолы. Через анионообменную смолу в форме металла-окислителя, например, железа (III), проводят полосу урана (IV), элюируя его солянокислым раствором металла-восстановителя, например, титана (III). Схема ионообменного редокс-хроматографического процесса разделения изотопов урана фирмы "Асахи Кемикл индастри" ("Асахи-процесс) представлена на фиг. 1. Взаимодействуя с восстановителем, шестивалентный уран восстанавливается до четырехвалентного состояния, десорбируется с анионообменной смолы и с элюатом переносится к зоне окисляющего агента, где окисляется и сорбируется на смоле. Таким образом, происходит движение адсорбционной полосы урана, в ходе которого изотопом уран-238 обогащается уран (IV) по реакции изотопного обмена (р.и.о.) (1):

С однократным коэффициентом разделения = 1,0013 и переносится с ним к фронтальной части полосы. При этом уран в окрестностях тылового фронта полосы урана соответственно обогащается изотопом уран-235. Так, в одном из экспериментов, приведенных в качестве примера в описании к патенту на описанный способ , была использована анионообменная смола, приготовленная хлорметилированием стиролдивинилбензольного сополимера с последующим его аминированием триметиламином. Смола имела степень сшивки 6% и размер частичек от 74 мкм до 149 мкм. Этой смолой заполнили две колонки (каждая длиной 1 м с внутренним диаметром 1 см). Пропустив через две последовательно соединенные колонки раствор, содержащий 0,05 моль/л сульфата трехвалентного железа и 0,6 моль/л серной кислоты, смолу перевели в Fe(III)-форму. Затем подачей раствора состава: уранилхлорида - 0,04 моль/л, серной кислоты - 0,2 моль/л, в первой колонке сформировали на смоле полосу урана (VI) длиной 11,5 см. Элюирование провели раствором, содержащим трихлорида титана 0,05 моль/л и серной кислоты 0,2 моль/л. При этом полоса урана, находящаяся между красной зоной ионов железа (III) и пурпурной зоной титана (III), двигалась со скоростью 20 см/сутки. Таким образом, полоса урана была проведена через две колонки. Масс-спектрометрический анализ первой и последней проб урана, отобранных из элюата, дал следующие значения отношения U 235 /U 238 , %: 0,00693 и 0,00759, что соответствует 0,9559 и 1,0469 частям от 0,00725 - отношения изотопов в природном уране. В промышленном варианте разделения изотопов урана описанным выше способом для получения продукта - урана, обогащенного до 3% изотопом уран-235 и хвостов - урана, содержащего урана-235 0,1%, предполагается полосу урана длиной несколько метров проводить через слой смолы на расстояние от 10 до 1000 м . Такое движение полосы осуществляется с использованием, как минимум, двух колонн, из которых одна занята полосой урана, а вторая в этой время регенерируется. Наиболее близким к предложенному по технической сущности и достигаемому результату является способ обогащения урана одним из его изотопов в многоступенчатом каскаде путем противоточного контакта экстрагента, содержащего соединения четырехвалентного урана, и водного раствора, содержащего соединения трехвалентного урана (Пат. СССР N 867283, кл. B 01 D 59/28, 23.09.81). В основу метода положена р.и.о. с очень высокой скоростью:

Для которой константа равновесия р.и.о., определяемая методом ступенчатого сжатия, равна 1,0012 - 1,0030. Для разделения валентных форм урана предложено использовать несколько экстракционных систем, при этом подбираются условия с минимальным переходом урана (III) и урана (IV) из одной фазы в другую. Недостатком этих систем является крайняя неустойчивость урана (III) в водных растворах, его тенденция к окислению. Работа с такими соединениями возможна в атмосфере азота при отсутствии ионов металлов III-VIII групп. Контактирование осуществляется при исключении какого-либо соприкосновения фаз с любым твердым электропроводным материалом и с реагентами, выделяющими кислород. Организация процесса разделения изотопов урана экстракционным методом основана на том же методе "движущейся полосы" с противоточным движением фаз, содержащих противопоставляемые ионы урана, и с окислительно-восстановительным рефлаксом в ее фронтальных частях. В качестве органической фазы можно использовать практически все классы экстрагентов, в том числе нейтральные фосфорорганические соединения, кислоты, основания, спирты, амины, кетоны, эфиры, хелаты, а также катионообменные и анионообменные смолы. В полосе урана его четырехвалентная форма предпочтительно находится в органической фазе, а трехвалентная - в водной фазе, то есть здесь реализуется случай, когда коэффициент разделения валентных форм урана не равен единице. Процесс проводят в растворе хлористоводородной кислоты в присутствии металлов III-IV группы с концентрацией 1 ppm с осуществлением редокс-рефлакса урана (проведением окислительно-восстановительного процесса с переводом урана в противопоставляемую валентную форму и другую фазу) по концам его полосы, а именно с исчерпывающей (полной) реэкстракцией его из органической фазы в водную в головной части полосы урана и восстановлением четырехвалентного урана до трехвалентного состояния с возвратом его в ступень отбора четырехвалентного урана и с окислением трехвалентного урана до четырехвалентного состояния, исчерпывающей экстракцией четырехвалентного урана и возвратом его с экстрагентом в тыловую часть полосы урана (в ступень отбора трехвалентного урана). Запитывают такой экстракционный каскад подачей в среднюю часть каскада исходного водного раствора урана. За счет неравномерного перераспределения изотопов урана в его полосе между двумя его валентными формами, находящимися в разных несмешивающихся фазах, осуществляется перенос легких изотопов урана с четырехвалентным ураном и тяжелых изотопов урана - с трехвалентным ураном к противоположным концам полосы урана. При этом чем больше количество ступеней контакта реализуется в полосе урана, тем выше конечная степень разделения изотопов. Схематически процесс разделения изотопов урана с изотопным обменом между ураном (III) и ураном (IV) представлен на фиг. 2. В одном из примеров реализации указанного способа приведены следующие данные. Разделение изотопов природного урана провели в экстракционном каскаде, состоящем из 70 ступеней. Состав фаз:

Водная фаза на входе каскада имела состав:

0,1 M;

Органическая фаза на входе каскада - 50%-ный ТБФ в додекане. Восстановление четырехвалентного урана проводили электрохимически и диафрагменном электролизе с ртутным катодом, а окисление трехвалентного урана - хлором. Из природного урана, содержащего 0,7194% урана-235, был получен обогащенный продукт, содержащий 0,80% урана-235, и обедненный продукт (отвал), содержащий 0,7047% урана-235. Недостатками данного способа являются:

Необходимость проведения редокс-рефлакса валентных форм урана по концам его полосы (то есть перевода урана в противопоставляемую валентную форму и другую фазу с возвратом его во фронтальную часть полосы урана, где был произведен отбор урана);

Крайне низкая химическая устойчивость растворов трехвалентного урана и, как следствие, необходимость использования солянокислой среды с минимальным содержанием примесей металлов III-IV группы. При этом однократный коэффициент разделения изотопов урана не превышает величины 1,0030. Задача изобретения - увеличение степени разделения изотопов, уменьшение числа используемых реагентов, увеличение химической устойчивости обменной системы. Поставленная задача решается тем, что в способе разделения изотопов урана, включающем изотопный обмен между двумя его валентными формами, одной из которых является четырехвалентный уран, движущимися в полосе, сформированной в процессе противоточной экстракции, обеспечивающей коэффициент разделения валентных форм урана, не равный единице, с рефлаксом валентных форм урана методами исчерпывающей экстракции и реэкстракции по концам его полосы, в качестве второй валентной формы используют шестивалентный уран, изотопный обмен проводят в растворах азотной кислоты, а рефлакс урана осуществляют без изменения его валентного состояния. Благодаря тому, что коэффициент разделения валентных форм не равен единице, создается полоса урана с разнесенными по ее концам зонами двух противопоставляемых валентных форм урана: четырех- и шестивалентного урана, и реакция изотопного обмена проходит в месте перекрытия разнесенных зон валентных форм урана, где направление межфазного переноса валентных форм противоположно. В соответствии с традиционными представлениями в такой системе максимальная степень разделения изотопов не может превысить значения, равного величине однократного коэффициента разделения изотопов, например для пары уран (VI)/уран (IV) 235/238 = 1,0013, так как сама операция по разделению валентных форм урана в полосе урана, приведенных в изотопное равновесие в питающем растворе, не должна приводить к увеличению изотопного эффекта. Однако совершенно неожиданно был получен изотопный эффект, величина которого на два порядка превышала расчетное значение, равное однократному коэффициенту разделения, причем направление изотопного эффекта оказалось обратным аналогу, то есть в этом случае легким изотопом обогатился четырехвалентный уран. Вероятно, это является следствием перераспределения изотопов урана между его валентными формами в процессе встречного межфазного переноса валентных форм урана, которое реализуется в месте перекрытия полос противопоставляемых валентных форм урана. В способе - прототипе и аналоге этот процесс практически отсутствует, так как в них реализуется редокс-рефлакс по концам полосы урана, тогда как в предложенном способе рефлакс урана проводят без изменения его валентности. Примеры реализации способа

В трех примерах реализации способа приведены данные по разделению смеси изотопов урана-232 и урана-238, присутствующих в высокофоновом уране. Содержание урана-232 определяли по ОСТ 95.999-92, включающем химическое выделение урана и последующее альфа-спектрометрическое определение содержания урана-232 в % к урану-238. Опыты, в которых было организовано движение полосы из шестивалентной и четырехвалентной форм урана, были поставлены в двух вариантах: хроматографическом и в варианте противоточной экстракции. Пример 1. В эксперименте использовалась хроматографическая колонка, снаряженная тефлоновым порошком с фракцией 0,25 - 0,5 мм, на поверхность которого предварительно нанесен экстрагент 65%-ный ТБФ в РЭД-2 в количестве 5% от веса порошка. Характеристики колонки:

Высота - 1м;

Диаметр - 0,1 м;

Вес тефлонового порошка (0,25 - 0,5 мм) - 72,14 г;

Вес экстрагента - 3,607 г;

Объем межзернового пространства - 35 см 3 . Колонка предварительно была приведена в равновесие с раствором, содержащим азотной кислоты 2 моль/л и гидразина 0,5 г/л. Чтобы сформировать в колонке полосу урана (IV), в нее вводили 2 мл раствора следующего состава:

115,5 г/л;

2,0 моль/л;

0,5 г/л. Затем промывали колонку 60 мл раствора U(VI) состава:

31,0 г/л;

2,0 моль/л;

0,5 г/л. В конце эксперимента колонка промывалась раствором, содержащим азотную кислоту с концентрацией 0,3 моль/л для реэкстракции урана (VI). Таким образом в эксперименте было реализовано противоточное движение водной и органической фаз с образованием полосы двух валентных форм урана и с исчерпывающей экстракцией и реэкстракцией по концам полосы урана. Поступающий в колонку шестивалентный уран вытеснял четырехвалентный уран. Движение по колонке полосы четырехвалентного урана, ее передний и задний фронт можно было наблюдать визуально. Продолжительность эксперимента 4 часа. При выходе из колонки заднего фронта четырехвалентного урана (переднего фронта шестивалентного урана) отбирали пробы для анализа на содержание урана четырехвалентного, шестивалентного и изотопного состава. Изотопный состав исходного урана и результаты эксперимента приведены соответственно в табл. 1 и 2. Из данных табл. 2 следует, что легкими изотопами обогащается уран со стороны заднего фронта полосы четырехвалентного урана в месте ее перекрытия с фронтом шестивалентного урана. Пример N 2. В эксперименте использовалась та же хроматографическая колонка, что и в первом опыте. Колонка предварительно была приведена в равновесие с раствором, содержащим азотной кислоты 2 моль/л и гидразина 0,5 г/л. Чтобы сформировать в колонке полосу урана (IV), в нее ввели 1 мл раствора следующего состава:

163,3 г/л;

29,7 г/л;

2,13 моль/д;

26 г/л,

И затем элюировали четырехвалентный уран раствором шестивалентного урана состава:

100,0 г/л;

2,0 моль/л;

0,5 г/л. В процессе элюирования четырехвалентный уран вытеснялся на передний фронт полосы урана. Поступающий в колонку шестивалентный уран вытеснял четырехвалентный уран на передний фронт. Движение по колонке полосы четырехвалентного урана можно было наблюдать визуально. Продолжительность эксперимента 4 часа. При выходе из колонки заднего фронта четырехвалентного урана (переднего фронта шестивалентного урана) отбирали пробы для анализа на содержание урана четырехвалентного, шестивалентного и изотопного состава. Результаты приведены в табл. 3. Из данных табл. 3 следует, что легкими изотопами обогащается уран, начиная со стороны заднего фронта полосы четырехвалентного урана в месте ее перекрытия с фронтом шестивалентного урана и кончая передним фронтом полосы четырехвалентного урана. Пример N 3. В этом примере описан изотопный эффект, который был зафиксирован при экстракционной переработке растворов высокофонового урана, находящегося в шестивалентном состоянии. Технологией переработки высокофонового урана предусмотрено введение в исходный и промывной растворы четырехвалентного урана, применяемого для восстановления плутония до трехвалентного состояния. В экстракционной колонне в процессе переработки исходного раствора высокофонового урана, содержащего азотной кислоты 30 - 60 г/л, при соотношении фаз O:B = 2,5:1 и насыщении экстрагента шестивалентным ураном 100 - 105 г/л четырехвалентный уран образует концентрационный пик на фронте шестивалентного урана. В зоне перекрытия фронтов четырехвалентного и шестивалентного урана воспроизводится ситуация с противоточным движением валентных форм урана через границу раздела фаз, когда четырехвалентный уран вытесняется из органической фазы шестивалентным ураном и реэкстрагируется в водную фазу, обогащаясь легкими изотопами, а шестивалентный наоборот - экстрагируется в органическую фазу, обогащаясь тяжелыми изотопами. Частично, в небольших количествах (< 1 г/л), уран уходил с рафинатом. Так как пик четырехвалентного урана находился ближе к выходу рафината из колонны, чем фронт шестивалентного урана, то в рафинате относительное содержание в уране его четырехвалентной формы оказывалось значительно выше, чем в реэкстракте урана, что повлекло изменение изотопного состава урана в рафинате и в реэкстракте. Результаты анализа исходного урана, урана, ушедшего с рафинатом, и урана в упаренном реэкстракте показали (см. табл. 4), что наблюдается концентрирование урана-232 в уране, теряемом с рафинатом, и обеднение по этому изотопу урана реэкстракта.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Способ химического разделения изотопов урана, включающий изотопный обмен между двумя его валентными формами, одной из которых является четырехвалентный уран, движущимися в полосе, сформированной в процессе противоточной экстракции, обеспечивающей коэффициент разделения валентных форм урана, не равный единице, с рефлаксом валентных форм урана методами исчерпывающей экстракции и реэкстрации по концам его полосы, отличающийся тем, что в качестве второй валентной формы используют шестивалентный уран, изотопный обмен проводят в растворах азотной кислоты, а рефлакс урана осуществляют без изменения его валентного состояния.