Изотопов разделение

Изотопов разделение (далее И) выделение чистых изотопов из смеси изотопов данного элемента или обогащение смеси отдельными изотопами. И - важная проблема, имеющая большое научное и практическое значение. С момента открытия изотопов и до 1930-х гг. попытки И производились главным образом для обнаружения изотопов у стабильных элементов, измерения их массы и изотопного состава. Удавалось выделить лишь небольшие (индикаторные) количества некоторых элементов, незначительно обогащенных изотопами. В 30-х гг. начались фундаментальные исследования ядер, ядерных реакций, взаимодействия частиц с ядрами и т. д. Достоверность экспериментальных данных и интерпретация полученных результатов в значительной мере зависели от чистоты и доступного количества изотопа. Но получение чистых изотопов даже в миллиграммовых количествах являлось сложной задачей. Были выделены лишь небольшие количества обогащенных смесей изотопов главным образом легких элементов. Только дейтерий начали производить в промышленных масштабах. Дальнейшее развитие техники И было вызвано установлением в 1939 реакции деления ²³⁵ под действием нейтронов, которое открыло перспективу использования ядерной энергии в мирных и военных целях (см. Ядерная энергетика, Ядерный реактор, Ядерное оружие). Получение в больших количествах изотопов и некоторых других элементов, необходимых в качестве "ядерного горючего" или материалов для ядерной техники, превратилось с этого момента в важную задачу. Для ее решения были построены огромные заводы.

Существует ряд методов И Все они основаны на различиях в свойствах изотопов и их соединений, связанных с различием масс их Для большинства элементов относительная разность масс изотопов весьма мала. Этим определяется сложность задачи.

Эффективность И характеризуется коэффициентом разделения a. Для смеси двух изотопов

где С¢ и (1 - " ) - относительные содержания легкого и тяжелого изотопов в обогащенной смеси, а С¢¢ и (1 - С¢¢ ) - в первичной смеси. Для большинства методов a лишь немного больше единицы, поэтому для получения высокой изотопной концентрации единичную операцию И приходится многократно повторять. Только при электромагнитном разделении a составляет 10-1000 за 1 цикл разделения. Выбор метода И зависит от свойств разделяемого вещества, требуемой степени разделения, необходимого количества изотопов, экономичности процесса (при значительном масштабе производства изотопов) и т. п.

Газовая диффузия через пористые перегородки. Газообразное соединение разделяемого элемента при достаточно низких давлениях ~ 0,1 н/м² (~10^-3 мм рт. ст.) "прокачивается" через пористую перегородку, содержащую до 10⁶ отверстий на 1 см² (рис. 1). Легкие молекулы проникают через перегородку быстрее тяжелых, так как скорости молекул обратно пропорциональны квадратному корню из их молекулярного веса (см. Диффузия). В результате газ обогащается легкой компонентой по одну сторону перегородки и тяжелой - по другую. Если разница в молекулярных массах очень мала, то необходимо повторение этого процесса тысячи раз. Количество операций разделения n определяется соотношением: q = aⁿ, где q - необходимая степень разделения. На этом методе основана работа гигантских газодиффузионных заводов для получения ²³⁵ из газообразного ₆ (a ~ 1,0043). Для получения необходимой концентрации ²³⁵ требуется около 4000 единичных операций разделения (рис 2).

Диффузия в потоке пара (противопоточная масс-диффузия). И происходит в цилиндрическом сосуде (колонне), перегороженном вдоль оси диафрагмой, содержащей около 10³ отверстий на 1 см² (рис. 3). Газообразная изотопная смесь движется навстречу потоку вспомогательного пара. Вследствие градиента (перепада) концентрации газа и пара в поперечном сечении цилиндра и большего коэффициента диффузии для легких молекул происходит обогащение легким изотопом части газа, прошедшего сквозь поток пара в левую часть цилиндра. Обогащенная часть выводится из верхнего конца цилиндра вместе с основным потоком пара, а оставшаяся в правой половине часть газа движется вдоль диафрагмы и отводится из аппарата. Пар, проникший в правую часть, конденсируется. На разделительных установках, состоящих из нескольких десятков последовательно соединенных диффузионных колонок с испаряющейся жидкостью ( ксилол и др.), разделяются в лабораторных масштабах (до 1 кг) изотопы криптона, серы (рис. 4).

Термодиффузия. Термодиффузионная разделительная колонка состоит из двух коаксиально расположенных труб, в которых поддерживаются различные температуры (рис. 5). Разделяемая смесь вводится между ними. Перепад температур DТ между поверхностями труб создает диффузионный поток, что приводит к появлению разности концентрации изотопов в поперечном сечении колонки (см. Термодиффузия). Одновременно перепад температур приводит к возникновению конвективных вертикальных потоков газа (см. Конвекция). Вследствие этого более легкие изотопы накапливаются у горячей поверхности внутренней трубы и движутся вверх. Коэффициент разделения

где g - постоянная термодиффузии, зависящая от относительной разности масс изотопов, а T = (T₁ + T₂)/2. Термодиффузионный метод позволяет разделять изотопы как в газообразной, так и в жидкой фазе. Возможный ассортимент разделяемых изотопов шире, чем при разделении методом газовой диффузии или диффузии в потоке пара. Однако для жидкой фазы a мало. Метод удобен при И в лабораторных условиях вследствие простоты, отсутствия вакуумных насосов и т. д. Этим методом был получен Не с содержанием 0,2% ³ (в природной смеси 1,5×10^-5%), изотопы ¹⁸, ¹⁵, ¹³, ²⁰, ²², ³⁵, ⁸⁴, ⁸⁶ с концентрацией > 99,5%. Термодиффузия использовалась в промышленном масштабе в США для предварительного обогащения ²³⁵ перед окончательным разделением его на электромагнитной установке. Термодиффузионный завод состоял из 2142 колонн высотой 15 м.

Дистилляция (фракционная перегонка). Поскольку, как правило, изотопы имеют различные давления насыщенного пара, например p₁ и p₂, и различные точки кипения, то возможно разделение изотопов путем фракционной перегонки. Используются фракционирующие колонны с большим числом ступеней разделения; a зависит от отношения p₁/p₂ и его значение уменьшается с ростом молекулярной массы и температуры. Поэтому процесс наиболее эффективен при низких температурах. Дистилляция использовалась при получении изотопов легких элементов - ¹⁰, ¹¹, ¹⁸, ¹⁵, ¹³, а в промышленном масштабе для получения сотен тонн тяжелой воды в год.

Изотопный обмен. Для И. р используются также реакции, в которых изотопы разделяемого элемента обмениваются местами. Так, например, если привести в соприкосновение с , в которых первоначальное содержание дейтерия D в было одинаковым, то в результате обменной реакции содержание D в будет несколько выше, чем в (см. Изотопный обмен). Применение нескольких ступеней позволяет получать высокое обогащение серы, лития отдельными изотопами.

Центрифугирование. В центрифуге, вращающейся с большой окружной скоростью (100 м/сек), более тяжелые молекулы под действием центробежных сил концентрируются у периферии, а легкие молекулы - у ротора центрифуги. Поток пара во внешней части с тяжелым изотопом направлен вниз, а во внутренней с легким изотопом - вверх. Соединение нескольких центрифуг в каскад обеспечивает необходимое обогащение изотопов. При центрифугировании a зависит не от отношения масс разделяемых изотопов, а от их разности. Поэтому центрифугирование пригодно для разделения изотопов и тяжелых элементов. Благодаря совершенствованию центрифуг метод стал применяться для промышленного разделения изотопов и других тяжелых элементов.

Электролиз. При электролизе воды или водных растворов электролитов выделяющийся на катоде содержит меньшее количество дейтерия, чем исходная вода. В результате в электролизере растет концентрация дейтерия. Метод применялся в промышленных масштабах для получения тяжелой воды. Разделение других изотопов легких элементов (лития, электролизом их солей производится только в лабораторных количествах.

Электромагнитный метод. Вещество, изотопы которого требуется разделить, помещается в тигель ионного источника, испаряется и ионизуется. Ионы вытягиваются из ионизационной камеры сильным электрическим полем, формируются в ионный пучок и попадают в вакуумную разделительную камеру, помещенную в поле Н, направленное перпендикулярно движению ионов. Под действием поля ионы движутся по окружностям с радиусами кривизны, пропорциональными корню квадратному из отношения массы иона М к его заряду е. Вследствие этого радиусы траектории тяжелых и легких ионов отличаются друг от друга (рис. 6). Это позволяет собирать ионы различных изотопов в приемники, расположенные в фокальной плоскости установки (см. Масс-спектрометры).

Производительность электромагнитных установок определяется значением ионного тока и эффективностью улавливания ионов. На больших установках ионный ток колеблется от десятков до сотен ма, что дает возможность получать до нескольких граммов изотопов в сутки (суммарно по всем изотопам). В лабораторных сепараторах производительность в 10-100 раз ниже.

Электромагнитный метод характеризуется высоким a и возможностью одновременного разделения всех изотопов данного элемента. Обычно на больших промышленных установках для одной ступени разделения a ~ 10-100, в лабораторных - в 10-100 раз выше. В большинстве случаев при разделении электромагнитным методом достаточно одной ступени, редко производится повторное разделение предварительно обогащенных изотопных материалов для получения изотопов особо высокой частоты. Основной недостаток метода - относительно низкая производительность, высокие эксплуатационные затраты, значительные потери разделяемого вещества.

Электромагнитный метод впервые позволил получить килограммовые количества ²³⁵. Электромагнитный завод в Ок-Ридже (США) имел 5184 разделительные камеры - "калютроны" (рис. 7). Вследствие высокой универсальности и гибкости электромагнитные установки используются для разделения изотопов ~ 50 элементов периодической системы в количествах от мг до сотен г и являются основным источником обеспечения изотопами научно-исследовательских работ и некоторых практических применений изотопов (см., например, Изотопные индикаторы).

Наряду с большими электромагнитными разделительными установками для промышленного производства изотопов широкое применение получили лабораторные сепараторы. Они используются для получения радиоактивных изотопов, необходимых для ядерной спектроскопии, для изучения взаимодействия ионов с твердым телом (при ионном внедрении и для других целей).

Другие методы разделения. Помимо перечисленных, существует ряд других методов, применение которых носит ограниченный характер или находится в стадии исследований или технических усовершенствований. К ним относятся: получение ³, основанное на явлении сверхтекучести ⁴; разделение посредством диффузии в сверхзвуковой струе газа, расширяющейся в пространстве с пониженным давлением; разделение, основанное на различии в скоростях адсорбции изотопов; биологические способы разделения.

Методы И имеют особенности, определяющие области их наиболее эффективного применения. При И легких элементов с массовыми числами около 40 экономически более выгодны и эффективны дистилляция, изотопный обмен и электролиз. Для разделения изотопов тяжелых элементов применяются диффузионный метод, центрифугирование и электромагнитное разделение. Однако газовая диффузия и центрифугирование могут быть использованы, если имеются газообразные соединения элементов. Поскольку таких соединений мало, реальные возможности этих методов пока ограничены. Термодиффузия позволяет разделять изотопы как в газообразном, так и в жидком состоянии, но при разделении изотопов в жидкой фазе a мало. Электромагнитный метод обладает большим a, но имеет малую производительность и применяется главным образом при ограниченных масштабах производства изотопов.

Для обеспечения научно-исследовательских работ и практических применений изотопов в СССР создан Государственный фонд стабильных изотопов, обладающий запасом изотопов почти всех элементов. Регулярно производится разделение значительных количеств дейтерия ¹⁰, ¹³, ¹⁵, ¹⁸0, ²² и других изотопов. Организован также выпуск различных препаратов, меченых стабильными изотопами.

Лит.: Бродский А. И., изотопов, М., 1952; Смит Г., энергия для военных целей, пер. с англ., М., 1946; Физический энциклопедический словарь, т. 4, М., 1965; Розен А. М., Теория разделения изотопов в колоннах, М., 1960; Джонс К., Ферри В., Разделение изотопов методом термодиффузии, пер. с англ., М., 1947; Koch J. (ed.), Electromagnetic isotope separators and applications of electromagnetically enriched isotopes, Amst., 1958.

В. С.

	Copyright © 1999-2023 Oval.ru, All Rights Reserved.