Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлен с изотопного обогащения )
Перейти к навигации Перейти к поиску

Разделение изотопов представляет собой процесс концентрирования конкретных изотопов из более химического элемента путем удаления других изотопов. Использование получаемых нуклидов различно. Наибольшее разнообразие используется в исследованиях (например, в химии, где атомы «маркерного» нуклида используются для выяснения механизмов реакции). По тоннажу, разделение природного урана на обогащенный уран и обедненный уран является самым большим применением. В нижеследующем тексте рассматривается в основном обогащение урана. Этот процесс имеет решающее значение при производстве уранового топлива для атомных электростанций, а также необходим для создания урановых топлив.ядерное оружие . В оружии на основе плутония используется плутоний, произведенный в ядерном реакторе, который должен работать таким образом, чтобы производить плутоний уже подходящей изотопной смеси или качества . В то время как различные химические элементы могут быть очищены с помощью химических процессов , изотопы одного и того же элемента имеют почти идентичные химические свойства, что делает этот тип разделения непрактичным, за исключением разделения дейтерия .

Техники разделения [ править ]

Существует три типа методов разделения изотопов:

  • Те, которые основаны непосредственно на атомном весе изотопа.
  • Те, которые основаны на небольших различиях в скоростях химических реакций, вызванных разным атомным весом.
  • Те, которые основаны на свойствах, не связанных напрямую с атомным весом, например ядерных резонансах .

Третий тип разделения все еще экспериментален; Практические методы разделения так или иначе зависят от атомной массы. Поэтому, как правило, легче разделять изотопы с большей относительной разницей масс. Например, дейтерий имеет вдвое большую массу, чем обычный (легкий) водород, и его, как правило, легче очистить, чем отделить уран-235 от более обычного урана-238 . С другой стороны, отделение делящегося плутония-239 от обычного примесного плутония-240 , хотя и желательно в том смысле, что это позволило бы создать оружие деления пушечного типа из плутония, по общему мнению, нецелесообразно. [1]

Смотрите также: Обогащенный уран

Каскады обогащения [ править ]

Во всех крупномасштабных схемах разделения изотопов используется ряд аналогичных стадий, на которых последовательно достигаются более высокие концентрации желаемого изотопа. Каждый этап обогащает продукт предыдущего этапа перед отправкой на следующий этап. Точно так же хвосты с каждой стадии возвращаются на предыдущую стадию для дальнейшей обработки. Это создает последовательную систему обогащения, называемую каскадом .

На производительность каскада влияют два важных фактора. Первый - это коэффициент разделения , который больше 1. Второй - это количество стадий, необходимых для достижения желаемой чистоты.

Коммерческие материалы [ править ]

На сегодняшний день произошло крупномасштабное промышленное разделение изотопов только трех элементов. В каждом случае более редкий из двух наиболее распространенных изотопов элемента был сконцентрирован для использования в ядерной технологии:

  • Изотопы урана были разделены, чтобы подготовить обогащенный уран для использования в качестве топлива ядерных реакторов и в ядерном оружии .
  • Изотопы водорода были разделены, чтобы подготовить тяжелую воду для использования в качестве замедлителя в ядерных реакторах.
  • Литий- 6 был сконцентрирован для использования в термоядерном оружии.

Некоторые изотопно очищенные элементы используются в небольших количествах для специальных применений, особенно в полупроводниковой промышленности, где очищенный кремний используются для улучшения структуры кристаллов и теплопроводности , [2] и углерод с большей изотопной чистотой , чтобы сделать алмазы с большей теплопроводностью.

Разделение изотопов - важный процесс как для мирных, так и для военных ядерных технологий, и поэтому способность страны к разделению изотопов представляет чрезвычайный интерес для разведывательного сообщества.

Альтернативы [ править ]

Единственная альтернатива разделению изотопов - производство требуемого изотопа в чистом виде. Это может быть сделано путем облучения подходящей мишени, но необходимо соблюдать осторожность при выборе мишени и других факторах, чтобы гарантировать, что будет произведен только требуемый изотоп интересующего элемента. Изотопы других элементов не представляют большой проблемы, поскольку их можно удалить химическим путем.

Это особенно актуально при подготовке высококачественного плутония-239 для использования в оружии. Отделять Pu-239 от Pu-240 или Pu-241 непрактично. Делящийся Pu-239 образуется после захвата нейтронов ураном-238, но дальнейший захват нейтронов приведет к образованию Pu-240, который менее делящийся и хуже, является довольно сильным излучателем нейтронов, и Pu-241, который распадается до Am-241 , сильного альфа-излучатель, вызывающий проблемы самонагрева и радиотоксичности. Следовательно, урановые мишени, используемые для производства военного плутония, необходимо облучать только в течение короткого времени, чтобы минимизировать производство этих нежелательных изотопов. И наоборот, смешивание плутония с Pu-240 делает его менее подходящим для ядерного оружия.

Практические методы разделения [ править ]

Распространение [ править ]

В газовой диффузии используются полупроницаемые мембраны для разделения обогащенного урана.

Часто применяемый с газами, но также и с жидкостями, метод диффузии основан на том факте, что в тепловом равновесии два изотопа с одинаковой энергией будут иметь разные средние скорости. Более легкие атомы (или содержащие их молекулы) будут перемещаться быстрее и с большей вероятностью диффундируют через мембрану. Разница в скоростях пропорциональна квадратному корню из отношения масс, поэтому степень разделения мала, и для получения высокой чистоты требуется много каскадных ступеней. Этот метод является дорогостоящим из-за работы, необходимой для проталкивания газа через мембрану, и из-за большого количества необходимых стадий.

Первое крупномасштабное разделение изотопов урана было достигнуто в Соединенных Штатах на крупных газодиффузионных установках разделения в лабораториях Ок-Ридж , которые были созданы в рамках Манхэттенского проекта . В качестве технологической жидкости они использовали газообразный гексафторид урана . Диффузионные барьеры из никелевого порошка и электроосажденной сетки из никеля впервые были изобретены Эдвардом Адлером и Эдвардом Норрисом. [3] См. Газовая диффузия .

Центробежный [ править ]

Каскад газовых центрифуг на заводе по обогащению урана в США.

Центробежные схемы быстро вращают материал, позволяя более тяжелым изотопам приближаться к внешней радиальной стенке. Это также часто делается в газообразной форме с использованием центрифуги типа Zippe .

Центробежное разделение изотопов было впервые предложено Астоном и Линдеманом [4] в 1919 году, а о первых успешных экспериментах с изотопами хлора сообщили Бимс и Хейнс [5] в 1936 году. Однако попытки использовать эту технологию во время Манхэттенского проекта оказались безрезультатными. . В наше время это основной метод, используемый во всем мире для обогащения урана, и в результате он остается довольно секретным процессом, препятствуя более широкому распространению этой технологии. В общем питание UF 6газ поступает в цилиндр, который вращается с высокой скоростью. Рядом с внешним краем цилиндра собираются более тяжелые молекулы газа, содержащие U-238, а молекулы, содержащие U-235, концентрируются в центре и затем направляются на другую ступень каскада. [6] Использование газоцентробежной технологии для обогащения изотопов желательно, поскольку потребление энергии значительно снижается по сравнению с более традиционными методами, такими как диффузионные установки, поскольку для достижения аналогичных степеней разделения требуется меньше ступеней каскада. Фактически, газовые центрифуги, использующие гексафторид урана, в значительной степени заменили газодиффузионную технологию для обогащения урана. [ необходима цитата ]Помимо того, что для достижения такого же разделения требуется меньше энергии, возможны установки гораздо меньшего масштаба, что делает их экономической возможностью для небольшой страны, пытающейся произвести ядерное оружие . Считается, что Пакистан использовал этот метод при разработке своего ядерного оружия.

Южная Африка использовала вихревые трубки в процессе разделения вихрей Helikon . Газ вводится по касательной в камеру со специальной геометрией, которая дополнительно увеличивает его вращение до очень высокой скорости, вызывая разделение изотопов. Метод прост, потому что вихревые трубки не имеют движущихся частей, но энергоемки, примерно в 50 раз больше, чем газовые центрифуги. Похожий процесс, известный как реактивное сопло , был создан в Германии, а демонстрационная установка была построена в Бразилии, и они пошли дальше, чем разработали площадку для заправки ядерных станций страны.

Электромагнитный [ править ]

Принципиальная схема разделения изотопов урана в калютроне .

Этот метод является разновидностью масс-спектрометрии , и иногда его называют этим именем. Он использует тот факт, что заряженные частицы отклоняются в магнитном поле, а величина отклонения зависит от массы частицы. Это очень дорого для производимого количества, так как имеет чрезвычайно низкую пропускную способность, но позволяет достичь очень высокой чистоты. Этот метод часто используется для обработки небольших количеств чистых изотопов для исследований или специального использования (например, изотопных индикаторов ), но он непрактичен для промышленного использования.

В Oak Ridge и в Университете Калифорнии, Беркли , Эрнест О. Лоуренс разработал электромагнитное разделение на большую части урана , используемом в первых США атомной бомбе (см Манхэттенского проекта ). Устройства, использующие его принцип, называются калютронами . После войны от этого метода отказались как от непрактичного. Это было предпринято (наряду с распространением и другими технологиями) только для того, чтобы гарантировать, что материала будет достаточно для использования любой ценой. Его главный вклад в военные усилия заключался в дальнейшем концентрировании материала газодиффузионных заводов до еще более высокого уровня чистоты.

Лазер [ править ]

В этом методе лазер настраивается на длину волны, которая возбуждает только один изотоп материала и предпочтительно ионизирует эти атомы. Резонансное поглощение света для изотопа зависит от его массы и определенных сверхтонких взаимодействий между электронами и ядром, что позволяет точно настроенным лазерам взаимодействовать только с одним изотопом. После ионизации атома его можно удалить из образца, приложив электрическое поле . Этот метод часто называют АВЛИС ( лазерное разделение изотопов на атомном паре ). Этот метод был разработан только недавно по мере совершенствования лазерной технологии и в настоящее время не используется широко. Тем не менее, это серьезная проблема для тех, кто занимается ядерным распространением.потому что это может быть дешевле и легче скрыть, чем другие методы разделения изотопов. Перестраиваемые лазеры, используемые в AVLIS, включают лазер на красителях [7], а в последнее время - диодные лазеры . [8]

Второй метод лазерного разделения известен как молекулярное лазерное разделение изотопов (MLIS). В этом методе инфракрасный лазер направлен на газообразный гексафторид урана , возбуждая молекулы, содержащие атом U-235 . Второй лазер освобождает атом фтора , оставляя пентафторид урана, который затем осаждается из газа. Каскадирование стадий MLIS сложнее, чем с другими методами, потому что UF 5 должен быть снова фторирован до UF 6.перед внедрением в следующий этап МЛИС. В настоящее время разрабатываются альтернативные схемы MLIS (с использованием первого лазера в ближней инфракрасной или видимой области), где обогащение более 95% может быть получено за одну стадию, но эти методы (пока) не достигли промышленной применимости. Этот метод называется OP-IRMPD (предварительное возбуждение обертонов - ИК -многофотонная диссоциация ).

Наконец, процесс « Разделение изотопов с помощью лазерного возбуждения » (SILEX), разработанный Silex Systems в Австралии, получил лицензию General Electric на разработку пилотной установки по обогащению. В этом методе в качестве сырья используется гексафторид урана, а также используются магниты для разделения изотопов после того, как один изотоп предпочтительно ионизируется. Дальнейшие подробности процесса не разглашаются.

Совсем недавно [ когда? ] еще одна схема была предложена для разделения дейтерия с использованием троянских волновых пакетов в электромагнитном поле с круговой поляризацией. Процесс формирования троянского волнового пакета при адиабатически-быстром прохождении сверхчувствительным образом зависит от приведенной массы электрона и ядра, что при той же частоте поля дополнительно приводит к возбуждению троянского или анти-троянского волнового пакета в зависимости от типа изотопа . Эти атомы и их гигантские вращающиеся электрические дипольные моменты затем сдвигаются по фазе, и пучок таких атомов разделяется градиентом электрического поля по аналогии с экспериментом Штерна-Герлаха .[ необходима цитата ]

Химические методы [ править ]

Хотя изотопы одного элемента обычно описываются как имеющие одинаковые химические свойства, это не совсем так. В частности, на скорость реакции очень мало влияет атомная масса.

Методы, использующие это, наиболее эффективны для легких атомов, таких как водород. Более легкие изотопы, как правило, реагируют или испаряются быстрее, чем тяжелые изотопы, что позволяет им разделяться. Именно так тяжелую воду получают в промышленных масштабах, подробности см. В сульфидном процессе Гирдлера . Более легкие изотопы также быстрее диссоциируют под действием электрического поля. Этот процесс в большом каскаде использовался на заводе по производству тяжелой воды в Рьюкане .

Один кандидат на самый большой кинетический изотопный эффект, когда-либо измеренный при комнатной температуре, 305, в конечном итоге может быть использован для разделения трития (T). Эффекты окисления меченых тритием формиат- анионов до HTO были измерены как:

k (HCO 2- ) = 9,54 M −1 с −1k (H) / k (D) = 38
k (DCO 2- ) = 9,54 M −1 с −1k (D) / k (T) = 8,1
k (TCO 2- ) = 9,54 M −1 с −1к (Н) / к (Т) = 305

Гравитация [ править ]

Изотопы углерода, кислорода и азота могут быть очищены путем охлаждения этих газов или соединений почти до температуры их сжижения в очень высоких (от 200 до 700 футов (от 61 до 213 м)) колоннах. Более тяжелые изотопы тонут, а более легкие поднимаются вверх, где они легко собираются. Этот процесс был разработан в конце 1960-х годов учеными Лос-Аламосской национальной лаборатории. [9] Этот процесс также называется « криогенная дистилляция ». [10]

ЕРР (отдельная рабочая единица) [ править ]

Единица разделительной работы (ЕРР) - это сложная единица, которая зависит от количества переработанного урана и степени его обогащения, т. Е. Степени увеличения концентрации изотопа U-235 по сравнению с остальным.

Единица измерения - это строго: килограмм единица разделительной работы , и она измеряет количество разделительной работы (показывающее энергию, используемую при обогащении), когда количества корма и продукта выражаются в килограммах. Усилия, затраченные на разделение массы F исходного материала для анализа xf на массу P продукта для анализа xp и отходов массы W и анализа xw , выражаются в единицах количества необходимых рабочих единиц разделения, выражаемых выражением ЕРР = WV ( xw ) + PV ( xp ) - FV ( xf ), где V ( x) является «функцией значения», определяемой как V ( x ) = (1-2 x ) ln ((1 - x ) / x ).

Разделительная работа выражается в ЕРР, кг SW или кг UTA (от немецкого Urantrennarbeit ).

  • 1 ЕРР = 1 кг ЕР = 1 кг UTA
  • 1 kSWU = 1,0 т SW = 1 т UTA
  • 1 MSWU = 1 узл SW = 1 узл UTA

Если, например, вы начнете со 100 килограммов (220 фунтов) природного урана, потребуется около 60 ЕРР, чтобы произвести 10 килограммов (22 фунтов) урана с обогащением по U-235 до 4,5%.

Сепараторы изотопов для исследований [ править ]

Радиоактивные пучки определенных изотопов широко используются в области экспериментальной физики, биологии и материаловедения. Производство и формирование этих радиоактивных атомов в ионный пучок для изучения - это целая область исследований, проводимых во многих лабораториях по всему миру. Первый изотопный сепаратор был разработан на Копенгагенском циклотроне Бором и его сотрудниками с использованием принципа электромагнитного разделения. Сегодня во всем мире существует множество лабораторий, которые поставляют пучки радиоактивных ионов для использования. Возможно, основным онлайн-сепаратором изотопов (ISOL) является ISOLDE в ЦЕРН, [11]который представляет собой совместный европейский объект, расположенный на франко-швейцарской границе недалеко от Женевы. Эта лаборатория использует в основном протонное расщепление мишеней из карбида урана для получения широкого спектра радиоактивных осколков деления, которые в природе не встречаются на Земле. Во время расщепления (бомбардировки протонами высокой энергии) мишень из карбида урана нагревается до нескольких тысяч градусов, так что радиоактивные атомы, образующиеся в ядерной реакции, высвобождаются. Выйдя из мишени, пары радиоактивных атомов попадают в полость ионизатора. Эта полость ионизатора представляет собой тонкую трубку из тугоплавкого металла с высокой работой выхода, позволяющую при столкновении со стенками высвободить один электрон из свободного атома ( поверхностная ионизацияэффект). После ионизации радиоактивные частицы ускоряются электростатическим полем и вводятся в электромагнитный сепаратор. Поскольку ионы, попадающие в сепаратор, имеют примерно одинаковую энергию, ионы с меньшей массой будут отклоняться магнитным полем на большую величину, чем ионы с большей массой. Этот отличающийся радиус кривизны позволяет проводить изобарическую очистку. После изобарной очистки ионный пучок направляется на отдельные эксперименты. Чтобы повысить чистоту изобарического луча, лазерная ионизация может происходить внутри полости ионизатора для селективной ионизации одной интересующей цепочки элементов. В ЦЕРН это устройство называется лазерным источником ионов с резонансной ионизацией (RILIS). [12] В настоящее время более 60% всех экспериментов используют RILIS для повышения чистоты радиоактивных пучков.

Возможность производства лучей на объектах ISOL [ править ]

Поскольку производство радиоактивных атомов методом ISOL зависит от химии свободных атомов исследуемого элемента, существуют определенные пучки, которые нельзя получить простой бомбардировкой протонами толстых актинидных мишеней. Тугоплавкие металлы, такие как вольфрам и рений, не выходят из мишени даже при высоких температурах из-за низкого давления пара. Для получения этих типов лучей требуется тонкая мишень. Технология Ion Guide Isotope Separator On Line (IGISOL) была разработана в 1981 году в циклотронной лаборатории Университета Ювяскюля в Финляндии . [13]В этом методе тонкая урановая мишень бомбардируется протонами, и продукты ядерной реакции вылетают из мишени в заряженном состоянии. Отдачи останавливаются в газовой ячейке, а затем выходят через небольшое отверстие в боковой части ячейки, где они электростатически ускоряются и вводятся в масс-сепаратор. Этот метод производства и извлечения осуществляется в более короткие сроки по сравнению со стандартным методом ISOL, и изотопы с короткими периодами полураспада (менее миллисекунды) могут быть изучены с помощью IGISOL. IGISOL также был объединен с лазерным источником ионов в Лёвенском изотопном сепараторе он-лайн (LISOL) в Бельгии. [14] Источники с тонкими мишенями обычно содержат значительно меньшее количество радиоактивных ионов, чем источники с толстыми мишенями, и это их главный недостаток.

По мере развития экспериментальной ядерной физики становится все более важным изучать самые экзотические радиоактивные ядра. Для этого требуются более изобретательные методы для создания ядер с экстремальными отношениями протон / нейтрон. Альтернативой методам ISOL, описанным здесь, является метод пучков фрагментации, где радиоактивные ионы образуются в результате реакций фрагментации на быстром пучке стабильных ионов, падающих на тонкую мишень (обычно из атомов бериллия). Этот метод используется, например, в Национальной сверхпроводящей циклотронной лаборатории (NSCL) в Университете штата Мичиган и на фабрике радиоактивных изотопных пучков (RIBF) в RIKEN в Японии.

Ссылки [ править ]

  1. ^ Гарвин, Richard L. (ноябрь 1997). «Технология ядерного оружия». Контроль над вооружениями сегодня . 27 (8): 6–7 - через Proquest.
  2. ↑ Томас, Эндрю (30 ноября 2000 г.). «AMD тестирует« супер-кремний »для решения проблем с нагревом» . Реестр: Канал . Реестр . Проверено 17 января 2014 года .
  3. ^ Ричард Родс (1986). Создание атомной бомбы . Саймон и Шустер. п. 494 . ISBN 978-0-684-81378-3. Проверено 17 января 2014 года .
  4. ^ Линдеманн, Ф. А ; Астон, FW (1919). «Возможность разделения изотопов» . Философский журнал . Series 6. 37 (221): 523–534. DOI : 10.1080 / 14786440508635912 .
  5. ^ Лучи, JW; Хейнс, Ф. Б. (1936-09-01). «Разделение изотопов центрифугированием». Физический обзор . Американское физическое общество (APS). 50 (5): 491–492. DOI : 10.1103 / Physrev.50.491 . ISSN 0031-899X . 
  6. ^ Уитли, Стэнли (1984-01-01). «Обзор газовой центрифуги до 1962 года. Часть I: Принципы физики разделения». Обзоры современной физики . Американское физическое общество (APS). 56 (1): 41–66. DOI : 10,1103 / revmodphys.56.41 . ISSN 0034-6861 . 
  7. ^ FJ Дуарте и ЛМ Хиллман (ред.), Лазеркрасителе принципы (Academic, НьюЙорк, 1990) Глава 9.
  8. ↑ FJ Duarte (Ed.), Tunable Laser Applications, 2nd Ed. (CRC, 2008) Глава 11
  9. ^ "В центре внимания Лос-Аламос в новостях | Зима 2003 | Национальная лаборатория Лос-Аламоса" . Lanl.gov . Проверено 18 февраля 2014 .
  10. ^ "Архивная копия" . Архивировано из оригинала на 2006-10-12 . Проверено 1 сентября 2007 .CS1 maint: заархивированная копия как заголовок ( ссылка )
  11. ^ "Официальная веб-страница ISOLDE" .
  12. ^ "Официальная страница ISOLDE RILIS" .
  13. ^ "IGISOL - Fysiikan laitos" (на финском языке). Jyu.fi . Проверено 18 февраля 2014 .
  14. ^ "LISOL @ KU Leuven" .

Внешние ссылки [ править ]

  • Использование кинетических изотопных эффектов для концентрации трития , Г. М. Браун, Т. Дж. Мейер и др., 2001.
  • Производство урана
  • Обогащение урана от Всемирной ядерной ассоциации
  • Аннотированная библиография по электромагнитному разделению изотопов урана из Цифровой библиотеки Алсос