Ізотопів розділення, виділення чистих ізотопів з суміші ізотопів даного елементу або збагачення суміші окремими ізотопами. І. р. — важлива проблема, що має велике наукове і практичне значення. З моменту відкриття ізотопів і до 1930-х рр. спроби І. р. вироблялися головним чином для виявлення ізотопів в стабільних елементів, виміру їх маси і ізотопного складу. Удавалося виділити лише невеликі (індикаторні) кількості деяких елементів, трохи збагачених ізотопами. У 30-х рр. почалися фундаментальні дослідження атомних ядер, ядерних реакцій, взаємодії часток з ядрами і так далі Достовірність експериментальних даних і інтерпретація отриманих результатів значною мірою залежали від чистоти і доступної кількості ізотопу. Але здобуття чистих ізотопів навіть у кількостях міліграм було складним завданням. Були виділені лише невеликі кількості збагачених сумішей ізотопів головним чином легких елементів. Лише дейтерій почали виробляти в промислових масштабах. Подальший розвиток техніки І. р. було викликано встановленням в 1939 реакцій ділення 235 U під дією нейтронів, яка відкрила перспективу використання ядерної енергії в мирних і військових цілях (див. Ядерна енергетика, Ядерний реактор, Ядерна зброя ). Здобуття у великих кількостях ізотопів U і деяких інших елементів, необхідних як «ядерне пальне» або матеріали для ядерної техніки, перетворилося з цієї миті на важливе завдання. Для її вирішення були побудовані величезні заводи.
Існує ряд методів І. р. Всі вони засновані на відмінностях у властивостях ізотопів і їх з'єднань, пов'язаних з відмінністю мас їх атомів. Для більшості елементів відносна різниця мас ізотопів вельми мала. Цим визначається складність завдання.
Ефективність І. р. характеризується коефіцієнтом розділення а. Для суміші двох ізотопів де С¢ і (1 — C'' ) — відносний вміст легкого і важкого ізотопів в збагаченій суміші, а С¢¢ і (1 — С¢¢ ) — в первинній суміші. Для більшості методів а лише трохи більше одиниці, тому для здобуття високої ізотопної концентрації одиничну операцію І. р. доводиться багато разів повторювати. Лише при електромагнітному поділі а складає 10—1000 за 1 цикл розділення. Вибір методу І. р. залежить від властивостей речовини, що розділяється необхідної міри розділення, необхідної кількості ізотопів, економічності процесу (при значному масштабі виробництва ізотопів) і тому подібне
Газова дифузія через пористі перегородки. Газоподібне з'єднання елементу, що розділяється, при досить низькому тиску ~ 0,1 н/м 2 (~10 -3 мм рт . ст .) «прокачується» через пористу перегородку, що містить до 10 6 отворів на 1 см 2 ( мал. 1 ). Легкі молекули проникають через перегородку швидше важких, оскільки швидкості молекул назад пропорційні квадратному Корню з їх молекулярної ваги (див. Дифузія ). В результаті газ збагачується легкою компонентой по одну сторону перегородки і важкою — по іншу. Якщо різниця в молекулярних масах дуже мала, то необхідне повторення цього процесу тисячі разів. Кількість операцій розділення n визначається співвідношенням: q = a n , де q — необхідна міра розділення. На цьому методі заснована робота гігантських газодифузійних заводів для здобуття 235 U з газоподібного Uf 6 (а ~ 1,0043). Для здобуття необхідної концентрації 235 U потрібний близько 4000 одиничних операцій розділення ( рис 2 ).
Дифузія в потоці пари (протипотокова маси-дифузія). І. р. відбувається в циліндровій судині (колоні), перегородженій уздовж осі діафрагмою, що містить біля 10 3 отворів на 1 см 2 ( мал. 3 ). Газоподібна ізотопна суміш рухається назустріч потоку допоміжної пари. Унаслідок градієнта (перепаду) концентрації газу і пари в поперечному перетині циліндра і більшого коефіцієнта дифузії для легких молекул відбувається збагачення легким ізотопом частини газу, прошедшего крізь потік пари в ліву частину циліндра. Збагачена частина виводиться з верхнього кінця циліндра разом з основним потоком пари, а частина газу, що залишилася в правій половині, рухається уздовж діафрагми і відводиться з апарату. Пара, що проникла в праву частину, конденсується. На розділових установках, що складаються з декількох десятків послідовно сполучених дифузійних колонок з тією, що випаровується рідиною (ртуть, ксилол і ін.), розділяються в лабораторних масштабах (до 1 кг ) ізотопи неону, аргону, вуглецю, криптону, сірки ( мал. 4 ) .
Термодифузія. Термодифузійна розділова колонка складається з двох коаксіально розташованих труб, в яких підтримуються різні температури ( мал. 5 ). суміш, що Розділяється, вводиться між ними. Перепад температур D Т між поверхнями труб створює дифузійний потік, що приводить до появи різниці концентрації ізотопів в поперечному перетині колонки (див. Термодифузія ). Одночасно перепад температур приводить до виникнення конвективних вертикальних потоків газу (див. Конвекція ). Внаслідок цього легші ізотопи накопичуються в гарячої поверхні внутрішньої труби і рухаються вгору. Коефіцієнт розділення де g — постійна термодифузії, залежна від відносної різниці мас ізотопів, а T = ( T 1 + T 2 )/2. Термодифузійний метод дозволяє розділяти ізотопи як в газоподібній, так і в рідкій фазі. Можливий асортимент ізотопів, що розділяються, ширший, ніж при розділенні методом газової дифузії або дифузії в потоці пари. Проте для рідкої фази а мало. Метод зручний при І. р. в лабораторних умовах унаслідок простоти, відсутність вакуумних насосів і так далі Цим методом був отриманий Не з вмістом 0,2% 3 He (у природній суміші 1,5×10 -5 %), ізотопи 18 O, 15 N, 13 C, 20 Ne, 22 Ne, 35 Cl, 84 Kr, 86 Kr з концентрацією > 99,5%. Термодифузія використовувалася в промисловому масштабі в США для попереднього збагачення 235 U перед остаточним розділенням його на електромагнітній установці. Термодифузійний завод складався з 2142 колон висотою 15 м-коду .
Дистиляція (фракційна перегонка). Оскільки, як правило, ізотопи має різний тиск насиченої пари, наприклад p 1 і p 2 , і різні точки кипіння, то можливе розділення ізотопів шляхом фракційної перегонки. Використовуються колони, що фракціонують, з великим числом рівнів розділення; а залежить від відношення p 1 / p 2 і його значення зменшується із зростанням молекулярної маси і температури. Тому процес найбільш ефективний при низьких температурах. Дистиляція використовувалася при здобутті ізотопів легких елементів — 10 B, 11 B, 18 O, 15 N, 13 C, а в промисловому масштабі для здобуття сотень тонн важкої води в рік.
Ізотопний обмін. Для І. р використовуються також хімічні реакції, в яких ізотопи елементу, що розділяється, обмінюються місцями. Так, наприклад, якщо привести в зіткнення хлористий водень Hcl з бромистим воднем Hbr, в яких первинний вміст дейтерію D у водні був однаковим, то в результаті обмінної реакції вміст D в Hcl буде декілька вище, ніж в Hbr (див. Ізотопний обмін ). Вживання декількох рівнів дозволяє отримувати високе збагачення водню, азоту, сірки, кисню, вуглецю, літію окремими ізотопами.
Центрифугування. У центрифузі, що обертається з великою окружною швидкістю (100 м-код / сік ), важчі молекули під дією відцентрових сил концентруються в периферії, а легкі молекули — в ротора центрифуги. Потік пари в зовнішній частині з важким ізотопом направлений вниз, а у внутрішній з легким ізотопом — вгору. З'єднання декількох центрифуг в каскад забезпечує необхідне збагачення ізотопів. При центрифугуванні а залежить не від відношення мас атомів ізотопів, що розділяються, а від їх різниці. Тому центрифугування придатне для розділення ізотопів і важких елементів. Завдяки вдосконаленню центрифуг метод став застосовуватися для промислового розділення ізотопів урану і інших важких елементів.
Електроліз. При електролізі води або водних розчинів електролітів водень, що виділяється на катоді, містить менша кількість дейтерію, чим вихідна вода. В результаті в електролізері зростає концентрація дейтерію. Метод застосовувався в промислових масштабах для здобуття важкої води. Розділення інших ізотопів легких елементів (літію, калія) електролізом їх хлористих солей виробляється лише в лабораторних кількостях.
Електромагнітний метод. Речовина, ізотопи якої потрібно розділити, поміщається в тигель іонного джерела, випаровується і іонізуєтся. Іони витягуються з іонізаційної камери сильним електричним полем, формуються в іонний пучок і потрапляють у вакуумну розділову камеру, поміщену в магнітне поле Н , направлене перпендикулярно руху іонів. Під дією магнітного поля іони рухаються по колах з радіусами кривизни, пропорційними Корню квадратному з відношення маси іона М-коду до його заряду е . Внаслідок цього радіуси траєкторії важких і легких іонів відрізняються один від одного ( мал. 6 ). Це дозволяє збирати іони різних ізотопів в приймачі, розташовані у фокальній плоскості установки (див. Мас-спектрометри ).
Продуктивність електромагнітних установок визначається значенням іонного струму і ефективністю уловлювання іонів. На великих установках іонний струм вагається від десятків до сотень ма , що дає можливість отримувати до декількох грамів ізотопів в добу (сумарно по всіх ізотопах). У лабораторних сепараторах продуктивність в 10—100 разів нижче.
Електромагнітний метод характеризується високим а і можливістю одночасного розділення всіх ізотопів даного елементу. Зазвичай на великих промислових установках для одного рівня розділення a ~ 10—100, в лабораторних — в 10—100 разів вище. В більшості випадків при розділенні електромагнітним методом досить одного рівня, рідко виробляється повторне розділення заздалегідь збагачених ізотопних матеріалів для здобуття ізотопів особливо високої частоти. Основний недолік методу — відносно низька продуктивність високі експлуатаційні витрати, значні втрати речовини, що розділяється.
Електромагнітний метод вперше дозволив отримати кілограмові кількості 235 U. Електромагнітний завод в Ок-Рідже (США) мав 5184 розділових камери — «калютрони» ( мал. 7 ). Унаслідок високої універсальності і гнучкості електромагнітні установки використовуються для розділення ізотопів ~ 50 елементів періодичної системи в кількостях від міліграм до сотень г і є основним джерелом забезпечення ізотопами науково-дослідних робіт і деяких практичних вживань ізотопів (див., наприклад, Ізотопні індикатори ).
Поряд з великими електромагнітними розділовими установками для промислового виробництва ізотопів широке вживання отримали лабораторні сепаратори. Вони використовуються для здобуття радіоактивних ізотопів, необхідних для ядерній спектроскопії, для вивчення взаємодії іонів з твердим тілом (при іонному впровадженні і для інших цілей).
Інші методи розділення. Окрім перерахованих, існує ряд інших методів, вживання яких носить обмежений характер або знаходиться у стадії досліджень або технічних удосконалень. До них відносяться: здобуття 3 He, засноване на явищі надтекучість 4 He; розділення за допомогою дифузії в надзвуковому струмені газу, що розширюється в просторі із зниженим тиском; хроматографічне розділення, засноване на відмінності в швидкостях адсорбції ізотопів; біологічні способи розділення.
Методи І. р. мають особливості, що визначають області їх найбільш ефективного вживання. При І. р. легких елементів з масовими числами близько 40 економічно вигідніші і ефективніші дистиляція, ізотопний обмін і електроліз. Для розділення ізотопів важких елементів застосовуються дифузійний метод, центрифугування і електромагнітний поділ. Проте газова дифузія і центрифугування можуть бути використані, якщо є газоподібні з'єднання елементів. Оскільки такі з'єднань мало, реальні можливості цих методів доки обмежені. Термодифузія дозволяє розділяти ізотопи як в газоподібному, так і в рідкому стані, але при розділенні ізотопів в рідкій фазі а мало. Електромагнітний метод володіє великим а, але має малу продуктивність і застосовується головним чином при обмежених масштабах виробництва ізотопів.
Для забезпечення науково-дослідних робіт і практичних вживань ізотопів в СРСР створений Державний фонд стабільних ізотопів, що володіє запасом ізотопів майже всіх елементів. Регулярно виробляється розділення значних кількостей дейтерію 10 B, 13 C, 15 N, 18 0, 22 Ne і інших ізотопів. Організований також випуск різних хімічних препаратів, мічених стабільними ізотопами.
Літ.: Бродський А. І., Хімія ізотопів, М. 1952; Сміт Р., Атомна енергія для військових цілей, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1946; Фізичний енциклопедичний словник, т. 4, М., 1965; Розен А. М., Теорія розділення ізотопів в колонах, М., 1960; Джонс До., Феррі В., Розділення ізотопів методом термодифузії, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1947; Koch J. [ed.], Electromagnetic isotope separators and applications of electromagnetically enriched isotopes, Amst., 1958.
