Ізотопів розділення
 
а б в г д е ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ъ ы ь э ю я
 

Ізотопів розділення

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.

загрузка...

  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.

  Ст С. Золотарев.

Мал. 7. Завод для електромагнітного поділу в Ок-Рідже (США).

Мал. 6. Схематичне зображення електромагнітного розділового пристрою; крапки показують напрям магнітного поля, перпендикулярний плоскості малюнка.

Мал. 1. Схема пристрою для розділення ізотопів методом газової дифузії.

Мал. 5. Схема термодифузійної розділової колонки.

Мал. 2. Газодифузійний завод для виробництва 235 U в Ок-Рідже (США).

Мал. 3. Схема пристрою для розділення ізотопів методом протипотокової мас-дифузії.

Мал. 4. Розділова установка що працює на протипотоковій масах-дифузії.