Изотопов разделение, выделение чистых изотопов из смеси изотопов данного элемента или обогащение смеси отдельными изотопами. И. р. — важная проблема, имеющая большое научное и практическое значение. С момента открытия изотопови до 1930-х гг. попытки И. р. 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 атомных 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 лёгких элементов. Только дейтерий начали производить в промышленных масштабах. Дальнейшее развитие техники И. р. было вызвано установлением в 1939 реакции деления 235U 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 U и некоторых других элементов, необходимых в качестве «ядерного горючего» или материалов для ядерной техники, превратилось с этого момента в важную задачу. Для её решения были построены огромные заводы.
Существует ряд методов И. р. Все они основаны на различиях в свойствах изотопов и их соединений, связанных с различием масс их атомов. Для большинства элементов относительная разность масс изотопов весьма мала. Этим определяется сложность задачи.
Эффективность И. р. характеризуется коэффициентом разделения a. Для смеси двух изотопов где С¢ и (1 — C' ) — относительные содержания лёгкого и тяжёлого 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. р. приходится многократно повторять. Только при электромагнитном разделении a составляет 10—1000 за 1 цикл разделения. Выбор метода И. р. 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 (~10-3мм рт. ст.) «прокачивается» через пористую перегородку, содержащую до 106 отверстий на 1 см2(рис. 1). Лёгкие молекулы проникают через перегородку быстрее тяжёлых, так как скорости молекул обратно пропорциональны квадратному корню из их молекулярного веса (см. Диффузия). В результате газ обогащается лёгкой компонентой по одну сторону перегородки и тяжёлой — 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 235U из газообразного UF6 (a ~ 1,0043). Для получения необходимой концентрации 235U требуется около 4000 единичных операций разделения (рис 2).
Диффузия в потоке пара (противопоточная масс-диффузия). И. р. 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 лёгких молекул происходит обогащение лёгким изотопом части газа, прошедшего сквозь поток пара в левую часть цилиндра. Обогащённая 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 соединённых диффузионных колонок с испаряющейся жидкостью (ртуть, ксилол и др.), разделяются в лабораторных масштабах (до 1 кг) изотопы неона, аргона, углерода, 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 создаёт 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 лёгкие 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. р. в лабораторных условиях вследствие простоты, отсутствия вакуумных насосов и т. д. Этим методом был получен Не с содержанием 0,2% 3He (в природной смеси 1,5×10-5%), изотопы 18O, 15N, 13C, 20Ne, 22Ne, 35Cl, 84Kr, 86Kr с концентрацией > 99,5%. Термодиффузия использовалась в промышленном масштабе в США для предварительного обогащения 235U 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 путём 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 лёгких элементов — 10B, 11B, 18O, 15N, 13C, а в промышленном масштабе для получения сотен тонн тяжёлой воды в год.
Изотопный обмен. Для И. р используются также химические реакции, в которых изотопы разделяемого элемента обмениваются местами. Так, например, если привести в соприкосновение хлористый водород HCl с бромистым водородом HBr, в которых первоначальное содержание дейтерия D в водороде было одинаковым, то в результате обменной реакции содержание D в HCl будет несколько выше, чем в HBr (см. Изотопный обмен). Применение нескольких ступеней позволяет получать высокое обогащение водорода, азота, серы, кислорода, углерода, лития отдельными изотопами.
Центрифугирование. В центрифуге, вращающейся с большой окружной скоростью (100 м/сек), более тяжёлые молекулы под действием центробежных сил концентрируются у периферии, а лёгкие молекулы — у ротора центрифуги. Поток пара во внешней части с тяжёлым изотопом направлен вниз, а во внутренней с лёгким изотопом — вверх. Соединение нескольких центрифуг в каскад обеспечивает необходимое обогащение изотопов. При центрифугировании a зависит не от отношения масс атомов разделяемых изотопов, а от их разности. Поэтому центрифугирование пригодно для разделения изотопов и тяжёлых элементов. Благодаря совершенствованию центрифуг метод стал применяться для промышленного разделения изотопов урана и других тяжёлых элементов.
Электролиз. При электролизе воды или водных растворов электролитов выделяющийся на катоде водород содержит меньшее количество дейтерия, чем исходная вода. В результате в электролизёре растет концентрация дейтерия. Метод применялся в промышленных масштабах для получения тяжёлой воды. Разделение других изотопов лёгких элементов (лития, калия) электролизом их хлористых 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 магнитное поле Н, направленное перпендикулярно движению ионов. Под действием магнитного поля ионы движутся по окружностям с радиусами кривизны, пропорциональными корню квадратному из отношения массы иона М к его заряду е. Вследствие этого радиусы траектории тяжёлых и лёгких ионов отличаются друг от друга (рис. 6). Это позволяет собирать ионы различных изотопов в приёмники, 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 даёт 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 235U. 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 твёрдым 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 3He, основанное на явлении сверхтекучести4He; разделение посредством диффузии в сверхзвуковой струе газа, расширяющейся в пространстве с пониженным давлением; хроматографическое разделение, основанное на различии в скоростях адсорбции изотопов; биологические способы разделения.
Методы И. р. имеют особенности, определяющие области их наиболее эффективного применения. При И. р. лёгких элементов с массовыми числами около 40 экономически более выгодны и эффективны дистилляция, изотопный обмен и электролиз. Для разделения изотопов тяжёлых 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 10B, 13C, 15N, 180, 22Ne и других изотопов. Организован также выпуск различных химических препаратов, меченых стабильными изотопами.
Лит.: Бродский А. И., Химия изотопов, М., 1952; Смит Г., Атомная энергия для военных целей, пер.(перевод) с англ.(английский), 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.(перевод) с англ.(английский), М., 1947; Koch J. [ed.], Electromagnetic isotope separators and applications of electromagnetically enriched isotopes, Amst., 1958.
