Правда что ли, скажете вы, природный уран никому не нужен? Давайте посмотрим на потребление.

В данный момент спросом в мире пользуются следующие виды обогащенного урана:

• 1. Природный уран (0,712%). Тяжеловодные реакторы (PHWR), например CANDU
• 2. Слабо-обогащенный уран (2-3%, 4-5%). Реакторы типа вода-графит-цирконий, вода-вода-цирконий, реакторы ВВЭР, PWR, РБМК
• 3. Средне обогащённый уран (15-25%), Быстрые реакторы, реакторы транспортных (ледоколы, ПАТЭС) ЯЭУ
• 4. Высокообогащенный уран (>50%), ТрЯЭУ (подлодки), исследовательские реакторы.

Природный уран проходит только по первому пункту. Если предположить, что у нас в мире потребители урана это только коммерческие реакторы, то PHWR из них - это менее 10%. А если считать все остальное (транспортные, исследовательские) то… короче говоря природный уран ни к селу ни к городу. А значит почти любой потребитель требует наращивания процентного содержания легкого изотопа в смеси 235-238. Более того, уран используется не только в ядерной энергетике, но и в производстве брони, боеприпасов, и еще кое-чего. А там лучше иметь обедненный уран, что в принципе требует тех же процессов, только наоборот.

Про методы обогащения и будет статья.

В качестве сырья для обогащения используют не чистый металлический уран, а гексафторид урана UF 6 , который по совокупности свойств является наиболее подходящим химическим соединением для изотопного обогащения. Для химиков отметим, что фторирование урана происходит в вертикальном плазменном реакторе.
Несмотря на все обилие методов обогащения на сегодняшний день только две из них используются в промышленных масштабах - газовая диффузия и центрифуги. В обоих случаях используется газ - UF 6 .

Ближе к делу о разделении изотопов. Для любого метода эффективность разделения изотопов характеризуется коэффициентом разделения α – отношение доли «легкого» изотопа в «продукте» к его доле в первичной смеси.

Для большинства методов α лишь немного больше единицы, поэтому для получения высокой изотопной концентрации единичную операцию разделения изотопов приходится многократно повторять (каскады). Например, для газодиффузионного метода α=1.00429, для центрифуг значение сильно зависит от окружной скорости – при 250м/с α=1.026, при 600м/с α=1.233. Только при электромагнитном разделении α составляет 10-1000 за 1 цикл разделения. Сравнительная таблица по нескольким параметрам будет в конце.

Весь каскад машин по обогащению всегда разбит на ступени. В первой ступени каскада разделения поток исходной смеси разбивается на два потока: обедненный (удаляемый из каскада), и обогащенный. Обогащенный подается на 2-ю ступень. На 2-й ступени однажды обогащенный поток вторично подвергается разделению:
обогащенный поток 2-й ступени поступает на 3-ю, а ее обедненный поток возвращается на предыдущую (1-ю) и т.д. С последней ступени каскада отбирается готовый продукт с требуемой концентрацией заданного изотопа.

Коротко расскажу про основные методы разделения, применявшиеся когда либо в мире.

Электромагнитное разделение

По этому методу возможно разделить компоненты смеси в магнитном поле, причем с высокой чистотой. Электромагнитное разделение является исторически первым методом, освоенным для разделения изотопов урана.

Поскольку разделение можно выполнить с ионами урана, то конверсия урана в UF 6 в принципе - не обязательна. Этот метод дает высокую чистоту, но низкий выход при больших энергозатратах. Вещество, изотопы которого требуется разделить, помещается в тигель ионного источника, испаряется и ионизуется. Ионы вытягиваются из ионизационной камеры сильным электрическим полем. Ионный пучок попадает в вакуумную разделительную камеру в магнитном поле Н, направленном перпендикулярно движению ионов. В результате ионы движутся по своим окружностям с различными (в зависимости от массы) радиусами кривизны. Достаточно взглянуть на картинку и вспомнить школьные уроки, где все мы считали, по какому радиусу полетит электрон или протон в магнитном поле.

Схема, демонстрирующая принцип электромагнитного разделения.

Преимущество способа – использование относительно простой технологии (калютроны : CAL ifornia U niversity).
Применялся для обогащения урана на заводе Y-12 (США), имел 5184 разделительные камеры - «калютроны», и впервые позволил получить килограммовые количества 235U высокого обогащения – 80% или выше.

В Манхэттенском проекте калютоны использовались после термодиффузии – на альфа-калютроны поступало сырье 7% (завод Y-12) и обогащась до 15%. Уран оружейного качества (до 90%) получался на бета-калютронах на заводе Y-12. Альфа и бета калютроны не имеют ничего общего с альфа и бета частицами, просто это две «линии» калютронов, одна для предварительного, вторая для конечного обогащения.

Метод позволяет разделять любые комбинации изотопов, обладает очень высокой степенью разделения. Двух проходов достаточно для обогащения выше 80% из бедного вещества с исходным содержанием менее 1%. Производительность определяется значением ионного тока и эффективностью улавливания ионов - до нескольких граммов изотопов в сутки (суммарно по всем изотопам).

Один из цехов электромагнитного разделения в Ок-Ридже (США)

Гигантский альфа-калютрон того же завода

Диффузионные методы

Диффузионные методы применялись для начального обогащения. На ряду с электромагнитным методом – исторически один из первых. Под диффузионным методом обычно понимают газовую диффузию – когда гексафторид урана нагревают до определенной температуры и пропускают через «сито» - специальной конструкции фильтр с отверстиями определённого размера.

Если пропускать газ, состоящий из двух сортов молекул (в нашем случае двух изотопов), через малое отверстие или через сетку, состоящую из большого числа малых отверстий, то оказывается, что более легкие молекулы газа проходят в большем количестве, нежели тяжелые. Существенно отметить, что это явление имеет место только тогда, когда молекулы проходят через отверстие, не сталкиваясь в нем,… т.е., когда длина свободного пробега молекулы больше диаметра отверстия. Соответственно, газ, прошедший мимо сеток, оказывается обедненным легкими молекулами. Практически же всегда имеет место обратное просачивание газа сквозь сетку, вследствие чего в действительности увеличение концентрации легкого изотопа (обогащение) оказывается несколько меньшим.

Ключевым моментом тут является фраза про размер отверстий. Первоначально сетки делали механическим способом, как сейчас – никто не знает. Более того материал - должен работать при повышенной температуре, а сами отверстия не должны закупориваться, из размер не должен меняться под действием коррозии и др. Технологии изготовления диффузионных барьеров засекречены до сих пор – такие же ноу-хау, как и с центрифугами.

Подробнее под спойлером, из того же доклада.

«О состоянии научно-исследовательских и практических работ Лаборатории № 2 по получению урана-235 диффузионным методом»

Обогащение оказывается тем большим, чем больше перепад давления на сетке. Перепад давления создается обычно компрессором (насосом), осуществляющим движение газа между сетками. Такая система, состоящая из сеток и компрессора, движущего газ, и является разделительной ступенью

В качестве газа мы употребляем шестифтористый уран. Это соль, обладающая довольно высокой упругостью пара при комнатной температуре. Что касается сеток, то к ним предъявляется требование, чтобы диаметр отверстия их был меньше длины свободного пробега молекул шестифтористого урана. Последняя, как это хорошо известно, обратно пропорциональна давлению газа. При атмосферном давлении длина свободного пробега молекул приблизительно равна 1/10000 мм. Поэтому, если бы мы умели делать тонкую сетку с отверстиями меньше 1/10 000 мм, мы могли бы работать с газом при атмосферном давлении.

В настоящее время мы научились делать сетки с отверстиями около 5/1000 мм, т.е. в 50 раз большими длины свободного пробега молекул при атмосферном давлении. Следовательно, давление газа, при котором разделение изотопов на таких сетках будет происходить, должно быть меньше 1/50 атмосферного давления. Практически мы предполагаем работать при давлении около 0,01 атмосферы, т.е. в условиях хорошего вакуума. Многократное обогащение газа при непрерывном процессе работы может быть осуществлено при помощи каскадной установки, состоящей из большого числа ступеней, соединенных последовательно. Расчет показывает, что для получения продукта, обогащенного до концентрации в 90% легким изотопом (такая концентрация достаточна для получения взрывчатого вещества), нужно соединить в каскад около 2000 таких ступеней. В проектируемой и частично изготовленной нами машине рассчитывается получить 75-100 г урана-235 в сутки. Установка будет состоять приблизительно из 80-100 «колонн», в каждой из которых будет смонтировано 20-25 ступеней. Общая площадь сеток (площадью сеток определяется производительность всей установки) составит около 8000 м 2 . Общая мощность, расходуемая компрессорами, составит 20 000 кВт.

К тому же хороший вакуум, что требует достаточно большой мощности компрессорного оборудования, и наличие большого количества аппаратуры контроля герметичности (что, в принципе в современном мире не проблема, но в статье речь шла о послевоенном времени где надо было все, сразу и быстро).

Применялся как одна из первых ступеней обогащения. В Манхэттенском проекте завод К-25 обогащал уран с 0.86% до 7%, далее сырье шло на калютроны. В СССР – многострадальный завод Д-1, а так же последовавшие за ним заводы Д-2 и Д-3, и так далее.

Так же под «диффузионным» методом разделения иногда понимают жидкостную диффузию – тоже, только в жидкой фазе. Физический принцип - более легкие молекулы собираются в более нагретой области. Обычно разделительная колонка состоит из двух коаксиально расположенных труб, в которых поддерживаются различные температуры. Разделяемая смесь вводится между ними. Перепад температур ΔТ приводит к возникновению конвективных вертикальных потоков, а между поверхностями труб создаётся диффузионный поток изотопов, что приводит к появлению разности концентрации изотопов в поперечном сечении колонки. Вследствие этого более лёгкие изотопы накапливаются у горячей поверхности внутренней трубы и движутся вверх. Термодиффузионный метод позволяет разделять изотопы как в газообразной, так и в жидкой фазе.

В Манхэттенском проекте это завод S-50 – он обогащал природный уран до 0.86%, т.е. всего в 1.2 раза увеличивал обогащение по пятому урану. В СССР работы по жидкостной диффузии велись Радиевым институтом в послевоенное время, но никакого развития это направление не получило.

Каскад машин газодифузионного разделения изотопов.
Подписи на патенте - Ф. Саймон, К. Фукс, Р. Пайерлс.

Аэродинамическая сепарация

Аэродинамическая сепарация это своего рода вариант центрифугирования, но вместо закручивания газа он завихряется в специальной форсунке. Вместо тысячи слов – см. рисунок, т.н. «сопло Беккера» для аэродинамического разделения изотопов урана (смесь водорода и гексафторида урана) при пониженном давлении. Гексафторид урана очень тяжелый газ и приводит к износу мелких деталей форсунок (см. масштаб), и может переходит в твёрдое состояние на участках повышенного давления (например на входе в форсунку), поэтому гексафторид разбавляют водородом. Понятно, что при 4% содержании сырья в газе, да еще и пониженном давлении эффективность такого способа не велика. Развивалась этот способ пытались в ЮАР и ФРГ.

Все что вам нужно знать о аэродинамической сепарации есть на этой картинке

Варианты форсунок

Газовое центрифугирование

Наверное каждый человек (а гик уж и подавно!) слышавший хоть раз атомную энергетику, бомбы и обогащение, в общих чертах знает что такое центрифуга, как она работает и что в конструировании таких приборов есть много сложностей, секретов и ноу-хау. Поэтому про газовое центрифугирование скажу буквально пару слов. Однако, чесно говоря, газовые центрифуги имеют очень богатую историю развития и заслуживают отдельной статьи.

Принцип работы – разделение за счет центробежных сил в зависимости от абсолютной разницы в массе. При вращении (до 1000 об/с, окружная скорость – 100 - 600 м/с) более тяжелые молекулы уходят на периферию, более легкие – в центре (у ротора). Этот метод на данный момент является самым продуктивным и дешевым (исходят из цены $/EPP).

Гугл изибилует схематичными картинками устройства центрифуги, я лишь приведу пару фотографий как выглядит собранный каскад. В таком помещении кстати говоря достаточно жарко – гексафоторид урана там находится далеко не при комнатной температуре, и весь такой каскад нужно еще и охлаждать.

Каскад центрифуг фирмы URENCO. Большие, метра под 3 в высоту.

Бывают и поменьше, около полуметра. Наши отечественные.

Для понимания масштабов, или что такое «цех от горизонта до горизонта».

Лазерное обогащение

Физический принцип лазерного обогащения в том, что атомные энергетические уровни различных изотопов незначительно отличаются.
Этот эффект может быть использован для разделения U-235 от U-238, как в атомарном - AVLIS, так и в молекулярном виде - МLIS.

В методе используются пары урана, и лазеры, которые точно настроены на определенную длину волны, возбуждая атомы именно 235-го урана. Далее ионизированные атомы удаляются из смеси электрическим или магнитным полем.

Технология очень простая, и, вобще говоря, не требует каких то супер-сложных механических устройств типа диффузионных сеток или центрифуг, одна есть и другая проблема.
В сентябре 2012 года компания Global Laser Enrichment LLC (GLE) – консорциум General Electric, Hitachi и Cameco – получила лицензию Комиссии по ядерному регулированию (NRC) США на строительство лазерного разделительного завода мощностью до 6 млн ЕРР на площадке действующего совместного предприятия GE, Toshiba и Hitachi по фабрикации топлива в Уилмингтоне, штат Северная Каролина. Планируемое обогащение - до 8%. Однако лицензирование приостановили - по причине проблем с распространением технологии. Современные технологии обогащения (диффузионная и центрифугирование) требуют специального оборудования, настолько специального, что, вобще говоря, при желании через мониторинг международных контрактов можно косвенно предположить, кто собирается «по тихому» (без ведома МАГАТЭ) обогащать уран или вести работы по этому направлению. И такой мониторинг действительно ведется. В случае, если лазерный метод обогащения докажет свою простоту и эффективность, работы по оружейному урану могут начать вести там, где это не очень нужно. Поэтому пока лазерный метод как то подминают.

К лазерным методам можно отнести так же и молекулярный метод, основанный на том, что на инфракрасных или ультрафиолетовых частотах происходит избирательное поглощение газом 235 UF 6 инфракрасного спектра, что в дальнейшем позволяет использовать метод диссоциации возбужденных молекул или химическое разделение.
Относительное содержание U-235 может быть увеличено на порядок уже в первой стадии. Таким образом, одного прохода достаточно, чтобы обеспечить обогащение урана, достаточное для ядерных реакторов.

Пояснения к «молекулярному» методу с химическим разделением.

Преимущества лазерного обогащения:

• Потребление электроэнергии: в 20 раз менее, чем для диффузии.
• Каскадность: число каскадов (от 0,7% до 3-5% по U-235) – менее 100, по сравнению с 150 000 центрифуг.
• Стоимость завода – существенно меньше.
• Экологичность: вместо гексафторида урана используется менее опасный металлический уран.
• Потребность в природном уране – на 30% меньше.
• На 30% меньше хвостохранилищ (хранилища отвала).

Сравнение показателей различных методов

Обогащение урана в России

В настоящее время в России действует четыре обогатительных комбината:

• АО «Ангарский электролизный химический комбинат» (г. Ангарск, Иркутсткая область),
• АО «ПО «Электрохимический завод» (г. Зеленогорск, Красноярский край),
• АО «Уральский электрохимический комбинат» (г. Новоуральск, Свердловская область),
• АО «Сибирский химический комбинат» (г. Северск, Томская область).

Россия обладает мощнейшей индустрией разделения изотопов ~40% мирового рынка, базирующемся на наиболее экономичном (на сегодня) центрифужном методе.

На 2000г. мощности по обогащению в России распределены следующим образом: 40% - для собственных нужд, 13% - для переработки отвалов зарубежных пользователей, 30% - для переработки ВОУ и НОУ, и 17% - на внешние заказы. Все это - мирный атом. Производство обогащенного урана для военных целей у нас прекращено с 1989г. К 2004г. 170 т (из ~500 т) ВОУ (высоко обогащенного урана) было переработано по соглашению ВОУ-НОУ.

На этом все. Спасибо за внимание.

Изобретение относится к ядерной энергетике и может быть использовано при корректировке изотопного состава ядерного топлива. В хроматографическую колонну с тефлоновым порошком, на поверхность которого нанесен экстрагент, заливают раствор, содержащий: -115,5 г/л, -2,0 моль/л, -0,5 г/л. Сформировывают полосу урана (IV). Процесс противоточной экстракции обеспечивает коэффициент разделения, не равный 1. Рефлакс урана осуществляют без изменения валентного состояния методом исчерпывающей экстракции и реэкстракции по концам полосы. Увеличивается степень разделения изотопов U 238 и U 232 , уменьшается число реагентов. Обменная система химически устойчива. 4 табл., 2 ил.

Изобретение относится к процессам разделения изотопов урана химическими методами и может быть использовано в радиохимическом производстве для корректировки изотопного состава ядерного топлива. Известны различные способы разделения изотопов урана химическими методами. Из них наиболее эффективными являются методы, основанные на реакции изотопного обмена между двумя валентными формами урана, находящимися в разных фазах - водной и органической. Так, например, известен способ разделения изотопов урана японской фирмы "Асахи Кемикл индастри" (Пат. США N 4118457, кл. B 01 D 59/30, 03.10.78), в основу которого положена реакция изотопного обмена между четырех- и шестивалентным ураном, находящимся соответственно в фазе раствора и анионообменной смолы. Через анионообменную смолу в форме металла-окислителя, например, железа (III), проводят полосу урана (IV), элюируя его солянокислым раствором металла-восстановителя, например, титана (III). Схема ионообменного редокс-хроматографического процесса разделения изотопов урана фирмы "Асахи Кемикл индастри" ("Асахи-процесс) представлена на фиг. 1. Взаимодействуя с восстановителем, шестивалентный уран восстанавливается до четырехвалентного состояния, десорбируется с анионообменной смолы и с элюатом переносится к зоне окисляющего агента, где окисляется и сорбируется на смоле. Таким образом, происходит движение адсорбционной полосы урана, в ходе которого изотопом уран-238 обогащается уран (IV) по реакции изотопного обмена (р.и.о.) (1):

С однократным коэффициентом разделения = 1,0013 и переносится с ним к фронтальной части полосы. При этом уран в окрестностях тылового фронта полосы урана соответственно обогащается изотопом уран-235. Так, в одном из экспериментов, приведенных в качестве примера в описании к патенту на описанный способ , была использована анионообменная смола, приготовленная хлорметилированием стиролдивинилбензольного сополимера с последующим его аминированием триметиламином. Смола имела степень сшивки 6% и размер частичек от 74 мкм до 149 мкм. Этой смолой заполнили две колонки (каждая длиной 1 м с внутренним диаметром 1 см). Пропустив через две последовательно соединенные колонки раствор, содержащий 0,05 моль/л сульфата трехвалентного железа и 0,6 моль/л серной кислоты, смолу перевели в Fe(III)-форму. Затем подачей раствора состава: уранилхлорида - 0,04 моль/л, серной кислоты - 0,2 моль/л, в первой колонке сформировали на смоле полосу урана (VI) длиной 11,5 см. Элюирование провели раствором, содержащим трихлорида титана 0,05 моль/л и серной кислоты 0,2 моль/л. При этом полоса урана, находящаяся между красной зоной ионов железа (III) и пурпурной зоной титана (III), двигалась со скоростью 20 см/сутки. Таким образом, полоса урана была проведена через две колонки. Масс-спектрометрический анализ первой и последней проб урана, отобранных из элюата, дал следующие значения отношения U 235 /U 238 , %: 0,00693 и 0,00759, что соответствует 0,9559 и 1,0469 частям от 0,00725 - отношения изотопов в природном уране. В промышленном варианте разделения изотопов урана описанным выше способом для получения продукта - урана, обогащенного до 3% изотопом уран-235 и хвостов - урана, содержащего урана-235 0,1%, предполагается полосу урана длиной несколько метров проводить через слой смолы на расстояние от 10 до 1000 м . Такое движение полосы осуществляется с использованием, как минимум, двух колонн, из которых одна занята полосой урана, а вторая в этой время регенерируется. Наиболее близким к предложенному по технической сущности и достигаемому результату является способ обогащения урана одним из его изотопов в многоступенчатом каскаде путем противоточного контакта экстрагента, содержащего соединения четырехвалентного урана, и водного раствора, содержащего соединения трехвалентного урана (Пат. СССР N 867283, кл. B 01 D 59/28, 23.09.81). В основу метода положена р.и.о. с очень высокой скоростью:

Для которой константа равновесия р.и.о., определяемая методом ступенчатого сжатия, равна 1,0012 - 1,0030. Для разделения валентных форм урана предложено использовать несколько экстракционных систем, при этом подбираются условия с минимальным переходом урана (III) и урана (IV) из одной фазы в другую. Недостатком этих систем является крайняя неустойчивость урана (III) в водных растворах, его тенденция к окислению. Работа с такими соединениями возможна в атмосфере азота при отсутствии ионов металлов III-VIII групп. Контактирование осуществляется при исключении какого-либо соприкосновения фаз с любым твердым электропроводным материалом и с реагентами, выделяющими кислород. Организация процесса разделения изотопов урана экстракционным методом основана на том же методе "движущейся полосы" с противоточным движением фаз, содержащих противопоставляемые ионы урана, и с окислительно-восстановительным рефлаксом в ее фронтальных частях. В качестве органической фазы можно использовать практически все классы экстрагентов, в том числе нейтральные фосфорорганические соединения, кислоты, основания, спирты, амины, кетоны, эфиры, хелаты, а также катионообменные и анионообменные смолы. В полосе урана его четырехвалентная форма предпочтительно находится в органической фазе, а трехвалентная - в водной фазе, то есть здесь реализуется случай, когда коэффициент разделения валентных форм урана не равен единице. Процесс проводят в растворе хлористоводородной кислоты в присутствии металлов III-IV группы с концентрацией 1 ppm с осуществлением редокс-рефлакса урана (проведением окислительно-восстановительного процесса с переводом урана в противопоставляемую валентную форму и другую фазу) по концам его полосы, а именно с исчерпывающей (полной) реэкстракцией его из органической фазы в водную в головной части полосы урана и восстановлением четырехвалентного урана до трехвалентного состояния с возвратом его в ступень отбора четырехвалентного урана и с окислением трехвалентного урана до четырехвалентного состояния, исчерпывающей экстракцией четырехвалентного урана и возвратом его с экстрагентом в тыловую часть полосы урана (в ступень отбора трехвалентного урана). Запитывают такой экстракционный каскад подачей в среднюю часть каскада исходного водного раствора урана. За счет неравномерного перераспределения изотопов урана в его полосе между двумя его валентными формами, находящимися в разных несмешивающихся фазах, осуществляется перенос легких изотопов урана с четырехвалентным ураном и тяжелых изотопов урана - с трехвалентным ураном к противоположным концам полосы урана. При этом чем больше количество ступеней контакта реализуется в полосе урана, тем выше конечная степень разделения изотопов. Схематически процесс разделения изотопов урана с изотопным обменом между ураном (III) и ураном (IV) представлен на фиг. 2. В одном из примеров реализации указанного способа приведены следующие данные. Разделение изотопов природного урана провели в экстракционном каскаде, состоящем из 70 ступеней. Состав фаз:

Водная фаза на входе каскада имела состав:

0,1 M;

Органическая фаза на входе каскада - 50%-ный ТБФ в додекане. Восстановление четырехвалентного урана проводили электрохимически и диафрагменном электролизе с ртутным катодом, а окисление трехвалентного урана - хлором. Из природного урана, содержащего 0,7194% урана-235, был получен обогащенный продукт, содержащий 0,80% урана-235, и обедненный продукт (отвал), содержащий 0,7047% урана-235. Недостатками данного способа являются:

Необходимость проведения редокс-рефлакса валентных форм урана по концам его полосы (то есть перевода урана в противопоставляемую валентную форму и другую фазу с возвратом его во фронтальную часть полосы урана, где был произведен отбор урана);

Крайне низкая химическая устойчивость растворов трехвалентного урана и, как следствие, необходимость использования солянокислой среды с минимальным содержанием примесей металлов III-IV группы. При этом однократный коэффициент разделения изотопов урана не превышает величины 1,0030. Задача изобретения - увеличение степени разделения изотопов, уменьшение числа используемых реагентов, увеличение химической устойчивости обменной системы. Поставленная задача решается тем, что в способе разделения изотопов урана, включающем изотопный обмен между двумя его валентными формами, одной из которых является четырехвалентный уран, движущимися в полосе, сформированной в процессе противоточной экстракции, обеспечивающей коэффициент разделения валентных форм урана, не равный единице, с рефлаксом валентных форм урана методами исчерпывающей экстракции и реэкстракции по концам его полосы, в качестве второй валентной формы используют шестивалентный уран, изотопный обмен проводят в растворах азотной кислоты, а рефлакс урана осуществляют без изменения его валентного состояния. Благодаря тому, что коэффициент разделения валентных форм не равен единице, создается полоса урана с разнесенными по ее концам зонами двух противопоставляемых валентных форм урана: четырех- и шестивалентного урана, и реакция изотопного обмена проходит в месте перекрытия разнесенных зон валентных форм урана, где направление межфазного переноса валентных форм противоположно. В соответствии с традиционными представлениями в такой системе максимальная степень разделения изотопов не может превысить значения, равного величине однократного коэффициента разделения изотопов, например для пары уран (VI)/уран (IV) 235/238 = 1,0013, так как сама операция по разделению валентных форм урана в полосе урана, приведенных в изотопное равновесие в питающем растворе, не должна приводить к увеличению изотопного эффекта. Однако совершенно неожиданно был получен изотопный эффект, величина которого на два порядка превышала расчетное значение, равное однократному коэффициенту разделения, причем направление изотопного эффекта оказалось обратным аналогу, то есть в этом случае легким изотопом обогатился четырехвалентный уран. Вероятно, это является следствием перераспределения изотопов урана между его валентными формами в процессе встречного межфазного переноса валентных форм урана, которое реализуется в месте перекрытия полос противопоставляемых валентных форм урана. В способе - прототипе и аналоге этот процесс практически отсутствует, так как в них реализуется редокс-рефлакс по концам полосы урана, тогда как в предложенном способе рефлакс урана проводят без изменения его валентности. Примеры реализации способа

В трех примерах реализации способа приведены данные по разделению смеси изотопов урана-232 и урана-238, присутствующих в высокофоновом уране. Содержание урана-232 определяли по ОСТ 95.999-92, включающем химическое выделение урана и последующее альфа-спектрометрическое определение содержания урана-232 в % к урану-238. Опыты, в которых было организовано движение полосы из шестивалентной и четырехвалентной форм урана, были поставлены в двух вариантах: хроматографическом и в варианте противоточной экстракции. Пример 1. В эксперименте использовалась хроматографическая колонка, снаряженная тефлоновым порошком с фракцией 0,25 - 0,5 мм, на поверхность которого предварительно нанесен экстрагент 65%-ный ТБФ в РЭД-2 в количестве 5% от веса порошка. Характеристики колонки:

Высота - 1м;

Диаметр - 0,1 м;

Вес тефлонового порошка (0,25 - 0,5 мм) - 72,14 г;

Вес экстрагента - 3,607 г;

Объем межзернового пространства - 35 см 3 . Колонка предварительно была приведена в равновесие с раствором, содержащим азотной кислоты 2 моль/л и гидразина 0,5 г/л. Чтобы сформировать в колонке полосу урана (IV), в нее вводили 2 мл раствора следующего состава:

115,5 г/л;

2,0 моль/л;

0,5 г/л. Затем промывали колонку 60 мл раствора U(VI) состава:

31,0 г/л;

2,0 моль/л;

0,5 г/л. В конце эксперимента колонка промывалась раствором, содержащим азотную кислоту с концентрацией 0,3 моль/л для реэкстракции урана (VI). Таким образом в эксперименте было реализовано противоточное движение водной и органической фаз с образованием полосы двух валентных форм урана и с исчерпывающей экстракцией и реэкстракцией по концам полосы урана. Поступающий в колонку шестивалентный уран вытеснял четырехвалентный уран. Движение по колонке полосы четырехвалентного урана, ее передний и задний фронт можно было наблюдать визуально. Продолжительность эксперимента 4 часа. При выходе из колонки заднего фронта четырехвалентного урана (переднего фронта шестивалентного урана) отбирали пробы для анализа на содержание урана четырехвалентного, шестивалентного и изотопного состава. Изотопный состав исходного урана и результаты эксперимента приведены соответственно в табл. 1 и 2. Из данных табл. 2 следует, что легкими изотопами обогащается уран со стороны заднего фронта полосы четырехвалентного урана в месте ее перекрытия с фронтом шестивалентного урана. Пример N 2. В эксперименте использовалась та же хроматографическая колонка, что и в первом опыте. Колонка предварительно была приведена в равновесие с раствором, содержащим азотной кислоты 2 моль/л и гидразина 0,5 г/л. Чтобы сформировать в колонке полосу урана (IV), в нее ввели 1 мл раствора следующего состава:

163,3 г/л;

29,7 г/л;

2,13 моль/д;

26 г/л,

И затем элюировали четырехвалентный уран раствором шестивалентного урана состава:

100,0 г/л;

2,0 моль/л;

0,5 г/л. В процессе элюирования четырехвалентный уран вытеснялся на передний фронт полосы урана. Поступающий в колонку шестивалентный уран вытеснял четырехвалентный уран на передний фронт. Движение по колонке полосы четырехвалентного урана можно было наблюдать визуально. Продолжительность эксперимента 4 часа. При выходе из колонки заднего фронта четырехвалентного урана (переднего фронта шестивалентного урана) отбирали пробы для анализа на содержание урана четырехвалентного, шестивалентного и изотопного состава. Результаты приведены в табл. 3. Из данных табл. 3 следует, что легкими изотопами обогащается уран, начиная со стороны заднего фронта полосы четырехвалентного урана в месте ее перекрытия с фронтом шестивалентного урана и кончая передним фронтом полосы четырехвалентного урана. Пример N 3. В этом примере описан изотопный эффект, который был зафиксирован при экстракционной переработке растворов высокофонового урана, находящегося в шестивалентном состоянии. Технологией переработки высокофонового урана предусмотрено введение в исходный и промывной растворы четырехвалентного урана, применяемого для восстановления плутония до трехвалентного состояния. В экстракционной колонне в процессе переработки исходного раствора высокофонового урана, содержащего азотной кислоты 30 - 60 г/л, при соотношении фаз O:B = 2,5:1 и насыщении экстрагента шестивалентным ураном 100 - 105 г/л четырехвалентный уран образует концентрационный пик на фронте шестивалентного урана. В зоне перекрытия фронтов четырехвалентного и шестивалентного урана воспроизводится ситуация с противоточным движением валентных форм урана через границу раздела фаз, когда четырехвалентный уран вытесняется из органической фазы шестивалентным ураном и реэкстрагируется в водную фазу, обогащаясь легкими изотопами, а шестивалентный наоборот - экстрагируется в органическую фазу, обогащаясь тяжелыми изотопами. Частично, в небольших количествах (< 1 г/л), уран уходил с рафинатом. Так как пик четырехвалентного урана находился ближе к выходу рафината из колонны, чем фронт шестивалентного урана, то в рафинате относительное содержание в уране его четырехвалентной формы оказывалось значительно выше, чем в реэкстракте урана, что повлекло изменение изотопного состава урана в рафинате и в реэкстракте. Результаты анализа исходного урана, урана, ушедшего с рафинатом, и урана в упаренном реэкстракте показали (см. табл. 4), что наблюдается концентрирование урана-232 в уране, теряемом с рафинатом, и обеднение по этому изотопу урана реэкстракта.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Способ химического разделения изотопов урана, включающий изотопный обмен между двумя его валентными формами, одной из которых является четырехвалентный уран, движущимися в полосе, сформированной в процессе противоточной экстракции, обеспечивающей коэффициент разделения валентных форм урана, не равный единице, с рефлаксом валентных форм урана методами исчерпывающей экстракции и реэкстрации по концам его полосы, отличающийся тем, что в качестве второй валентной формы используют шестивалентный уран, изотопный обмен проводят в растворах азотной кислоты, а рефлакс урана осуществляют без изменения его валентного состояния.

9.2. По определению, изотопы элемента отличаются своими массами, но не химическими свойствами. Точнее говоря, хотя массы ядер изотопов и их строение различны, заряды ядер одинаковы, и поэтому наружные электронные оболочки практически тождественны. Таким образом, для большинства практических целей изотопы какого-либо элемента можно разделить только при помощи процессов, зависящих от массы ядра.

9.3. Хорошо известно, что молекулы газа или жидкости находятся в непрерывном движении и что их средняя кинетическая энергия зависит только от температуры и не зависит от химических свойств молекулы. Таким образом в газе, состоящем из смеси двух изотопов, средняя кинетическая энергия легких и тяжелых молекул будет одинакова. Так как кинетическая энергия молекулы равна 1/2 mv2, где m - масса и v - скорость молекулы, то очевидно, что, в среднем, скорость более легкой молекулы должна быть больше скорости более тяжелой. Поэтому, по крайней мере в принципе, любой процесс, зависящий от средней скорости молекул, можно использовать для разделения изотопов. К сожалению, средняя скорость обратно пропорциональна корню квадратному из массы, так что для газообразных соединений изотопов урана это различие очень мало. К тому же, хотя средние скорости различаются, интервалы скоростей в значительной мере перекрываются. Так, в случае газообразного шестифтористого урана более 49 % легких молекул имеют такие же малые скорости, как и 50 % тяжелых молекул.

9.4. Очевидно, нет практически осуществимого способа приложения механических сил непосредственно к отдельным молекулам; их нельзя толкать палкой или тянуть веревкой. Однако, на них воздействуют гравитационные или, если молекулы ионизованы, электрические и магнитные поля. Гравитационные силы пропорциональны массе. В очень высоком вакууме атомы U-235 и U-238 будут падать с одинаковым ускорением, но так же, как перо и камень падают с разными скоростями в воздухе, где имеются силы трения, препятствующие движению, возможны условия, при которых сочетание гравитационных и противодействующих им внутримолекулярных сил заставит тяжелые атомы двигаться отлично от легких. Электрическими и магнитными полями легче управлять, чем гравитационными или «псевдогравитационными» (т. е. полями центробежных сил) и они весьма эффективны в разделении ионов различной массы.

9.5. Кроме гравитационных или электромагнитных сил, существуют внутриатомные и внутримолекулярные силы. Это силы взаимодействия между молекулами, и ими определяются скорости химических реакций, процессов испарения и т. д. Вообще говоря, такие силы зависят от внешних электронов молекул, а не от массы ядра. Однако, там, где силы взаимодействия между отдельными атомами или молекулами приводят к образованию новых молекул, влияние массы (обычно очень малое) сказывается.

В соответствии с законами квантовой механики, уровни энергии молекул несколько меняются, причем для разных изотопов по разному. Это, как мы увидим, вызывает некоторые изменения в поведении двух изотопов в определенных химических реакциях, хотя различие в поведении значительно меньше обычного различия в химическом поведении разных элементов.

9.6. Таким образом, главными факторами, которые следует иметь в виду при выборе процесса разделения, являются: равенство средней тепловой кинетической энергии молекул при данной температуре; гравитационные или центробежные эффекты, пропорциональные массе молекул; электрические или магнитные силы, влияющие на ионизованные молекулы, и внутриатомные или внутримолекулярные силы. В некоторых процессах разделения изотопов используется только один какой-нибудь из этих факторов, и общая степень разделения может быть предсказана. В других процессах разделения несколько этих факторов встречаются одновременно, так что такое предсказание становится затруднительным.

КРИТЕРИИ ДЛЯ ОЦЕНКИ ПРОЦЕССА РАЗДЕЛЕНИЯ

9.7. Раньше, чем приступить к детальному рассмотрению отдельных процессов разделения изотопов, мы выясним, какие общие требования предъявляются к этому процессу. Главные критерии для суждения о процессе разделения изотопов описываются нами ниже.

КОЭФФИЦИЕНТ РАЗДЕЛЕНИЯ

9.8. Коэффициент разделения, или как его иногда называют, коэффициент обогащения какого-либо разделительного процесса, это отношение относительной концентрации выделяемого изотопа после обогащения к его относительной концентрации в исходном продукте. Точнее, если до разделения числа атомов изотопов с массами m1 и m2 равны, соответственно, n 1 и n 2 (на 1 г смеси изотопов), а после разделения соответствующие числа равны n" 1 и n" 2 , то коэффициент разделения равен

Это определение применимо как к одной ступени разделительной установки, так и ко всей установке, состоящей из многих ступеней. Обычно нас интересует либо коэффициент разделения одной ступени, либо общий коэффициент разделения всего процесса. Если r мало отличается от единицы, как это часто бывает для одной ступени, то иногда удобнее пользоваться величиной r-1 вместо r. Величину r-1 называют коэффициентом обогащения. В природном уране m 1 =235, m 2 =238 и n 1 /n 2 = 1/140, в 90 %-ном U-235, n" 1 /n" 2 = 9/1. Таким образом, при получении 90 %-ного U-235 из природного урана общее значение величины r должно быть равно около 1260.

ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ

9.9. Почти для всех способов разделения высокий коэффициент разделения достигается за счет низкого выхода. В дальнейшем, если не будет специальной оговорки, мы будем выражать производительность количеством чистого U-235. Таким образом если, например, разделительный аппарат обладает коэффициентом разделения 2 (т. е. n1" / n2" = 1/70) и производительностью в 1 грамм в день, то это означает, что из природного урана этот аппарат дает за один день продукт, состоящий из смеси 1 г U-235 и 70 г U-238.

9.10. Общее количество вещества, содержащееся в разделительной установке, называется «загрузкой». Загрузка может достигать весьма больших величин в установке, состоящей из большого числа ступеней.

ПУСКОВОЙ ПЕРИОД

9.11. В разделительной установке с большой загрузкой требуется довольно продолжительное время - недели или месяцы - от начала пуска до достижения стационарных условий работы. При расчете времени этот «пусковой период», или период установления равновесия, должен быть добавлен ко времени строительства завода.

ЭФФЕКТИВНОСТЬ

9.12. Из общего количества сырья, поступающего в разделительную установку, часть будет обогащена легкой компонентой, часть обеднена, часть останется неизмененной. Некоторое количество каждой из этих трех фракций будет потеряно и часть регенерирована. Очевидно, что важно иметь метод высоко производительного восстановления обогащенного вещества. В некоторых процессах количество неизмененного вещества ничтожно мало; но в некоторых, особенно в электромагнитном методе, описанном ниже, это - самая большая фракция, и, следовательно, эффективность, которой она восстанавливается для повторного цикла, является весьма существенной. Значимость регенерации обедненного продукта существенно зависит от степени обеднения отвала. Таким образом, вообще говоря, понятие эффективности не является вполне однозначным.

СТОИМОСТЬ

9.13. Так же, как и для всех частей проекта по урану, выигрыш во времени был значительно важнее, чем материальные издержки. Поэтому целый ряд больших разделительных установок для U-235 и дейтерия обошлись дороже, чем было бы необходимо, если бы строительство было отложено на несколько месяцев или лет, до тех пор пока не были бы разработаны более совершенные процессы.

НЕКОТОРЫЕ МЕТОДЫ РАЗДЕЛЕНИЯ

ГАЗОВАЯ ДИФФУЗИЯ

9.14. Еще в 1896 г. лорд Рэлей показал, что смесь двух газов различных атомных весов может быть частично разделена, если заставить смесь диффундировать через пористую перегородку в вакуум. Молекулы легкого газа благодаря большей их средней скорости диффундируют через перегородку быстрее, вследствие чего прошедший через перегородку газ обогащен более легкой компонентой, а оставшийся газ (который не прошел через перегородку) обеднен легкой компонентой. Газ, максимально обогащенный легкой компонентой, получится в том случае, когда количество продиффундировавшего газа настолько мало, что не вызывает заметного обеднения оставшегося газа. Если процесс диффузии длится до тех пор, пока почти весь газ не прошел через перегородку, то среднее обогащение прошедшего газа естественно уменьшается. В следующей главе это явление рассмотрено более детально. Здесь мы только укажем, что принимая скорости диффузии обратно пропорциональными корням квадратным из молекулярных весов, мы получаем для коэффициента разделения в начальной стадии процесса диффузии, называемого «идеальным коэффициентом разделения» ?, следующее выражение:

где M 1 - молекулярный вес более легкого и M 2 - молекулярный вес более тяжелого газа. Применяя эту формулу к случаю урана, можно убедиться в трудности задачи разделения его изотопов.

Так как сам уран не является газом, то для разделения нужно применить какое-нибудь его газообразное соединение. Единственно подходящим является шестифтористый уран, UF 6 давление пара которого равно одной атмосфере при температуре 56 °C. Так как фтор имеет только один изотоп, то шестифтористыми соединениями являются U 235 F 6 и U 238 F 6 с молекулярными весами 349 и 352 соответственно.

Таким образом, если небольшому количеству шестифтористого урана дать диффундировать через пористую перегородку, то прошедший газ будет обогащен соединением U 235 F 6 с коэффициентом

который очень далек от требуемого 1260 (см. параграф 9.8).

9.15. Этот расчет мог бы создать впечатление о безнадежности разделения изотопов (исключая, возможно, изотопы водорода) при помощи диффузионных процессов. В действительности, однако, такие методы могут с успехом применяться - даже для урана. Метод, который был применен Ф. В. Астоном впервые при частичном разделении изотопов (неона), был как раз метод газовой диффузии. Позднее Г. Герц и другие, работая с многоступенчатыми диффузионными агрегатами с рециркуляцией, смогли добиться практически полного разделения изотопов неона. Так как многоступенная система с рециркуляцией необходима почти при всех методах разделения, она будет подробно описана сразу же после вступительных замечаний о различных методах, к которым она имеет отношение.

ФРАКЦИОННАЯ ПЕРЕГОНКА

9.16. Разделение при помощи перегонки смесей веществ с разными точками кипения, т. е. разными упругостями пара - процесс хорошо известный в промышленности. Разделение спирта и воды (разность температур кипения около 20 °C) обычно проводится в простом перегонном кубе без использования каких-либо аппаратов, кроме выпарного аппарата и конденсатора. Конденсируемое вещество (конденсат) может быть собрано и снова перегнано, если это нужно, несколько раз. Для разделения соединений с очень близкими точками кипения было бы слишком трудно проводить необходимое число последовательных выпариваний и конденсаций. Вместо этого применяют метод непрерывного разделения в разделительной колонне. Основной задачей этой колонны является создание потока пара. направленного вверх, и потока жидкости, стекающей вниз, - оба потока находятся в тесном соприкосновении и постоянно обмениваются молекулами. Молекулы фракции с более низкой точкой кипения имеют относительно большую тенденцию попасть в поток паров, и наоборот. Такой метод перегонки с противотоком можно применять для разделения легкой и тяжелой воды, точки кипения которых различаются на 1, 4 °C.

ПРИМЕНЕНИЕ ПРОТИВОТОКА

9.17. Метод противотока полезен не только в двухфазных (жидкость-газ) процессах перегонки, но и в других случаях разделения, таких как диффузия под влиянием температурного градиента внутри однофазных систем, или разделение под действием центробежных сил. Противоток может быть образован двумя газами, двумя жидкостями или газом и жидкостью.

ЦЕНТРИФУГИРОВАНИЕ

9.18. Мы уже отмечали, что гравитационное разделение двух изотопов возможно, так как гравитационные силы, заставляющие молекулы двигаться вниз, пропорциональны молекулярным весам, а внутримолекулярные силы, препятствующие этому движению, зависят от конфигурации электронов, а не от молекулярных весов. Так как метод центрифугирования это в сущности метод применения псевдогравитационных сил большой величины, то он всегда рассматривался, как метод, пригодный для разделения изотопов. Первые опыты с центрифугами потерпели, однако, неудачу. Дальнейшее усовершенствование быстроходных центрифуг Дж. У. Бимсом и другими привело к успешным результатам. Г. К. Юри предложил высокие цилиндрические центрифуги с противотоком. Они нашли успешное применение.

9.19. В противоточной центрифуге во внешней части вращающегося цилиндра поток пара направлен вниз, а в центральной или аксиальной области - вверх. Через поверхность раздела между двумя потоками происходит постоянная диффузия обоих типов молекул из одного потока в другой; поле радиальных сил центрифуги действует сильнее на тяжелые молекулы, чем на более легкие, так что концентрация тяжелых молекул увеличивается на периферии и уменьшается в аксиальной области; для более легких молекул картина будет обратной.

9.20. Значительным преимуществом центрифуги при разделении тяжелых изотопов типа урана является то, что коэффициент разделения зависит от разности масс обоих изотопов, а не от квадратного корня из отношения масс, как в диффузионных методах.

МЕТОД ТЕРМОДИФФУЗИИ

9.21. Из кинетической теории газов следует, что скорости диффузии газов с разными молекулярными весами различны. Возможность практического осуществления разделения изотопов при помощи термодиффузии была впервые показана при теоретическом исследовании столкновений молекул и сил взаимодействия между ними. Исследования, проведенные Энскогом и Чэпменом до 1920 г., показали, что, если в смеси газов имеется температурный градиент, то один тип молекул будет стремиться концентрироваться в холодной области, а другой - в горячей. Это стремление зависит не только от молекулярных весов, но также от сил взаимодействия между молекулами. Если газ представляет собой смесь двух изотопов, то более тяжелый изотоп может собираться в горячей области, или в холодной, или совсем не накопляется, в зависимости от природы внутримолекулярных сил. Направление разделения может измениться на обратное при изменении температуры или относительной концентрации.

9.22. Явление термодиффузии впервые было использовано для разделения изотопов Г. Клузиусом и Г. Дикелем в Германии в 1938 г. Они построили вертикальную трубу, вдоль оси которой была натянута нагретая проволока, создававшая разность температур около 600 °C между осью и периферией. Эффект получился двойной. Во-первых, тяжелые изотопы в тех веществах, которые изучались Клузиусом и Дикелем, концентрировались вблизи холодной внешней стенки, и, во-вторых, холодный газ на периферии имел тенденцию опускаться вниз, а горячий газ на оси - подниматься вверх. Такая тепловая конвекция установила встречный поток, и термодиффузия вызвала преимущественный поток тяжелых молекул к периферии через поверхность раздела между двумя потоками.

9.23. Теория термодиффузии в газах достаточно сложна; теории явления термодиффузии в жидкостях совсем нет. Однако, эффект разделения наблюдается и с успехом использовался для разделения легкого и тяжелого шестифтористого урана.

МЕТОД ХИМИЧЕСКОГО (ИЗОТОПНОГО) ОБМЕНА

9.24. Во вступительной части к этой главе мы отмечали, что есть основания считать, что разделение изотопов может быть достигнуто обычными химическими реакциями. Действительно, было найдено, что так называемая константа равновесия в простых обменных реакциях между соединениями двух разных изотопов для обоих изотопов не в точности одинакова, и таким образом в реакциях такого типа разделение возможно. Так, при каталитическом обмене атомами водорода между газообразным водородом и водой, вода содержит в три-четыре раза больше дейтерия, чем находящийся с ней в равновесии газообразный водород. Для водорода и паров воды наблюдается тот же эффект, но равновесие устанавливается быстрее. Этот метод можно приспособить для осуществления непрерывного процесса с противотоком, аналогичного применяемому при перегонке, и такие установки действительно используются для получения тяжелой воды. Общий метод хорошо понятен, однако известно, что эффективность разделения, вообще говоря, уменьшается с увеличением молекулярного веса, так что вероятность успешного применения его для тяжелых изотопов, подобных урану, невелика.

ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИЙ МЕТОД

9.25. Электролитический метод разделения изотопов основан на том открытии, что вода в электролитических ваннах, применяемых в обычном промышленном производстве водорода и кислорода, имеет повышенную концентрацию молекул тяжелой воды. Полного объяснения этого явления еще нет. Всю продукцию тяжелого водорода до войны практически получали электролитическим методом. Наибольшее количество производилось в Норвегии, но в достаточных для многих экспериментальных целей количествах тяжелый водород получался и в США.

ОБЩИЙ ОБЗОР СТАТИСТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ

9.26. Описанные выше шесть методов разделения изотопов (диффузия, перегонка, центрифугирование, термодиффузия, изотопный обмен и электролиз) были испытаны с известным успехом либо на уране, либо на водороде, либо на обоих веществах. Каждый из этих методов основан на небольших различиях в среднем поведении молекул различных изотопов. Так как средние величины, по определению, являются предметом статистики, то все методы. зависящие в основном от среднего поведения, называются статистическими методами.

9.27. С точки зрения критериев, установленных для суждения о процессах разделения, все шесть статистических методов довольно схожи. В каждом случае коэффициент разделения невелик, так что требуется много последовательных ступеней разделения. В большинстве случаев на установках среднего размера может быть переработано относительно большое количество вещества. Загрузка и пусковой период (время установления равновесия) значительно колеблются, но обычно высоки. Сходство шести методов исключает возможность окончательного выбора метода без предварительного подробного изучения данного изотопа, требуемой производительности и т. д. Реакция обмена и электролитические методы вероятно непригодны в случае урана; точно так же никакая схема перегонки себя не оправдала. Остальные три метода были разработаны с различным успехом для урана, но не применяются для водорода.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ МЕТОД И ПРЕДЕЛЫ ЕГО ПРИМЕНИМОСТИ

9.28. Существование нерадиоактивных изотопов впервые было доказано при изучении ионизованных молекул газа, движущихся в электрическом и магнитном полях. Это - поля, которые являются основой так называемого масс-спектрографического или электромагнитного метода разделения изотопов. Электромагнитный метод является наиболее подходящим для определения относительного содержания (распространенности) изотопов. Он обычно применяется для проверки результатов разделения изотопов урана

Рис. 5. Магнитное поле перпендикулярно к плоскости чертежа.

методами, описанными выше. Ценность электромагнитного метода заключается в том, что с его помощью легко произвести почти полное разделение изотопов, очень быстро, с малой загрузкой и с коротким пусковым периодом. Чтобы ответить на вопрос, почему же тогда рассматриваются любые другие методы разделения, достаточно напомнить, что обычный масс-спектрограф может разделять лишь ничтожные количества вещества, обычно порядка долей микрограмма в час.

9.29. Чтобы понять причину такой ограниченной производительности, мы опишем в общих чертах принцип действия простого масс-спектрографа, впервые употреблявшегося А.Дж. Демпстером в 1918 г. Прибор изображен схематически на рис. 5. Разделяемое газообразное соединение вводится в пространство, где часть его молекул ионизуется электрическим разрядом. Некоторые из ионов проходят через щель S 1 Между S 1 и S 2 они ускоряются электрическим полем, которое сообщает им всем практически одинаковую кинетическую энергию, в тысячи раз большую средней тепловой энергии. Так как теперь все ионы обладают практически одинаковыми кинетическими энергиями, то более легкие ионы должны иметь меньшее количество движения, чем более тяжелые. Попадая в магнитное поле через щель S 2 , все ионы движутся (перпендикулярно магнитному полю) по полуокружностям с радиусами, пропорциональными их количествам движения. Поэтому легкие ионы будут двигаться по меньшей полуокружности, чем тяжелые, и, если поместить коллектор в соответствующее положение, будут собраны только легкие ионы.

9.30. Оставляя в стороне детальное рассмотрение прибора, мы отметим лишь главные причины, лимитирующие количества разделяемого вещества. Эти причины состоят в следующем: во-первых, трудно получить большие количества газообразных ионов; во-вторых, берется очень узкий пучок ионов (как показано на рисунке), так что используется только часть полученных ионов: в-третьих, слишком большие плотности ионов в пучке могут вызвать эффект объемного заряда, который мешает разделению.

Все разработанные до 1941 г. устройства, основанные на электромагнитном методе, имели большие коэффициенты разделения, но низкие производительность и эффективность. Это послужило причиной того, почему летом 1941 г. Комитет по урану отказался от применения электромагнитных методов для выделения U-235 в больших масштабах (см. параграф 4.31). Позднее, однако, было показано, что указанные ограничения не непреодолимы. Действительно, первые образцы чистого U-235 ощутимых размеров были получены посредством электромагнитного разделения, как это описано в следующей главе.

ДРУГИЕ МЕТОДЫ РАЗДЕЛЕНИЯ ИЗОТОПОВ

9.31. В дополнение к методам разделения изотопов, описанным выше, было испытано также несколько других. Метод ионной подвижности, как указывает название, основан на следующем факте.

В растворе электролита два иона, химически тождественные, но с различными массами, движутся через раствор с различными скоростями под действием электрического поля. Однако, различие в подвижности мало и легко затемняется возмущающими явлениями. А. К. Бруэр (Бюро Стандартов) сообщал, что добился разделения изотопов калия этим методом. Бруэр также получил интересные результаты с методом выпаривания. В главе XI описаны два новые электромагнитные метода - изотропный и метод ионного центрифугирования. Изотронный метод дал некоторое количество образцов порядочных размеров частично разделенного урана; на ионной центрифуге также были получены образцы, обнаруживающие разделение урана, но ее работа была неустойчива.

КАСКАДНЫЕ И КОМБИНИРОВАННЫЕ ПРОЦЕССЫ

9.32. Во всех статистических методах разделения изотопов для получения вещества, содержащего 90 % или больше U-235 или дейтерия, необходимо много последовательных ступеней разделения. Если поток движется непрерывно от одной ступени к следующей, то ряд таких последовательных ступеней разделения называется каскадом (фракционирующая колонна из отдельных тарелок является примером простого каскада разделительной установки). Теория каскада была разработана Р. П. Фейнменом (Принстон) и другими для определенного типа электромагнитного сепаратора и К. Когеном и И. Капланом (Колумбийский университет), М. Бенедиктом и А. М. Сквайрсом (корпорация Келлекс) и др. - для диффузионных процессов. Здесь мы отметим только два момента, касающиеся многоступенчатых, или «каскадных» установок.

9.33. В каскадных установках должна быть применена рециркуляция. В установке для выделения U-235 вещество, поступающее в любую ступень, кроме первой, уже обогащено U-235. Часть этого вещества может быть еще раз обогащена при прохождении через эту ступень. Остальная часть вещества будет обеднена, но все же не полностью обесценена. Она должна быть возвращена на рециркуляцию в более низкую ступень. Даже обедненное вещество из первой (наименее обогащенной) ступени нужно направить на рециркуляцию, так как некоторое количество U-235, которое в нем содержится, может быть извлечено (регенерировано).

9.34. Рассматривая установившуюся работу ступени, мы увидим, что полезный поток урана сквозь первую ступень должен быть по крайней мере в 140 раз больше, чем сквозь последнюю ступень. Полезный поток в любой ступени пропорционален относительной концентрации U-238 и таким образом уменьшается с числом пройденных ступеней. Так как любой данный образец вещества подвергается многократной рециркуляции, то количество вещества, прошедшего через любую ступень, значительно больше, чем полезный поток сквозь эту ступень, но пропорционально ему.

9.35. Мы остановились на этих вопросах, чтобы осветить ту сторону проблемы разделения, которая не всегда очевидна, а именно, что процесс разделения, являющийся лучшим для ранних ступеней разделения, не обязательно является лучшим для последующих ступеней. Факторы, которые мы отметили, различны не только для разных ступеней, но и для разных процессов разделения. Например, рециркуляция значительно проще осуществляется на диффузионной установке, чем на электромагнитной. Установка, сочетающая два или более процесса, может оказаться наилучшей для достижения требуемого конечного разделения. На более низкой (следовательно более крупной) ступени размеры потребного оборудования и мощности могут определить выбор процесса. На более высокой (меньшей) ступени эти факторы уступают удобству в эксплоатации и времени установления равновесия, которые могут сделать более выгодным другой метод.

УСТАНОВКИ ДЛЯ ТЯЖЕЛОЙ ВОДЫ

ОПЫТНАЯ УСТАНОВКА ПО МЕТОДУ ЦЕНТРИФУГИРОВАНИЯ

9.36. Следующие две главы посвящены описанию трех методов, применяемых для промышленного разделения изотопов урана. Они имеют наибольшее значение для Проекта в настоящее время. В начале работы представлялось, что центрифугирование может оказаться наилучшим методом разделения изотопов урана. и что в качестве замедлителя потребуется тяжелая вода. Мы кратко опишем опытную установку по методу центрифугирования и завод для производства тяжелой воды.

ЗАВОДЫ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ТЯЖЕЛОЙ ВОДЫ

9.37. Для концентрации дейтерия использовались два метода: фракционная перегонка воды и метод изотопного обмена водород-вода.

9.38. В первом из них применяются хорошо разработанные методы фракционной перегонки, но требуемая длительность перегонки очень велика, так как разность точек кипения легкой и тяжелой воды незначительна. По той же причине количество потребного пара очень велико. Метод очень дорог, но заводы смогли быть сооружены при минимуме исследовательских работ. Заводы были начаты стройкой фирмой Дюпон в январе 1943 г. и пущены в ход в январе 1944 г.

9.39. Второй метод производства тяжелой воды основан на каталитическом обмене дейтерием между газообразным водородом и водой. Когда такой обмен при помощи катализаторов устанавливается, концентрация дейтерия в воде, как указывалось, больше, чем в газе, приблизительно в три раза.

9.40. При осуществлении процесса изотопного обмена воду подают в колонну, противотоком к водороду и пару довольно сложным способом. На дне колонны в электролизере вода разлагается на газообразные водород и кислород, и, затем, водород, смешанный с паром, подается обратно в нижнюю часть колонны. Смесь пара и водорода проходит через слой катализатора и барботирует через стекающую вниз воду. Сущность процесса заключается в том, что часть дейтерия, находившегося первоначально в водороде, концентрируется в паре и затем переносится в стекающую вниз воду. Завод состоит из каскада колонн с самой большой колонной на входе и самыми маленькими колоннами на выходе. Построение этого каскада основано на тех же принципах, которые мы рассмотрели выше в общем обзоре методов разделения. Осуществление процесса требует очень активных катализаторов для обменных реакций. Наиболее эффективный катализатор был найден X.С. Тэйлором в Принстонском университете. Одновременно, менее активный катализатор был открыт А. фон Гроссе. Для улучшения этих катализаторов Р. Г. Крист (Колумбийский университет) сделал необходимые определения физических констант, а Г. Р. Арнольд (фирма Дюпон) провел работы по усовершенствованию одного из катализаторов.

9.41. Описанный процесс был экономичен. Ввиду необходимости применения электролитического водорода установка была расположена на территории завода Consolidated Mining and Smelting Co. в Трэйле (Британская Колумбия, Канада). Строительством завода руководил Э. Р. Мерфри и Ф. Т. Бар из фирмы Standard Oil Development Co.

ОПЫТНЫЙ ЗАВОД ПО МЕТОДУ ЦЕНТРИФУГИРОВАНИЯ

9.42. В первые дни существования Проекта наиболее подходящими методами разделения урана долго считали метод газовой диффузии и метод центрифугирования. Реализация обоих методов в широком масштабе представляла значительные трудности. После реорганизации, в декабре 1941 г., исследование и развитие метода центрифугирования продолжалось в Виргинском университете и в лаборатории Standard Oil Development Co. в Бэйуэй. Для достижения высоких скоростей на больших центрифугах серьезная работа была проведена фирмой Westinghouse Electric and Manufacturing Co. в Ист-Питсбурге.

9.43. Вследствие больших технических затруднений, возникших в связи с этим, вместо установки промышленного масштаба, была разрешена и построена опытная установка в Бэйуэй, Она успешно работала, и на ней было достигнуто разделение, приближающееся к предсказанному теорией. Позднее установка была остановлена, и работы по методу центрифугирования прекращены. Поэтому в настоящем отчете метод центрифугирования дальше не рассматривается.

РАЗДЕЛЕНИЕ ИЗОТОПОВ И ПРОИЗВОДСТВО ПЛУТОНИЯ

9.44. Наиболее важные методы разделения изотопов, которые были описаны, в принципе были известны и применялись на практике до того, как задача разделения изотопов урана приобрела первостепенное значение. Эти методы не применялись ни для урана (если не говорить о выделении нескольких микрограммов), ни для других веществ в масштабе, сколько-нибудь сравнимом с потребностями настоящего времени. Основными вопросами были стоимость, выход и время, а не принципы разделения. Другими словами, проблема была в основном техническая, а не научная; получение плутония достигло большого размаха только после того, как стал работать первый котел, и были получены первые микрограммы плутония. Но даже и после этого многие эксперименты, проведенные по плутонию, представляли существенный интерес с точки зрения применения для военных нужд как U-235, так и плутония, и для будущего развития вопросов атомной энергии. Вследствие этого, вопросы производства плутония продолжали представлять более общий интерес, чем вопросы разделения изотопов. Многие исключительно интересные специальные проблемы возникли при разрешении вопроса разделения и потребовали высококвалифицированных научных сил для их разрешения, но они пока еще должны сохраняться в секрете. По этим причинам настоящий не технический отчет делает основной упор на вопрос о плутонии и уделяет меньше места вопросам разделения. Этим мы не хотим сказать, что проблема разделения легче разрешима или что ее разрешение имеет меньшее значение.

9.45. За исключением электромагнитного метода разделения, разделение изотопов основано на небольших отличиях в среднем поведении молекул. Они используются в шести «статистических» методах разделения: (1) газовая диффузия, (2) перегонка, (3) центрифугирование, (4) термодиффузия, (5) обменные реакции, (6) электролиз. Вероятно только методы (1), (3) и (4) подходят для урана, а (2), (5) и (6) более пригодны для выделения дейтерия из водорода. Во всех «статистических» методах коэффициент разделения не велик, так что они требуют многих ступеней, но каждый метод дает возможность переработать большое количество вещества. Все эти методы были успешно опробованы до 1940 г., но ни один из них не применялся в промышленном масштабе, и ни один из них не был использован для урана. Производительность электромагнитного метода еще меньше, но коэффициент разделения больше.

Для промышленного применения электромагнитного метода существовали очевидные ограничения. Благодаря различиям характеристик процесса в различных ступенях разделения, допускалась возможность преимуществ комбинирования двух или более методов. Проблема развития одного или всех этих методов является не научной, принципиальной, а технической проблемой масштаба и стоимости. Поэтому эти вопросы могут быть освещены более кратко, чем вопросы плутония, хотя они имеют не меньшее значение. Была построена и успешно работала опытная центрифуга. Промышленная установка не была построена. Были построены также заводы для производства тяжелой воды по двум различным методам.

Ионизируется, затем ионы ускоряются электрич. полем и попадают в разделит. камеру, где под действием магн. поля, перпендикулярного направлению движения ионов , смесь разделяется на отдельные пучки с одинаковыми значениями m/z; затем пучки собираются в разные приемники. Этим методом можно выделить все изотопы данного элемента. Его применяют для получения малых кол-в изотопов более 50 элементов; впервые этим методом было получено неск. кг 235 U (1943-45). Недостатки метода: малая производительность, низкая степень использования сырья, сложность аппаратуры, большие энергозатраты.
Фотохимический метод (лазерное изотопов разделение) основан на том, что молекулы разного изотопного состава возбуждаются излучением разл. длины волны. Используя монохроматич. излучение лазера , удается селективно возбуждать молекулы , содержащие определенный изотоп данного элемента. Возбужденные молекулы отделяют затем посредством хим. р-ций, воздействием электрич. поля или др. способом. Метод можно применять для любых элементов. Пока его используют только в лаб. масштабах; осн. затруднения связаны с необходимостью сохранения селективности на всех следующих после поглощения кванта света стадиях (см. Лазерная химия).
Методы разделения второй группы основаны на неравномерном распределении молекул разного изотопного состава между двумя фазами системы или между двумя зонами одной фазы, в к-рых поддерживаются разл. значения т-ры, давления , электрич. потенциала или др. параметра. Если изменением агрегатного состояния части смеси или воздействием поля разделить исходную смесь на две фракции с разным содержанием изотопов , то элементарный разделит. эффект такой операции характеризуют коэффициентом разделения a . Для смеси двух изотопов

где N" и N: молярные доли выделяемого изотопа в обогащенной и обедненной фракциях. Изменение изотопного состава обогащенной фракции по сравнению с поступающей смесью характеризуют коэффициентом обогащения

где N - молярная доля выделяемого изотопа в поступающей смеси. Величина b может принимать значения в пределах от 1 до a в зависимости от соотношения масс обогащенной и обедненной фракций. Для разделения изотопов всех хим. элементов (кроме водорода) значение а лишь немного больше 1. Поэтому элементарный разделит. эффект умножают в каскадах или в колоннах. Каскады представляют собой последовательно соединенные элементы однократного разделит. действия (ступени). В т. наз. простом каскаде обогащенную фракцию первой ступени подают на вторую ступень, повторяют операцию разделения, затем обогащенную фракцию второй ступени подают на третью спупень и т. д. В целях экономии исходного материала обедненные фракции дальних ступеней, к-рые по сравнению с исходной смесью обогащены целевым изотопом , не отбрасывают, а используют как дополнит. сырье на предыдущих ступенях (осуществляют рециркуляцию потоков). Чаще всего обедненную фракцию послед. ступени (молярная доля выделяемого изотопа N: i+1) возвращают на предыдущую ступень (рис. 1). В оптим. варианте состав фракции, возвращаемой на i-ю ступень, должен быть одинаковым с составом поступающей на эту ступень обогащенной фракции предыдущей (i - 1)-ступени (молярная доля N" i - 1). Если значения b для всех ступеней одинаковы, достигаемая в таком каскаде (наз. идеальным) степень разделения

где N p и N 0 - молярные доли изотопа в продукте и исходной смеси, n - число ступеней каскада.

Рис. 1. Схема каскада с рециркуляцией потока смеси (N - молярная доля выделяемого изотопа ; N 0 - в исходной смеси; N" i и N: i - соотв. в обогащенной и обедненной фракциях i-ступени; N p - в продукте (N p =N" n); N w в отходах (N w - N: 1).

Для снижения затрат энергии на перемещение потоков, уменьшения объема аппаратуры и периода первонач. накопления изотопа (см. ниже) обычно сокращают потоки при переходе от низких ступеней к более высоким, т. е. ведут процесс так, чтобы обогащенная фракция данной ступени была по массе меньше обогащенной фракции предыдущей ступени. В ряде случаев используют каскады без сокращения потоков (т. наз. прямоугольные каскады). Аналогами прямоугольного каскада являются противоточные разделит. колонны, напр., ректификационные. В каскадах перемещение потоков между ступенями осуществляют с помощью насосов или др. устройств, в колоннах за счет конвекц. потоков, возникающих из-за различия плотностей, избыточного давления , электрич. потенциала или др. При этом в каждом поперечном сечении колонны изотопы перераспределяются между перемещающимися в противоположных направлениях потоками (в соответствии с элементарным разделит эффектом). Для достижения в прямоугольном каскаде (или в противоточной колонне) степеней разделения больших, чем в единичной операции (q > b ), часть выходящего с последней ступени обогащенного потока возвращают в каскад или колонну (рис. 2) проводят обращение потока (напр., испарение жидкости или конденсация пара при ректификации). Накопление целевого изотопа начинается на конце каскада (или колонны), где вследствие обращения потока контактирующие фракции или потоки выводятся из состояния равновесия . В результате в контакт с обогащенной фракцией данной ступени приходит фракция, имеющая несколько более высокое содержание целевого изотопа , чем обедненная фракция, уведенная с этой ступени. Послед. перераспределение изотопов приводит к увеличению концентрации изотопа по сравнению с исходной в обеих покидающих эту ступень фракциях. По мере протекания процесса обогащение на конце каскада увеличивается, из состояния равновесия выводятся все более удаленные от места обращения потока ступени и протяженность обогащенной части каскада растет. После достижения на конце каскада требуемой степени разделения начинают отбирать продукт. Далее каскад (или колонна) работает в стационарном режиме.

Рис. 2. Схемапротивоточной колонны с обращением потока.

Вследствие малых отличий a от 1, а также из-за низких для мн. элементов исходных концентраций целевого изотопа период накопления изотопа (пусковой период установки) составляет сотни и тысячи часов. Для характеристики эффективности колонн используют понятие высоты, эквивалентной теоретич. ступени (ВЭТС), - высоты участка колонны, на к-ром при стационарном режиме составы выходящих потоков связаны таким же соотношением, как в однократной разделит. операции. Для колонны или прямоугольного каскада макс. степень разделения достигается при работе без отбора продукта. В этих условиях q = a n , где п - число ступеней каскада или число эквивалентных ступеней разделения колонны. При работе с отбором продукта степень разделения снижается. Осн. характеристики процесса изотопов разделения зависят от a : производительность (кол-во продукта, получаемого в единицу времени) и lnq пропорциональны (a - 1), кол-во перерабатываемого в каскаде в-ва и энергетич. затраты обратно пропорциональны (a - 1) 2 , пусковой период сокращается при увеличении a . Как правило, для достижения нужного обогащения требуется большое число ступеней, переработка больших материальных потоков и большие затраты энергии. Поэтому очень важен выбор условий, при к-рых отличия a от 1 были бы максимальными. Для каждого метода характерна своя зависимость a от св-в разделяемых молекул и от условий разделения. В грубом приближении для большинства методов величина (a - 1) пропорциональна (М 1 - М 2)/М 1 , где M 1 и М 2 - массы изотопно различающихся молекул . Рассмотрим осн. методы, используемые для разделения изотопов .
Дистилляция . Изотопов разделение основано на различиях в равновесном составе жидкости и пара . Обычно соед., содержащее легкий изотоп , концентрируется в паре . Значение а равно отношению давлений насыщ. пара (летучестей) изотопно различающихся соед., оно уменьшается с повышением мол. массы и т-ры. Осуществляют изотопов разделение в противоточных колоннах. Применяется для пром. разделения изотопов водорода и, в меньших масштабах, В, С, N, О.
Изотопный обмен . Изотопов разделение обусловлено отличием от единицы константы равновесия обмена изотопами данного элемента между двумя соед., находящимися в контактирующих фазах (чаще всего жидкость и газ , но используются также системы жидкость жидкость , жидкость твердая фаза и газ - твердая фаза). Осуществляется в противоточных колоннах. Для обращения потоков применяют термич. или электрохим. разложение либо р-ции со вспомогат. в-вами. Напр., при концентрировании изотопа 10 В обменом между BF 3 и его соединением с анизолом последнее разлагают при нагр. и BF 3 возвращают в колонну. При разделении изотопов лития обменом между амальгамой и р-рами солей литий переводят в амальгаму электролизом р-ра соли на текущем ртутном электроде . При концентрировании изотопа 15 N обменом между HNO 3 и NO азотную к-ту восстанавливают диоксидом серы . В случае разделения изотопов водорода процессы изотопного обмена с обращением потока не применяют, т.к. более экономичной оказывается двухтемпературная схема (рис. 3), в к-рой вместо перевода всей обогащенной смеси в др. фазу путем превращ. одного соед. в другое используют изотопный обмен между теми же соед. (напр., Н 2 О и H 2 S) при более высокой т-ре (меньшем a ). В результате из покидающей холодную колонну фазы (Н 2 О) в поступающую фазу (H 2 S) переводится избыточное по сравнению с исходным кол-во накапливаемого изотопа . Обогащенная дейтерием вода выводится на границе холодной и горячей колонн. Изотопный обмен применяется для пром. разделения изотопов легких элементов: водорода , Li, В, N, С.

Рис. 3. Схемадвухтемпературного концентрирования дейтерия (Т 2 > T 1).

Центрифугирование . Изотопов разделение основано на распределении компонентов газовой смеси в центробежном поле. Осуществляется в противоточной газовой центрифуге , к-рая представляет собой узкий вертикальный цилиндр, вращающийся вокруг своей оси с большой скоростью. Тяжелый изотоп концентрируется на периферии цилиндра, легкий -вблизи его оси. Из-за различий плотности смесь перемещается вдоль оси вверх, а по периферии - вниз. В отличие от др. методов, а определяется абс. разностью масс разделяемых изотопов М 1 и М 2 , а не относительной (М 1 - M 2)/M 1 , поэтому метод применяется как для легких, так и для тяжелых элементов (С, Кr, Хе, U).
Эффузия газов . Метод основан на том, что при мол. истечении (эффузии) смеси изотопно замещенных молекул через пористую перегородку с отверстиями, диаметр к-рых меньше длины свободного пробега молекул газа , легкие молекулы проникают через перегородку быстрее, чем тяжелые. Макс. значение . Изотопов разделение осуществляют в каскаде ступеней. Каждая ступень представляет собой камеру, разделенную пористой перегородкой, по одну сторону к-рой насосом нагнетается газообразная разделяемая смесь. Проходящая через перегородку смесь оказывается обогащенной легким изотопом . Метод применяется для разделения изотопов Н, Не, С, а также для пром. концентрирования 235 U (в виде UF 6).
Macc-диффузия. Изотопов разделение основано на различии в скоростях диффузии изотопнозамещенных молекул газа в потоке вспомогат. разделительного пара . Вспомогат. пар должен обладать высоким коэф. диффузии в разделяемой смеси и легко отделяться от нее. Часто в качестве вспомогат. пара используют пары . Изотопов разделение осуществляется либо в каскаде ступеней (наз. насосами), либо в противоточной колонне. Ступень однократного действия представляет собой цилиндр, внутри к-рого соосно размещена цилиндрич. диафрагма с отверстиями диаметром ок. 10 мк (рис. 4). По центр. каналу движется вспомогат. пар , по кольцевому зазору между каналом и стенкой цилиндра в противоположном направлении разделяемая смесь. Молекулы смеси диффундируют в отверстиях диафрагмы через встречный поток вспомогат. пара . Выходящая из центр. канала часть смеси, увлекаемая вспомогат. паром , обогащена легким изотопом , выходящая из кольцевого канала тяжелым. В противоточной колонне вспомогат. пар подается равномерно по всей высоте колонны через трубку с отверстиями, помещенную вдоль оси, диффундирует сквозь отверстия к стенкам колонны и конденсируется. Элементарный разделит. эффект возникает в каждом поперечном сечении из-за диффузии изотопно замещенных молекул газообразной смеси к оси колонны. В результате у оси повышается концентрация легкого изотопа , у стенок - тяжелого. Различия в плотности, а также движение вниз по стенке пленки конденсата приводят к возникновению конвекц. потоков, направленных около оси вверх, а у стенок - вниз. Метод применяется для разделения изотопов Ne, Аr, С.


Рис. 4. Схема масс-диффузионной ступени: 1 - испаритель ; 2 - диафрагма; 3 - конденсац. поверхность; 4 - конденсатор.

Разделение изотопов - технологический процесс изменения изотопного состава вещества, состоящего из смеси различных изотопов одного химического элемента . Из одной смеси изотопов на выходе процесса получают две смеси: одна с повышенным содержанием требуемого изотопа (обогащенная смесь), другая с пониженным (обедненная смесь).

Основное применение процесса разделения изотопов - обогащение урана изотопом 235 U для производства ядерного топлива, оружейных радиоактивных материалов и прочих применений, связанных с использованием радиоактивных веществ.

Промышленную работу по разделению изотопов измеряют в единицах работы разделения (ЕРР). Для определённого изменения изотопного состава определённой исходной смеси требуется одинаковое количество ЕРР, независимо от технологии разделения изотопов.

Энциклопедичный YouTube

1 / 5

✪ НЕПТУНИЙ 237 - НАРАБОТКА НЕПТУНИЯ ИЗ СОЛЕЙ УРАНА. РАДИОАКТИВНЫЙ РАСПАД НИТРАТА НЕПТУНИЛА

✪ СХК получил контракт на производство стабильных изотопов

✪ Химия 8 Простые и сложные вещества Состав веществ

✪ 10. Химические элементы

✪ урок 2. Методы познания в химии. Техника безопасности на уроках химии.

Субтитры

Общие принципы

Разделение изотопов (например извлечение 6 Li , 235 U , ) всегда сопряжено со значительными трудностями, ибо изотопы , представляющие собой мало отличающиеся по массе вариации одного элемента , химически ведут себя практически одинаково. Но - скорость прохождения некоторых реакций отличается в зависимости от изотопа элемента, кроме того, можно использовать различие в их физических свойствах - например в массе .

Как бы то ни было, различия в поведении изотопов настолько малы, что за одну стадию разделения, вещество обогащается на сотые доли процента и повторять процесс разделения приходится снова и снова - огромное количество раз. Технологически это осуществляется последовательным пропуском разделяемого объема изотопов через однотипные ячейки, производящие разделение, - каскады. Для получения необходимого разделения, каскадов может несколько тысяч последовательно, а для получения необходимого объема, десятки и сотни тысяч таких последовательных групп каскадов включенных параллельно.

На производительность подобной каскадной системы влияют две причины: степень обогащения на каждой из ступеней и потери искомого изотопа в отходном потоке.

Поясним второй фактор. На каждой из стадий обогащения поток разделяется на две части - обогащённую и обеднённую нужным изотопом. Поскольку степень обогащения чрезвычайно низка, суммарная масса изотопа в отработанной породе может легко превысить его массу в обогащённой части. Для исключения такой потери ценного сырья обеднённый поток каждой последующей ступени попадает снова на вход предыдущей.

Исходный материал не поступает на первую стадию каскада. Он вводится в систему сразу на некоторую, n-ю ступень. Благодаря этому с первой ступени выводится в утиль сильно обеднённый по основному изотопу материал.

Основные используемые методы разделения изотопов

• Электромагнитное разделение
• Газовая диффузия
• Газовая или жидкостная термодиффузия
• Аэродинамическая сепарация
• Лазерное разделение изотопов
• Химическое обогащение
• Фотохимическое разделение

В любом случае, количество произведённого обогащённого материала зависит от желаемой степени обогащения и обеднения выходных потоков. Если исходное вещество имеется в большом количестве и дёшево, то производительность каскада можно увеличить за счёт отбрасывания вместе с отходами и большого количества неизвлёченного полезного элемента (пример - производство дейтерия из обычной воды). При необходимости достигается большая степень извлечения изотопа из материала-сырца (например, при обогащении урана).

Электромагнитное разделение

Метод электромагнитного разделения основан на одинаковой силе взаимодействия магнитного поля и одинаково электрически заряженных частиц. Однако при одинаковой силе действия частицы различной массы будут вести себя по разному. Например, траектория одинаково заряженных ионов, движущихся в магнитном поле, будет зависеть от их массы. Поставив ловушки в соответствующих местах установки, можно собирать соответствующие изотопы. По сути дела такие установки, называемые калютронами, являются огромными масс-спектрометрами . В них ионы разделяемых веществ, двигаясь в сильном магнитном поле, закручиваются с радиусами, пропорциональными их массам и попадают в приёмники, где и накапливаются.

Этот метод позволяет разделять любые комбинации изотопов, обладает очень высокой степенью разделения. Обычно достаточно двух проходов для получения степени обогащения выше 80 % из бедного вещества (с исходным содержанием желаемого изотопа менее 1 %). Однако электромагнитное разделение плохо приспособлено для промышленного производства: большая часть веществ осаждается внутри калютрона, так что его приходится периодически останавливать на обслуживание. Остальные недостатки - большое энергопотребление, сложность и дороговизна технического обслуживания, низкая производительность. Основная сфера применения метода - получение небольших количеств чистых изотопов для лабораторного применения. Тем не менее, во время второй мировой войны была построена установка Y-12 , вышедшая с января 1945 на мощность 204 грамма 80 % U-235 в день.

Эффективность . Завод, производящий 50 кг высокообогащённого урана в год за счет электромагнитного разделения (calutron ), по оценкам будет потреблять свыше 50 МВт электричества.

Газовая диффузия

Этот метод использует различие в скоростях движения различных по массе молекул газа. Понятно, что он будет подходить только для веществ, находящихся в газообразном состоянии.

При различных скоростях движения молекул, если заставить их двигаться через тонкую трубочку, более быстрые и лёгкие из них обгонят более тяжёлые. Для этого трубка должна быть настолько тонка, чтобы молекулы двигались по ней поодиночке. Таким образом, ключевой момент здесь - изготовление пористых мембран для разделения с типовыми размерами пор десятки - сотни нанометров. Они должны не допускать утечек, выдерживать большое избыточное давление и обладать стойкостью к фторсодержащим средам. Существовало несколько методов получения пористых мембран, например:

• Спекание металлических или полимерных порошков при таких условиях, что между крупинками порошка оставались нормированные зазоры.
• Вытравливание одного металла из сплава двух металлов при определенных условиях обеспечивало пористую структуру.
• Электролитическое оксидирование алюминия образует пористую структуру оксида алюминия.

Мембраны обычно изготавливались в виде трубок длиной до нескольких метров. Из нескольких сотен трубок собирали один каскад разделения.

Для некоторых лёгких элементов степень разделения может быть достаточно велика, но для урана - только 1.00429 (выходной поток каждой ступени обогащается в 1.00429 раза). Для получения больших степеней обогащения иногда соединяли последовательно несколько тысяч каскадов разделения. Учитывая, что один типовой промышленный каскад занимал площадь до 100м 2 и более, то газодиффузионные обогатительные предприятия были циклопические по размерам. Относительно большие потери давления на мембранах и размеры установок определяли огромные энергозатраты компрессоров. Кроме того, завод содержал огромные количества технологического гексафторида: иногда от пуска завода до получения первого продукта на выходе проходило несколько недель, в течение которых гексафторид последовательно заполнял объемы всех каскадов. Это обстоятельство предъявляло очень серьезные требования к надежности оборудования, ведь отказ даже одного каскада мог вызвать остановку всей цепочки. Чтобы минимизировать ущерб от технологических остановок каскады снабжались автоматикой контроля работоспособности и обхода проблемного каскада.

Термодиффузия

В этом случае опять же, используется различие в скоростях движения молекул. Более лёгкие из них при существовании разницы температуры имеют свойство оказываться в более нагретой области. Коэффициент разделения зависит от отношения разницы массы изотопов к общей массе и больший для лёгких элементов. Несмотря на свою простоту, в этом методе требуются большие энергозатраты для создания и поддержания нагрева. На заре ядерной эры существовали промышленные установки на базе термодиффузии. В настоящее время самостоятельно широко не применяется, однако идея термодиффузии используется для увеличения эффективности газовых центрифуг .

Газовое центрифугирование

Идею центрифужной сепарации начали активно разрабатывать во время Второй Мировой войны. Однако трудности оптимизации технологии задержали её развитие, а в западных странах даже был вынесен вердикт о экономической бесперспективности метода. В СССР промышленное внедрение центрифужной технологии началось также только после промышленного освоения газовой диффузии.

Если газообразную смесь изотопов пропускать через высокоскоростные газовые центрифуги , то центробежная сила разделит более лёгкие или тяжёлые частицы на слои, где их и можно будет собрать. Большое преимущество центрифугирования состоит в зависимости коэффициента разделения от абсолютной разницы в массе, а не от отношения масс. Центрифуга одинаково хорошо работает и с лёгкими, и с тяжёлыми элементами. Степень разделения пропорциональна квадрату отношения скорости вращения к скорости молекул в газе. Отсюда очень желательно как можно быстрее раскрутить центрифугу. Типичные линейные скорости вращающихся роторов - 250-350 м/с, и более 600 м/с в усовершенствованных центрифугах. Разница давлений у оси центрифуги и у внешней стенки может достигать десятков тысяч раз, поэтому центрифужные каскады работают при невысоких давлениях во избежание конденсации гексафторида. Для улучшения сепарации термодиффузией в центрифугах создается градиент температур в несколько десятков градусов вдоль оси центрифуги.

Типичный коэффициент сепарации - 1.01 - 1.1. По сравнению с газодиффузионными установками этот метод имеет уменьшенное энергопотребление, большую лёгкость в наращивании мощности. В настоящее время газовое центрифугирование - основной промышленный метод разделения изотопов в России.

Аэродинамическая сепарация

Этот способ можно рассматривать как вариант центрифугирования, но вместо закручивания газа в центрифуге, он завихряется при выходе из специальной форсунки, куда подаётся под давлением. Эта технология, основанная на вихревом эффекте , использовалась ЮАР и Германией.

Проблемы технологии заключались в том что радиус форсунки около 100 мкм, при этом суммарная длина форсунки на каждом промышленном каскаде разделения исчислялась сотнями и тысячами метров. Такая длина набиралась кусками по нескольку десятков-сотен сантиметров. Помимо трудностей изготовления форсунок существовала проблема газа-разбавителя, например гелия. Разбавитель позволял удерживать гексафторид урана в газообразной фазе при больших давлениях на входе в форсунки, необходимых для создания высокоскоростного потока в форсунке. На выходе производства разбавитель и гексафторид необходимо было разделять. Большие давления определяли значительные энергозатраты.

Лазерное разделение изотопов (ЛРИ)

Лазерное разделение не является самостоятельным методом, но используется для улучшения характеристик электромагнитного или химического методов разделения. Метод основан на избирательной ионизации одного из изотопов электромагнитным излучением (например, светом лазера). Избирательность ионизации основана на резонансном (узкополосном) поглощении света атомами, разные изотопы имеют разный спектр поглощения излучения. Это значит что можно подобрать такие параметры облучения при которых преимущественно ионизируются атомы заданного изотопа. Дальше ионизированные атомы могут быть отделены, например, в магнитном поле (AVLIS (англ.) русск. ). Кроме того, ионизация атомов может менять скорость химических реакций, например, облегчая распад некоторых химических соединений (MLIS (англ.) русск. ).

Лазерная технология разделения развивается с 1970-х годов многими странами и считается перспективной, однако все ещё не вышла за рамки исследовательских работ. В 90-х годах прошлого века в США существовала программа исследования лазерного обогащения с электромагнитной сепарацией на экспериментальной установке, однако она была закрыта. В настоящее время в США осуществляется программа исследования на демонстрационной установке одного из вариантов лазерного обогащения с химической сепарацией под названием SILEX (англ.) русск. . Технология разработана в 1992 году австралийской компанией Silex. С 2006 года работы по технологии Silex ведёт компания Global Laser Enrichment LLC. Получена лицензия на строительство завода в Уилмингтоне (штат Северная Каролина).

Химическое обогащение

Химическое обогащение использует разницу в скорости протекания химических реакций с различными изотопами. Лучше всего оно работает при разделении лёгких элементов, где разница значительна. В промышленном производстве применяются реакции, идущие с двумя реактивами, находящимися в различных фазах (газ/жидкость, жидкость/твёрдое вещество, несмешивающиеся жидкости). Это позволяет легко разделять обогащённый и обеднённый потоки. Используя дополнительно разницу температур между фазами, достигается дополнительный рост коэффициента разделения. На сегодня химическое разделение - самая энергосберегающая технология получения тяжёлой воды. Кроме производства дейтерия, оно применяется для извлечения 6 Li. Во Франции и Японии разрабатывались методы химического обогащения урана, так и не дошедшие до промышленного освоения.

Дистилляция

Дистилляция (перегонка) использует различие в температурах кипения различных по массе изотопов. Обычно чем меньше масса атома - тем ниже температура кипения этого изотопа . Лучше всего это работает опять же, на лёгких элементах. Дистилляция успешно применяется как завершающая стадия в производстве тяжёлой воды.