Разделение изотопов

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

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 235U 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.

Общие принципы[править | править исходный текст]

Разделение изотопов (например извлечение 6Li, 235U, D) 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.

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[править | править исходный текст]

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).[1]

Электромагнитное разделение[править | править исходный текст]

Метод электромагнитного разделения основан на различном действии магнитного поля на одинаково электрически заряженные частицы различной массы. По сути дела такие установки, называемые калютронами, являются огромными масс-спектрометрами. 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.

Газовая диффузия[править | править исходный текст]

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. Они должны не допускать утечек, выдерживать избыточное давление.

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). Поэтому газодиффузионные обогатительные предприятия — циклопические по размерам, состоящие из тысяч ступеней обогащения.

Термодиффузия[править | править исходный текст]

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.[2] В настоящее время самостоятельно широко не применяется, однако идея термодиффузии используется для увеличения эффективности газовых центрифуг.

Газовое центрифугирование[править | править исходный текст]

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 развитие 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.

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[править | править исходный текст]

Схема узла («сопло Беккера») для аэродинамического разделения изотопов урана (смесь водорода и гексафторида урана) при пониженном давлении.

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.

Лазерное разделение изотопов (ЛРИ)[править | править исходный текст]

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.).[2]

Лазерная технология разделения развивается с 1970-х годов многими странами[3] 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.[4] С 2006 года работы по технологии Silex ведёт компания Global Laser Enrichment LLC.[5] Получена лицензия на строительство завода в Уилмингтоне, штат Северная Каролина.

Химическое обогащение[править | править исходный текст]

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 6Li. Во Франции и Японии разрабатывались методы химического обогащения урана, так и не дошедшие до промышленного освоения.

Дистилляция[править | править исходный текст]

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.

Электролиз[править | править исходный текст]

Единственная сфера применения электролиза — производство тяжёлой воды. При электролизе воды разделяются на газы в основном «лёгкие» молекулы (с обычным водородом). Этот самый эффективный метод получения дейтерия (коэффициент разделения более 7) требует такого количества энергии, что по экономическим соображениям, если он и задействуется, то на поздних стадиях очистки.

Мировые мощности по разделению изотопов[править | править исходный текст]

Мощности заводов по разделению изотопов урана в тысячах ЕРР в год согласно WNA Market Report 2013 с прогнозом развития.

страна Компания, Завод 2012 2015 2020
Франция Areva: Georges Besse I и II 2500 7000 8200
Германия, Голландия, Англия, URENCO: Gronau (Германия), Almelo (Голландия), Capenhurst (Англия) 12800 14200 15700
Япония JNFL (англ.)русск., Rokkaasho 150 150 1500
США USEC (англ.)русск.: Paducah & Piketon 5000 3800 3800
США URENCO: New Mexico 2000 5700 5700
США Areva: Idaho Falls 0 1500 3300
США Global Laser Enrichment 0 1000 3000
Россия ОАО ТВЭЛ (TENEX) 25000 30000 37000
Китай CNNC (англ.)русск., Hanzhun & Lanzhou 1500 3000 8000
Пакистан, Бразилия, Иран Разные 100 500 1000
Суммарное 49000 65000 87000

Примечания[править | править исходный текст]

См. также[править | править исходный текст]

Ссылки[править | править исходный текст]