Разделение изотопов (например
извлечение Li-6, U-235, D) всегда сопряжено со значительными трудностями,
ибо изотопы, представляющие собой чуть 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, различии 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 - обогащенную и обедненную
нужным изотопом. Поскольку степень обогащения чрезвычайно низка, суммарная
масса изотопа в отработанной породе может легко превысить его массу в
обогащенной части. Для исключения такой потери ценного сырья обедненный
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 выводиться в утиль сильно обедненный по
основному изотопу материал.
Основные
используемые методы разделения изотопов:
Электромагнитное разделение.
Газовая диффузия.
Жидкостная термодиффузия.
Газовое центрифугирование.
Аэродинамическая сепарация.
AVLIS (испарение с использованием лазера).
Химическое обогащение.
Дистилляция.
Электролиз.
В любом случае, количество
произведенного обогащенного материала зависит от желаемой степени
обогащения и обеднения выходных потоков. Если исходное вещество имеется в
большом количестве и дешево, то производительность каскада можно увеличить
за счет отбрасывания вместе с отходами и большого количества
неизвлеченного полезного элемента (пример - производство дейтерия из
обычной воды). При необходимости достигается большая степень извлечения
изотопа из материала-сырца (например, при обогащении урана или плутония).
Эффективности различных методов разделения:
|
Метод разделения |
H/D |
C-12/13 |
U-235/238 |
|
Химическое обогащение |
1.2-3 |
1.02 |
1.0015 |
|
Дистилляция |
1.05-1.6 |
1.01 |
- |
|
Газовая диффузия |
1.2 |
1.03 |
1.00429 |
|
Центрифугирование (250 м/с) |
1.01 |
1.01 |
1.026 |
|
Центрифугирование (600 м/с) |
- |
- |
1.233 |
|
Электролиз |
7 |
- |
- |
Электромагнитное разделение. Метод
электромагнитного разделения основан на различном действии магнитного поля
на заряженные частицы различной массы 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 приемники, 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 грамм 80% U-235 в день.
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. Поясним принцип его действия:
при различных
скоростях движения молекул, если заставить их двигаться через тонкую
трубочку, более быстрые и легкие из них обгонят более тяжелые. 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 легких
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.
{Фотографии
американских предприятий по обогащению урана K-25 и Y-12 здесь.}
Жидкостная термодиффузия. В этом случае
опять же, используется различие в скоростях движения молекул. Более легкие
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 легких элементов.
Несмотря на свою простоту, в этом методе требуются большие энергозатраты
для создания и поддержания нагрева. Поэтому широко не применяется.
Газовое центрифугирование. Впервые эта
технология была разработана в Германии, во время второй мировой, но
промышленно нигде не применялась до начала 60-х. Если газообразную смесь
изотопов пропускать через высокоскоростные центрифуги, то центробежная
сила разделит более легкие или тяжелые 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 легкими и с
тяжелыми 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 до 600 м/с в усовершенствованных
центрифугах.
Типичный коэффециент сепарации - 1.01 - 1.1.
По сравнению с газодиффузионными установками этот метод имеет уменьшенное
энергопотребление, большую легкость в наращивании мощности. В настоящее
время газовое центрифугирование - основной метод разделения изотопов.
Аэродинамическая сепарация. Этот способ
можно рассматривать как вариант центрифугирования, но вместо закручивания
газа в центрифуге, он завихряется при выходе из специальной форсунки, куда
подается под большим давлением. Эта технология использовалась ЮАР и
Германией.
AVLIS (испарение с использованием
лазера). Различные изотопы поглощают свет с
немного различной длиной волны. При помощи точно настроенного лазера можно
избирательно ионизировать атомы какого-то определенного изотопа.
Получившиеся ионы можно легко отделить, допустим, магнитным полем. Такая
технология имеет чрезвычайную эффективность, однако в промышленных
масштабах пока не применяется.
Химическое обогащение. Химическое
обогащение использует разницу в скорости протекания химических реакций с
различными изотопами. Лучше всего оно работает при разделении легких
элементов, где разница значительна. В промышленном производстве
применяются реакции, идущие с двумя реактивами, находящимися в различных
фазах (газ/жидкость, жидкость/твердое вещество, несмешивающиеся жидкости).
Это позволяет легко разделять обогащенный и обедненный потоки. Используя
дополнительно разницу температур между фазами, достигается дополнительный
рост коэффициента разделения. На сегодня химическое разделение - самая
энергосберегающая технология получения тяжелой воды. Кроме производства
дейтерия, оно применяется для извлечения Li-6. Во Франции и Японии
разрабатывались методы химического обогащения урана, так и не дошедшие до
промышленного освоения.
Дистилляция. Дистилляция (перегонка)
использует различие в скорости испарения различных по массе изотопов. Чем
меньше масса атома - тем быстрее будет испаряться этот изотоп. Лучше всего
это работает опять же, на легких элементах. Дистилляция успешно
применяется для производства тяжелой воды.
Электролиз. Единственная сфера применения
электролиза - производство тяжелой воды. При электролизе воды разделяются
на газы в основном "легкие" 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.
|
Расписание
