ИЗОТОПОВ РАЗДЕЛЕНИЕ

ИЗОТОПОВ РАЗДЕЛЕНИЕ

       

выделение отд. изотопов из естественной их смеси или обогащение смеси отд. изотопами. Первые попытки И. р. производились гл. обр. для обнаружения изотопов у стабильных элементов, для точного измерения массы их атомов и относит. содержания (см. АВТОРАДИОГРАФИЯ). В 30-х гг. фундам. исследования в области яд. физики потребовали получения изотопов, что тогда даже в кол-вах порядка неск. мг являлось сложной задачей. Выделялись лишь небольшие кол-ва обогащённых смесей изотопов лёгких элементов. Только дейтерий начал производиться в пром. масштабах. Дальнейшее развитие техники И. р. было обусловлено появлением ядерных реакторов, для к-рых требовался U, обогащённый 235U (см. ЯДЕРНОЕ ТОПЛИВО). Существует множество методов И. р. Все они основаны на различиях в св-вах изотопов и их соединений, связанных с различием масс их атомов. Для большинства элементов относит. разность масс изотопов весьма мала, что определяет сложность задачи. Эффективность методов И. р. характеризуется коэфф. разделения a. Для смеси двух изотопов он равен:

где с' и 1-с' — относит. содержания лёгкого и тяжёлого изотопов в обогащённой смеси, а с" и 1-с" — в исходной смеси. Если а лишь немного больше единицы, то операцию И. р. приходится многократно повторять; только при эл.-магн. разделении a->1 (см. ниже).

Газовая диффузия через пористые перегородки.

Рис. 1. Схема устройства для разделения изотопов методом газовой диффузии.

Газообразное соединение разделяемого элемента при достаточно низких давлениях (=10-3 мм рт. ст. или =0,1 Па) прокачивается через пористую перегородку (рис. 1). Лёгкие молекулы диффундируют через перегородку быстрее тяжёлых. В результате газ обогащается лёгкой компонентой по одну сторону перегородки и тяжёлой — по другую. Если разница в массах мала, то необходимо повторять процесс неск. тыс. раз. Этот метод используется на спец. газодиффуз. заводах для обогащения U (в виде газообразного UF6) изотопом 235U (a=1,0043). Для получения нужной концентрации 235U требуется ок. 4000 операций разделения.

Диффузия в потоке пара (масс-диффузия). И. р. происходит в цилиндрич. сосуде (колонне), перегороженном вдоль оси диафрагмой, содержащей ок. 103 отверстий на 1 см2 (рис. 2). Газообразная изотопная смесь движется навстречу потоку вспомогат. пара.

Рис. 2. Схема устройства для разделения изотопов методом противопоточной масс-диффузий.

Вследствие перепада концентраций газа и пара в поперечном сечении цилиндра и большего коэфф. диффузии для более лёгких молекул происходит обогащение лёгким изотопом части газа, прошедшего сквозь поток пара в левую часть цилиндра. Обогащённая часть выводится из верхнего цилиндра вместе с осн. потоком пара, а оставшаяся в правой половине часть газа движется вдоль диафрагмы и выводится из аппарата. Пар конденсируется и отделяется от смеси изотопов. Процесс может осуществляться многократно. В лаб. условиях получают до 1 кг изотопов Ne, Ar, С, Kr, S.

Термодиффузия. Разделит. колонка состоит из двух коаксиальных труб, поддерживаемых при разных темп-pax (рис. 3), между к-рыми находится газообразное в-во. Разность темп-р DT создаёт вертик. конвекц. поток газовой смеси и одновременно вызывает непрерывно идущее поперечное термодиффуз. разделение изотопов (см. КОНВЕКЦИЯ, ТЕРМОДИФФУЗИЯ). Вследствие этого более лёгкие изотопы накапливаются у горячей поверхности внутр. трубы и движутся вверх. Коэфф. разделения

a=1+gDТ/Т,

где g — постоянная термодиффузии, зависящая от относит. разности масс изотопов, а Т=(Т1+Т2)/2

Этим методом были получены Не с содержанием 0,2% 3Не (в природной смеси — 1,5*10-5%), изотопы 18О, 15N, 13C, 20Ne, 22Ne, 35Cl, 84Kr, 86Kr с концентрацией >99,5%.

Рис. 3. Схема термодиффузионной разделит. колонки.

Дистилляция. Изотопы обычно имеют разл. давления насыщ. пара (p1 и р2) и точки кипения, поэтому возможно И. р. путём фракц. перегонки. При кипении жидкой смеси изотопов в образующемся паре преобладает изотоп с наименьшей темп-рой кипения. Используются фракционирующие колонны с большим числом ступеней разделения; а зависит от отношения p1/p2 и уменьшается с ростом мол. массы и темп-ры (процесс наиб. эффективен при низких темп-pax). Дистилляция использовалась при получении изотопов лёгких элементов 10В, 11B, 18O, 15N, 13С и для получения тяжёлой воды (сотен т в год).

Изотопный обмен. Для И. р. используются хим. реакции, при к-рых происходит перераспределение изотопов к.-л. элемента между реагирующими в-вами. Так, напр., если привести в соприкосновение HCl с HBr, в к-рых первонач. содержание дейтерия D в водороде было одинаковым, то в результате обменной реакции в HCl содержание D будет неск. выше, чем в HBr. Применение неск. каскадов позволяет получать дейтерий и обогащённые отд. изотопами смеси для др. лёгких элементов (N, S, О, С, Li).

Центрифугирование. В центрифуге, вращающейся с большой скоростью, более тяжёлые молекулы под действием центробежных сил концентрируются у периферии, а лёгкие молекулы — у ротора. Поток пара во внеш. части с тяжёлым изотопом направлен вниз, а во внутренней, с лёгким изотопом, вверх. Соединение неск. центрифуг в каскад обеспечивает необходимое обогащение. Центрифугирование пригодно для разделения изотопов как лёгких, так и тяжёлых элементов.

Электролиз. При электролизе воды или водных р-ров электролитов выделяющийся на катоде водород содержит меньшее кол-во D, чем исходная вода. В результате в электролизёре растёт концентрация D. Метод применялся в пром. масштабах для получения тяжёлой воды. Электролизный завод в Норвегии в 40-х гг. производил неск. тонн D в год. Разделение Li, К и др. (электролизом их хлористых солей) производится только в лаб. условиях.

Электромагнитный метод. В-во, содержащее изотопы элемента, к-рые требуется разделить, помещается в тигель ионного источника, испаряется и ионизуется. Ионы вытягиваются из ионизац. камеры высоким отрицат. потенциалом, формируются в ионный пучок и попадают в вакуумную разделит, камеру с магн. полем, направленным перпендикулярно ионному пучку. Под действием магн. поля ионы движутся по окружностям с радиусами R=?М/е, где М и е — масса и заряд ионов. Это позволяет собирать ионы разл. изотопов в разные приёмники, помещённые в фокальной плоскости установки (рис. 4; (см. МАСС-СПЕКТРОМЕТР)).

Эл.-магн. метод впервые (1943—45) использовался в Ок-Ридже (США) для получения 235U в кол-ве неск. кг.

Рис. 4. Схематич. изображение эл.-магн. разделит, устройства. Магн. поле направлено перпендикулярно плоскости рисунка.

Обычно достаточно одной ступени. Повторное разделение применяется редко. Осн. недостаток — относительно низкая производительность, высокие эксплуатац. затраты, значит. безвозвратные потери разделяемого в-ва.

Другие методы разделения пока находятся в стадии лаб. исследований. К ним относятся: лазерное разделение изотопов — метод, перспективный для создания пром. установок; получение 3Не, основанное на сверхтекучести 4Не; разделение посредством диффузии в сверхзвуковой струе газа, расширяющейся в пр-ве с пониженным давлением; разделение, обусловленное миграцией ионов при прохождении электрич. тока в электролитах; хроматографич. разделение, основанное на различии в скоростях адсорбции изотопов; биол. способы разделения и др.

Методы И. р. имеют особенности, определяющие области их наиболее эфф. применения. При И. р. лёгких элементов с A=40 экономически более выгодны и эфф. дистилляция, изотопный обмен и электролиз. Для разделения изотопов тяжёлых элементов применяются диффузионный метод, центрифугирование и эл.-магнитное разделение. Однако газовая диффузия и центрифугирование могут быть использованы, если имеются газообразные соединения элементов. Поскольку таких соединений мало, реальные возможности этих методов пока ограничены. Термодиффузия позволяет разделять изотопы как в газообразном, так и в жидком состоянии, но при разделении изотопов в жидкой фазе а мало. Эл.-магн. метод обладает большим а, но имеет малую производительность, поэтому применяется гл. обр. при огранич. масштабах произ-ва изотопов.

Для обеспечения н.-и. работ и практич. применений изотопов в СССР создан Гос. фонд стабильных изотопов. Систематически производится получение значит. кол-в дейтерия, 10В, 13С, 15N, 18O, 22Ne и др. Организован также выпуск разл. хим. препаратов, «меченых» стабильными изотопами.

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983.