нижнее белье для полных
მედიცინის კვლევები

   Велика Радянська Енциклопедія

Ізотопів розділення

   
 

Ізотопів розділення, виділення чистих ізотопів з суміші ізотопів даного елемента або збагачення суміші окремими ізотопами. І. р.. - Важлива проблема, що має велике наукове і практичне значення. З моменту відкриття ізотопів і до 1930-х рр.. спроби І. р.. вироблялися головним чином для виявлення ізотопів у стабільних елементів, виміру їх маси і ізотопного складу. Вдавалося виділити лише невеликі (індикаторні) кількості деяких елементів, незначно збагачених ізотопами. У 30-х рр.. почалися фундаментальні дослідження атомних ядер, ядерних реакцій , взаємодії часток з ядрами і т. д. Достовірність експериментальних даних і інтерпретація отриманих результатів значною мірою залежали від чистоти і доступної кількості ізотопу. Але отримання чистих ізотопів навіть у кількостях міліграм було складним завданням. Були виділені лише невеликі кількості збагачених сумішей ізотопів головним чином легких елементів. Тільки дейтерій почали виробляти в промислових масштабах. Подальший розвиток техніки І. р.. було викликано встановленням в 1939 реакції поділу 235 U під дією нейтронів, яке відкрило перспективу використання ядерної енергії в мирних і військових цілях (див. Ядерна енергетика , Ядерний реактор , Ядерна зброя ). Отримання у великих кількостях ізотопів U і деяких інших елементів, необхідних у якості "ядерного пального" або матеріалів для ядерної техніки, перетворилося з цього моменту в важливу задачу. Для її вирішення були побудовані величезні заводи.

Існує ряд методів І. р.. Всі вони засновані на відмінностях у властивостях ізотопів та їх сполук, пов'язаних з відмінностями мас їх атомів. Для більшості елементів відносна різниця мас ізотопів вельми мала. Цим визначається складність завдання.

Ефективність І. р.. характеризується коефіцієнтом поділу a. Для суміші двох ізотопів ? Де З ? і (1 - C ' ) - відносні змісту легкого і важкого ізотопів в збагаченій суміші, а З ? ? і (1 - З ? ? ) - в первинній суміші. Для більшості методів a лише трохи більше одиниці, тому для отримання високої ізотопної концентрації одиничну операцію І. р.. доводиться багато разів повторювати. Тільки при електромагнітному поділі a складає 10-1000 за 1 цикл поділу. Вибір методу І. р.. залежить від властивостей розділяється речовини, необхідної ступеня поділу, необхідної кількості ізотопів, економічності процесу (при значному масштабі виробництва ізотопів) і т. п.

Газова дифузія через пористі перегородки. Газоподібна сполука елементу, що розділяється при досить низьких тисках ~ 0,1 н / м 2 (~ 10 -3 мм рт . ст .) "прокачується" через пористу перегородку, що містить до 10 6 отворів на 1 см 2 ( рис. 1 ). Легкі молекули проникають через перегородку швидше важких, так як швидкості молекул обернено пропорційні квадратному кореню з їх молекулярної ваги (див. Дифузія ). В результаті газ збагачується легкої компонентою по одну сторону перегородки і важкою - по інший. Якщо різниця в молекулярних масах дуже мала, то необхідне повторення цього процесу тисячі разів. Кількість операцій розділення n визначається співвідношенням: q = a n, де q - необхідна ступінь поділу. На цьому методі заснована робота гігантських газодифузійних заводів для отримання 235 U з газоподібного UF 6 (a ~ 1,0043). Для отримання необхідної концентрації 235 U потрібно близько 4000 одиничних операцій розділення ( рис 2 ).

Дифузія в потоці пари (протипотоковому мас-дифузія). І. р.. відбувається в циліндричній посудині (колоні), перегороджений вздовж осі діафрагмою, що містить близько 10 3 отворів на 1 см 2 ( рис. 3 ). Газоподібна ізотопна суміш рухається назустріч потоку допоміжного пара. Внаслідок градієнта (перепаду) концентрації газу і пари в поперечному перерізі циліндра і більшого коефіцієнта дифузії для легких молекул відбувається збагачення легким ізотопом частини газу, що пройшов крізь потік пари в ліву частину циліндра. Збагачена частина виводиться з верхнього кінця циліндра разом з основним потоком пари, а залишилася в правій половині частину газу рухається уздовж діафрагми і відводиться з апарата. Пар, що проник в праву частину, конденсується. На розділових установках, що складаються з декількох десятків послідовно з'єднаних дифузійних колонок з рідиною, що випаровується (ртуть, ксилол та ін), поділяються в лабораторних масштабах (до 1 кг ) ізотопи неону, аргону, вуглецю, криптону, сірки ( рис. 4 ).

Термодифузія. Термодифузійна розділова колонка складається з двох коаксіально розташованих труб, в яких підтримуються різні температури ( рис. 5 ). Розділюваний суміш вводиться між ними. Перепад температур D Т між поверхнями труб створює дифузійний потік, що призводить до появи різниці концентрації ізотопів в поперечному перерізі колонки (див. Термодифузія ). Одночасно перепад температур призводить до виникнення конвективних вертикальних потоків газу (див. Конвекція ). Внаслідок цього легші ізотопи накопичуються у гарячої поверхні внутрішньої труби і рухаються вгору. Коефіцієнт поділу ? Де g - постійна термодифузії, залежна від відносної різниці мас ізотопів, а T = (T1 + T2) / 2. Термодифузійний метод дозволяє розділяти ізотопи як в газоподібному, так і в рідкій фазі. Можливий асортимент ізотопів, що розділяються ширше, ніж при поділі методом газової дифузії або дифузії в потоці пари. Однак для рідкої фази a мало. Метод зручний при І. р.. в лабораторних умовах внаслідок простоти, відсутність вакуумних насосів і т. д. Цим методом був отриманий Чи не з вмістом 0,2% 3 He (у природній суміші 1,5 ? 10 -5 %), ізотопи 18 O, 15 N, 13 C, 20 Ne, 22 Ne, 35 Cl, 84 Kr, 86 Kr з концентрацією> 99,5%. Термодифузія використовувалася в промисловому масштабі в США для попереднього збагачення 235 U перед остаточним поділом його на електромагнітної установці. Термодифузійний завод складався з 2142 колон заввишки 15 м.

Дистиляція (фракційна перегонка). Оскільки, як правило, ізотопи мають різні тиску насиченої пари, наприклад p1 и p2, і різні точки кипіння, то можливе розділення ізотопів шляхом фракційної перегонки. Використовуються фракционируют колони з великим числом ступенів поділу; a залежить від ставлення p1/p2 і його значення зменшується із зростанням молекулярної маси і температури. Тому процес найбільш ефективний при низьких температурах. Дистиляція використовувалася при отриманні ізотопів легких елементів - 10 B, 11 B, 18 O, 15 N, 13 C, а в промисловому масштабі для здобуття сотень тонн важкої води в рік.

Ізотопний обмін. Для І. р використовуються також хімічні реакції, в яких ізотопи елементу, що розділяється обмінюються місцями. Так, наприклад, якщо привести в зіткнення хлористий водень HCl з бромистим воднем HBr, в яких початкове вміст дейтерію D у водні було однаковим, то в результаті обмінної реакції вміст D в HCl буде трохи вище, ніж в HBr (див. Ізотопний обмін ). Застосування декількох ступенів дозволяє отримувати високу збагачення водню, азоту, сірки, кисню, вуглецю, літію окремими ізотопами.

Центрифугування. У центрифузі, що обертається з великою окружною швидкістю (100 м/ сек ), більш важкі молекули під дією відцентрових сил концентруються у периферії, а легкі молекули - у ротора центрифуги. Потік пари в зовнішній частині з важким ізотопом направлений вниз, а у внутрішній з легким ізотопом - вгору. З'єднання декількох центрифуг в каскад забезпечує необхідне збагачення ізотопів. При центрифугировании a залежить не від ставлення мас атомів ізотопів, що розділяються, а від їх різниці. Тому центрифугування придатне для розділення ізотопів і важких елементів. Завдяки вдосконаленню центрифуг метод став застосовуватися для промислового розділення ізотопів урану і інших важких елементів.

Електроліз. При електролізі води або водних розчинів електролітів виділяється на катоді водень містить меншу кількість дейтерію, чим вихідна вода. У результаті в електролізері зростає концентрація дейтерію. Метод застосовувався в промислових масштабах для отримання важкої води. Поділ інших ізотопів легких елементів (літію, калію) електролізом їх хлористих солей виробляється тільки в лабораторних кількостях.

Електромагнітний метод. Речовина, ізотопи якого потрібно розділити, поміщається в тигель іонного джерела, випаровується і іонізуєтся. Іони витягуються з іонізаційної камери сильним електричним полем, формуються в іонний пучок і потрапляють у вакуумну розділову камеру, поміщену в магнітне поле Н, спрямоване перпендикулярно руху іонів. Під дією магнітного поля іони рухаються по колах з радіусами кривизни, пропорційними кореню квадратному з відношення маси іона М до його заряду е. Внаслідок цього радіуси траєкторії важких і легких іонів відрізняються один від одного ( рис. 6 ). Це дозволяє збирати іони різних ізотопів в приймачі, розташовані у фокальній площині установки (див. Мас-спектрометри ).

Продуктивність електромагнітних установок визначається значенням іонного струму і ефективністю уловлювання іонів. На великих установках іонний струм коливається від десятків до сотень ма , що дає можливість отримувати до декількох грамів ізотопів в добу (сумарно по всіх ізотопам). У лабораторних сепараторах продуктивність в 10-100 разів нижче.

Електромагнітний метод характеризується високим a і можливістю одночасного розділення всіх ізотопів даного елементу. Зазвичай на великих промислових установках для одного ступеня поділу a ~ 10-100, в лабораторних - в 10-100 разів вище. У більшості випадків при поділі електромагнітним методом досить одного ступеня, рідко проводиться повторне поділ попередньо збагачених ізотопних матеріалів для отримання ізотопів особливо високої частоти. Основний недолік методу - відносно низька продуктивність, високі експлуатаційні витрати, значні втрати розділяється речовини.

Електромагнітний метод вперше дозволив отримати кілограмові кількості 235 U. Електромагнітний завод в Ок-Ріджі (США) мав 5184 розділові камери - "калютрони" ( рис. 7 ). Внаслідок високої універсальності і гнучкості електромагнітні установки використовуються для розділення ізотопів ~ 50 елементів періодичної системи в кількостях від мг до сотень г і є основним джерелом забезпечення ізотопами науково-дослідних робіт і деяких практичних застосувань ізотопів (див., наприклад, ізотопні індикатори ).

Поряд з великими електромагнітними розділовими установками для промислового виробництва ізотопів широке застосування отримали лабораторні сепаратори. Вони використовуються для одержання радіоактивних ізотопів, необхідних для ядерної спектроскопії , для вивчення взаємодії іонів з твердим тілом (при іонному впровадженні і для інших цілей).

Інші методи розділення. Крім перерахованих, існує ряд інших методів, застосування яких носить обмежений характер або знаходиться в стадії досліджень або технічних удосконалень. До них відносяться: отримання 3 He, засноване на явищі надплинності 4 He; поділ допомогою дифузії в надзвуковому струмені газу, що розширюється в просторі із зниженим тиском; хроматографічне розділення, засноване на відмінності в швидкостях адсорбції ізотопів; біологічні способи розділення.

Методи І. р.. мають особливості, що визначають області їх найбільш ефективного застосування. При І. р.. легких елементів з масовими числами близько 40 економічно вигідніші і ефективні дистиляція, ізотопний обмін і електроліз. Для розділення ізотопів важких елементів застосовуються дифузійний метод, центрифугування і електромагнітне поділ. Однак газова дифузія і центрифугування можуть бути використані, якщо є газоподібні з'єднання елементів. Оскільки таких з'єднань мало, реальні можливості цих методів поки обмежені. Термодифузія дозволяє розділяти ізотопи як в газоподібному, так і в рідкому стані, але при поділі ізотопів в рідкій фазі a мало. Електромагнітний метод володіє великим a, але має малу продуктивність і застосовується головним чином при обмежених масштабах виробництва ізотопів.

Для забезпечення науково-дослідних робіт і практичних застосувань ізотопів в СРСР створений Державний фонд стабільних ізотопів, що володіє запасом ізотопів майже всіх елементів. Регулярно проводиться поділ значних кількостей дейтерію 10 B, 13 C, 15 N, 18 0, 22 Ne і інших ізотопів. Організований також випуск різних хімічних препаратів, мічених стабільними ізотопами.

Літ.: Бродський А. І., Хімія ізотопів, М., 1952; Сміт Г., Атомна енергія для військових цілей, пров. з англ., М., 1946; Фізичний енциклопедичний словник, т. 4, М., 1965; Розен А. М., Теорія поділу ізотопів в колонах, М., 1960; Джонс К., Феррі В., Розділення ізотопів методом термодифузії, пров. з англ., М., 1947; Koch J. [Ed.], Electromagnetic isotope separators and applications of electromagnetically enriched isotopes, Amst., 1958.

© В. С. Золотарьов.





Виберіть першу букву в назві статті:

а б в г д е ё ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ы э ю я

Повний політерний каталог статей


 

Алфавітний каталог статей

  а б в г д е ё ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ы э ю я
 


 
енциклопедія  біляші  морс  шашлик  качка