Способ разделения изотопов
Владельцы патента RU 2331463:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Сибирский химический комбинат" (RU)
Изобретение может быть использовано в ядерной технике. Газообразную смесь изотопов химического элемента или его летучего соединения разделяют на каскаде газовых центрифуг, содержащем отборные ступени легкой и тяжелой фракций, между которыми расположена центральная часть каскада. Питающий поток газообразной смеси изотопов подают в каскад. Легкую и тяжелую фракции отбирают. Из центральной части каскада ведут, по крайней мере, один вспомогательный отбор с получением промежуточной фракции, величина потока и точка отбора которой обеспечивают заданную концентрацию целевого изотопа, по крайней мере, на одной из отборных ступеней каскада. Изобретение позволяет расширить технологические возможности разделения изотопов центрифугированием, наработать целевые изотопы при меньших затратах времени с варьированием их концентраций, включая максимально близкую концентрацию к теоретическому пределу. Представлены примеры разделения изотопов селена, германия и вольфрама. 4 табл., 4 ил.
Изобретение относится к технологии разделения изотопных смесей и может быть использовано при производстве изотопов химических элементов на многоступенчатых центрифужных каскадах.
Известны различные способы разделения изотопов химических элементов: изотопный обмен, электромагнитный, лазерный, центрифужный (Конверсия в машиностроении, №3(40), М., «Информконверсия», 2000).
Хорошо технически отработанным является центрифужный способ разделения изотопов (там же, cc.53-55). Этот способ реализован на каскаде газовых центрифуг для получения широкой номенклатуры изотопов с высокой степенью обогащения и химической чистоты. При разделении изотопов криптона и ксенона рабочим веществом являются эти газы с природной концентрацией изотопов. При разделении изотопов олова в качестве рабочего вещества используется тетраметилолово, особенностью которого является полиизотопия углерода и водорода, ограничивающая концентрацию целевого изотопа в товарном продукте. Для разделения изотопов селена, теллура, вольфрама, серы и кислорода в качестве рабочих веществ используются их газообразные соединения с моноизотопным фтором, обеспечивающие концентрации целевых изотопов в товарных продуктах, близкие к их теоретическому пределу, которым является 100% концентрация изотопа.
Сущность центрифужного способа разделения изотопов, являющегося прототипом заявляемого способа, состоит в том, что поток газообразного вещества, содержащего смесь изотопов, при малом давлении подают в каскад газовых центрифуг. В процессе центрифугирования получают поток легкой фракции и поток тяжелой фракции, которые отбирают соответственно с крайних ступеней каскада. В зависимости от длины каскада и исходного содержания изотопов в рабочем веществе, по крайней мере один из потоков отбора может содержать целевой изотоп с концентрацией 96-99,9% (А.N.Tcheltsov, L.Yu.Sosnin. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A521, 2004, pp.156-160).
Задачей изобретения является расширение технологического арсенала способов разделения изотопов.
Поставленная задача решается тем, что в способе разделения изотопов центрифугированием газообразной смеси изотопов химического элемента или его летучего соединения на каскаде газовых центрифуг, содержащем отборные ступени легкой и тяжелой фракций, между которыми расположена центральная часть каскада, включающем подачу в каскад питающего потока газообразной смеси изотопов и отбор легкой и тяжелой фракций, ведут, по крайней мере, один вспомогательный отбор из центральной части каскада промежуточной фракции, величина потока и точка отбора которой обеспечивают заданную концентрацию целевого изотопа по крайней мере на одной из отборных ступеней каскада.
С помощью заявляемого способа разделяли изотопы селена, германия и вольфрама.
На фиг.1 представлена схема разделения изотопов селена с использованием гексафторида селена в качестве рабочего вещества питающего потока F1, подаваемого в 80-ю ступень каскада, с отбором легкой фракции L1 со 160-й ступени каскада, тяжелой фракции H1 с 1-й ступени и вспомогательным отбором промежуточной фракции М1 из 55-й ступени каскада (опыт 1).
На фиг.2 представлена схема разделения изотопов селена с использованием гексафторида селена в качестве рабочего вещества питающего потока F2, подаваемого в 70-ю ступень, с отбором легкой фракции L2 со 160-й ступени каскада, тяжелой фракции Н2 с 1-й ступени и вспомогательным отбором промежуточной фракции М2 из 71-й ступени каскада (опыт 2).
На фиг.3 представлена схема разделения изотопов германия с использованием тетрафторида германия в качестве рабочего вещества питающего потока L3, подаваемого в 45-ю ступень, с отбором легкой фракции L3 с 80-й ступени каскада, тяжелой фракции Н3 с 1-й ступени и вспомогательным отбором промежуточной фракции М3 из 44-й ступени каскада (опыт 3).
На фиг.4 представлена схема разделения изотопов вольфрама с использованием гексафторида вольфрама в качестве рабочего вещества питающего потока F4, подаваемого в 70-ю ступень, с отбором легкой фракции L-4 со 160-й ступени каскада, тяжелой фракции Н4 с 1-й ступени и вспомогательными отборами двух промежуточных фракций М4-1 и М4-2 соответственно из 67-й и 140-й ступеней каскада (опыт 4).
Пример 1.
Требуется получить изотоп 74Se с концентрацией не менее 99,90% и изотоп 82Se с концентрацией не менее 99,90% (заданные концентрации).
Разделение изотопов селена осуществляли на промышленной установке, представляющей собой 160-ступенчатый каскад газовых центрифуг. Рабочее вещество - гексафторид селена SeF6. Питающий поток подавали на 80 ступень каскада. Вспомогательный отбор осуществляли с 55-й ступени каскада. Целевые изотопы селен-74 и селен-82 отбирали с легкой и тяжелой фракциями соответственно. В таблице 1 приведены изотопный состав питающего потока F1, изотопный состав промежуточной фракции M1, изотопный состав легкой фракции L1, содержащей целевой изотоп селен-74 в заданной концентрации, и изотопный состав тяжелой фракции H1, содержащей целевой изотоп селен-82 в заданной концентрации. Величина вспомогательного потока M1 (M1=0,9665 F1) и точка его отбора (55-я ступень каскада) обеспечивают заданную концентрацию целевых изотопов (в данном примере 74Se - 99,99% и 82Se - 99,95%) в потоках отбора легкой L1 и тяжелой H1 фракций соответственно.
| Таблица 1 | |||
| Изотопный состав питающего потока F1, % | Изотопный состав промежуточной фракции M1, % | Изотопный состав легкой фракции L1, % | Изотопный состав тяжелой фракции H1, % |
| F1 | M1=0,9665F1 | L1=0,0085F1 | H1=0,025F1 |
| 74Se - 0,89 | 74Se - 0,04 | 74Se - 99,99 | 74Se - 5,1·10-20 |
| 76Se - 9,37 | 76Se - 9,69 | 76Se - 5,9·10-4 | 76Se - 2,0·10-12 |
| 77Se - 7,63 | 77Se - 7,89 | 77Se - 8,09·10-8 | 77Se - 5,0·10-10 |
| 78Se - 23,77 | 78Se - 24,59 | 78Se - 4,66·10-11 | 78Se - 4,3·10-7 |
| 80Se - 49,61 | 80Se - 51,33 | 80Se - 2,61·10-18 | 80Se - 0,05 |
| 82Se - 8,73 | 82Se - 6,45 | 82Se - 5,1·10-27 | 82Se - 99,95 |
Пример 2.
Требуется получить изотоп 76Se с концентрацией не менее 99,10% и изотоп 82Se с концентрацией не менее 99,95% (заданные концентрации).
Разделение изотопов селена осуществляли на промышленной установке, представляющей собой 160-ступенчатый каскад газовых центрифуг. Рабочее вещество - гексафторид селена SeF6. Питающий поток подавали на 70 ступень каскада. Вспомогательный отбор осуществляли с 71-й ступени каскада. Целевые изотопы селен-76 и селен-82 отбирали с легкой и тяжелой фракциями соответственно. В таблице 2 приведены изотопный состав питающего потока F2, изотопный состав промежуточной фракции М2, изотопный состав легкой фракции L2, содержащей целевой изотоп селен-76 в заданной концентрации, и изотопный состав тяжелой фракции Н2, содержащей целевой изотоп селен-82 в заданной концентрации.
| Таблица 2 | |||
| Изотопный состав питающего потока F2, % | Изотопный состав промежуточной фракции M2, % | Изотопный состав легкой фракции L2, % | Изотопный состав тяжелой фракции H2, % |
| F2 | M2=0,9335F2 | L2=0,0388F2 | H2=0,0277F2 |
| 74Se - 0,04 | 74Se - 0,01 | 74Se - 0,72 | 74Se - 1,7·10-25 |
| 76Se - 9,69 | 76Se - 6,26 | 76Se - 99,15 | 76Se - 3,2·10-16 |
| 77Se - 7,89 | 77Se - 8,45 | 77Se - 0,13 | 77Se - 6,0·10-13 |
| 78Se - 24,59 | 78Se - 26,35 | 78Se - 5,2·10-5 | 78Se - 2,7·10-9 |
| 80Se - 51,33 | 80Se - 54,98 | 80Se - 1,2·10-12 | 80Se - 0,008 |
| 82Se - 6,45 | 82Se - 3,94 | 82Se - 5,1·10-22 | 82Se - 99,99 |
Пример 3.
Требуется получить изотоп 70Ge с концентрацией не менее 99,10% и изотоп 76Ge с концентрацией не менее 99,10% (заданные концентрации).
На каскаде из 80 ступеней разделяли изотопы германия с получением целевых изотопов 70Ge и 76Ge. Рабочее вещество - тетрафторид германия GeF4. Питающий поток тетрафторида германия природного изотопного состава подавали на 45-ю ступень разделительного каскада, вспомогательный отбор вели из 44-й ступени. Целевые изотопы германий-70 и германий-76 отбирали с легкой и тяжелой фракциями соответственно. В таблице 3 приведены изотопный состав питающего потока F3, изотопный состав промежуточной фракции М3, изотопный состав легкой фракции L3, содержащей целевой изотоп германий-70 в заданной концентрации, и изотопный состав тяжелой фракции Н3, содержащей целевой изотоп германий-76 в заданной концентрации.
| Таблица 3 | |||
| Изотопный состав питающего потока F3, % | Изотопный состав промежуточной фракции М3, % | Изотопный состав легкой фракции L3, % | Изотопный состав тяжелой фракции Н3, % |
| 2 | 3 | 4 | 5 |
| F3 | М3=0,933F3 | L3=0,05F3 | Н3=0,017F3 |
| 70Ge - 20,52 | 70Ge - 16,68 | 70Ge - 99,18 | 70Ge - 8,08·10-8 |
| 72Ge - 27,43 | 72Ge - 29,36 | 72Ge - 0,81 | 72Ge - 3,24·10-4 |
| 73Ge - 7,76 | 73Ge - 8,32 | 73Ge - 9,8·10-3 | 73Ge - 4,5·10-3 |
| 74Ge - 36,54 | 74Ge - 39,15 | 74Ge - 1,87·10-3 | 74Ge - 0,81 |
| 76Ge - 7,75 | 76Ge - 6,5 | 76Ge - 4,92·10-7 | 76Ge - 99,19 |
Пример 4
Требуется получить изотоп 182W с концентрацией не менее 99,65% и с концентрацией не менее 95,10% и изотоп 186W с концентрацией не менее 99,90% (заданные концентрации).
На каскаде из 160 ступеней разделяли смесь изотопов вольфрама природного изотопного состава для получения целевых изотопов 182W и 186W. Рабочее вещество - гексафторид вольфрама WF6. Питающий поток гексафторида вольфрама подавали на 70-ю ступень разделительного каскада, два вспомогательных отбора вели из 67-й и 140-й ступеней. Целевой изотоп вольфрам-182 отбирали со второй промежуточной фракцией (с 140-й ступени) и с легкой фракцией, а вольфрам-186 - с тяжелой фракцией. В таблице 4 приведены изотопный состав питающего потока F4, изотопный состав промежуточных фракций M4-1 и М4-2 (промежуточная фракция М4-2 содержит целевой изотоп вольфрама-182 в заданной концентрации), изотопный состав легкой фракции L4, содержащей целевой изотоп вольфрам-182 в заданной концентрации, и изотопный состав тяжелой фракции Н4, содержащей целевой изотоп вольфрам-186 в заданной концентрации.
| Таблица 4 | ||||
| Изотопный состав питающего потока F4, % | Изотопный состав промежуточной фракции М4-1, отбор из 67-й ступени, % | Изотопный состав промежуточной фракции М4-2, отбор из 140-й ступени, % | Изотопный состав легкой фракции L4, % | Изотопный состав тяжелой фракции Н4, % |
| F4 | М4-1=0,82F4 | M4-2=0,06F4 | L4=0,02F4 | H4=0,11F4 |
| 180W - 0,14 | 180W - 0,14 | 180W - 0,16 | 180W - 4,85 | 180W - 7,35·10-22 |
| 182W - 27,43 | 182W - 27,43 | 182W - 99,71 | 182W - 95,14 | 182W - 2,19·10-11 |
| 183W - 27,43 | 183W - 27,43 | 183W - 0,13 | 183W - 9,94·10-3 | 183W - 8,27·10-8 |
| 184W - 27,43 | 184W - 27,43 | 184W - 4,05·10-5 | 184W - 2,25·10-7 | 184W - 7,04·10-4 |
| 186W - 27,43 | 186W - 27,43 | 186W - 4,05·10-13 | 186W - 1,03·10-17 | 186W - 99,99 |
Заявляемое техническое решение расширяет технологические возможности центрифужного способа разделения изотопов, обеспечивая возможность наработки целевых изотопов при меньших затратах времени с варьированием их концентраций в зависимости от заказа, включая концентрацию, близкую к теоретическому пределу максимально достижимой концентрации.
Способ разделения изотопов центрифугированием газообразной смеси изотопов химического элемента или его летучего соединения на каскаде газовых центрифуг, содержащем ступени отбора легкой и тяжелой фракций, между которыми расположена центральная часть каскада, включающий подачу в каскад питающего потока газообразной смеси изотопов и отбор легкой и тяжелой фракций, отличающийся тем, что ведут, по крайней мере, один вспомогательный отбор из центральной части каскада промежуточной фракции, величина потока и точка отбора которой обеспечивают заданную концентрацию целевого изотопа, по крайней мере, на одной из отборных ступеней каскада.
