Separarea izotopilor este un proces tehnologic de modificare a compoziției izotopice a unei substanțe constând dintr-un amestec de diferiți izotopi ai unui element chimic . Dintr-un amestec de izotopi sau compuși chimici, la ieșirea procesului se obțin două amestecuri: unul cu un conținut crescut de izotop necesar (amestec îmbogățit), celălalt cu un conținut redus (amestec slab).
Principala aplicație a procesului de separare a izotopilor este îmbogățirea uraniului cu izotopul 235 U pentru producerea de combustibil nuclear, materiale nucleare de calitate pentru arme și alte aplicații care implică utilizarea de substanțe radioactive.
Munca industrială de separare a izotopilor este măsurată în unități de lucru de separare (SWU). Pentru o anumită modificare a compoziției izotopice a unui anumit amestec inițial, este necesară aceeași cantitate de SWU, indiferent de tehnologia de separare a izotopilor.
Separarea izotopilor (de exemplu, extragerea 6 Li , 235 U , D ) este întotdeauna asociată cu dificultăți semnificative și costuri energetice, deoarece izotopii , care sunt variații ale unui element care diferă ușor în masă , se comportă chimic aproape la fel. Dar viteza unor reacții este ușor diferită în funcție de masa izotopului elementului, în plus, puteți utiliza diferența dintre proprietățile lor fizice - de exemplu, în masă .
Deoarece diferențele de proprietăți ale izotopilor sunt atât de mici, într-o etapă de separare substanța este îmbogățită cu sutimi de procent în izotopul țintă și, prin urmare, este necesar să se repete procesul de separare de mai multe ori.
Din punct de vedere tehnologic, aceasta se realizează prin trecerea succesivă a volumului de izotopi care urmează a fi separați prin celule de același tip care produc separare - așa-numitele cascade. Pentru a obține gradul necesar de separare, pot exista câteva mii de cascade conectate în serie și pentru a obține volumul necesar - zeci și sute de mii de astfel de serii de grupuri de cascade conectate în paralel.
Doi factori afectează performanța unui astfel de sistem în cascadă: gradul de îmbogățire necesar în fiecare etapă și pierderea izotopului țintă în fluxul de deșeuri.
Să explicăm al doilea factor. La fiecare etapă de îmbogățire, fluxul este împărțit în două părți - îmbogățit și epuizat în izotopul dorit. Deoarece gradul de îmbogățire este extrem de scăzut, masa totală a izotopului din materia primă uzată poate depăși masa sa din produsul îmbogățit. Pentru a evita o astfel de pierdere de materii prime, fluxul epuizat al fiecărei etape ulterioare intră din nou în intrarea celei anterioare.
Materialul sursă nu intră în prima etapă a cascadei. Este introdus în sistem imediat la o etapă a n-a. Din această cauză, materialul care este foarte epuizat în izotopul principal este îndepărtat din prima etapă.
În orice caz, cantitatea de material îmbogățit produsă depinde de gradul dorit de îmbogățire și slabă a fluxurilor de ieșire. Dacă substanța inițială este disponibilă în cantități mari și ieftin, atunci productivitatea cascadei poate fi crescută prin aruncarea, împreună cu deșeurile, a unei cantități mari din elementul util neextras (de exemplu, producția de deuteriu din apa obișnuită). Atunci când este necesar, se obține un grad mare de extracție a izotopului din materia primă (de exemplu, în îmbogățirea uraniului ). [unu]
Metoda de separare electromagnetică se bazează pe aceeași forță de interacțiune între un câmp magnetic extern și particulele încărcate electric în mod egal. Cu aceeași forță de acțiune asupra particulelor de mase diferite, mișcarea particulelor va fi diferită. De exemplu, traiectoria ionilor încărcați egal cu energie cinetică egală care se mișcă într-un câmp magnetic va depinde de masa lor. Prin plasarea capcanelor în locații de instalare adecvate, este posibilă colectarea fasciculelor de ioni ale izotopilor care urmează să fie separați. De fapt, astfel de instalații, numite calutrons ( calutron ), sunt spectrometre de masă mari . În ele, ionii de substanțe separate, care se mișcă într-un câmp magnetic puternic, descriu traiectorii de-a lungul arcurilor de cerc cu raze proporționale cu masele lor și cad în capcane (receptoare), unde se acumulează.
Această metodă face posibilă separarea oricăror amestecuri de izotopi cu mase apropiate și are un grad foarte ridicat de separare. De obicei, este suficient să repeți procesul de separare de două ori pentru a obține un grad de îmbogățire peste 80% dintr-o substanță săracă în izotopul țintă (cu un conținut inițial de izotop țintă mai mic de 1%). Cu toate acestea, separarea electromagnetică nu este avansată tehnologic în producția industrială: cea mai mare parte a substanței separate prin izotopi este depusă pe pereții cavității de vid a calutronului, așa că trebuie oprită periodic pentru întreținere. De asemenea, dezavantajele sunt consumul mare de energie, complexitatea și costul ridicat de întreținere, productivitatea scăzută. Principalul domeniu de aplicare al metodei este producerea de cantități mici de probe izotopice foarte pure pentru cercetarea științifică. Cu toate acestea, în ciuda dificultăților tehnologice, în timpul celui de -al doilea război mondial , a fost construită instalația Y-12 , care în ianuarie 1945 a atins o productivitate zilnică de 204 g de uraniu cu o concentrație de U-235 în ea de 80%.
Eficacitatea metodei . Se estimează că o instalație care produce 50 kg de uraniu-235 foarte îmbogățit pe an prin separare electromagnetică consumă aproximativ 50 MW de energie electrică [2] .
Această metodă utilizează diferența dintre vitezele de mișcare a moleculelor de gaz de diferite mase. Metoda este potrivită numai pentru substanțele în stare gazoasă.
Esența metodei se bazează pe diferența de coeficient de difuzie prin corpuri poroase pentru molecule cu mase diferite datorită diferenței dintre vitezele lor medii, moleculele mai ușoare difuzează mai ușor. În practică, se folosesc corpuri poroase, diametrul canalelor poroase în care este mult mai mic decât calea liberă medie a moleculelor - așa-numita difuzie Knudsen .
Gradul de separare în metoda difuziei este proporțional cu rădăcina pătrată a raportului dintre masele atomice ale moleculelor cu izotopi diferiți, astfel încât eficiența separării scade odată cu creșterea masei atomice a izotopilor.
De asemenea, o anumită dificultate tehnologică în această metodă este fabricarea membranelor poroase pentru separare cu diametre tipice ale porilor de zeci până la sute de nanometri, cu o răspândire mică în diametrul efectiv. Membranele nu trebuie să permită scurgeri prin scurgeri macroscopice, să reziste la o cădere mare de presiune și să fie rezistente la substanțele corozive care conțin fluor atunci când sunt utilizate pentru separarea izotopilor de uraniu.
Există mai multe metode pentru obținerea membranelor poroase, de exemplu:
Membranele erau de obicei realizate sub formă de tuburi lungi de până la câțiva metri. Din câteva sute de tuburi, este asamblată o cascadă de separare.
Pentru unele elemente ușoare, gradul de separare poate fi destul de mare, dar pentru uraniu este de numai 1,00429 (fluxul de ieșire al fiecărei etape este îmbogățit cu un factor de 1,00429). Pentru a obține grade mari de îmbogățire, uneori au fost conectate în serie câteva mii de cascade de separare de același tip. Având în vedere că o cascadă industrială tipică a ocupat o suprafață de până la 100 m 2 sau mai mult, întreprinderile de îmbogățire cu difuzie de gaze se dovedesc a fi de dimensiuni ciclope.
Pierderile de presiune relativ mari ale gazului pe membrane și dimensiunea instalațiilor au condus la un consum mare de energie pentru antrenarea compresorului. În plus, la uzină existau cantități uriașe de hexafluorură de uraniu tehnologic, iar procesul de separare a fost lung, uneori trec câteva săptămâni de la punerea în funcțiune a instalației până la producerea primului produs, timp în care hexafluorura a umplut secvenţial cavităţile toate cascadele. Această împrejurare a impus cerințe foarte serioase asupra fiabilității echipamentului, deoarece eșecul chiar și a unei cascade ar putea determina oprirea întregului lanț de cascade. Pentru a minimiza daunele din opririle tehnologice, cascadele au fost dotate cu control automat al operabilității și redundanței cascadei eșuate.
În acest caz, din nou, se utilizează diferența de viteze ale moleculelor. Cele mai ușoare, în prezența unei diferențe de temperatură, tind să ajungă într-o regiune mai fierbinte. Factorul de separare depinde de raportul dintre diferența dintre masa izotopilor și masa totală și este mai mare pentru elementele ușoare. În ciuda simplității sale, această metodă necesită multă energie pentru a crea și menține încălzirea. În zorii erei nucleare existau instalații industriale bazate pe difuzie termică. [3] În prezent, nu este utilizată pe scară largă în sine, însă ideea difuziei termice este folosită pentru a crește eficiența centrifugelor cu gaz .
Ideea separării centrifuge a început să se dezvolte activ în timpul celui de-al doilea război mondial. Cu toate acestea, dificultățile de optimizare a tehnologiei au întârziat dezvoltarea acesteia, iar în țările occidentale chiar a fost emis un verdict asupra inutilității economice a metodei. În URSS, introducerea industrială a tehnologiei centrifugelor a început abia după dezvoltarea industrială a difuziei gazoase.
Dacă un amestec gazos de izotopi este trecut prin centrifuge cu gaz de mare viteză , atunci forța centrifugă va separa particulele mai ușoare sau mai grele în straturi, unde pot fi colectate. Marele avantaj al centrifugării este că factorul de separare depinde de diferența absolută de masă, și nu de raportul de masă. Centrifuga funcționează la fel de bine atât cu elemente ușoare, cât și cu elemente grele. Gradul de separare este proporțional cu pătratul raportului dintre viteza de rotație și viteza moleculelor din gaz. De aici este foarte de dorit ca centrifuga să se rotească cât mai repede posibil. Vitezele liniare tipice ale rotoarelor rotative sunt 250-350 m/s și mai mult de 600 m/s în centrifugele avansate. Diferența de presiune pe axa centrifugei și pe peretele exterior poate ajunge de zeci de mii de ori, astfel încât cascadele de centrifugă funcționează la presiuni scăzute pentru a evita condensarea hexafluorurii. Pentru a îmbunătăți separarea prin difuzie termică în centrifuge, se creează un gradient de temperatură de câteva zeci de grade de-a lungul axei centrifugei.
Un factor de separare tipic este 1,01 - 1,1. În comparație cu instalațiile de difuzie a gazelor, această metodă are un consum redus de energie, o ușurință mai mare în creșterea puterii. În prezent, centrifugarea cu gaz este principala metodă industrială de separare a izotopilor în Rusia.
Această metodă poate fi considerată ca o variantă de centrifugare, dar în loc să rotească gazul într-o centrifugă, acesta se învârte atunci când iese dintr-o duză specială, unde este alimentat sub presiune. Această tehnologie, bazată pe efectul vortex , a fost folosită de Africa de Sud și Germania.
Problemele tehnologiei erau că raza duzei era de aproximativ 100 de microni, în timp ce lungimea totală a duzei la fiecare etapă de separare industrială era de sute și mii de metri. Această lungime a fost adunată în bucăți de câteva zeci până la sute de centimetri. Pe lângă dificultățile de fabricație a duzelor, a existat și problema unui gaz diluant, cum ar fi heliul. Diluantul a făcut posibilă menținerea hexafluorurii de uraniu în faza gazoasă la presiuni mari la intrarea în duze necesare pentru a crea un flux de mare viteză în duză. Diluantul și hexafluorura au trebuit să fie separate la ieșirea producției. Presiunea ridicată a determinat un consum semnificativ de energie.
Separarea cu laser nu este o metodă independentă, dar este utilizată pentru a îmbunătăți performanța metodelor de separare electromagnetică sau chimică. Metoda se bazează pe ionizarea selectivă a unuia dintre izotopi prin radiație electromagnetică (de exemplu, prin lumină laser). Selectivitatea ionizării se bazează pe absorbția rezonantă (în bandă îngustă) a luminii de către atomi; diferiți izotopi au spectre diferite de absorbție a radiațiilor. Aceasta înseamnă că este posibil să se aleagă astfel de parametri de iradiere la care atomii unui anumit izotop sunt ionizați predominant. Alți atomi ionizați pot fi separați, de exemplu, într-un câmp magnetic ( AVLIS). În plus, ionizarea atomilor poate modifica viteza reacțiilor chimice, de exemplu, facilitând descompunerea anumitor compuși chimici ( MLIS). [3]
Tehnologia de separare cu laser a fost dezvoltată încă din anii 1970 de multe țări [4] și este considerată promițătoare, dar încă nu a depășit sfera cercetării. În anii 1990, a existat un program în Statele Unite pentru a studia îmbogățirea cu laser cu separare electromagnetică la o instalație experimentală, dar a fost închis. În prezent, în Statele Unite, se desfășoară un program de cercetare [5] pe o instalație demonstrativă pentru una dintre variantele de îmbogățire cu laser cu separare chimică numită SILEX.. Tehnologia a fost dezvoltată în 1992 de compania australiană Silex. [6] Din 2006, tehnologia Silex a fost dezvoltată de Global Laser Enrichment LLC. [7] Pentru 2019, compania continuă lucrările experimentale. [opt]
Îmbogățirea chimică exploatează diferența de viteză a reacțiilor chimice cu diferiți izotopi. Funcționează cel mai bine la separarea elementelor luminoase, unde diferența este semnificativă. In productia industriala se folosesc reactii care au loc cu doi reactivi in faze diferite (gaz/lichid, lichid/solid, lichide nemiscibile). Acest lucru facilitează separarea fluxurilor bogate și slabe. Folosind suplimentar diferența de temperatură dintre faze, se realizează o creștere suplimentară a factorului de separare. Astăzi, separarea chimică este cea mai economică tehnologie pentru producerea apei grele. Pe lângă producerea de deuteriu, este folosit pentru extragerea a 6 Li. În Franța și Japonia s-au dezvoltat metode de îmbogățire chimică a uraniului, care nu au ajuns niciodată la dezvoltarea industrială.
Distilarea (distilarea) folosește diferența de puncte de fierbere a izotopilor de mase diferite. De obicei, cu cât masa unui atom este mai mică, cu atât punctul de fierbere al acestui izotop este mai mic . Din nou, acest lucru funcționează cel mai bine pe elemente ușoare. Distilarea a fost folosită cu succes ca etapă finală în producerea apei grele.
Singurul domeniu de aplicare a electrolizei este producerea de apă grea . În timpul electrolizei apei, în principal moleculele „uşoare” (cu hidrogen obişnuit ) sunt separate în gaze . Această metodă cea mai eficientă de obținere a deuteriului (un factor de separare mai mare de 7) necesită o astfel de cantitate de energie încât, din motive economice, dacă este utilizată, atunci în etapele ulterioare de purificare.
Deoarece ionii de mase diferite se deplasează în soluție cu viteze diferite (legea conservării impulsului) în același câmp electric, atunci când electroforeza este îndreptată împotriva curgerii lichidului, este ușor să alegeți raportul dintre filtrarea pe gel și ratele de electroforeză la care numai uraniul-235 va fi redus pe catod pentru separatorul de uraniu sau litiu-6 pentru litiu.
Dacă accelerăm nucleele atomilor cu același efort, atunci nucleele ușoare vor dobândi o viteză mai mare decât cele grele. Separarea vitezei poate fi efectuată, de exemplu, pe două discuri care se rotesc sincron instalate în serie. Un slot este tăiat în primul disc, făcând fluxul de nuclee discontinuu. Pe al doilea disc, atomii care au zburat prin fantă se vor stabili. În acest caz, zonele de subsidență vor depinde de viteza nucleelor. Accelerația nucleelor cu forță constantă se realizează la un accelerator de particule încărcate .
Capacitatea instalației de separare a izotopilor de uraniu în mii de SWU pe an, conform WNA Market Report .
| Țară | Companie, fabrică | 2012 | 2013 | 2015 | 2018 | 2020 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Rusia | Rosatom | 25000 | 26000 | 26578 | 28215 | 28663 |
| Germania, Olanda, Anglia | URENCO | 12800 | 14200 | 14400 | 18600 | 14900 |
| Franţa | Orano | 2500 | 5500 | 7000 | 7500 | 7500 |
| China | CNNC | 1500 | 2200 | 4220 | 6750 | 10700+ |
| STATELE UNITE ALE AMERICII | URENCO | 2000 | 3500 | 4700 | ? | 4700 |
| Pakistan, Brazilia, Iran, India, Argentina | 100 | 75 | 100 | ? | 170 | |
| Japonia | JNFL | 150 | 75 | 75 | ? | 75 |
| STATELE UNITE ALE AMERICII | USEC : Paducah & Piketon | 5000 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Total | 49000 | 51550 | 57073 | 61111 | 66700 |
| Tehnologii nucleare | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Inginerie | |||||||
| materiale | |||||||
Energia nucleară |
| ||||||
| Medicina nucleara |
| ||||||
| Arme nucleare |
| ||||||
| |||||||