تاسیسات آزمایشگاهی برای جداسازی سیستم های ایزوتوپی. جداسازی ایزوتوپ های اورانیوم

جداسازی ایزوتوپی

جداسازی ایزوتوپی- یک فرآیند تکنولوژیکی که در آن ایزوتوپ های جداگانه این عنصر از ماده ای متشکل از مخلوطی از ایزوتوپ های مختلف یک عنصر شیمیایی جدا می شود. کاربرد اصلی فرآیند جداسازی ایزوتوپ، تولید سوخت هسته ای، مواد رادیواکتیو درجه یک سلاح، و سایر کاربردهای مرتبط با استفاده از مواد رادیواکتیو است. در چنین مواردی، جداسازی معمولاً هدف غنی سازی یا تخلیه مواد در ایزوتوپ های رادیواکتیو خاص را دنبال می کند.

اصول کلی

جداسازی ایزوتوپ ها (به عنوان مثال، استخراج U235) همیشه با مشکلات قابل توجهی همراه است، زیرا ایزوتوپ ها، که تغییراتی از یک عنصر هستند که از نظر جرم کمی متفاوت هستند، از نظر شیمیایی تقریباً به یک روش رفتار می کنند. اما - سرعت عبور برخی از واکنش ها بسته به ایزوتوپ عنصر متفاوت است، علاوه بر این، می توانید از تفاوت در خواص فیزیکی آنها - به عنوان مثال، در جرم استفاده کنید.

به هر حال، تفاوت در رفتار ایزوتوپ ها به قدری کم است که در یک مرحله از جداسازی، ماده به میزان صدم درصد غنی می شود و فرآیند جداسازی باید بارها و بارها تکرار شود - تعداد زیادی بار. .

عملکرد چنین سیستم آبشاری تحت تأثیر دو دلیل است: درجه غنی‌سازی در هر یک از مراحل و از دست دادن ایزوتوپ مورد نظر در جریان زباله.

اجازه دهید عامل دوم را توضیح دهیم. در هر یک از مراحل غنی سازی، جریان به دو قسمت تقسیم می شود - غنی شده و در ایزوتوپ مورد نظر تخلیه می شود. از آنجایی که درجه غنی سازی بسیار کم است، جرم کل ایزوتوپ در سنگ ضایعات می تواند به راحتی از جرم آن در قسمت غنی شده بیشتر شود. برای حذف چنین از دست دادن مواد خام با ارزش، جریان تخلیه شده هر مرحله بعدی به ورودی مرحله قبلی باز می گردد.

ماده منبع وارد مرحله اول آبشار نمی شود. بلافاصله در سطح n-ام مشخصی به سیستم وارد می شود. به همین دلیل، موادی که در ایزوتوپ اصلی به شدت تخلیه می‌شوند، از مرحله اول به ضایعات منتقل می‌شوند.

روش های اصلی مورد استفاده برای جداسازی ایزوتوپ

جداسازی الکترومغناطیسی
انتشار گاز
انتشار حرارتی مایع
سانتریفیوژ گاز
جداسازی آیرودینامیکی
جداسازی ایزوتوپ لیزری
غنی سازی شیمیایی
جداسازی فتوشیمیایی

در هر صورت میزان مواد غنی شده تولید شده به غنی سازی و تخلیه مطلوب جریان های پساب بستگی دارد. اگر ماده اولیه به مقدار زیاد در دسترس باشد و ارزان باشد، می توان با دور ریختن همراه با زباله و مقدار زیادی عنصر مفید بازیابی نشده (مثلاً تولید دوتریوم از آب معمولی) بهره وری آبشار را افزایش داد. در صورت لزوم، درجه بالایی از استخراج ایزوتوپ از مواد خام حاصل می شود (به عنوان مثال، هنگام غنی سازی اورانیوم یا پلوتونیوم).

جداسازی الکترومغناطیسی

روش جداسازی الکترومغناطیسی بر اساس تأثیرات مختلف یک میدان مغناطیسی بر ذرات باردار الکتریکی مساوی با جرم های مختلف است. در واقع، چنین دستگاه هایی که کالوترون نامیده می شوند، طیف سنج های جرمی عظیمی هستند. یون های مواد جدا شده، در یک میدان مغناطیسی قوی حرکت می کنند، با شعاع هایی متناسب با جرم خود می پیچند و وارد گیرنده ها می شوند و در آنجا جمع می شوند.

این روش به شما امکان می دهد هر ترکیبی از ایزوتوپ ها را جدا کنید، دارای درجه جدایی بسیار بالایی است. به طور معمول، دو پاس برای به دست آوردن غنی سازی بیش از 80 درصد از ماده بدون چربی (با محتوای ایزوتوپ مورد نظر اولیه کمتر از 1 درصد) کافی است. با این حال، جداسازی الکترومغناطیسی برای تولید صنعتی مناسب نیست: بیشتر مواد در داخل کالوترون رسوب می‌کنند، به طوری که باید به طور دوره‌ای برای نگهداری متوقف شود. از معایب دیگر مصرف برق بالا، پیچیدگی و هزینه بالای نگهداری، بهره وری پایین است. زمینه اصلی کاربرد این روش تولید مقادیر کمی ایزوتوپ خالص برای استفاده آزمایشگاهی است. با این وجود، در طول جنگ جهانی دوم، واحد Y-12 ساخته شد و از ژانویه 1945 با ظرفیت 204 گرم U-235 80٪ در روز منتشر شد.

انتشار گاز

این روش از تفاوت در سرعت حرکت مولکول های گاز با جرم های مختلف بهره می برد. واضح است که فقط برای مواد در حالت گاز مناسب خواهد بود.

در سرعت‌های مختلف حرکت مولکول‌ها، اگر آنها را وادار به حرکت در یک لوله نازک کنید، مولکول‌های سریع‌تر و سبک‌تر از سنگین‌تر پیشی می‌گیرند. برای این کار، لوله باید آنقدر نازک باشد که مولکول ها یکی یکی در امتداد آن حرکت کنند. بنابراین، نکته کلیدی در اینجا ساخت غشاهای متخلخل برای جداسازی است. آنها باید ضد نشتی بوده و در برابر فشار بیش از حد مقاومت کنند.

برای برخی از عناصر سبک، درجه جدایی می تواند بسیار زیاد باشد، اما برای اورانیوم فقط 1.00429 است (جریان خروجی هر مرحله با ضریب 1.00429 غنی می شود). بنابراین، کارخانه‌های غنی‌سازی با انتشار گازی از نظر اندازه سیکلوپی هستند که از هزاران مرحله غنی‌سازی تشکیل شده‌اند.

انتشار حرارتی مایع

در این مورد باز هم از اختلاف سرعت مولکول ها استفاده می شود. سبک تر از آنها، با وجود اختلاف دما، تمایل دارند در منطقه گرم تری قرار بگیرند. ضریب جداسازی به نسبت اختلاف جرم ایزوتوپ ها به جرم کل بستگی دارد و برای عناصر سبک بزرگتر است. این روش با وجود سادگی، به انرژی زیادی برای تولید و حفظ گرما نیاز دارد. بنابراین، استفاده گسترده ای ندارد.

سانتریفیوژ گاز

این فناوری اولین بار در طول جنگ جهانی دوم در آلمان توسعه یافت، اما تا اوایل دهه 50 در هیچ جا به صورت صنعتی مورد استفاده قرار نگرفت. اگر مخلوط گازی از ایزوتوپ ها از طریق سانتریفیوژهای گازی با سرعت بالا عبور داده شود، نیروی گریز از مرکز ذرات سبک تر یا سنگین تر را به لایه هایی جدا می کند تا در آنجا جمع شوند. مزیت بزرگ سانتریفیوژ این است که ضریب جداسازی به تفاوت مطلق جرم بستگی دارد نه به نسبت جرم. سانتریفیوژ با عناصر سبک و سنگین به یک اندازه خوب کار می کند. درجه جدایی متناسب با مجذور نسبت سرعت چرخش به سرعت مولکول های موجود در گاز است. از اینجا بسیار مطلوب است که سانتریفیوژ را در سریع ترین زمان ممکن بچرخانید. سرعت خطی معمولی روتورهای دوار 250-350 متر بر ثانیه و بیش از 600 متر بر ثانیه در سانتریفیوژهای پیشرفته است.

ضریب جداسازی معمولی 1.01 - 1.1 است. در مقایسه با تاسیسات انتشار گازی، این روش دارای کاهش مصرف برق، سهولت بیشتر در افزایش توان است. در حال حاضر، سانتریفیوژ گاز، روش صنعتی اصلی جداسازی ایزوتوپ در روسیه است.

جداسازی آیرودینامیکی

این روش را می توان به عنوان یک نوع سانتریفیوژ در نظر گرفت، اما به جای چرخاندن گاز در سانتریفیوژ، هنگامی که از یک نازل مخصوص خارج می شود، می چرخد، جایی که تحت فشار تامین می شود. این فناوری اثر گرداب توسط آفریقای جنوبی و آلمان استفاده شده است.

جداسازی ایزوتوپ لیزری (LRI)

ایزوتوپ های مختلف نور را با طول موج های کمی متفاوت جذب می کنند. یک لیزر دقیق تنظیم شده می تواند به طور انتخابی اتم های یک ایزوتوپ خاص را یونیزه کند. یون های به دست آمده را می توان به راحتی توسط یک میدان مغناطیسی جدا کرد. این فناوری بسیار موثر است و در آفریقای جنوبی (MLIS)، PRC (CRISLA)، ایالات متحده آمریکا (AVLIS) و فرانسه (SILVA) استفاده شده است. این فناوری یک اشکال بزرگ دارد، یعنی مشکل در بازسازی تجهیزات از یک ایزوتوپ به ایزوتوپ دیگر. AVLIS با SILEX (جداسازی ایزوتوپ ها با تحریک لیزری) که توسط جنرال الکتریک و هیتاچی توسعه یافته بود جایگزین شد. ساخت و ساز در کارخانه ویلمینگتون، کارولینای شمالی آغاز می شود.

غنی سازی شیمیایی

غنی سازی شیمیایی از تفاوت در سرعت رخ دادن واکنش های شیمیایی با ایزوتوپ های مختلف استفاده می کند. در هنگام جداسازی عناصر سبک وزن که تفاوت قابل توجهی است، بهترین عملکرد را دارد. در تولید صنعتی، از واکنش هایی استفاده می شود که شامل دو معرف در فازهای مختلف (گاز / مایع، مایع / جامد، مایعات غیر قابل اختلاط) می شود. این امر جداسازی جریان های غنی شده و تخلیه شده را آسان می کند. با استفاده از اختلاف دما بین فازها، افزایش اضافی در ضریب جداسازی حاصل می شود. امروزه جداسازی شیمیایی کم مصرف ترین فناوری برای تولید آب سنگین است. علاوه بر تولید دوتریوم، برای استخراج 6 Li نیز استفاده می شود. در فرانسه و ژاپن روش هایی برای غنی سازی شیمیایی اورانیوم ایجاد شد که هرگز به توسعه صنعتی نرسید.

تقطیر

بنیاد ویکی مدیا 2010.

ببینید «جدایی ایزوتوپ» در فرهنگ‌های دیگر چیست:

جداسازی ایزوتوپی- - [A.S. Goldberg. فرهنگ لغت انرژی انگلیسی روسی. 2006] موضوعات انرژی به طور کلی جداسازی ایزوتوپی EN تقسیم بندی ایزوتوپی ...

جداسازی ایزوتوپی- izotopų atskyrimas statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: angl. vok جداسازی ایزوتوپ. Isotopentrennung، f rus. جداسازی ایزوتوپ، n pranc. جداسازی d ایزوتوپ ها، f ... رادیو الکترونیک پایانه

به دلیل تفاوت های فیزیکی و شیمیایی. خواص مرتبط با جرم آنها و تعیین نرخ های مختلف انتشار، تبخیر و غیره آنها. ویژگی های ترمودینامیکی ایزوتوپ ها و ترکیبات آنها تا حدودی متفاوت است که تا حدودی متفاوت آنها را توضیح می دهد ... دایره المعارف زمین شناسی

جداسازی ایزوتوپ در یک میدان مغناطیسی با گرادیان بالا- - [A.S. Goldberg. فرهنگ لغت انرژی انگلیسی روسی. 2006] مباحث انرژی به طور کلی EN جداسازی ایزوتوپ مغناطیسی با گرادیان بالا ... راهنمای مترجم فنی

جداسازی ایزوتوپ آنلاین- - [A.S. Goldberg. فرهنگ لغت انرژی انگلیسی روسی. 2006] موضوعات انرژی به طور کلی جداسازی ایزوتوپ های EN در خطISOL ... راهنمای مترجم فنی

جداسازی ایزوتوپ با تبخیر با استفاده از لیزر- - [A.S. Goldberg. فرهنگ لغت انرژی انگلیسی روسی. 2006] موضوعات انرژی به طور کلی EN جداسازی ایزوتوپ لیزر بخار اتمیAVLIS ... راهنمای مترجم فنی

جداسازی ایزوتوپ با تبادل شیمیایی- - [A.S. Goldberg. فرهنگ لغت انرژی انگلیسی روسی. 2006] موضوعات انرژی به طور کلی EN CHEMEX (تبادل شیمیایی) فرآیند ... راهنمای مترجم فنی

جداسازی ایزوتوپ ها در سطح مولکولی با استفاده از لیزر- - [A.S. Goldberg. فرهنگ لغت انرژی انگلیسی روسی. 2006] موضوعات انرژی به طور کلی جداسازی ایزوتوپ لیزر مولکولی ENMLIS ... راهنمای مترجم فنی

جداسازی ایزوتوپی بر اساس ایزوتوپی تغییر سطح انرژی اتم ها و مولکول ها و استفاده از عمل تشدید تابش لیزر. تابش لیزر تک رنگ شدید، باعث انتقال بین انرژی متناظر ... ... دایره المعارف فیزیکی

این اختراع مربوط به انرژی هسته ای است و می تواند هنگام تنظیم ترکیب ایزوتوپی سوخت هسته ای استفاده شود. محلولی حاوی: -115.5 گرم در لیتر، -2.0 مول در لیتر، -0.5 گرم در لیتر در یک ستون کروماتوگرافی با پودر تفلون ریخته می شود که روی سطح آن یک عصاره گیری اعمال می شود. نوار اورانیوم (IV) تشکیل می شود. فرآیند استخراج جریان مخالف یک ضریب جداسازی را فراهم می کند که برابر با 1 نیست. رفلاکس اورانیوم بدون تغییر حالت ظرفیت با روش استخراج کامل و سلب کردن در انتهای نوار انجام می شود. درجه جدایی ایزوتوپ های U 238 و U 232 افزایش می یابد و تعداد معرف ها کاهش می یابد. سیستم تبادل از نظر شیمیایی پایدار است. 4 قاشق غذاخوری، 2 dwg

این اختراع به فرآیندهای جداسازی ایزوتوپ های اورانیوم با روش های شیمیایی مربوط می شود و می توان از آن در تولید رادیوشیمیایی برای تنظیم ترکیب ایزوتوپی سوخت هسته ای استفاده کرد. روش های مختلفی برای جداسازی شیمیایی ایزوتوپ های اورانیوم شناخته شده است. از این میان، مؤثرترین روش‌ها مبتنی بر واکنش تبادل ایزوتوپی بین دو شکل ظرفیتی اورانیوم در فازهای مختلف - آبی و آلی هستند. به عنوان مثال، یک روش شناخته شده برای جداسازی ایزوتوپ های اورانیوم توسط شرکت ژاپنی Asahi Chemical Industry (پت. ایالات متحده شماره 4118457، کلاس B 01 D 59/30، 03.10.78) وجود دارد که بر اساس واکنش تبادل ایزوتوپی بین تترا است. - و اورانیوم شش ظرفیتی که به ترتیب در فاز محلول و رزین تبادل آنیون قرار دارند. نواری از اورانیوم (IV) از یک رزین تبادل آنیون به شکل یک فلز اکسید کننده عبور می کند، به عنوان مثال آهن (III)، که با محلول اسید هیدروکلریک یک عامل کاهنده، به عنوان مثال، تیتانیوم (III) شسته می شود. طرح فرآیند کروماتوگرافی ردوکس تبادل یونی برای جداسازی ایزوتوپ‌های اورانیوم از صنایع شیمیایی آساهی (فرآیند آساهی) در شکل 1 نشان داده شده است. رزین تبادل آنیونی و همراه با محلول خروجی به ناحیه عامل اکسید کننده منتقل می شود و در آنجا اکسید شده و روی رزین جذب می شود. بنابراین نوار جذب اورانیوم حرکت می کند و طی آن اورانیوم (IV) در ایزوتوپ اورانیوم غنی می شود. -238 با توجه به واکنش تبادل ایزوتوپ (ریم) (1):

با ضریب جداسازی یکباره = 1.0013 و به قسمت جلوی نوار منتقل می شود. در این مورد، اورانیوم در مجاورت قسمت جلویی نوار اورانیوم به ترتیب با ایزوتوپ اورانیوم 235 غنی شده است. بنابراین، در یکی از آزمایش‌ها، که به عنوان مثال در شرح حق اختراع برای روش توصیف‌شده ارائه شد، از یک رزین تبادل آنیونی تهیه شده از کلرومتیلاسیون کوپلیمر استایرن-دیوینیل بنزن و به دنبال آن آمیناسیون با تری متیل آمین استفاده شد. رزین دارای درجه اتصال عرضی 6 درصد و اندازه ذرات 74 میکرون تا 149 میکرون بود. این رزین در دو ستون (هر ستون به طول 1 متر با قطر داخلی 1 سانتی متر) پر شد. پس از عبور از دو ستون متصل به سری، محلولی حاوی 0.05 مول در لیتر سولفات آهن و 0.6 مول در لیتر اسید سولفوریک، رزین به فرم Fe (III) منتقل شد. سپس با تغذیه محلولی از ترکیب: اورانیل کلرید - 0.04 مول در لیتر، اسید سولفوریک - 0.2 مول در لیتر، در ستون اول یک نوار اورانیوم (VI) به طول 11.5 سانتی متر روی رزین تشکیل شد. شستشو با محلولی حاوی تری کلرید تیتانیوم 0، 05 مول در لیتر و اسید سولفوریک 0.2 مول در لیتر انجام شد. در این مورد، نوار اورانیوم، واقع بین منطقه قرمز یون های آهن (III) و منطقه بنفش تیتانیوم (III)، با سرعت 20 سانتی متر در روز حرکت می کرد. بدین ترتیب یک نوار اورانیوم از دو ستون عبور داده شد. تجزیه و تحلیل طیف سنجی جرمی اولین و آخرین نمونه اورانیوم گرفته شده از محلول خروجی مقادیر زیر را از نسبت U 235 / U 238،٪ نشان داد: 0.00693 و 0.00759، که مربوط به 0.9559 و 1.0469 قسمت از 0.00725-0.00725 طبیعی isoto. اورانیوم در نسخه صنعتی جداسازی ایزوتوپ های اورانیوم به روشی که در بالا توضیح داده شد، برای به دست آوردن یک محصول - اورانیوم غنی شده تا 3 درصد با ایزوتوپ اورانیوم 235 و دم - اورانیوم حاوی 0.1 درصد اورانیوم 235، فرض می شود که یک نوار اورانیوم به طول چند متر باید از طریق لایه رزین در فاصله 10 تا 1000 متر انجام شود. این حرکت نوار با استفاده از حداقل دو ستون انجام می شود که یکی از آنها توسط یک نوار اورانیوم اشغال شده است و دومی در این زمان بازسازی می شود. نزدیک‌ترین روش به ماهیت فنی پیشنهادی و نتیجه به‌دست‌آمده، روشی برای غنی‌سازی اورانیوم با یکی از ایزوتوپ‌های آن در یک آبشار چند مرحله‌ای با تماس جریان مخالف یک استخراج‌کننده حاوی ترکیبات اورانیوم چهار ظرفیتی و یک محلول آبی حاوی ترکیبات اورانیوم سه ظرفیتی است (اختراع اختراع اتحاد جماهیر شوروی به شماره 867283). ، کلاس B 01 D 59/28, 23.09.81). این روش بر اساس r.i.o است. سرعت بسیار بالا:

که برای آن ثابت تعادل p.i.r که با روش فشرده سازی گام به گام تعیین می شود، 1.0012 - 1.0030 است. برای جداسازی اشکال ظرفیت اورانیوم، استفاده از چندین سیستم استخراج پیشنهاد شد، در حالی که شرایط با حداقل انتقال اورانیوم (III) و اورانیوم (IV) از یک فاز به فاز دیگر انتخاب می‌شوند. نقطه ضعف این سیستم ها ناپایداری شدید اورانیوم (III) در محلول های آبی و تمایل آن به اکسیداسیون است. کار با چنین ترکیباتی در فضای نیتروژن در غیاب یون های فلزی گروه III-VIII امکان پذیر است. تماس با حذف هر گونه تماس فازها با هر ماده جامد رسانای الکتریکی و با معرف هایی که اکسیژن را تکامل می دهند انجام می شود. سازماندهی فرآیند جداسازی ایزوتوپ‌های اورانیوم با روش استخراج بر اساس همان روش «نوار متحرک» با حرکت مخالف فازهای حاوی یون‌های اورانیوم مخالف و با رفلاکس ردوکس در قسمت‌های پیشانی آن است. تقریباً تمام کلاس های استخراج کننده ها می توانند به عنوان فاز آلی استفاده شوند، از جمله ترکیبات ارگانوفسفره خنثی، اسیدها، بازها، الکل ها، آمین ها، کتون ها، اترها، کلات ها و همچنین رزین های تبادل کاتیونی و تبادل آنیونی. در نوار اورانیوم، حالت چهار ظرفیتی آن ترجیحاً در فاز آلی است و حالت سه ظرفیتی در فاز آبی است، یعنی در اینجا زمانی محقق می شود که ضریب جداسازی اشکال ظرفیتی اورانیوم برابر با واحد نباشد. این فرآیند در محلول اسید کلریدریک در حضور فلزات گروه III-IV با غلظت 1ppm با اجرای رفلاکس ردوکس اورانیوم (انجام فرآیند ردوکس با تبدیل اورانیوم به ظرفیت مخالف انجام می‌شود. شکل و فاز دیگر) در انتهای نوار آن، یعنی با استخراج مجدد کامل (کامل) آن از فاز آلی به فاز آبی در قسمت سر نوار اورانیوم و کاهش اورانیوم چهار ظرفیتی به حالت سه ظرفیتی. با بازگشت آن به مرحله استخراج اورانیوم چهار ظرفیتی و با اکسیداسیون اورانیوم سه ظرفیتی به حالت چهار ظرفیتی، استخراج کامل اورانیوم چهار ظرفیتی و بازگشت آن با استخراج کننده به نوارهای اورانیوم قسمت عقب (در مرحله انتخاب اورانیوم سه ظرفیتی) . چنین آبشار استخراجی با تغذیه محلول آبی اولیه اورانیوم به قسمت میانی آبشار نیرو می گیرد. به دلیل توزیع مجدد ناهموار ایزوتوپ‌های اورانیوم در نوار آن بین دو شکل ظرفیتی آن که در فازهای غیر قابل اختلاط مختلف قرار دارند، ایزوتوپ‌های اورانیوم سبک با اورانیوم چهار ظرفیتی و ایزوتوپ‌های اورانیوم سنگین - با اورانیوم سه ظرفیتی به انتهای مخالف نوار اورانیوم منتقل می‌شوند. در این حالت، هر چه تعداد مراحل تماس در باند اورانیوم بیشتر باشد، درجه نهایی جداسازی ایزوتوپ بالاتر است. فرآیند جداسازی ایزوتوپ اورانیوم با تبادل ایزوتوپی بین اورانیوم (III) و اورانیوم (IV) به طور شماتیک در شکل نشان داده شده است. 2. در یکی از نمونه های اجرای روش مشخص شده داده های زیر آورده شده است. جداسازی ایزوتوپ های اورانیوم طبیعی در یک آبشار استخراج شامل 70 مرحله انجام شد. ترکیب فاز:

فاز آب در ورودی آبشار دارای ترکیبات زیر است:

0.1 M;

فاز آلی در ورودی آبشار 50% TBP در دودکان است. احیای اورانیوم چهار ظرفیتی به صورت الکتروشیمیایی و الکترولیز دیافراگمی با کاتد جیوه و اکسیداسیون اورانیوم سه ظرفیتی با کلر انجام شد. از اورانیوم طبیعی حاوی 0.7194٪ اورانیوم-235، یک محصول غنی شده حاوی 0.80٪ اورانیوم-235، و یک محصول ضعیف شده (دامپ) حاوی 0.7047٪ اورانیوم-235 به دست آمد. معایب این روش عبارتند از:

نیاز به انجام رفلکس ردوکس اشکال ظرفیت اورانیوم در انتهای نوار آن (یعنی تبدیل اورانیوم به شکل ظرفیت مخالف و فاز دیگر با بازگشت آن به قسمت جلویی نوار اورانیوم، جایی که اورانیوم نمونه برداری شد)

پایداری شیمیایی بسیار کم محلول های اورانیوم سه ظرفیتی و در نتیجه نیاز به استفاده از محیط اسید هیدروکلریک با حداقل محتوای ناخالصی فلزات گروه III-IV. در این حالت ضریب جداسازی واحد ایزوتوپ های اورانیوم از 0030/1 تجاوز نمی کند. هدف از اختراع افزایش درجه جداسازی ایزوتوپ ها، کاهش تعداد معرف های مورد استفاده و افزایش پایداری شیمیایی سیستم تبادل است. مشکل با این واقعیت حل می شود که در روش جداسازی ایزوتوپ های اورانیوم، که شامل تبادل ایزوتوپی بین دو شکل ظرفیتی آن است، که یکی از آنها اورانیوم چهار ظرفیتی است، در یک نوار تشکیل شده در فرآیند استخراج جریان متقابل حرکت می کند که یک عامل جداسازی را فراهم می کند. از اشکال ظرفیتی اورانیوم که برابر با واحد نیستند، با رفلکس اشکال ظرفیتی اورانیوم با روش‌های استخراج کامل و استخراج مجدد در انتهای نوار آن، اورانیوم شش ظرفیتی به عنوان ظرفیت دوم استفاده می‌شود، تبادل ایزوتوپی در آن انجام می‌شود. محلول های اسید نیتریک و رفلکس اورانیوم بدون تغییر حالت ظرفیت آن انجام می شود. با توجه به اینکه ضریب جداسازی اشکال ظرفیتی برابر با یک نیست، یک نوار اورانیوم با مناطق دو شکل ظرفیتی متضاد اورانیوم ایجاد می‌شود: انتقال شکل‌های ظرفیتی مخالف است. مطابق با مفاهیم سنتی در چنین سیستمی، حداکثر درجه جداسازی ایزوتوپ نمی تواند از مقداری برابر با مقدار یک ضریب جداسازی ایزوتوپی تجاوز کند، به عنوان مثال، برای یک جفت اورانیوم (VI) / اورانیوم (IV)، 235/238 = 1.0013، از آنجایی که عملیات جداسازی خود اشکال ظرفیتی اورانیوم در باند اورانیوم، که در محلول خوراک به تعادل ایزوتوپی وارد شده است، نباید منجر به افزایش اثر ایزوتوپ شود. با این حال، به طور کاملا غیر منتظره، اثر ایزوتوپی به دست آمد، که بزرگی آن دو مرتبه بزرگتر از مقدار محاسبه شده، برابر با ضریب جداسازی منفرد بود، و جهت اثر ایزوتوپی برعکس آنالوگ بود. یعنی در این مورد اورانیوم چهار ظرفیتی با ایزوتوپ سبک غنی شده بود. احتمالاً این نتیجه توزیع مجدد ایزوتوپ‌های اورانیوم بین شکل‌های ظرفیت آن در فرآیند انتقال فاز میانی شکل‌های ظرفیت اورانیوم است که در محلی رخ می‌دهد که باندهای اشکال ظرفیت مخالف اورانیوم همپوشانی دارند. در روش نمونه اولیه و آنالوگ، این فرآیند عملاً وجود ندارد، زیرا آنها رفلاکس ردوکس را در انتهای نوار اورانیوم اجرا می کنند، در حالی که در روش پیشنهادی، رفلکس اورانیوم بدون تغییر ظرفیت آن انجام می شود. نمونه هایی از اجرای روش

در سه مثال از اجرای این روش، داده‌های مربوط به جداسازی مخلوطی از ایزوتوپ‌های اورانیوم 232 و اورانیوم 238 موجود در اورانیوم با زمینه بالا آورده شده است. محتوای اورانیوم-232 بر اساس OST 95.999-92 تعیین شد که شامل جداسازی شیمیایی اورانیوم و تعیین آلفا طیف سنجی بعدی محتوای اورانیوم-232 بر حسب درصد به اورانیوم-238 است. آزمایش‌هایی که در آن حرکت نواری از اشکال شش ظرفیتی و چهار ظرفیتی اورانیوم سازماندهی شد، در دو نسخه استخراج کروماتوگرافی و جریان مخالف انجام شد. مثال 1. در آزمایش از یک ستون کروماتوگرافی مجهز به پودر تفلون با کسری 0.25 - 0.5 میلی متر استفاده شد که قبلاً بر روی سطح آن استخراج کننده 65% TBP در RED-2 به مقدار 5% توسط استفاده شد. وزن پودر مشخصات ستون:

ارتفاع - 1 متر؛

قطر - 0.1 متر؛

وزن پودر تفلون (0.25 - 0.5 میلی متر) - 72.14 گرم؛

وزن عصاره گیری - 3.607 گرم؛

حجم فضای بین دانه ای 35 سانتی متر مکعب است. ستون قبلاً با محلولی حاوی 2 مول در لیتر اسید نیتریک و 0.5 گرم در لیتر هیدرازین متعادل شده بود. برای تشکیل نوار اورانیوم (IV) در ستون، 2 میلی لیتر محلول با ترکیب زیر به آن وارد شد:

115.5 گرم در لیتر؛

2.0 مول در لیتر؛

0.5 گرم در لیتر. سپس ستون با 60 میلی لیتر از محلول ترکیب U (VI) شسته شد:

31.0 گرم در لیتر؛

2.0 مول در لیتر؛

0.5 گرم در لیتر. در پایان آزمایش، ستون با محلول حاوی اسید نیتریک با غلظت 0.3 مول در لیتر برای جداسازی اورانیوم (VI) شسته شد. بنابراین، در آزمایش، حرکت مخالف فازهای آبی و آلی با تشکیل نواری از دو شکل ظرفیتی اورانیوم و با استخراج و جداسازی کامل در انتهای نوار اورانیوم محقق شد. اورانیوم شش ظرفیتی که وارد ستون می شود، اورانیوم چهار ظرفیتی را جابجا می کند. حرکت در امتداد ستون نواری از اورانیوم چهار ظرفیتی، لبه‌های پیشرو و انتهایی آن را می‌توان به صورت بصری مشاهده کرد. مدت زمان آزمایش 4 ساعت می باشد. هنگام خروج از ستون لبه انتهایی اورانیوم چهار ظرفیتی (لبه جلویی اورانیوم شش ظرفیتی)، نمونه هایی برای تجزیه و تحلیل محتوای اورانیوم چهار ظرفیتی، شش ظرفیتی و ترکیب ایزوتوپی گرفته شد. ترکیب ایزوتوپی اورانیوم اولیه و نتایج آزمایش به ترتیب در جدول نشان داده شده است. 1 و 2. از جدول داده ها. 2 نتیجه می شود که اورانیوم با ایزوتوپ های سبک از سمت لبه انتهایی نوار اورانیوم چهار ظرفیتی در نقطه ای که با قسمت جلویی اورانیوم شش ظرفیتی همپوشانی دارد، غنی می شود. مثال شماره 2. آزمایش از همان ستون کروماتوگرافی آزمایش اول استفاده کرد. ستون قبلاً با محلولی حاوی 2 مول در لیتر اسید نیتریک و 0.5 گرم در لیتر هیدرازین متعادل شده بود. برای تشکیل یک نوار اورانیوم (IV) در ستون، 1 میلی لیتر محلول با ترکیب زیر به آن وارد شد:

163.3 گرم در لیتر؛

29.7 گرم در لیتر؛

2.13 مول در روز؛

26 گرم در لیتر،

و سپس اورانیوم چهار ظرفیتی با محلول اورانیوم شش ظرفیتی ترکیب شسته شد:

100.0 گرم در لیتر؛

2.0 مول در لیتر؛

0.5 گرم در لیتر. در فرآیند شستشو، اورانیوم چهار ظرفیتی به لبه جلویی نوار اورانیوم منتقل شد. اورانیوم شش ظرفیتی که وارد ستون می شود اورانیوم چهار ظرفیتی را به لبه جلویی جابجا می کند. حرکت نوار اورانیوم چهار ظرفیتی در امتداد ستون را می توان به صورت بصری مشاهده کرد. مدت زمان آزمایش 4 ساعت می باشد. هنگام خروج از ستون لبه انتهایی اورانیوم چهار ظرفیتی (لبه جلویی اورانیوم شش ظرفیتی)، نمونه هایی برای تجزیه و تحلیل محتوای اورانیوم چهار ظرفیتی، شش ظرفیتی و ترکیب ایزوتوپی گرفته شد. نتایج در جدول نشان داده شده است. 3. از جدول داده ها. 3، نتیجه می شود که اورانیوم در ایزوتوپ های سبک غنی شده است، از سمت لبه انتهایی نوار اورانیوم چهار ظرفیتی در محل همپوشانی آن با جلوی اورانیوم شش ظرفیتی شروع می شود و به لبه جلویی نوار اورانیوم چهار ظرفیتی ختم می شود. مثال شماره 3. این مثال اثر ایزوتوپی را توصیف می کند که در طی فرآیند استخراج محلول های اورانیوم با زمینه بالا در حالت شش ظرفیتی ثبت شده است. فن آوری بازفرآوری اورانیوم با پس زمینه بالا، ورود اورانیوم چهار ظرفیتی به محلول های اولیه و شستشو را فراهم می کند، که برای کاهش پلوتونیوم به حالت سه ظرفیتی استفاده می شود. در ستون استخراج در هنگام پردازش محلول اولیه اورانیوم با زمینه بالا حاوی اسید نیتریک 30 - 60 گرم در لیتر، با نسبت فاز O: B = 2.5: 1 و اشباع استخراج کننده با اورانیوم شش ظرفیتی 100 - 105 گرم / l، اورانیوم چهار ظرفیتی یک پیک غلظت در جلوی اورانیوم شش ظرفیتی تشکیل می دهد. در ناحیه همپوشانی جبهه‌های اورانیوم چهار ظرفیتی و شش ظرفیتی، زمانی که اورانیوم چهار ظرفیتی از فاز آلی با اورانیوم شش ظرفیتی جابجا شده و مجدداً به فاز آبی استخراج می‌شود، وضعیتی با حرکت مخالف اشکال ظرفیت اورانیوم در سرتاسر سطح مشترک بازتولید می‌شود. غنی شده در ایزوتوپ های سبک و اورانیوم شش ظرفیتی، برعکس، به فاز آلی، ایزوتوپ های سنگین استخراج می شود. تا حدی، در مقادیر کم (< 1 г/л), уран уходил с рафинатом. Так как пик четырехвалентного урана находился ближе к выходу рафината из колонны, чем фронт шестивалентного урана, то в рафинате относительное содержание в уране его четырехвалентной формы оказывалось значительно выше, чем в реэкстракте урана, что повлекло изменение изотопного состава урана в рафинате и в реэкстракте. Результаты анализа исходного урана, урана, ушедшего с рафинатом, и урана в упаренном реэкстракте показали (см. табл. 4), что наблюдается концентрирование урана-232 в уране, теряемом с рафинатом, и обеднение по этому изотопу урана реэкстракта.

مطالبه

روشی برای جداسازی شیمیایی ایزوتوپ های اورانیوم، از جمله تبادل ایزوتوپی بین دو شکل ظرفیتی آن، که یکی از آنها اورانیوم چهار ظرفیتی است، که در یک نوار تشکیل شده در فرآیند استخراج جریان متقابل حرکت می کند، که فاکتور جداسازی اشکال ظرفیت اورانیوم را فراهم می کند. که برابر با وحدت نیست، با برگشت اشکال ظرفیتی اورانیوم به روش های جامع استخراج و استخراج مجدد در انتهای نوار آن، مشخص می شود که اورانیوم شش ظرفیتی به عنوان ظرفیت دوم استفاده می شود، تبادل ایزوتوپی در محلول های نیتریک انجام می شود. اسید، و رفلاکس اورانیوم بدون تغییر حالت ظرفیت آن انجام می شود.

جداسازی ایزوتوپی- یک فرآیند تکنولوژیکی که در آن ایزوتوپ های جداگانه این عنصر از ماده ای متشکل از مخلوطی از ایزوتوپ های مختلف یک عنصر شیمیایی جدا می شود. جداسازی ایزوتوپ ها همیشه با مشکلات قابل توجهی همراه است، زیرا ایزوتوپ ها، که تغییرات کمی در جرم یک عنصر دارند، از نظر شیمیایی تقریباً یکسان عمل می کنند. اما - سرعت عبور برخی از واکنش ها بسته به ایزوتوپ عنصر متفاوت است، علاوه بر این، می توانید از تفاوت در خواص فیزیکی آنها - به عنوان مثال، در جرم استفاده کنید. تفاوت در رفتار ایزوتوپ ها به قدری ناچیز است که در یک مرحله از جداسازی، ماده به میزان صدم درصد غنی می شود و فرآیند جداسازی باید بارها و بارها - تعداد زیادی بار - تکرار شود. عملکرد چنین سیستم آبشاری تحت تأثیر دو دلیل است: درجه غنی‌سازی در هر یک از مراحل و از دست دادن ایزوتوپ مورد نظر در جریان زباله.

روش های اساسی جداسازی ایزوتوپ ها

جداسازی الکترومغناطیسی

روش جداسازی الکترومغناطیسی بر اساس تأثیرات مختلف یک میدان مغناطیسی بر ذرات باردار الکتریکی مساوی با جرم های مختلف است. ماشین هایی که کالوترون نامیده می شوند، طیف سنج های جرمی عظیمی هستند. یون های مواد جدا شده، در یک میدان مغناطیسی قوی حرکت می کنند، با شعاع هایی متناسب با جرم خود می پیچند و وارد گیرنده ها می شوند و در آنجا جمع می شوند.

انتشار گاز

این روش از تفاوت در سرعت حرکت مولکول های گاز با جرم های مختلف بهره می برد. واضح است که فقط برای مواد در حالت گاز مناسب خواهد بود. در سرعت‌های مختلف حرکت مولکول‌ها، اگر آنها را وادار به حرکت در یک لوله نازک کنید، مولکول‌های سریع‌تر و سبک‌تر از سنگین‌تر پیشی می‌گیرند. برای این کار، لوله باید آنقدر نازک باشد که مولکول ها یکی یکی در امتداد آن حرکت کنند. بنابراین، نکته کلیدی در اینجا ساخت غشاهای متخلخل برای جداسازی است. آنها باید ضد نشتی بوده و در برابر فشار بیش از حد مقاومت کنند.

سانتریفیوژ گاز

این فناوری اولین بار در طول جنگ جهانی دوم در آلمان توسعه یافت، اما تا اوایل دهه 50 در هیچ جا به صورت صنعتی مورد استفاده قرار نگرفت. اگر مخلوط گازی از ایزوتوپ‌ها از سانتریفیوژهای پرسرعت عبور داده شود، نیروی گریز از مرکز ذرات سبک‌تر یا سنگین‌تر را به لایه‌هایی جدا می‌کند، جایی که می‌توان آنها را جمع کرد. مزیت بزرگ سانتریفیوژ این است که ضریب جداسازی به تفاوت مطلق جرم بستگی دارد نه به نسبت جرم. سانتریفیوژ با عناصر سبک و سنگین به یک اندازه خوب کار می کند. درجه جدایی متناسب با مجذور نسبت سرعت چرخش به سرعت مولکول های موجود در گاز است. از اینجا بسیار مطلوب است که سانتریفیوژ را در سریع ترین زمان ممکن بچرخانید. سرعت خطی معمولی روتورهای دوار 250-350 متر بر ثانیه و بیش از 600 متر در ثانیه در سانتریفیوژهای پیشرفته است.

ضریب جداسازی معمولی 1.01 - 1.1 است. در مقایسه با تاسیسات انتشار گازی، این روش دارای کاهش مصرف برق، سهولت بیشتر در افزایش توان است. در حال حاضر، سانتریفیوژ گاز - روش صنعتی اصلی جداسازی ایزوتوپ در روسیه.

تولید کنندگان ایزوتوپ های پایدار: مدار GK "Rosatom" شامل شرکت هایی است که در تولید صنعتی ایزوتوپ های توده های متوسط و سنگین و همچنین ایزوتوپ های گازهای نجیب فعالیت می کنند. برای جداسازی ایزوتوپ های صنعتی از فناوری های الکترومغناطیسی و سانتریفیوژ گاز استفاده می شود. این فناوری ها امکان جداسازی ایزوتوپ های تقریباً تمام عناصر جدول تناوبی را فراهم می کند. شرکت های دولتی "روساتوم" با استفاده از روش های مشخص شده جداسازی ایزوتوپ شامل موارد زیر است:

FSUE "Combine" Electrokhimpribor "- 209 مورد (روش الکترومغناطیسی).

کارخانه الکتروشیمیایی JSC "انجمن تولید" 95 نوع ایزوتوپ (روش سانتریفیوژ گاز) تولید می کند.

OJSC Siberian Chemical Combine - 91 نام ایزوتوپ (روش سانتریفیوژ گاز).

FSUE "RFNC-VNIIEF" - 24 مورد (روش سانتریفیوژ گاز)

یونیزه می شود، سپس یون ها به صورت الکتریکی شتاب می گیرند. میدان و به شکاف افتادن. دوربین، جایی که تحت تاثیر magn. میدان عمود بر جهت حرکت یون، مخلوط به پرتوهای جداگانه با مقادیر m / z یکسان تقسیم می شود. سپس پرتوها در گیرنده های مختلف جمع آوری می شوند. از این روش می توان برای جداسازی تمام ایزوتوپ های یک عنصر معین استفاده کرد. برای بدست آوردن مقادیر کمی ایزوتوپ بیش از 50 عنصر استفاده می شود. برای اولین بار این روش چندین به دست آمد. کیلوگرم 235 U (1943-45). معایب روش: بهره وری کم، استفاده کم از مواد اولیه، پیچیدگی تجهیزات، مصرف انرژی بالا.
روش فتوشیمیایی(جدایی ایزوتوپی لیزری) بر این واقعیت استوار است که مولکول هایی با ترکیب ایزوتوپی متفاوت توسط تشعشع تجزیه می شوند. طول موج با استفاده از تک رنگ تابش لیزر، می‌توان مولکول‌هایی را که حاوی ایزوتوپ خاصی از یک عنصر معین هستند، به‌طور انتخابی برانگیخت. سپس مولکول های برانگیخته شده توسط شیمی جدا می شوند. p-tions، توسط تأثیر الکتریسیته. زمینه ها یا راه های دیگر این روش را می توان برای هر عنصری اعمال کرد. در حالی که فقط در آزمایشگاه استفاده می شود. مقیاس اصلی مشکلات مربوط به نیاز به حفظ گزینش پذیری در تمام مراحل پس از جذب کوانتومی نور است (به شیمی لیزر مراجعه کنید).
روش های جداسازی گروه دومبر اساس توزیع نابرابر مولکول‌های با ترکیب ایزوتوپی متفاوت بین دو فاز سیستم یا بین دو منطقه از همان فاز، که در آن کاهش می‌یابد. مقادیر t-ry، فشار، الکتریکی. پتانسیل یا پارامتر دیگر اگر با تغییر حالت تجمع قسمتی از مخلوط یا با عمل میدانی، مخلوط اولیه را به دو بخش با محتوای ایزوتوپی متفاوت تقسیم کنیم، ابتدائی جدا می شود. اثر چنین عملیاتی با فاکتور جداسازی مشخص می شودآ ... برای مخلوطی از دو ایزوتوپ

جایی که N "و N : کسر مولی ایزوتوپ آزاد شده در بخش های غنی شده و تهی شده. تغییر در ترکیب ایزوتوپی کسر غنی شده در مقایسه با مخلوط ورودی با عامل غنی سازی مشخص می شود.

که در آن N کسر مولی ایزوتوپ آزاد شده در مخلوط ورودی است. بزرگیب می تواند مقادیری در محدوده 1 تا داشته باشدآ بسته به نسبت جرم کسرهای غنی شده و تهی شده. برای جداسازی ایزوتوپ های تمام شیمی. عناصر (به جز هیدروژن)، مقدار a فقط کمی بیشتر از 1 است. بنابراین، ابتدایی تقسیم خواهد شد. اثر در آبشار یا ستون ضرب می شود. آبشارها عناصر منفرد متصل به سری هستند. اقدامات (مراحل). در به اصطلاح. در یک آبشار ساده، کسر غنی شده مرحله اول به مرحله دوم داده می شود، تکرار کنید عملیات جداسازی، سپس کسر غنی شده مرحله دوم به مرحله سوم و غیره وارد می شود و به منظور صرفه جویی در مواد اولیه، کسری های تخلیه شده مراحل دور که در ایزوتوپ هدف در مقایسه با مخلوط اولیه غنی شده اند، می شود. دور انداخته نمی شوند، اما به عنوان مکمل استفاده می شوند. مواد خام در مراحل قبلی (آنها جریان ها را دوباره به گردش در می آورند). اغلب، کسری کاهش یافته پس از زایمان است. مراحل (کسر مولی ایزوتوپ آزاد شده N: i + 1) به مرحله قبل برگردانده می شود (شکل 1). در حالت بهینه نوع، ترکیب کسر بازگشتی به مرحله i باید با ترکیب کسر غنی شده مرحله قبلی (i - 1) که وارد این مرحله می شود (کسری مولی N "i باشد. - 1). اگر مقادیرب برای تمام مراحل، درجه جدایی به دست آمده در چنین آبشاری (به نام ایده آل) یکسان است

که در آن N p و N 0 کسر مولی ایزوتوپ در محصول و مخلوط اولیه هستند، n تعداد مراحل آبشار است.

برنج. 1. طرح آبشار با گردش مجدد جریان مخلوط (N کسر مولی ایزوتوپ آزاد شده است؛ N 0 - در مخلوط اولیه؛ N "i و N: i - به ترتیب در بخش های غنی شده و تخلیه شده i- مرحله؛ N p - در محصول (N p = N "n)؛ N w در زباله (N w - N: 1).

برای کاهش هزینه های انرژی برای جریان های متحرک، حجم تجهیزات و دوره اولیه را کاهش دهید. تجمع ایزوتوپ (به زیر مراجعه کنید) معمولاً جریانها را هنگام رفتن از مراحل پایین تر به مراحل بالاتر کاهش می دهد، یعنی فرآیند به گونه ای انجام می شود که کسر غنی شده یک مرحله معین از نظر وزنی کمتر از کسر غنی شده مرحله قبل باشد. . در برخی موارد از آبشارها بدون کاهش جریان (به اصطلاح آبشار مستطیلی) استفاده می شود. جداکننده های جریان متقابل آنالوگ های یک آبشار مستطیلی هستند. ستون ها، به عنوان مثال، ستون های اصلاح. در آبشارها، حرکت جریان ها بین مراحل با استفاده از پمپ ها یا وسایل دیگر، در ستون ها به دلیل همرفت انجام می شود. جریان های ناشی از اختلاف چگالی، فشار اضافی، الکتریکی. پتانسیل و غیره در این حالت، در هر مقطع ستون، ایزوتوپ ها بین جریان هایی که در جهت مخالف حرکت می کنند (مطابق با اثر تقسیم اولیه) دوباره توزیع می شوند. برای دستیابی به درجات جدایی در یک آبشار مستطیلی (یا در یک ستون جریان مخالف) بیشتر از یک عملیات واحد (q>ب ، بخشی از جریان غنی شده که از آخرین مرحله خارج می شود به آبشار یا ستون برگردانده می شود (شکل 2)، جریان معکوس می شود (به عنوان مثال، تبخیر مایع یا تراکم بخار در طول یکسوسازی). تجمع ایزوتوپ هدف در انتهای آبشار (یا ستون) شروع می شود، جایی که به دلیل برگشت جریان، بخش ها یا جریان های تماس از حالت تعادل خارج می شوند. در نتیجه کسری که چندین دارد محتوای بالاتر ایزوتوپ هدف نسبت به کسر تخلیه شده حذف شده از این مرحله. پس از تولد. توزیع مجدد ایزوتوپ ها منجر به افزایش غلظت ایزوتوپ در مقایسه با ایزوتوپ اولیه در هر دو بخش خروجی از این مرحله می شود. با ادامه فرآیند، غنی‌سازی در انتهای آبشار افزایش می‌یابد، مراحلی که بیشتر و بیشتر از برگشت جریان فاصله دارند از حالت تعادل خارج می‌شوند و طول بخش غنی‌شده آبشار افزایش می‌یابد. پس از رسیدن به درجه جداسازی لازم در انتهای آبشار، محصول خارج می شود. علاوه بر این، آبشار (یا ستون) در حالت ثابت عمل می کند.

برنج. 2. شماتیک یک ستون ضد جریان با معکوس جریان.

به دلیل تفاوت های کوچکآ از 1، و همچنین به دلیل کم برای pl. عناصر غلظت اولیه ایزوتوپ هدف، دوره تجمع ایزوتوپ (دوره راه اندازی نصب) صدها و هزاران ساعت است. برای مشخص کردن کارایی ستون ها، از مفهوم ارتفاع معادل نظری استفاده می شود. مراحل (VETS)، - ارتفاع بخش ستون، که در یک حالت ثابت، ترکیبات جریان های خروجی با همان نسبتی که در یک واحد به هم متصل می شود. عملیات حداکثر برای ستون یا آبشار مستطیلی درجه جدایی هنگام کار بدون انتخاب محصول به دست می آید. تحت این شرایط، q =آ n، که در آن n تعداد مراحل آبشار یا تعداد مراحل معادل جداسازی ستون است. هنگام کار با برداشت محصول، میزان جداسازی کاهش می یابد. اصلی ویژگی های فرآیند جداسازی ایزوتوپ بستگی بهآ : بهره وری (مقدار محصول به دست آمده در واحد زمان) و lnq متناسب هستند (آ - 1)، تعداد پردازش شده در آبشار in-VA و پر انرژی. هزینه ها نسبت معکوس دارند (آ - 1) 2، دوره راه اندازی با افزایش کوتاه می شودآ ... به عنوان یک قاعده، برای دستیابی به غنی سازی مورد نظر نیاز به تعداد زیادی مرحله، پردازش جریان های بزرگ مواد و هزینه های انرژی بالا است. بنابراین، انتخاب شرایط بسیار مهم است، که برای آن تفاوتآ از 1 حداکثر خواهد بود. هر روشی وابستگی خاص خود را داردآ از سنت در مولکول های جدا شده و از شرایط جداسازی. در یک تقریب تقریبی، برای اکثر روش ها، مقدار (آ - 1) با (M 1) متناسب است- M 2) / M 1، که در آن M 1 و M 2 توده های مولکول های ایزوتوپی متفاوت هستند. اصلی را در نظر بگیرید. روش های مورد استفاده برای جداسازی ایزوتوپ ها
تقطیر.جداسازی ایزوتوپی بر اساس تفاوت در ترکیب تعادلی مایع و بخار است. معمولاً حاوی ایزوتوپ سبک در بخار متمرکز می شود. مقدار a برابر است با نسبت فشار sat. جفت (فرار) مقایسه ایزوتوپی متفاوت است، با افزایش پایه کاهش می یابد. جرم و تی. جداسازی ایزوتوپ ها در ستون های جریان مخالف انجام می شود. برای پارتی استفاده می شود. جداسازی ایزوتوپ های هیدروژن و در مقیاس کوچکتر، B، C، N، O.
تبادل ایزوتوپ.جداسازی ایزوتوپ به دلیل تفاوت از واحد ثابت تعادل برای مبادله ایزوتوپ های یک عنصر معین بین دو ترکیبی است که در فازهای تماس هستند (اغلب مایع و گاز، اما مایع-مایع، فاز مایع-جامد و گاز-). از سیستم های فاز جامد نیز استفاده می شود). در ستون های ضد جریان انجام می شود. حرارتی برای معکوس کردن جریان ها استفاده می شود. یا الکتروشیمیایی تجزیه یا p-tion با کمکی. در شما. به عنوان مثال، هنگامی که ایزوتوپ 10 B متمرکز می شود، تبادل بین BF 3 و ترکیب آن با آنیزول، دومی را تحت حرارت تجزیه می کند. و BF 3 به ستون برگردانده می شود. در جداسازی ایزوتوپ های لیتیوم تبادل بین آمالگام و محلول های نمک های لیتیوم با الکترولیز محلول نمک روی الکترود جیوه فعلی به آمالگام تبدیل می شود. هنگامی که ایزوتوپ 15 N با تبادل بین HNO 3 و NO متمرکز می شود، نیتروژن با دی اکسید گوگرد کاهش می یابد. در مورد جداسازی ایزوتوپ های هیدروژن، از فرآیندهای تبادل ایزوتوپی با معکوس جریان استفاده نمی شود، زیرا مقرون به صرفه تر، طرح دو درجه حرارت (شکل 3)، در یک برش، به جای انتقال کل مخلوط غنی شده به فاز دیگر با چرخش است. یک کانن دیگری از تبادل ایزوتوپی بین همان Comm استفاده می کند. (به عنوان مثال، H 2 O و H 2 S ) در T-re بالاتر (کمترآ ). در نتیجه، از فاز خروجی از ستون سرد (H2O) به فاز ورودی (H2S)، مقدار اضافی ایزوتوپ انباشته شده در مقایسه با مقدار اولیه منتقل می شود. آب غنی شده با دوتریوم در فصل مشترک بین ستون های سرد و گرم تخلیه می شود. تبادل ایزوتوپ برای صنعتی استفاده می شود. جداسازی ایزوتوپ های عناصر سبک: هیدروژن، لیتیوم، B، N، C.

برنج. 3. طرح غلظت دو درجه دوتریوم (T 2> T 1).

سانتریفیوژ.جداسازی ایزوتوپی بر اساس توزیع اجزای یک مخلوط گازی در یک میدان گریز از مرکز است. این در یک سانتریفیوژ گاز ضد جریان انجام می شود، لبه آن یک سیلندر عمودی باریک است که با سرعت زیاد حول محور خود می چرخد. ایزوتوپ سنگین در حاشیه سیلندر متمرکز شده است، در حالی که ایزوتوپ سبک در نزدیکی محور آن متمرکز شده است. به دلیل اختلاف چگالی، مخلوط در امتداد محور به سمت بالا و در امتداد حاشیه به سمت پایین حرکت می کند. بر خلاف روش های دیگر، اما توسط عضلات شکم تعیین می شود. تفاوت بین جرم ایزوتوپ های جدا شده M 1 و M 2، و نه نسبی (M 1 - M 2) / M 1، بنابراین، این روش برای عناصر سبک و سنگین (C، Kr، Xe، U) استفاده می شود. ).
انتشار گازها.این روش مبتنی بر این واقعیت است که در یک اسکله. خروج (تراوش) مخلوطی از مولکول های جایگزین ایزوتوپی از طریق یک پارتیشن متخلخل با سوراخ هایی که قطر آن کمتر از مسیر آزاد مولکول های گاز است، مولکول های سبک سریعتر از پارتیشن های سنگین نفوذ می کنند. حداکثر معنی ... جداسازی ایزوتوپ در یک آبشار از مراحل انجام می شود. هر مرحله یک محفظه است که توسط یک پارتیشن متخلخل تقسیم می شود، در یک طرف برش مخلوط گازی توسط یک پمپ تزریق می شود. مخلوطی که از پارتیشن عبور می کند به نظر می رسد که در ایزوتوپ نور غنی شده است. این روش برای جداسازی ایزوتوپ های H، He، C و همچنین برای جداسازی ایزوتوپ های صنعتی استفاده می شود. غلظت 235 U (به عنوان UF 6).
انتشار مک.جداسازی ایزوتوپ ها بر اساس تفاوت در نرخ های انتشار مولکول های گاز جایگزین ایزوتوپی در جریان کمکی است. بخار جدا کننده کمک خواهد کرد. بخار باید ضریب بالایی داشته باشد. انتشار در مخلوط جدا شود و به راحتی از آن جدا شود. اغلب به عنوان یک کمک. زوج ها از زوج ها استفاده می کنند جداسازی ایزوتوپ یا در یک آبشار از مراحل (به نام پمپ) یا در یک ستون جریان مخالف انجام می شود. مرحله تک عمل یک استوانه است که داخل آن استوانه به صورت هم محور قرار می گیرد. دیافراگم با سوراخ تقریبا 10 میکرون (شکل 4). مرکز. کانال به صورت کمکی حرکت می کند. بخار، از طریق شکاف حلقوی بین کانال و دیواره سیلندر در جهت مخالف، مخلوط جدا شده است. مولکول های مخلوط در روزنه های دیافراگم از طریق جریان مخالف ماده کمکی پخش می شوند. جفت . بیرون آمدن از مرکز بخشی از مخلوط را که توسط ماده کمکی وارد می شود، کانال کنید. بخار، غنی شده در یک ایزوتوپ سبک، کانال حلقوی را با یک ایزوتوپ سنگین ترک می کند. در ستون جریان مخالف، کمکی بخار به طور مساوی در تمام ارتفاع ستون از طریق یک لوله با سوراخ تامین می شود. در امتداد محور قرار می گیرد، از طریق سوراخ ها به دیواره های ستون پخش می شود و متراکم می شود. ابتدایی تقسیم خواهد شد. این اثر در هر مقطع به دلیل انتشار مولکول های جایگزین ایزوتوپی مخلوط گازی به سمت محور ستون ایجاد می شود. در نتیجه غلظت ایزوتوپ سبک در نزدیکی محور و ایزوتوپ سنگین در نزدیکی دیواره ها افزایش می یابد. تفاوت در چگالی، و همچنین حرکت به سمت پایین دیواره فیلم میعان، منجر به همرفت می شود. جریان ها به سمت بالا حول محور و به سمت پایین در نزدیکی دیوارها هدایت می شوند. این روش برای جداسازی ایزوتوپ های Ne، Ar، C استفاده می شود.

برنج. 4. طرح مرحله انتشار جرم: 1 - اواپراتور. 2 - دیافراگم; 3 - تراکم سطح؛ 4 - خازن

جداسازی صنعتی ایزوتوپ های اورانیوم در ایالات متحده به عنوان بخشی از پروژه تسلیحات هسته ای منهتن آغاز شد. در نوامبر 1943، ساخت نیروگاه الکترومغناطیسی U-12 در نزدیکی اوک ریج به پایان رسید. ایده روش مبتنی بر این واقعیت است که یک یون سنگین تر، یک قوس با شعاع بزرگتر را در یک میدان مغناطیسی نسبت به یک یون کمتر سنگین توصیف می کند. به این ترتیب می توان ایزوتوپ های مختلف یک عنصر را از هم جدا کرد. این کار تحت هدایت مخترع سیکلوترون، E. Lawrence انجام شد. فرآیند تکنولوژیکی برای جداسازی ایزوتوپ های اورانیوم دو مرحله ای بود. آ- و مراحل p). طراحی واحد جداسازی (کالوترون) به شکل یک بیضی بزرگ، متشکل از 96 آهنربا و 96 اتاق دریافت ("مسیر مسابقه"، یعنی یک مسیر مسابقه) بود. کارخانه U-12 شامل پنج "- تاسیسات (هر 9 پیست مسابقه)، سه تاسیسات p با هشت پیست مسابقه با هر کدام 36 آهنربا، مواد شیمیایی و ساختمان های کمکی دیگر بود. کالوترون دارای یک آهنربای الکتریکی غول پیکر بود که طول آن به 75 متر و وزن آن حدود 4000 تن می رسید. چندین هزار تن سیم نقره برای سیم پیچ های این آهنربای الکتریکی استفاده شده است.

یکی دیگر از کارخانه های غول پیکر (4000 هکتار در حال ساخت، در آن زمان بزرگترین ساختمان جهان زیر یک سقف) که در اوک ریج ساخته شد، کارخانه K-25 بود. فرآیند انتشار گاز بر اساس پدیده انتشار مولکولی است. اگر یک ترکیب اورانیوم گازی (UFb) از طریق یک پارتیشن متخلخل پمپ شود، مولکول‌های سبک‌تر، که شامل 235U است، سریع‌تر از مولکول‌های سنگین‌تر حاوی 2 3SU از پارتیشن نفوذ می‌کنند. انتشار از طریق یک پارتیشن رخ می دهد که یک غشای فلزی نازک متخلخل با چندین میلیون سوراخ (قطر ~ 10-3 میلی متر) در هر سانتی متر مربع است. این فرآیند بارها تکرار می شود و به 3024 مرحله غنی سازی نیاز دارد. در ابتدا، غشاها از مس ساخته شده بودند، سپس آنها به نیکل تبدیل شدند. در بهار سال 1944 تولید صنعتی فیلترها آغاز شد. این غشاها در لوله ها خم شده و در یک حفره مهر و موم شده - یک محفظه انتشار قرار گرفتند.

36.06. 1944 کارخانه انتشار حرارتی 550 در Oak Ridge به بهره برداری رسید. فرآیند انتشار حرارتی مایع در یک ستون انجام می شود که یک لوله عمودی طولانی (ارتفاع 15 متر) است که از بیرون خنک شده و حاوی یک استوانه گرم شده در داخل است. تأثیر جداسازی ایزوتوپ در چنین ستونی به این دلیل است که کسر سبکتر در سطح داغ استوانه داخلی جمع می شود و به دلیل قانون همرفت به سمت بالا حرکت می کند. ستون ها در سه گروه چیده شدند. هر کدام 7 توری برای مجموع 2142 ستون داشتند.

برای تولید اورانیوم بسیار غنی شده برای اولین بمب اتمی «مالیش» ابتدا مواد خام طبیعی (7/0 درصد) به فاز گازی (UFe) منتقل شد. کارخانه 55 درجه غنی سازی اولیه را تا 0.86 درصد به روش انتشار حرارتی انجام داد. گیاه K25روش انتشار حرارتی غنی‌سازی را به 7 درصد افزایش داد. اورانیوم به جامد تبدیل شد UF 4، سپس با روش الکترومغناطیسی بر روی a-calutron غنی‌سازی به 15% رسید و در نهایت روی p-calutron، UF 4 با غنی‌سازی 90% در 29 دلار بدست آمد. شارژ بمب اتمی از این محصول (طرح توپ) ساخته شده است.

در روسیه، اولین کارخانه های جداسازی ایزوتوپ های اورانیوم بر اساس اصل انتشار گازی بود، سپس آنها به روش اولتراسانتریفیوژ روی آوردند.

در سال 1945، ساخت نیروگاه شماره 813 (در حال حاضر کارخانه الکتروشیمیایی اورال، UEKhK) برای غنی سازی اورانیوم در Verkh-Neyvinsk (اورال میانه، منطقه Sverdlovsk، اکنون نوورالسک) آغاز شد. کارخانه انتشار گاز D-1، مجهز به ماشین های سری OK، در سال 1949، کارخانه D-3، مجهز به ماشین های سری T، در سال 1951، و کارخانه D-4 (یک آبشار انتشار جداگانه با قابلیت تولید مستقل اورانیوم با غنی سازی 90 درصد - در سال 1953. در سال 1949، اورانیوم بسیار غنی شده (75 درصد) 2 ثانیه دلار C)اورانیوم به عنوان بخشی از بار در اولین بمب اتمی پلوتونیوم شوروی استفاده شد. در سال 1957، یک کارخانه سانتریفیوژ در UEKhK راه اندازی شد، در i960، ایجاد اولین کارخانه فرآوری اورانیوم در جهان بر اساس فناوری گریز از مرکز آغاز شد، پس از آن در سال 1964 کارخانه به ظرفیت کامل رسید، در سال 1980 اولین کارخانه صنعتی به بهره برداری رسید. عملیات تجاری دسته ای از نسل ششم سانتریفیوژهای گازی. در سال 1987 مرحله انتشار گازی تولید صنعتی اورانیوم غنی شده به پایان رسید. در سال 1995، با استفاده از فناوری UEKhK، پردازش صنعتی اورانیوم بسیار غنی شده (HEU) بازیافت شده از سلاح های هسته ای منحل شده به اورانیوم با غنای پایین (LEU) برای نیروگاه های هسته ای آغاز شد.

یکی دیگر از شرکت‌های غنی‌سازی ایزوتوپی اورانیوم، کارخانه الکتروشیمیایی آنگارسک، AEKhK است. ساخت آن در جنوب غربی آنگارسک در 10 آوریل 1954 آغاز شد. این کارخانه جداسازی قدرتمند تولید اورانیوم غنی شده در کشور را به شدت افزایش داده است. (برای تولید هگزافلوراید اورانیوم غنی شده) در 21 اکتبر 1957، مرحله اول 308 دستگاه پخش گاز به بهره برداری رسید و اولین اورانیوم غنی شده بدست آمد. در 14.12.1990 کودتای سانتریفیوژهای گاز برای جداسازی ایزوتوپ های اورانیوم صورت گرفت. در حال حاضر، فعالیت های اصلی این کارخانه خدمات تبدیل اکسید اورانیوم به هگزافلوراید اورانیوم است. در مورد تبدیل تترا فلوراید اورانیوم به هگزا فلوراید اورانیوم؛ غنی سازی اورانیوم از مواد خام عرضه شده توسط مشتری؛ عرضه اورانیوم غنی شده به شکل هگزافلوراید. برای انطباق مطمئن با الزامات رژیم عدم اشاعه، اولین مرکز بین‌المللی غنی‌سازی اورانیوم و بانک سوخت هسته‌ای تحت تضمین آژانس بین‌المللی انرژی اتمی بر اساس AECC ایجاد شد.

سومین کارخانه غنی سازی بخشی از ترکیب شیمیایی سیبری (SCHK) است که در اوایل دهه 1950 در منطقه تومسک (Seversk) ساخته شد. SCC یک مجموعه واحد از چرخه فناوری هسته ای برای ایجاد اجزای سلاح های هسته ای بر اساس مواد شکافت پذیر است. یک نیروگاه جداسازی ایزوتوپ اورانیوم غنی شده برای انرژی هسته ای تولید می کند. تا سال 1973، جداسازی انتشار گازی انجام شد، بعدا - جداسازی گریز از مرکز. تعدادی ایزوتوپ پایدار زنون، قلع، سلنیوم و غیره نیز تولید می شود. کارخانه سابلیمیت محصولات حاوی اورانیوم از جمله اورانیوم بسیار غنی شده، اکسید اورانیوم برای میله های سوخت و برای غنی سازی ایزوتوپی تولید می کند.

چهارمین کارخانه غنی سازی، کارخانه الکتروشیمیایی JSC PO (قبلاً Krasnoyarsk-45، اکنون Zelenogorsk، منطقه کراسنویارسک) است. در تاریخ 30/10/1962 مرحله اول ماشین آلات انتشار گازی برای تولید ایزوتوپ های اورانیوم در این شرکت به بهره برداری رسید. در سال 1964 فناوری غنی سازی اورانیوم با استفاده از سانتریفیوژهای گازی معرفی شد. از سال 1988، محصول اصلی این نیروگاه اورانیوم با غنای پایین است که به عنوان سوخت در نیروگاه های هسته ای استفاده می شود. علاوه بر این، از سال 1972، ECP با استفاده از فناوری سانتریفیوژ گاز، محصولات ایزوتوپی و مواد بسیار خالص تولید می کند.