Isotopseparation är en teknisk process för att ändra isotopsammansättningen av ett ämne som består av en blandning av olika isotoper av ett kemiskt element . Från en blandning av isotoper eller kemiska föreningar erhålls två blandningar vid utgången av processen: en med ett ökat innehåll av den erforderliga isotopen (berikad blandning), den andra med ett reducerat innehåll (mager blandning).
Den huvudsakliga tillämpningen av isotopseparationsprocessen är anrikning av uran med isotopen 235 U för produktion av kärnbränsle, kärnmaterial av vapenkvalitet och andra tillämpningar som involverar användning av radioaktiva ämnen.
Det industriella arbetet med isotopseparation mäts i separationsarbetsenheter (SWU). För en viss förändring av isotopsammansättningen av en viss initial blandning krävs samma mängd SWU, oavsett isotopseparationsteknik.
Separationen av isotoper (till exempel utvinningen av 6 Li , 235 U , D ) är alltid förknippad med betydande svårigheter och energikostnader, eftersom isotoper , som är variationer av ett element som skiljer sig något i massa , kemiskt beter sig nästan likadant. Men hastigheten för vissa reaktioner är något annorlunda beroende på massan av elementets isotop, dessutom kan du använda skillnaden i deras fysiska egenskaper - till exempel i massa .
Eftersom skillnaderna i isotopers egenskaper är så små, anrikas ämnet i ett steg av separationen med hundradelar av en procent i målisotopen, och därför är det nödvändigt att upprepa separationsprocessen många gånger.
Teknologiskt utförs detta genom att successivt leda volymen av isotoper som ska separeras genom celler av samma typ som producerar separation - de så kallade kaskaderna. För att erhålla den erforderliga graden av separation kan det finnas flera tusen kaskader kopplade i serie, och för att erhålla den erforderliga volymen - tiotals och hundratusentals sådana serier av kaskadgrupper kopplade parallellt.
Två faktorer påverkar prestandan hos ett sådant kaskadsystem: den erforderliga graden av anrikning i varje steg och förlusten av målisotopen i avfallsströmmen.
Låt oss förklara den andra faktorn. Vid varje steg av anrikning delas flödet i två delar - anrikat och utarmat i önskad isotop. Eftersom anrikningsgraden är extremt låg kan den totala massan av isotopen i det använda råmaterialet överstiga dess massa i den anrikade produkten. För att undvika en sådan förlust av råmaterial går det utarmade flödet av varje efterföljande steg in i ingången av det föregående igen.
Källmaterialet går inte in i det första skedet av kaskaden. Det introduceras omedelbart i systemet till något, n:te steg. På grund av detta tas material som är mycket utarmat i huvudisotopen bort från det första steget.
I vilket fall som helst beror mängden anrikat material som produceras på den önskade graden av anrikning och magerhet hos utströmmarna. Om det ursprungliga ämnet är tillgängligt i stora mängder och billigt, kan kaskadens produktivitet ökas genom att kassera, tillsammans med avfallet, en stor mängd av det oextraherade användbara elementet (till exempel produktion av deuterium från vanligt vatten). Vid behov uppnås en stor grad av extraktion av isotopen från råvaran (till exempel vid anrikning av uran ). [ett]
Metoden för elektromagnetisk separation bygger på samma kraft av växelverkan mellan ett externt magnetfält och lika elektriskt laddade partiklar. Med samma verkningskraft på partiklar med olika massor kommer partiklarnas rörelse att vara olika. Till exempel kommer banan för lika laddade joner med lika kinetisk energi som rör sig i ett magnetfält att bero på deras massa. Genom att placera fällorna på lämpliga installationsplatser är det möjligt att samla jonstrålar från de isotoper som ska separeras. Faktum är att sådana anläggningar, kallade kalutroner ( calutron ), är stora masspektrometrar . I dem beskriver joner av separerade ämnen, som rör sig i ett starkt magnetfält, banor längs cirkelbågar med radier proportionella mot deras massor och faller i fällor (mottagare), där de ackumuleras.
Denna metod gör det möjligt att separera alla blandningar av isotoper med täta massor och har en mycket hög grad av separation. Vanligtvis räcker det att upprepa separationsprocessen två gånger för att erhålla en anrikningsgrad över 80 % från ett ämne som är fattigt i målisotopen (med en initial målisotophalt på mindre än 1 %). Emellertid är elektromagnetisk separation inte tekniskt avancerad inom industriell produktion: det mesta av ämnet som separeras av isotoper avsätts på väggarna i kalutronens vakuumhålighet, så det måste periodiskt stoppas för underhåll. Också nackdelarna är hög strömförbrukning, komplexitet och höga underhållskostnader, låg produktivitet. Metodens huvudsakliga tillämpningsområde är framställning av små mängder mycket rena isotopprover för vetenskaplig forskning. Trots tekniska svårigheter byggdes ändå Y-12- installationen under andra världskriget , som i januari 1945 nådde en daglig produktivitet på 204 g uran med en koncentration av U-235 i den på 80%.
Metodens effektivitet . En anläggning som producerar 50 kg höganrikat uran-235 per år genom elektromagnetisk separation beräknas förbruka cirka 50 MW elektricitet [2] .
Denna metod använder skillnaden i rörelsehastigheterna för gasmolekyler med olika massor. Metoden är endast lämplig för ämnen i gasformigt tillstånd.
Kärnan i metoden bygger på skillnaden i diffusionskoefficienten genom porösa kroppar för molekyler med olika massor på grund av skillnaden i deras medelhastigheter, lättare molekyler diffunderar lättare. I praktiken används porösa kroppar, vars diameter på porösa kanaler är mycket mindre än den genomsnittliga fria vägen för molekyler - den så kallade Knudsen-diffusionen .
Graden av separation i diffusionsmetoden är proportionell mot kvadratroten av förhållandet mellan atommassorna av molekyler med olika isotoper, så separationseffektiviteten minskar med en ökning av isotopernas atommassa.
En viss teknisk svårighet i denna metod är också tillverkningen av porösa membran för separation med typiska pordiametrar på tiotals till hundratals nanometer med en liten spridning i effektiv diameter. Membranen ska inte tillåta läckage genom makroskopiska läckor, tåla ett stort tryckfall och vara resistenta mot frätande fluorhaltiga ämnen när de används för att separera uranisotoper.
Det finns flera metoder för att få porösa membran, till exempel:
Membranen tillverkades vanligtvis i form av rör upp till flera meter långa. Från flera hundra rör monteras en separationskaskad.
För vissa lätta element kan separationsgraden vara ganska stor, men för uran är den bara 1,00429 (utgångsströmmen från varje steg anrikas med en faktor på 1,00429). För att erhålla höga anrikningsgrader kopplades ibland flera tusen av samma typ av separationskaskader i serie. Med tanke på att en typisk industriell kaskad ockuperade en yta på upp till 100 m 2 eller mer, visar sig anrikningsföretag för gasdiffusion vara cyklopiska i storlek.
Relativt stora gastrycksförluster på membranen och storleken på installationerna ledde till enorm energiförbrukning för kompressordriften. Dessutom fanns det enorma mängder teknisk uranhexafluorid vid anläggningen och separationsprocessen var lång, ibland gick det flera veckor från starten av anläggningen till produktionen av den första produkten, under vilken hexafluoriden sekventiellt fyllde hålrummen i alla kaskader. Denna omständighet ställde mycket allvarliga krav på utrustningens tillförlitlighet, eftersom ett fel på ens en kaskad kunde få hela kedjan av kaskader att stanna. För att minimera skadorna från tekniska avstängningar var kaskaderna utrustade med automatisk kontroll av funktionsduglighet och redundans för den misslyckade kaskaden.
I detta fall används återigen skillnaden i molekylernas hastigheter. De lättare, i närvaro av en temperaturskillnad, tenderar att hamna i en varmare region. Separationsfaktorn beror på förhållandet mellan skillnaden i massan av isotoper och den totala massan och är större för lätta element. Trots sin enkelhet kräver denna metod mycket energi för att skapa och underhålla uppvärmning. I början av kärnkraftsåldern fanns industriella installationer baserade på termisk diffusion. [3] För närvarande inte allmänt använd på egen hand, men tanken på termisk diffusion används för att öka effektiviteten hos gascentrifuger .
Idén om centrifugalseparation började aktivt utvecklas under andra världskriget. Svårigheterna med att optimera tekniken försenade dock dess utveckling, och i västländer meddelades till och med en dom om metodens ekonomiska meningslöshet. I Sovjetunionen började den industriella introduktionen av centrifugteknologi också först efter den industriella utvecklingen av gasformig diffusion.
Om en gasformig blandning av isotoper passerar genom höghastighetsgascentrifuger , kommer centrifugalkraften att separera lättare eller tyngre partiklar i lager, där de kan samlas upp. Den stora fördelen med centrifugering är att separationsfaktorn beror på den absoluta skillnaden i massa, och inte på massförhållandet. Centrifugen fungerar lika bra med både lätta och tunga grundämnen. Graden av separation är proportionell mot kvadraten på förhållandet mellan rotationshastigheten och hastigheten för molekylerna i gasen. Härifrån är det mycket önskvärt att snurra centrifugen så snabbt som möjligt. Typiska linjära hastigheter för roterande rotorer är 250-350 m/s och mer än 600 m/s i avancerade centrifuger. Tryckskillnaden vid centrifugens axel och vid ytterväggen kan nå tiotusentals gånger, så centrifugkaskader arbetar vid låga tryck för att undvika kondensering av hexafluorid. För att förbättra separationen genom termisk diffusion i centrifuger skapas en temperaturgradient på flera tiotals grader längs centrifugens axel.
En typisk separationsfaktor är 1,01 - 1,1. Jämfört med gasdiffusionsinstallationer har denna metod en minskad effektförbrukning, större lätthet att öka effekten. För närvarande är gascentrifugering den huvudsakliga industriella metoden för isotopseparation i Ryssland.
Denna metod kan betraktas som en variant av centrifugering, men istället för att virvla gasen i en centrifug virvlar den när den lämnar ett speciellt munstycke, där den tillförs under tryck. Denna teknik, baserad på virveleffekten , har använts av Sydafrika och Tyskland.
Problemen med tekniken var att munstyckets radie var cirka 100 mikron, medan munstyckets totala längd vid varje industriellt separationssteg var hundratals och tusentals meter. Denna längd samlades i bitar på flera tiotals till hundratals centimeter. Förutom svårigheterna med att tillverka munstycken fanns problemet med en utspädningsgas, såsom helium. Spädningsmedlet gjorde det möjligt att hålla uranhexafluorid i gasfasen vid höga tryck vid inloppet till de munstycken som var nödvändiga för att skapa ett höghastighetsflöde i munstycket. Spädningsmedlet och hexafluoriden måste separeras vid produktionens slut. Högt tryck bestämde betydande energiförbrukning.
Laserseparation är inte en oberoende metod, utan används för att förbättra prestandan hos elektromagnetiska eller kemiska separationsmetoder. Metoden bygger på selektiv jonisering av en av isotoperna genom elektromagnetisk strålning (till exempel med laserljus). Joniseringsselektivitet baseras på resonans (smalbandig) absorption av ljus av atomer; olika isotoper har olika strålningsabsorptionsspektra. Detta innebär att det är möjligt att välja sådana bestrålningsparametrar vid vilka atomer i en given isotop övervägande är joniserade. Ytterligare joniserade atomer kan separeras, till exempel i ett magnetfält ( AVLIS). Dessutom kan jonisering av atomer förändra hastigheten för kemiska reaktioner, till exempel genom att underlätta nedbrytningen av vissa kemiska föreningar ( MLIS)). [3]
Laserseparationsteknik har utvecklats sedan 1970-talet av många länder [4] och anses lovande, men har fortfarande inte gått utöver forskningens ram. På 1990-talet fanns det ett program i USA för att studera laseranrikning med elektromagnetisk separation vid en experimentanläggning, men den stängdes. För närvarande genomförs i USA ett forskningsprogram [5] på en demonstrationsanläggning för en av varianterna av laseranrikning med kemisk separation som kallas SILEX.. Tekniken utvecklades 1992 av det australiensiska företaget Silex. [6] Sedan 2006 har Silex-teknologin utvecklats av Global Laser Enrichment LLC. [7] För 2019 fortsätter företaget experimentellt arbete. [åtta]
Kemisk anrikning utnyttjar skillnaden i hastigheten för kemiska reaktioner med olika isotoper. Det fungerar bäst när man separerar lätta element, där skillnaden är betydande. I industriell produktion används reaktioner som sker med två reagenser i olika faser (gas/vätska, flytande/fast, oblandbara vätskor). Detta gör det enkelt att separera rika och magra strömmar. Genom att dessutom använda temperaturskillnaden mellan faserna uppnås en ytterligare ökning av separationsfaktorn. Idag är kemisk separation den mest energibesparande tekniken för att producera tungt vatten. Förutom produktionen av deuterium används det för att extrahera 6 Li. I Frankrike och Japan utvecklades metoder för kemisk anrikning av uran, som aldrig nådde industriell utveckling.
Destillation (destillation) använder skillnaden i kokpunkter för isotoper med olika massor. Vanligtvis, ju mindre massa en atom har, desto lägre är kokpunkten för denna isotop . Återigen, detta fungerar bäst på lätta element. Destillation har framgångsrikt använts som det sista steget i produktionen av tungt vatten.
Det enda användningsområdet för elektrolys är produktionen av tungt vatten . Under elektrolysen av vatten separeras främst "lätta" molekyler (med vanligt väte ) till gaser. Denna mest effektiva metod för att erhålla deuterium (en separationsfaktor på mer än 7) kräver en sådan mängd energi att av ekonomiska skäl, om den används, sedan i de senare stadierna av reningen.
Eftersom joner med olika massor rör sig i lösning med olika hastigheter (lagen om bevarande av momentum) i samma elektriska fält, när elektrofores riktas mot vätskeflödet, är det lätt att välja förhållandet mellan gelfiltrerings- och elektroforeshastigheter där endast uran-235 kommer att reduceras på katoden för uranseparator eller litium-6 för litium.
Om vi accelererar atomernas kärnor med samma ansträngning, kommer lätta kärnor att få högre hastighet än tunga. Hastighetsseparation kan utföras till exempel på två synkront roterande skivor installerade i serie. En slits skärs i den första skivan, vilket gör flödet av kärnor diskontinuerligt. På den andra skivan kommer atomerna som har flugit genom slitsen att sätta sig. I detta fall kommer sänkningszonerna att bero på kärnornas hastighet. Acceleration av kärnor med konstant kraft utförs med en laddad partikelaccelerator .
Uranisotopseparationsanläggningens kapacitet i tusentals SWU per år enligt WNA Market Report .
| Land | Företag, anläggning | 2012 | 2013 | 2015 | 2018 | 2020 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Ryssland | Rosatom | 25 000 | 26 000 | 26578 | 28215 | 28663 |
| Tyskland, Holland, England | URENCO | 12800 | 14200 | 14400 | 18600 | 14900 |
| Frankrike | Orano | 2500 | 5500 | 7000 | 7500 | 7500 |
| Kina | CNNC | 1500 | 2200 | 4220 | 6750 | 10700+ |
| USA | URENCO | 2000 | 3500 | 4700 | ? | 4700 |
| Pakistan, Brasilien, Iran, Indien, Argentina | 100 | 75 | 100 | ? | 170 | |
| Japan | JNFL | 150 | 75 | 75 | ? | 75 |
| USA | USEC : Paducah & Piketon | 5 000 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Total | 49 000 | 51550 | 57073 | 61111 | 66700 |
| Kärnteknik | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Teknik | |||||||
| material | |||||||
| Kärnkraft _ |
| ||||||
| nukleärmedicin |
| ||||||
| Kärnvapen |
| ||||||
| |||||||