Газп обогащенный Разделяв-легким изотопом мая газовая
смесь
I I
где /)1з. #23 ≈ коэф. диффузии изотопов в 3-й газ. В качестве него используют пары, к-рыо можно затем легко сконденсировать и отделить от смеси изотопов. Умножение элементарного эффекта возможно при увеличении истока пара. Процесс можно проводить в каскадах разделительных насосов (Герц) или в протипоточлых цн-линдрич. колоннах (рпс. 2).
В колонне, цилшгдрич. сосуде, перегороженном вдоль оси пористой диафрагмой, газообразная изотопная смесь движется навстречу потоку всномогат. парА Вследствие перепада концентраций газа и пара в поперечном сечении цилиндра и большего коэф. диффузии для более л╦гких молекул происходит обогащение л╦гким изотопом части газа, прошедшего сквозь поток пара в левую часть цилиндра. Обогащ╦нная часть выводится из верхней части цилиндра вместе с осн. потоком пара, а оставшаяся в первой половине часть газа
|
|
|
|
|
|
|
|
1 1
|
f 1
1
"~1 ^ ^v
|
1
Ш' "J 1
Р1
1
|
|
|
|
+ ∙ ДИ£
1
|
|
|
|
|
|
|
|
Вспомьгатель- Газ, обсгашен-ный пар ный тяж╦лым
Рис. 2. Масс-диффуэнои- движется вдоль диафрагмы и выпад колонка. водится из аппарата. Цнлиндрич.
пористая диафрагма служит для
предотвращения перемешивания обогащ╦нной п обедн╦нной смеси и для создания регулируемых извне вертикальных потоков газа. Т. о., первичный эффект И. р. возникает при диффузии смеси в радиальном потоке пара. Лротивоточноо движение в вертикальном направлении переводит радиальный эффект И. р. в осевой п обеспечивает умножение эффекта, зависящее от высоты колонны [3],
Териодцффузил. Перепад темя-ры в газе пли жидкости вызывает диффузию, приводящую к частичному И. р. Если поток, вызванный термодиффузией, уравновешен противоположным ему потоком, обусловленным диффузией, то первичный коэф. обогащения определяется ф-лой:
1 f ffj i fTT \ /С \
где ат ≈ постоянная термодиффузии, зависящая от характера межмолекулярного взаимодействия ц относит. разности масс молекул. В большинстве газовых смесей в холодной области возрастает концентрация тяж╦лого газа, в горячей ≈ л╦гкого. Для умножения обычно малого первичного эффекта применяется противоточиая термодиффузпонпая колонна, состоящая из охлаждаемой снаружи вертикальной трубки, внутри к-рой помещается нагреваемая металлич. нить или трубка меньшего диаметра (рис. 3). Разность темп-р вызывает _ непрерывно идущее поперечное термодиф-I i! i| | т фуэионноо разделение и одновременно соз-'' ! "" 2 да╦т вертикальную конвекцию газовой смеси: л╦гкий изотоп, обогащаемый около нагретой трубки (Tj), уносится восходящим конвсктивным потоком к верхнему концу колонны, а тяж╦лый ≈ увлекается вниз.
Рис, 3. Тсрвдодпффузжжшя колонна с кольцевым
зазором.
При достаточной длине колонны можно достичь почти полного разделения смеси.
Методом термодиффузии получены изотопы (концентрация > 99%): 3Не/13С, 15N, "Of 20Ne, MNe, 22Ne, 9*01, 37C1, 3flAr, 38Ar, 84Kr, S(3Kr, 136Xe [4, 5]. Термодиффузия в жидком UF^ применялась в США для обогащения природного урана изотопом 23bU до концентрации 1%. Для промышл. И. р, метод термодпффузии неэффективен.
Электролиз воды. При электролизе воды или водных растворов электролитов скорость электролиза DaO меньше, чем Н20. В результате п электролите раст╦т концентрация D (а≈ 6≈ 8). Электролиз воды был первым промышл. методом получения DaO (электролизный завод в Норвегии а 40-х гг. производил тонны D20 в год). Для получения чистой D20 применяют элоктролйтич. каскад из 15 ступеней в сочетании с шотопным обменом (см. ниже) на первых 3 ступенях, Электролиз требует значит, затрат электроэнергии (на 1 кг D2O 125000 кВт -ч). Электролиз можно применять для отделения Т от Н (сс=14). Для др. элементов электролиз неэффективен, т. к. а »1 [5].
Миграция ионов. При прохождении электрнч. тока через электролит (водный раствор, расплав соли) более подвижные ионы концентрируются у катода. Первичный пффект обогащения (для большинства элементов е<1()~2) может быть умножен в противоточных ячейках [3].
Центрифугирование. В центрифуге, вращающейся с большой скоростью, более тяжелые частицы под влиянием центробежной силы концентрируются у периферии, более л╦гкие ≈ у оси ротора. Во вращающемся газе устанавливается равновесное распределение плотности п≈ п0схр(Л/а)2г2/2Я Т1), где to ≈ угловая скорость, г ≈ радиус вращения, ис ≈ плотность при г=0. В смеси двух идеальных газов с молекулярными массами A/i и Л/з, помещ╦нной во вращающийся полый цилиндр (ротор), распределение устанавливается для каждого газа независимо. Поэтому макс. коэф. разделения в радиальном направлении:
_^
° "
где v ≈ линейная скорость вращения ротора радпуса г0. Т. к. ctp зависит от ДЛ/, метод наиболее пригоден для И. р. тяж╦лых элементов, где ДЛГ выше.
Для умножения первичного эффекта применяется против от очная циркуляция смеси внутри ротора, преобразующая радиальное обогащение в аксиальное и позволяющая производить отбор обогащ╦нной и обедн╦нной фракций вблизи торцевых крышек ротора. Разделит, мощность центрифуги ограничена макс, теоретич. значением: р-D (ЛА/ь>'2/2Л>)2л;г/2, где р ≈ плотность, D ≈ коэф. взаимной диффузии изотопов, z ≈ длина ротора. В разделит, каскадах применяется параллельное соединение центрифуг в ступени.
Центрифуги использовались впервые Линдеманом и Астоиом в 1919, в дальнейшем для частичного И, р. С1, Вт, Хе, U. Программы развития метода центрифугирования для обогащения U есть в странах Европы, в США и Японии [2].
Для обогащения 236U используют эффект разделения, создаваемый центробежными силами при искривлении потока UFe (разделит, сопло в ФРГ, вихревая трубка в ЮАР). Для увеличения первичного эффекта к UFe добавляют л╦гкий вспомогат. газ (Н2 или Не)т увеличивающий скорость UFe в потоке смеси. При этом возрастают и действующие па UF6 центробежные силы и е^ Б 4≈8 раз выше, чем в случае газовой диффузии [2, 4].
Физико-химические методы [6|
Ректификация (дистилляция, фракционная перегонка). Метод основан на различии в равновесном изотопном составе жидкой и газообразной фаз. В большинстве случаев в паре концентрируется л╦гкий изотоп, Ноэф. разделения е можно оценить из полуэмпирич. ур-ния Бигелейзена:
In а ≈ -тгг-
2лйТ
(8)
где А ≈ константа, зависящая от строения молекулы. Оффект разделения умножается в ректификац. колоннах благодаря противотоку фаз. Ректификация применяется для произ-ва обогащенных изотопов л╦гких эле-
о
о о
(О
123
