способ разделения изотопов

Формула изобретения

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.

Описание изобретения к патенту

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 М ₁ 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 F ₂, 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 L ₃ с 80-й ступени каскада, тяжелой фракции Н ₃ 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 М_4-1 и М_4-2 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 M ₁ (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 H ₁ фракций соответственно.

Таблица 1
Изотопный состав питающего потока F1, %	Изотопный состав промежуточной фракции M 1, %	Изотопный состав легкой фракции L1, %	Изотопный состав тяжелой фракции H1, %
F1	M 1=0,9665F1	L 1=0,0085F1	H 1=0,025F1
74Se - 0,89	74Se - 0,04	74 Se - 99,99	74Se - 5,1·10-20
76Se - 9,37	76Se - 9,69	76 Se - 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
78 Se - 23,77	78Se - 24,59	78Se - 4,66·10 -11	78Se - 4,3·10 -7
80 Se - 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 Н ₂, содержащей целевой изотоп селен-82 в заданной концентрации.

Таблица 2
Изотопный состав питающего потока F2, %	Изотопный состав промежуточной фракции M 2, %	Изотопный состав легкой фракции L2, %	Изотопный состав тяжелой фракции H2, %
F2	M 2=0,9335F2	L 2=0,0388F2	H 2=0,0277F2
74Se - 0,04	74Se - 0,01	74 Se - 0,72	74Se - 1,7·10 -25
76 Se - 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 М 3, %	Изотопный состав легкой фракции L3, %	Изотопный состав тяжелой фракции Н3, %
2	3	4	5
F3	М3=0,933F 3	L3=0,05F 3	Н3=0,017F 3
70 Ge - 20,52	70Ge - 16,68	70Ge - 99,18	70Ge - 8,08·10 -8
72 Ge - 27,43	72Ge - 29,36	72Ge - 0,81	72Ge - 3,24·10 -4
73 Ge - 7,76	73Ge - 8,32	73Ge - 9,8·10 -3	73Ge - 4,5·10 -3
74 Ge - 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 ¹⁸⁶ W 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 M_4-1 и М_4-2 (промежуточная фракция М_4-2 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 М 4-1, 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	180 W - 4,85	180W - 7,35·10 -22
182 W - 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	183 W - 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
186 W - 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.