Az izotópszétválasztás egy olyan technológiai folyamat, amely egy kémiai elem különböző izotópjainak keverékéből álló anyag izotóp -összetételét megváltoztatja . Az izotópok vagy kémiai vegyületek egyik keverékéből a folyamat kimenetén két keveréket kapunk: az egyik megnövelt izotóptartalommal (dúsított keverék), a másik csökkentett tartalommal (sovány keverék).
Az izotópszétválasztási eljárás fő alkalmazása az urán dúsítása 235 U izotóppal nukleáris üzemanyag, fegyverminőségű nukleáris anyagok előállításához és egyéb, radioaktív anyagok felhasználásával járó alkalmazásokhoz.
Az izotópleválasztás ipari munkáját elválasztási munkaegységben (SWU) mérjük. Egy bizonyos kezdeti keverék izotóp-összetételének bizonyos változásához ugyanannyi SWU szükséges, függetlenül az izotóp-leválasztási technológiától.
Az izotópok szétválasztása (például 6 Li , 235 U , D kinyerése ) mindig jelentős nehézségekkel és energiaköltséggel jár, mert az izotópok , amelyek egy elemnek a tömegben kismértékben eltérő változatai , kémiailag közel azonosan viselkednek. De egyes reakciók sebessége kissé eltér az elem izotópjának tömegétől függően, emellett felhasználhatja fizikai tulajdonságaik különbségét - például tömegben .
Mivel az izotópok tulajdonságainak különbségei olyan kicsik, az elválasztás egyik szakaszában az anyag századszázalékkal feldúsul a célizotópban, ezért az elválasztási folyamatot sokszor meg kell ismételni.
Technológiailag ezt úgy hajtják végre, hogy az elválasztandó izotópok térfogatát egymás után átvezetik az azonos típusú elválasztást előidéző sejteken - az úgynevezett kaszkádokon. A kívánt elválasztási fok eléréséhez több ezer kaszkád sorba kapcsolható, a szükséges térfogat eléréséhez pedig több tíz- és százezer ilyen, párhuzamosan kapcsolt kaszkádcsoport sorozat.
Egy ilyen kaszkádrendszer teljesítményét két tényező befolyásolja: a szükséges dúsítás mértéke minden szakaszban és a cél izotóp elvesztése a hulladékáramban.
Magyarázzuk meg a második tényezőt. A dúsítás minden szakaszában az áramlás két részre oszlik - a kívánt izotóppal dúsítva és kimerítve. Mivel a dúsítás mértéke rendkívül alacsony, a kiégett alapanyagban az izotóp össztömege meghaladhatja a dúsított termék tömegét. Az ilyen nyersanyagveszteség elkerülése érdekében az egyes következő szakaszok kimerült áramlása ismét belép az előző bemenetébe.
A forrásanyag nem lép be a kaszkád első szakaszába. Valamelyik, n-edik szakaszba azonnal bekerül a rendszerbe. Emiatt a fő izotópban erősen kimerült anyagot eltávolítják az első szakaszból.
Mindenesetre az előállított dúsított anyag mennyisége a kívánt dúsítási foktól és a kimeneti folyamok soványságától függ. Ha a kiindulási anyag nagy mennyiségben és olcsón beszerezhető, akkor a kaszkád termelékenysége növelhető, ha a hulladékkal együtt nagy mennyiségű ki nem kinyert hasznos elemet is kidobunk (például deutérium előállítása közönséges vízből). Szükség esetén az izotóp nyersanyagból való nagyfokú extrakcióját érik el (például az urándúsítás során ). [egy]
Az elektromágneses elválasztás módszere a külső mágneses mező és az azonosan elektromosan töltött részecskék közötti kölcsönhatás azonos erején alapul. A különböző tömegű részecskékre azonos hatáserővel a részecskék mozgása eltérő lesz. Például a mágneses térben mozgó, azonos töltésű, azonos kinetikus energiájú ionok pályája tömegüktől függ. A csapdák megfelelő beépítési helyekre történő elhelyezésével lehetőség nyílik a szétválasztandó izotópok ionnyalábjainak összegyűjtésére. Valójában az ilyen létesítmények, az úgynevezett calutronok ( calutron ), nagy tömegspektrométerek . Bennük az elválasztott anyagok erős mágneses térben mozgó ionjai tömegükkel arányos sugarú körívek mentén röppályákat írnak le, és csapdákba (vevőkbe) esnek, ahol felhalmozódnak.
Ez a módszer lehetővé teszi bármilyen közeli tömegű izotópkeverék szétválasztását, és nagyon magas az elválasztási fok. Általában elegendő az elválasztási eljárást kétszer megismételni ahhoz, hogy a célizotópban szegény anyagból 80% feletti dúsítási fokot kapjunk (1%-nál kisebb kezdeti célizotóp-tartalommal). Az elektromágneses elválasztás azonban technológiailag nem fejlett az ipari termelésben: az izotópokkal leválasztott anyag nagy része a calutron vákuumüregének falán rakódik le, ezért karbantartás céljából időszakonként le kell állítani. Szintén hátránya a nagy energiafogyasztás, a bonyolultság és a magas karbantartási költségek, valamint az alacsony termelékenység. A módszer fő alkalmazási területe kis mennyiségű nagy tisztaságú izotóp minták előállítása tudományos kutatás céljára. Ennek ellenére a technológiai nehézségek ellenére a második világháború alatt megépült az Y-12 létesítmény , amely 1945 januárjában elérte a 204 g urán napi termelékenységét, amelyben az U-235 koncentrációja 80%.
A módszer hatékonysága . Egy évente 50 kg erősen dúsított urán-235-öt elektromágneses elválasztással előállító üzem a becslések szerint körülbelül 50 MW villamos energiát fogyaszt [2] .
Ez a módszer a különböző tömegű gázmolekulák mozgási sebességének különbségét használja fel. A módszer csak gáz halmazállapotú anyagokra alkalmas.
A módszer lényege a porózus testeken keresztüli diffúziós együttható különbségén alapul az eltérő tömegű molekulák átlagsebességei különbsége miatt, a könnyebb molekulák könnyebben diffundálnak. A gyakorlatban porózus testeket használnak, amelyekben a porózus csatornák átmérője jóval kisebb, mint a molekulák átlagos szabad útja - az úgynevezett Knudsen diffúzió .
A diffúziós módszerben az elválasztás mértéke arányos a különböző izotópokkal rendelkező molekulák atomtömegeinek arányának négyzetgyökével, így az elválasztás hatékonysága az izotópok atomtömegének növekedésével csökken.
Ezenkívül ebben a módszerben bizonyos technológiai nehézséget jelent a porózus membránok gyártása elválasztásra, tipikus pórusátmérővel tíz-száz nanométer között, és az effektív átmérő kis szórása mellett. A membránoknak nem szabad megengedniük a makroszkopikus szivárgásokon keresztüli szivárgást, ellenállniuk a nagy nyomásesésnek, és ellenállónak kell lenniük a korrozív fluortartalmú anyagokkal szemben, amikor uránizotópok szétválasztására használják őket.
Számos módszer létezik porózus membránok előállítására, például:
A membránokat általában több méter hosszúságú csövek formájában készítették. Több száz csőből egy elválasztó kaszkád kerül összeállításra.
Egyes könnyű elemeknél az elválasztás mértéke meglehetősen nagy lehet, de az uránnál csak 1,00429 (az egyes fokozatok kimeneti árama 1,00429-szeres faktorral dúsítható). A nagy dúsítás elérése érdekében esetenként több ezer azonos típusú elválasztó kaszkádot kapcsoltak sorba. Tekintettel arra, hogy egy tipikus ipari kaszkád 100 m 2 vagy annál nagyobb területet foglalt el, a gázdiffúziós dúsító vállalkozások ciklop méretűnek bizonyulnak.
A membránokon tapasztalható viszonylag nagy gáznyomásveszteség és a beépítések mérete hatalmas energiafogyasztást eredményezett a kompresszorhajtás számára. Emellett hatalmas mennyiségű technológiai urán-hexafluorid volt az üzemben, és az elválasztási folyamat hosszadalmas volt, az üzem beindításától az első termék előállításáig esetenként több hét is eltelt, amely során a hexafluorid sorban kitöltötte a gyár üregeit. minden kaszkád. Ez a körülmény igen komoly követelményeket támasztott a berendezés megbízhatóságával szemben, mert akár egy kaszkád meghibásodása a teljes kaszkádlánc leállását okozhatja. A technológiai leállások okozta károk minimalizálása érdekében a kaszkádokat a meghibásodott kaszkád működőképességének és redundanciájának automatikus vezérlésével látták el.
Ebben az esetben ismét a molekulák sebességének különbségét használjuk. A világosabbak hőmérséklet-különbség esetén hajlamosak a melegebb régióba kerülni. Az elválasztási tényező az izotópok tömegkülönbségének a teljes tömeghez viszonyított arányától függ, és a könnyű elemek esetében nagyobb. Ez a módszer egyszerűsége ellenére sok energiát igényel a fűtés létrehozásához és fenntartásához. A nukleáris korszak hajnalán termikus diffúzión alapuló ipari létesítmények léteztek. [3] Jelenleg önmagában nem használják széles körben, azonban a hődiffúzió ötletét a gázcentrifugák hatékonyságának növelésére használják .
A centrifugális elválasztás ötlete a második világháború alatt kezdett aktívan fejlődni. A technológia optimalizálásának nehézségei azonban késleltették a fejlesztést, sőt a nyugati országokban ítélet született a módszer gazdasági hiábavalóságáról. A Szovjetunióban a centrifugatechnika ipari bevezetése is csak a gázdiffúzió ipari fejlődése után kezdődött.
Ha izotópok gáznemű keverékét nagy sebességű gázcentrifugákon vezetik át , akkor a centrifugális erő a könnyebb vagy nehezebb részecskéket rétegekre választja szét, ahol összegyűjthetők. A centrifugálás nagy előnye, hogy az elválasztási tényező az abszolút tömegkülönbségtől függ, nem a tömegaránytól. A centrifuga egyformán jól működik könnyű és nehéz elemekkel egyaránt. Az elválasztás mértéke arányos a forgási sebesség és a gázban lévő molekulák sebességének arányának négyzetével. Innentől kezdve nagyon kívánatos, hogy a centrifugát a lehető leggyorsabban megpörgesse. A forgó rotorok jellemző lineáris sebessége 250-350 m/s, fejlett centrifugákban pedig több mint 600 m/s. A centrifuga tengelyénél és a külső falnál a nyomáskülönbség a több tízezerszeresét is elérheti, ezért a centrifuga kaszkádok alacsony nyomáson működnek, hogy elkerüljék a hexafluorid kondenzációját. A centrifugákban a termikus diffúzióval történő elválasztás javítása érdekében a centrifuga tengelye mentén több tíz fokos hőmérséklet-gradiens jön létre.
A tipikus elválasztási tényező 1,01 - 1,1. A gázdiffúziós berendezésekhez képest ennek a módszernek az energiafogyasztása kisebb, és könnyebben növelhető a teljesítmény. Jelenleg a gázcentrifugálás az izotópleválasztás fő ipari módszere Oroszországban.
Ez a módszer a centrifugálás egyik változatának tekinthető, de ahelyett, hogy centrifugában forgatnák a gázt, egy speciális fúvókából kilépve örvénylik, ahová nyomás alatt juttatják el. Ezt az örvényhatáson alapuló technológiát Dél-Afrika és Németország alkalmazta.
A technológia problémája az volt, hogy a fúvóka sugara körülbelül 100 mikron volt, míg a fúvóka teljes hossza az egyes ipari leválasztási fokozatokban több száz és több ezer méter. Ezt a hosszúságot több tíz-száz centiméteres darabokban gyűjtötték össze. A fúvókák gyártási nehézségei mellett a hígítógáz, például a hélium problémája is felmerült. A hígítószer lehetővé tette az urán-hexafluorid gázfázisban való magas nyomáson tartását a fúvókák bemeneténél, ami szükséges ahhoz, hogy a fúvókában nagy sebességű áramlást hozzon létre. A hígítószert és a hexafluoridot a termelés kimeneténél el kellett választani. A nagy nyomás jelentős energiafogyasztást határoz meg.
A lézeres elválasztás nem önálló módszer, hanem az elektromágneses vagy kémiai elválasztási módszerek teljesítményének javítására szolgál. A módszer az egyik izotóp szelektív ionizálásán alapul elektromágneses sugárzással (például lézerfénnyel). Az ionizációs szelektivitás az atomok rezonáns (keskeny sávú) fényelnyelésén alapul, a különböző izotópok eltérő sugárzáselnyelési spektrummal rendelkeznek. Ez azt jelenti, hogy lehet olyan besugárzási paramétereket választani, amelyeknél az adott izotóp atomjai túlnyomórészt ionizáltak. További ionizált atomok különíthetők el, például mágneses térben ( AVLIS). Ezenkívül az atomok ionizálása megváltoztathatja a kémiai reakciók sebességét, például azáltal, hogy elősegíti bizonyos kémiai vegyületek lebomlását ( MLIS). [3]
A lézeres elválasztási technológiát az 1970-es évek óta számos országban fejlesztették [4] , és ígéretesnek tartják, de még mindig nem lépték túl a kutatás kereteit. Az 1990-es években az Egyesült Államokban volt egy program az elektromágneses elválasztással történő lézerdúsítás tanulmányozására egy kísérleti létesítményben, de azt bezárták. Jelenleg az Egyesült Államokban kutatási programot [5] folytatnak egy demonstrációs létesítményen a kémiai elválasztással történő lézeres dúsítás egyik változatára, a SILEX-re.. A technológiát 1992-ben fejlesztette ki az ausztrál Silex cég. [6] 2006 óta a Silex technológiát a Global Laser Enrichment LLC fejleszti. [7] 2019-ben a vállalat folytatja a kísérleti munkát. [nyolc]
A kémiai dúsítás a különböző izotópokkal való kémiai reakciók sebességének különbségét használja ki. A legjobban a fényelemek elválasztásánál működik, ahol jelentős a különbség. Az ipari termelésben olyan reakciókat alkalmaznak, amelyek két különböző fázisú reagenssel mennek végbe (gáz/folyadék, folyékony/szilárd, nem elegyedő folyadékok). Ez megkönnyíti a gazdag és a sovány folyamok elkülönítését. A fázisok közötti hőmérséklet-különbség további felhasználásával az elválasztási tényező további növelése érhető el. Manapság a kémiai szétválasztás a leginkább energiatakarékos technológia nehézvíz előállítására. A deutérium termelése mellett 6 Li kivonására használják. Franciaországban és Japánban az urán kémiai dúsításának módszereit fejlesztették ki, amelyek soha nem értek el az ipari fejlődést.
A desztilláció (desztilláció) a különböző tömegű izotópok forráspont-különbségét használja fel. Általában minél kisebb egy atom tömege, annál alacsonyabb ennek az izotópnak a forráspontja . Ez ismét a könnyű elemeken működik a legjobban. A desztillációt sikeresen alkalmazták a nehézvíz előállításának utolsó lépéseként.
Az elektrolízis egyetlen alkalmazási területe a nehézvíz előállítása . A víz elektrolízise során főleg a „könnyű” molekulák (közönséges hidrogénnel ) gázokká válnak szét . A deutérium kinyerésének ez a leghatékonyabb módja (7-nél nagyobb elválasztási tényező) olyan mennyiségű energiát igényel, hogy gazdasági okokból, ha alkalmazzák, akkor a tisztítás későbbi szakaszaiban.
Mivel a különböző tömegű ionok az oldatban különböző sebességgel mozognak (az impulzusmegmaradás törvénye) ugyanabban az elektromos térben, amikor az elektroforézist a folyadékáram ellen irányítjuk, könnyen kiválasztható a gélszűrés és az elektroforézis sebességének aránya, amelynél csak Az urán-235-öt redukálják az uránleválasztó katódon, vagy a lítium-6-ot a lítium esetében.
Ha ugyanilyen erőfeszítéssel felgyorsítjuk az atommagokat, akkor a könnyű atommagok nagyobb sebességre tesznek szert, mint a nehézek. A sebesség-leválasztás például két szinkronban forgó, sorba szerelt lemezen végezhető el. Az első lemezen egy rést vágnak, ami megszakítja a magok áramlását. A második korongon a résen átrepült atomok leülepednek. Ebben az esetben a süllyedési zónák az atommagok sebességétől függenek. Az atommagok állandó erejű gyorsítása töltött részecskegyorsítón történik .
Az uránizotóp-leválasztó üzem kapacitása több ezer SWU -ban évente a WNA piaci jelentése szerint .
| Ország | Vállalat, üzem | 2012 | 2013 | 2015 | 2018 | 2020 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Oroszország | Rosatom | 25000 | 26000 | 26578 | 28215 | 28663 |
| Németország, Hollandia, Anglia | URENCO | 12800 | 14200 | 14400 | 18600 | 14900 |
| Franciaország | Orano | 2500 | 5500 | 7000 | 7500 | 7500 |
| Kína | CNNC | 1500 | 2200 | 4220 | 6750 | 10700+ |
| USA | URENCO | 2000 | 3500 | 4700 | ? | 4700 |
| Pakisztán, Brazília, Irán, India, Argentína | 100 | 75 | 100 | ? | 170 | |
| Japán | JNFL | 150 | 75 | 75 | ? | 75 |
| USA | USEC : Paducah & Piketon | 5000 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Teljes | 49000 | 51550 | 57073 | 61111 | 66700 |
| Nukleáris technológiák | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Mérnöki | |||||||
| anyagokat | |||||||
| Atomenergia _ |
| ||||||
| nukleáris gyógyszer |
| ||||||
| Atomfegyver |
| ||||||
| |||||||