Isotopseparation er en teknologisk proces til at ændre isotopsammensætningen af et stof, der består af en blanding af forskellige isotoper af et kemisk grundstof . Fra en blanding af isotoper eller kemiske forbindelser opnås to blandinger ved processens output: en med et øget indhold af den nødvendige isotop (beriget blanding), den anden med et reduceret indhold (mager blanding).
Hovedanvendelsen af isotopseparationsprocessen er berigelse af uran med isotopen 235 U til fremstilling af nukleart brændsel, nukleare materialer af våbenkvalitet og andre anvendelser, der involverer brug af radioaktive stoffer.
Det industrielle arbejde med isotopadskillelse måles i separationsarbejdsenheder (SWU). For en vis ændring i isotopsammensætningen af en bestemt startblanding kræves den samme mængde SWU, uanset isotopseparationsteknologien.
Adskillelsen af isotoper (for eksempel ekstraktion af 6 Li , 235 U , D ) er altid forbundet med betydelige vanskeligheder og energiomkostninger, fordi isotoper , som er variationer af et grundstof , der afviger lidt i masse , kemisk opfører sig næsten ens. Men hastigheden af nogle reaktioner er lidt anderledes afhængigt af massen af elementets isotop, derudover kan du bruge forskellen i deres fysiske egenskaber - for eksempel i masse .
Da forskellene i isotopers egenskaber er så små, bliver stoffet i et adskillelsestrin beriget med hundrededele af en procent i målisotopen, og derfor er det nødvendigt at gentage separationsprocessen mange gange.
Teknologisk udføres dette ved successivt at føre volumenet af isotoper, der skal adskilles, gennem celler af samme type, der producerer separation - de såkaldte kaskader. For at opnå den nødvendige grad af adskillelse kan der være flere tusinde kaskader forbundet i serie, og for at opnå det nødvendige volumen - titusinder og hundredtusinder af sådanne serier af kaskadegrupper forbundet parallelt.
To faktorer påvirker ydeevnen af et sådant kaskadesystem: den nødvendige berigelsesgrad på hvert trin og tabet af målisotopen i affaldsstrømmen.
Lad os forklare den anden faktor. Ved hvert berigelsestrin opdeles flowet i to dele - beriget og udtømt i den ønskede isotop. Da berigningsgraden er ekstremt lav, kan den samlede masse af isotopen i det brugte råmateriale overstige dens masse i det berigede produkt. For at undgå et sådant tab af råmaterialer går den udtømte strøm af hvert efterfølgende trin ind i input fra den forrige igen.
Kildematerialet kommer ikke ind i den første fase af kaskaden. Det introduceres i systemet med det samme til et eller andet, n'te trin. På grund af dette fjernes materiale, der er stærkt udtømt i hovedisotopen, fra det første trin.
Under alle omstændigheder afhænger mængden af produceret beriget materiale af den ønskede berigelsesgrad og magerhed af udgangsstrømmene. Hvis det oprindelige stof er tilgængeligt i store mængder og billigt, kan kaskadens produktivitet øges ved sammen med affaldet at kassere en stor mængde af det uekstraherede nyttige element (for eksempel produktionen af deuterium fra almindeligt vand). Når det er nødvendigt, opnås en stor grad af ekstraktion af isotopen fra råmaterialet (f.eks. ved berigelse af uran ). [en]
Metoden til elektromagnetisk adskillelse er baseret på den samme kraft af vekselvirkning mellem et eksternt magnetfelt og ligeligt elektrisk ladede partikler. Med den samme virkningskraft på partikler af forskellig masse vil partiklernes bevægelse være forskellig. For eksempel vil banen for lige ladede ioner med samme kinetisk energi, der bevæger sig i et magnetfelt, afhænge af deres masse. Ved at placere fælderne på passende installationssteder er det muligt at opsamle ionstråler fra de isotoper, der skal adskilles. Faktisk er sådanne faciliteter, kaldet calutroner ( calutron ), store massespektrometre . I dem beskriver ioner af adskilte stoffer, der bevæger sig i et stærkt magnetfelt, baner langs cirkler med radier proportionale med deres masser og falder i fælder (modtagere), hvor de akkumuleres.
Denne metode gør det muligt at adskille enhver blanding af isotoper med tætte masser og har en meget høj grad af adskillelse. Normalt er det tilstrækkeligt at gentage separationsprocessen to gange for at opnå en berigelsesgrad på over 80 % fra et stof, der er fattigt på målisotopen (med et initialt målisotopindhold på mindre end 1 %). Imidlertid er elektromagnetisk adskillelse ikke teknologisk avanceret i industriel produktion: det meste af stoffet adskilt af isotoper aflejres på væggene i calutronens vakuumhulrum, så det skal med jævne mellemrum stoppes for vedligeholdelse. Også ulemper er højt strømforbrug, kompleksitet og høje vedligeholdelsesomkostninger, lav produktivitet. Metodens hovedanvendelsesområde er fremstilling af små mængder meget rene isotopprøver til videnskabelig forskning. Ikke desto mindre, på trods af teknologiske vanskeligheder, blev Y-12- installationen under Anden Verdenskrig bygget , som i januar 1945 nåede en daglig produktivitet på 204 g uran med en koncentration på U-235 i det på 80%.
Metodens effektivitet . Et anlæg, der producerer 50 kg højt beriget uran-235 om året ved elektromagnetisk adskillelse, anslås at forbruge omkring 50 MW elektricitet [2] .
Denne metode bruger forskellen i bevægelseshastighederne for gasmolekyler med forskellige masser. Metoden er kun egnet til stoffer i gasform.
Essensen af metoden er baseret på forskellen i diffusionskoefficienten gennem porøse legemer for molekyler med forskellige masser på grund af forskellen i deres gennemsnitlige hastigheder, lettere molekyler diffunderer lettere. I praksis bruges porøse legemer, hvor diameteren af porøse kanaler er meget mindre end den gennemsnitlige frie vej for molekyler - den såkaldte Knudsen-diffusion .
Graden af adskillelse i diffusionsmetoden er proportional med kvadratroden af forholdet mellem atommasserne af molekyler med forskellige isotoper, så separationseffektiviteten falder med en stigning i isotopernes atommasse.
En vis teknologisk vanskelighed ved denne metode er også fremstillingen af porøse membraner til adskillelse med typiske porediametre på ti til hundredvis af nanometer med en lille spredning i effektiv diameter. Membranerne bør ikke tillade utætheder gennem makroskopiske lækager, modstå et stort trykfald og være modstandsdygtige over for ætsende fluorholdige stoffer, når de bruges til at adskille uranisotoper.
Der er flere metoder til at opnå porøse membraner, for eksempel:
Membranerne blev normalt lavet i form af rør op til flere meter lange. Fra flere hundrede rør samles en separationskaskade.
For nogle lette grundstoffer kan adskillelsesgraden være ret stor, men for uran er den kun 1,00429 (udgangsstrømmen fra hvert trin beriges med en faktor på 1,00429). For at opnå høje grader af berigelse blev nogle gange flere tusinde adskillelseskaskader af samme type forbundet i serie. I betragtning af at en typisk industriel kaskade optog et areal på op til 100 m 2 eller mere, viser gasdiffusionsberigelsesvirksomheder sig at være cyklopiske i størrelse.
Relativt store gastryktab på membranerne og størrelsen af installationerne førte til et stort energiforbrug til kompressordrevet. Derudover var der enorme mængder teknologisk uranhexafluorid på anlægget, og separationsprocessen var lang, nogle gange gik der flere uger fra opstart af anlægget til produktion af det første produkt, hvor hexafluoridet sekventielt fyldte hulrummene i alle kaskader. Denne omstændighed stillede meget alvorlige krav til udstyrets pålidelighed, fordi svigt af selv en kaskade kunne få hele kæden af kaskader til at stoppe. For at minimere skaderne fra teknologiske nedlukninger var kaskaderne udstyret med automatisk styring af funktionaliteten og redundansen af den fejlslagne kaskade.
I dette tilfælde bruges igen forskellen i molekylernes hastigheder. De lettere, i nærværelse af en temperaturforskel, har en tendens til at ende i et varmere område. Separationsfaktoren afhænger af forholdet mellem forskellen i massen af isotoper og den samlede masse og er større for lette elementer. På trods af sin enkelhed kræver denne metode meget energi for at skabe og vedligeholde opvarmning. I begyndelsen af den nukleare tidsalder var der industrielle installationer baseret på termisk diffusion. [3] I øjeblikket ikke udbredt i sig selv, men ideen om termisk diffusion bruges til at øge effektiviteten af gascentrifuger .
Ideen om centrifugal adskillelse begyndte at blive aktivt udviklet under Anden Verdenskrig. Men vanskelighederne med at optimere teknologien forsinkede dens udvikling, og i vestlige lande blev der endda afsagt en dom om metodens økonomiske nytteløshed. I USSR begyndte den industrielle introduktion af centrifugeteknologi også først efter den industrielle udvikling af gasdiffusion.
Hvis en gasformig blanding af isotoper ledes gennem højhastighedsgascentrifuger , vil centrifugalkraften adskille lettere eller tungere partikler i lag, hvor de kan opsamles. Den store fordel ved centrifugering er, at separationsfaktoren afhænger af den absolutte forskel i massen, og ikke af masseforholdet. Centrifugen fungerer lige godt med både lette og tunge elementer. Adskillelsesgraden er proportional med kvadratet af forholdet mellem omdrejningshastigheden og hastigheden af molekylerne i gassen. Herfra er det meget ønskeligt at centrifugere centrifugen så hurtigt som muligt. Typiske lineære hastigheder for roterende rotorer er 250-350 m/s og mere end 600 m/s i avancerede centrifuger. Trykforskellen ved centrifugens akse og ved ydervæggen kan nå titusindvis af gange, så centrifugekaskader arbejder ved lave tryk for at undgå kondensering af hexafluorid. For at forbedre adskillelse ved termisk diffusion i centrifuger skabes en temperaturgradient på flere titusgrader langs centrifugens akse.
En typisk separationsfaktor er 1,01 - 1,1. Sammenlignet med gasdiffusionsinstallationer har denne metode et reduceret strømforbrug, større lethed ved at øge effekt. På nuværende tidspunkt er gascentrifugering den vigtigste industrielle metode til isotopadskillelse i Rusland.
Denne metode kan betragtes som en variant af centrifugering, men i stedet for at hvirvle gassen i en centrifuge, hvirvler den, når den kommer ud af en speciel dyse, hvor den tilføres under tryk. Denne teknologi, baseret på vortex-effekten , er blevet brugt af Sydafrika og Tyskland.
Problemerne med teknologien var, at dysens radius var omkring 100 mikron, mens den samlede længde af dysen ved hvert industriel adskillelsestrin var hundreder og tusinder af meter. Denne længde blev samlet i stykker på flere ti til hundreder af centimeter. Ud over vanskelighederne ved at fremstille dyser var der problemet med en fortyndingsgas, såsom helium. Fortyndingsmidlet gjorde det muligt at holde uranhexafluorid i gasfasen ved høje tryk ved indløbet til de dyser, der var nødvendige for at skabe en højhastighedsstrøm i dysen. Fortyndingsmidlet og hexafluorid skulle adskilles ved produktionens udgang. Højtryk bestemte et betydeligt energiforbrug.
Laserseparation er ikke en uafhængig metode, men bruges til at forbedre ydeevnen af elektromagnetiske eller kemiske separationsmetoder. Metoden er baseret på selektiv ionisering af en af isotoperne ved elektromagnetisk stråling (f.eks. med laserlys). Ioniseringsselektivitet er baseret på resonans (smalbånds) absorption af lys af atomer; forskellige isotoper har forskellige strålingsabsorptionsspektre. Det betyder, at det er muligt at vælge sådanne bestrålingsparametre, hvor atomer af en given isotop overvejende er ioniseret. Yderligere ioniserede atomer kan adskilles, for eksempel i et magnetfelt ( AVLIS). Derudover kan ionisering af atomer ændre hastigheden af kemiske reaktioner, for eksempel ved at lette nedbrydningen af visse kemiske forbindelser ( MLIS). [3]
Laserseparationsteknologi er blevet udviklet siden 1970'erne af mange lande [4] og anses for lovende, men er stadig ikke gået ud over forskningens omfang. I 1990'erne var der et program i USA for at studere laserberigelse med elektromagnetisk separation på et forsøgsanlæg, men det blev lukket. I øjeblikket udføres der i USA et forskningsprogram [5] på et demonstrationsanlæg for en af varianterne af laserberigelse med kemisk separation kaldet SILEX.. Teknologien blev udviklet i 1992 af det australske firma Silex. [6] Siden 2006 er Silex-teknologien blevet udviklet af Global Laser Enrichment LLC. [7] For 2019 fortsætter virksomheden eksperimentelt arbejde. [otte]
Kemisk berigelse udnytter forskellen i hastigheden af kemiske reaktioner med forskellige isotoper. Det fungerer bedst ved adskillelse af lette elementer, hvor forskellen er væsentlig. I industriel produktion anvendes reaktioner, der foregår med to reagenser i forskellige faser (gas/væske, væske/fast, ublandbare væsker). Dette gør det nemt at adskille rige og magre vandløb. Ved yderligere at anvende temperaturforskellen mellem faserne opnås en yderligere forøgelse af separationsfaktoren. I dag er kemisk adskillelse den mest energibesparende teknologi til fremstilling af tungt vand. Ud over produktionen af deuterium bruges det til at udvinde 6 Li. I Frankrig og Japan udviklede man metoder til kemisk berigelse af uran, som aldrig nåede industriel udvikling.
Destillation (destillation) bruger forskellen i kogepunkter for isotoper med forskellige masser. Normalt, jo mindre massen af et atom er, jo lavere er kogepunktet for denne isotop . Igen fungerer dette bedst på lette elementer. Destillation er med succes blevet brugt som det sidste trin i produktionen af tungt vand.
Det eneste anvendelsesområde for elektrolyse er produktionen af tungt vand . Under elektrolysen af vand adskilles hovedsageligt "lette" molekyler (med almindelig brint ) i gasser. Denne mest effektive metode til at opnå deuterium (en separationsfaktor på mere end 7) kræver en sådan mængde energi, at den af økonomiske årsager, hvis den bruges, så på de senere trin af oprensningen.
Da ioner af forskellig masse bevæger sig i opløsning med forskellige hastigheder (loven om bevarelse af momentum) i det samme elektriske felt, når elektroforese er rettet mod væskestrømmen, er det let at vælge forholdet mellem gelfiltrerings- og elektroforesehastigheder, hvor kun uran-235 vil blive reduceret på katoden for uran separator eller lithium-6 for lithium.
Hvis vi accelererer kernerne af atomer med samme indsats, vil lette kerner opnå større hastighed end tunge. Hastighedsadskillelse kan for eksempel udføres på to synkront roterende diske installeret i serie. En spalte skæres i den første skive, hvilket gør strømmen af kerner diskontinuerlig. På den anden skive vil de atomer, der er fløjet gennem spalten, sætte sig. I dette tilfælde vil indsynkningszonerne afhænge af kernernes hastighed. Acceleration af kerner med konstant kraft udføres ved en ladet partikelaccelerator .
Uranisotopseparationsanlægs kapacitet i tusindvis af SWU om året ifølge WNA Market Report .
| Land | Firma, fabrik | 2012 | 2013 | 2015 | 2018 | 2020 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Rusland | Rosatom | 25.000 | 26000 | 26578 | 28215 | 28663 |
| Tyskland, Holland, England | URENCO | 12800 | 14200 | 14400 | 18600 | 14900 |
| Frankrig | 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 | 5000 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| i alt | 49000 | 51550 | 57073 | 61111 | 66700 |
| Nukleare teknologier | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ingeniørarbejde | |||||||
| materialer | |||||||
| Atomkraft _ |
| ||||||
| nuklear medicin |
| ||||||
| Atomvåben |
| ||||||
| |||||||