ПРОБЛЕМЫ РАЗДЕЛЕНИЯ СТАБИЛЬНЫХ ИЗОТОПОВ ЦЕНТРОБЕЖНЫМ МЕТОДОМ И ВОЗМОЖНЫЕ ПУТИ ИХ РЕШЕНИЯ

Маслов А.Ю., Власов В.А.

Научный руководитель: Вергун А.П., доктор ф.м.н., профессор, ТПУ, зав каф. 23 ФТФ ТПУ

Томский политехнический университет, г.Томск, Россия

В настоящее время все большее значение приобретает использование в науке и технике изотопов стабильных элементов, которые могут быть обогащены по нужному изотопу с помощью центробежного метода разделения.

Рабочее вещество для разделения изотопов стабильных элементов, как и для разделения изотопов делящихся элементов, во-первых, не должно вступать в химическое взаимодействие с поверхностями оборудования и претерпевать фазовые или химические превращения при прохождении через разделительный каскад. Это налагает ограничения как на конструкционные материалы ГЦ, так и на выбор рабочего соединения, которое должно быть неагрессивно к конструкционным материалам и достаточно химически устойчиво.

Во-вторых, рабочее соединение должно обеспечивать однозначное отделение требуемого изотопа разделяемого элемента, а так как разделение идет по молекулярным массам, то в соединении должно быть как можно меньше изотопных форм других элементов.

Поэтому по аналогии с разделением урана в качестве рабочих соединений для многих элементов используют их соединения с фтором, имеющим один изотоп. Однако при разделении изотопов элементов, гораздо более легких, чем уран, при этом получается большая потеря производительности, так как основная масса потока вещества приходится на фтор. Вместе с тем, рабочее вещество не должно быть слишком легким, чтобы не было превышения по мощности трения и проскока в зароторное пространство ГЦ.

Из данной ситуации в настоящее время выходят двумя путями:

Третий путь пока не разработан достаточно, состоит в поиске неорганических соединений с большой массой и большой массовой долей разделяемого элемента.

В случае же использования органических соединений встает проблема оперативного МС-анализа продукта, что необходимо для настройки и оперативной регулировки рабочего режима. В спектрах органических веществ (металлоорганика, углеводороды и др.) имеют место осколочные пики близких по массам веществ (примесей), искажающие реальное содержание того или иного изотопа. Прямой расчет из молекулярного масс-спектра дает большую погрешность, которую определяют подкладки компонент пиков, ионизированных в источнике ионов масс-спектрометра путем отрыва от молекулы органического соединения от одного до нескольких атомов (например, атомов водорода от молекулы бензола). Приходится экспериментальным путем (сравнивая с анализом в более простой химической форме) определять поправочный коэффициент для содержания того или иного изотопа.

При наличии в органическом (и не только) веществе изотопных форм других элементов, при МС-анализе сталкиваются с проблемой неравновесности молекулярного состава. Эта неравновесность возникает в процессе разделения и зависит от степени изотопного обмена в каскаде. До разделения в каскаде вещество имеет распределение изотопов по молекулярным массам, отвечающее статистическому.

Однако при прохождении каскада может происходить изотопный обмен между массами, в результате чего распределение нарушается. Для определения истинной концентрации изотопа, также приходится переводить элемент в более простое химическое соединение и заново снимать спектр, что снижает оперативность.

Для оперативного же анализа выход состоит в проведении исследований неравновесности и других искажающих спектр факторов для каждого используемого соединения и составлении на их основе методик МС-анализа.

Гидравлические и разделительные характеристики одной и той же ГЦ различны для газов с разной молекулярной массой, поэтому для каждого газа экспериментально снимают характеристики на различных режимах работы ГЦ (при разных потоках, температуре среды, частоте и т.д.). Но даже снятие всех характеристик на одиночной ГЦ не гарантирует, что они подтвердятся при работе на данном газе каскада из аналогичных ГЦ.

Изменение характеристик ГЦ в каскаде обусловлено влиянием гидравлики всего каскада, и прежде всего регулирующих устройств, а также зависит от возможности оптимальной загрузки ступеней каскада. Как правило, при разделении изотопов стабильных элементов имеют дело с относительно малыми межступенными потоками, что делает необходимым создание недорогих и точных регулирующих устройств, надежных для данных величин потоков.

Таким образом, для успешного развития технологии разделения изотопов стабильных элементов центробежным методом, необходимо использовать следующие пути решения возникающих проблем:

    1. Нахождение новых рабочих веществ, оптимальных для разделительного процесса, наряду с разработкой новых типов ГЦ, расширяющих диапазон пригодных к разделению соединений.
    2. Разработка методик оперативного МС-анализа органических рабочих веществ, либо эмпирических зависимостей для пересчета измеренного массового спектра в равновесный для определения истинного содержания изотопов в веществе.
    3. Проведение исследований разделительных и гидравлических характеристик ГЦ на данном газе не только на одиночной машине, но и на каскаде машин для выяснения влияния гидравлики каскада на характеристики.

Разработка регулирующих по потоку или давлению устройств, пригодных для малых (порядка 10-3…1 г/с) межступенных потоков и обеспечивающих оптимальную загрузку ступеней.

e-mail: asf@asf.e-burg.ru