СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ ИЗОТОПОВ ЩЕЛОЧНОГО МЕТАЛЛА Российский патент 1999 года по МПК B01D59/34 

Изобретение относится к разделению изотопов, в частности к способам разделения изотопов щелочных металлов фотохимическими методами.

Известен способ разделения изотопов щелочного металла, в частности калия, включающий ионизацию его паров, выведение ионов из зоны ионизации электрическим полем и разделение их по массам в магнитном поле (см. J. Appl. Phys., v.24, N10, p.1255-1261, 1953).

Основными недостатками известного способа является низкая степень использования исходного продукта и невысокая производительность. Так, например, в 1 кг калия содержится 117 мг изотопа ⁴⁰К, из которого известным способом удастся извлечь только 5-15%, т.е. 6-18 мг. Это связано со сложностью получения пучка ионов высокой интенсивности в калютроне и производительность не превышает нескольких десятков грамм изотопа в год. Промышленное использование способа малоперспективно.

Наиболее близким к заявляемому (прототипом) является способ разделения изотопов щелочного металла, в частности рубидия, включающий селективное возбуждение паров щелочного металла узкополосным импульсным источником излучения на частоте изотопической компоненты, дальнейшей его фотоионизацией с возбужденного состояния мощным импульсным источником излучения и с последующим извлечением образовавшихся изотопов электрическим полем (см. ЖТФ, т. 70, вып. 5, с. 1660-1673, 1976).

Известный способ также практически осуществим лишь в лабораторных условиях из-за технической сложности, обусловленной необходимостью создания высоких пиковых мощностей ионизирующего излучения, которые технически достижимы лишь при импульсном источнике. Необходимость применения двух источников ионизирующего излучения, работающих синхронно, значительно усложняет реализацию данного метода.

Кроме того, перезарядка ионов и нелинейные эффекты при распространении мощного излучения в среде значительно снижают коэффициент обогащения получаемого продукта.

Целью заявляемого способа является устранение указанных недостатков, а именно повышение коэффициента обогащения получаемого продукта и возможность промышленного осуществления разделения изотопов.

Согласно изобретению в способе разделения изотопов щелочного металла, включающем селективное возбуждение паров щелочного металла узкополосным источником излучения на частоте изотопической компоненты с последующим извлечением образовавшихся изотопов, это достигается тем, что после селективного возбуждения проводят фотохимическую реакцию в замкнутом объеме в присутствии газа-реагента при общем давлении паров в зоне реакции не превышающем 20 тopр, при этом само облучение проводят в непрерывном режиме.

Селективное возбуждение паров щелочного металла узкополосным источником излучения на частоте изотопической компоненты в непрерывном режиме с одновременным проведением фотохимической реакции для возбужденных изотопов в присутствии газа-реагента создает условия для получения максимально возможного количества выбранного типа изотопов при минимальной энергетике процесса облучения и позволяет в качестве узкополосного источника излучения использовать непрерывный лазер. Проведение реакции при общем давлении паров в зоне реакции, не превышающем 20 тoрp, позволяет исключить реакцию между атмосферой воздуха и полученными изотопами.

Предпочтительно в качестве газа-реагента использовать водород. При этом в качестве одного из продуктов реакции будет изотоп щелочного металла, а в качестве другого - гидриды изотопа.

Выгодно извлечение образовавшегося изотопа осуществить его конденсацией в охлаждаемой зоне, с последующей ее герметизацией, исключив при этом непосредственный контакт изотопов с атмосферой воздуха.

Целесообразно извлечение образовавшегося изотопа методом его дезактивации до получения продуктов, стабильных в атмосфере воздуха, например в атмосфере газа-дезактиватора, в качестве которого может быть использован хлористый водород.

Проведение разделения изотопов щелочного металла заявляемым способом, значительно повышающим коэффициент обогащения получаемого продукта и позволяющим существенно упростить технологию разделения изотопов, а значит сделать ее доступной для промышленного применения, не имеет аналогов в технике разделения изотопов, а значит соответствует критерию "изобретательский уровень".

На чертеже представлено устройство для реализации заявляемого способа, где: 1- источник излучения; 2 - реакционная ячейка с окном 3 для ввода излучения; 4 - нагреватель реакционной ячейки; 5 - канал для подачи газа-реагента в реакционную ячейку 2; 6 - камера для сбора остатков исходного продукта, соединенная каналом 7 с реакционной ячейкой; 8 - камера для исходного продукта, соединенная каналом 9 с реакционной ячейкой 2; 10 - нагреватель камеры с исходным продуктом; 11 - канал для откачки воздуха из реакционной ячейки 2; 12 - канал для подачи газа-дезактиватора в реакционную ячейку 2.

Устройство работает следующим образом. Реакционная ячейка 2, предварительно откаченная через канал 11 (до давления ≈ 10^-5 - 10^-6 тoрp) и нагретая нагревателем 4, с парами исходного продукта М, поступающего через канал 9 из камеры 8, нагретой нагревателем 10, освещается через окно 3 узкополосным излучением от источника 1 с частотой излучения ν, соответствующей выбранной изотонической компоненте исходного продукта. Изотопическая компонента переходит в возбужденное состояние М^* и вступает в реакцию с реагентом RN, поступающим по каналу 5,
М+RN+hν ---> М^* + RN ---> MR + N. (1)
Требуемый изотоп может содержаться как в виде соединения MR, так и в виде остатков исходного продукта М.

Остатки исходного продукта М конденсируют в ненагретой камере 6, связанной с реакционной ячейкой 2 каналом 7, после чего камера 6 герметизируется.

В случае если соединение MR химически активно на воздухе, для его дезактивации в реакционную ячейку 2 вводят через канал 12 газ-дезактиватор. Он вступает в реакцию с соединением MR
MR+BC--->MB+RC. (2)
Поскольку соединение MB, содержащее требуемый изотоп, пассивно на воздухе, можно разгерметизировать реакционную ячейку 2 и извлечь его.

Пример 1.

В качестве исходного продукта был взят металлический калий с природным содержанием изотопов. Требуемым изотопом являлся калий 40 (⁴⁰К). В качестве газа-реагента использован водород (H₂). Частота излучения (hν) соответствовала выбранной изотопической компоненте (λ = 4044,1 или 4047,2 ).

Исходная реакция:
⁴⁰K+H₂+hν--->⁴⁰K^*+H₂--->⁴⁰KH+H, (3)
H+^39,40,41К--->^39,40,41KH, (4)
H+H--->H₂. (5)
В результате этих реакций было получено соединение KH с содержанием требуемого изотопа более 50%. Содержание ⁴⁰K по сравнению с исходным продуктом было повышено более чем в 4000 раз.

Для дезактивации KH был использован газ-дезактиватор - хлористый водород (HCl)
KH+HCl--->KCl+H₂. (6)
Пример 2.

В качестве исходного продукта был взят металлический рубидий с природным содержанием изотопов. Требуемым изотопом являлся рубидий 87 (⁸⁷Rb). В качестве газа-реагента использован водород (H₂). Частота излучения (hν) соответствовала выбранной изотопической компоненте (λ = 4201,9 или 4215,6 ).

Исходная реакция:
⁸⁵Rb+H₂+hν--->⁸⁵Rb+H₂--->⁸⁵RbH+H, (7)
H+^85,87Rb--->^85,87RbH, (8)
H+H--->H₂. (9)
Остатки исходного продукта в виде металлического рубидия конденсировались в камере 6. Содержание требуемого изотопа ⁸⁷Rb при этом составляло более 99%.

Заявляемый способ позволяет получать изотопы щелочных металлов в промышленных объемах. На одной установке с использованием источника излучения мощностью всего 1 Вт можно получить несколько килограммов изотопов в год, что существенно превосходит объемы получения изотопов известными методами.

Изобретение может быть использовано при разделении изотопов в промышленном масштабе. Металлический калий с природным содержанием изотопов помещают в реакционную ячейку, нагревают. Газ-реагент - водород. Узкопосный источник излучения облучает пары калия на частоте изотопической компоненты (4044,1 или 4047,2 ). Облучение проводят в непрерывном режиме. Общее давление паров водорода - не более 20 торр. Узкополосный источник излучения - непрерывный лазер. Образовавшиеся изотопы извлекают конденсацией в охлаждаемой зоне или дезактивацией до получения стабильных на воздухе продуктов. Содержание целевого изотопа ⁴⁰К более 50%, ⁸⁷Rb более 99%. Изобретение позволяет получать до нескольких килограммов изотопов в год с использованием источника излучения мощностью не более 1 Вт. 5 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Способ разделения изотопов щелочного металла, включающий селективное возбуждение паров щелочного металла узкополосным источником излучения на частоте изотопической компоненты с последующим извлечением образовавшихся изотопов, отличающийся тем, что после селективного возбуждения проводят фотохимическую реакцию в замкнутом объеме в присутствии газа-реагента при общем давлении паров в зоне реакции, не превышающем 20 торр, при этом само облучение проводят в непрерывном режиме. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве узкополосного источника излучения использован непрерывный лазер. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве газа-реагента использован водород. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что извлечение образовавшихся изотопов осуществляют их конденсацией в охлаждаемой зоне с последующей ее герметизацией. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что извлечение образовавшихся изотопов осуществляют методом их дезактивации до получения продуктов, стабильных в атмосфере воздуха. 6. Способ по п.5, отличающийся тем, что в качестве дезактиватора использован хлористый водород.