СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКООБОГАЩЕННЫХ ИЗОТОПОВ ИРИДИЯ Российский патент 2009 года по МПК B01D59/00 B01D59/20 C01G55/00 

Изобретение относится к разделению изотопов элементов и может быть использовано для получения высокообогащенных изотопов иридия.

Иридий, элемент восьмой группы таблицы Д.И.Менделеева, имеет два стабильных изотопа с молекулярными массами 191 а.е.м. и 193 а.е.м., концентрации в природном иридии этих изотопов составляют 37,3% и 62,7% соответственно. Изотоп иридий-191 представляет интерес для проведения физических исследований.

Известно использование для обогащения изотопов двухфазных физико-химических методов разделения в аппаратах колонного типа - изотопный обмен, криогенная дистилляция.

Этот класс методов разделения изотопов основан на различии для разных изотопов разделяемого элемента характеристик физико-химических процессов для соединений, содержащих разделяемые элементы [1]. Эти методы требуют поиска не только соответствующих химических соединений, но прежде всего - подходящих химических реакций или физических процессов. Как правило, это удается только для случая разделения легких элементов - водород, азот, кислород, углерод, бор и т.п., а разделительный эффект процесса достаточно слабо связан с молекулярными массами изотопов элемента. Кроме того, применение аппаратов колонного типа связано с требованием участия в процессе большого количества вещества и эффективно только при большой производительности установки.

Известен также [2] и широко используется для получения стабильных изотопов различных элементов метод электромагнитной сепарации. В этом методе атомы разделяемого на изотопы элемента ионизируются электронным пучком и в электростатическом поле, затем ионизированный пучок поступает в разделительную установку. В установке, в плоскости, перпендикулярной плоскости движения пучка ионов, создается поперечное электромагнитное поле. При движении заряженной частицы в таком поле, перпендикулярно направлению ее полета на нее действует сила, пропорциональная отношению µ/е, где µ - молекулярная масса иона с зарядом е. Поэтому появляется физический эффект пространственного разделения ионов элемента с разной молекулярной массой и, соответственно, расщепление в электромагнитном поле первоначального пучка на ряд пучков в зависимости от молекулярной массы иона, то есть в зависимости от молекулярной массы соответствующего изотопа элемента. На выходе установки эти пучки селективно осаждаются или улавливаются. Этот метод является наиболее универсальным и принципиально не пригоден только для разделения изотопов инертных газов в связи с проблемой селективного улавливания разделенных фракций. Однако из-за сравнительно малых количеств элемента, с которыми могут работать установки электромагнитной сепарации, допустимая плотность пучка ионов в вакууме ограничена, получаемые количества изотопов миллиграммы, сотни миллиграмм.

Технической задачей изобретения является получение высокообогащенных, более 99%, изотопов иридия-191, 193.

Техническое решение задачи заключается в использовании метода центрифугирования для разделения изотопов иридия, причем в качестве рабочего вещества используется фторсодержащее соединение иридия - тетра(трифторфосфин)гидрид иридия, (PF₃)₄IrH.

Центробежный метод разделения изотопов по сравнению с рассмотренным выше методом разделения изотопов в аппаратах колонного типа имеет существенные преимущества по коэффициенту обогащения, который зависит только от разности молекулярных масс изотопов, по количеству исходного вещества, которое должно участвовать в процессе разделения и является более универсальным, поскольку требует только наличия подходящего газообразного соединения разделяемого элемента. По сравнению с методом электромагнитной сепарации преимущества центробежного метода в энергоемкости существенно больше производительности установок и в возможности умножения эффекта разделения на одиночной газовой центрифуге. Главной проблемой для возможности применения центробежного метода является наличие газообразного соединения элемента, удовлетворяющего ряду условий по молекулярной массе соединения, по упругости насыщенного пара при комнатной температуре, уровню термической стабильности, уровню допустимой химической активности по отношению к материалам центробежной установки разделения, возможности разработки технологии проведения разделительного процесса и т.д.

Получение высоких концентраций изотопа иридия в поставленной задаче решается при обогащении газообразного соединения иридия в газовой центрифуге. В качестве соединения иридия, удовлетворяющего условиям термической и химической стабильности, имеющего давление газа более 5-10 мм рт.ст. при комнатной температуре, может быть использован (PF₃)₄IrH - тетра(трифторфосфин)гидрид иридия, синтезированный из элементов Ir, P, F, Н с природным изотопным составом. Элементы Р и F, входящие в соединение, имеют по одному изотопу, водород - два изотопа, иридий - два изотопа, поэтому тетра(трифторфосфин)гидрид иридия имеет 4 компоненты с молекулярными массами от 544 до 547. При этом каждый из изотопов иридия распределен в нескольких компонентах соединения с разными массами, но в компоненту с молекулярной массой 544 входит только изотоп иридий-191, поэтому при выделении данной компоненты возможно получение его концентрации до 100%.

Принцип работы газовой центрифуги заключается в разделении газовой смеси в центробежном поле быстровращающегося ротора и в умножении этого эффекта по высоте ротора. При этом разделительный эффект, как и для случая электромагнитной сепарации, определяется разностью молекулярных масс µ компонент разделяемой смеси. Для разделения стабильных изотопов используются специально разработанные газовые центрифуги.

Умножение эффекта разделения достигается каскадированием - последовательным соединением газовых центрифуг (чертеж). Длина каскада - количество ступеней определяется необходимой степенью концентрирования изотопов. Ширина каскада - количество центрифуг в ступенях определяет количество производимого изотопа.

Способ получения обогащенных изотопов иридия осуществляется следующим образом.

Синтезированный из иридия природного состава изотопов рабочий газ - тетра(трифторфосфин)гидрид иридия, (PF₃)₄IrH, подается в каскад газовых центрифуг в ступень S. Отбор фракции, обогащенной легкими компонентами (PF₃)₄IrH, производится из ступени К, величина потока отбора - Wл. Отбор фракции, обогащенной тяжелыми компонентами (PF₃)₄IrH, производится из ступени 1, величина потока отбора - Wт.

Подбирая длину каскада, отношение потоков отбора фракций Wn/Wr и величину потока питания каскада F=Wл+Wт, можно обеспечить получение наиболее легкой компоненты (PF₃)₄IrH с молекулярной массой 544 с концентрацией вплоть до 100%. В этой компоненте газовой смеси содержатся только изотопы: иридий-191, фтор-19, фосфор-31 и водород-1. Поэтому концентрация изотопа иридий-191 после химической переработки полученного отбора легкой фракции каскада (PF₃)₄IrH в товарную форму хранения и поставки изотопа иридий-191 будет равна концентрации компоненты с молекулярной массой 544 в отборе Wл каскада.

В таблице представлено распределение по массам молекул тетра(трифторфосфин)гидрида иридия природного состава и распределение изотопов иридия ¹⁹¹Ir, ¹⁹³Ir по массовым компонентам.

Таблица Распределение молекул тетра(трифторфосфин)гидрида иридия природного состава изотопов по массовым компонентам и распределение изотопов ¹⁹¹Ir, ¹⁹³Ir по массовым компонентам. Молекулярная масса Распределение молекул тетра(трифторфосфин)гидрида иридия природного состава по массовым компонентам Распределение изотопа ¹⁹¹Ir в соответствующей компоненте Распределение изотопа ¹⁹³Ir в соответствующей компоненте а. е. м. % 544 37,29 100,00 0,00 545 5,59·10^-3 100,00 0,00 546 62,69 0,00 100,00 547 9,41·10^-3 0,00 100,00

Способ получения высокообогащенного изотопа иридий-191 осуществляется следующим образом.

Из соединений иридия, водорода, фтора и фосфора с природной концентрацией изотопов синтезируется рабочее вещество - тетра(трифторфосфин)гидрид иридия.

Тетра(трифторфосфин)гидрид иридия, (PF₃)₄IrH, синтезируется нагреванием галоидной соли иридия (трихлорида или трибромида иридия) с трифторфосфином в присутствии восстанавливающего агента (меди или серебра) и водорода [3]. Вещество термически устойчиво, не разлагается на воздухе, взрывобезопасно и не оказывает корродирующего действия на конструкционные материалы.

Газ подается в каскад газовых центрифуг, настраивается режим работы каскада и происходит разделение исходного газа (PF₃)₄IrH на две фракции - «легкую» фракцию, содержащую преимущественно компоненту с молекулярной массой 544 и следы компоненты с молекулярной массой 545, и «тяжелую» фракцию, в которой компонента с молекулярной массой 544 практически отсутствует.

Техническим результатом применения предложенной технологии явилось получение изотопов ¹⁹¹Ir с концентрацией более 99,9%.

Литература

1. Изотопы: свойства, получение, применение. Под/ред. В.Ю.Баранова М.: ИздАТ, 2000, стр.167.

2. Изотопы: свойства, получение, применение. Под/ред. В.Ю.Баранова М.: ИздАТ, 2000, стр.220.

3. T.Kruck, Angewandte Chemie Int.Ed.Engl., 6, 53, 1967.

Изобретение предназначено для ядерной техники. Высокообогащенные изотопы иридия получают методом центрифугирования на разделительных каскадах газовых центрифуг с использованием тетра(трифторфосфин)гидрида иридия в качестве рабочего вещества. Получают изотопы ¹⁹¹Ir с концентрацией более 99,9%. 1 табл., 1 ил.

Способ получения высокообогащенных изотопов иридия, в котором разделительный эффект определяется разностью молекулярных масс изотопов иридия, отличающийся тем, что для разделения изотопов иридия применен метод центрифугирования, а в качестве иридийсодержащего газообразного соединения используется тетра(трифторфосфин)гидрид иридия.