УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ИЗОТОПОВ ГАДОЛИНИЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2020 года по МПК B01D59/30 B01D59/34 B01D59/50 

Изобретение относится к обращению с редкоземельными элементами, в частности к устройствам для разделения их изотопов, и может быть использовано для производства чистых стабильных и радиоактивных изотопов химических элементов для ядерного топливного блока в качестве выгорающей присадки для тепловыделяющих элементов.

Задачей стоящей в данной области техники, и на решение которой направлено изобретение, является выделение целевых нечетных изотопов Gd¹⁵⁵, Gd¹⁵⁷ из смеси других изотопов и других редкоземельных элементов.

Рассмотрим, как решают представленную задачу аналоги. Из предшествующего уровня техники известны аналогичные устройства, направленные на решение данной задачи.

Известны разделения изотопов, отличных от гадолиния, с использованием ионного обмена в непрерывном кольцеобразном хроматографе, которые представлены в патентах США: US №5098678 (МПК: C22B 34/10, публик.24.03.1992 г, Westinghouse Electric corp., Lee и др.), US №5110566 (МПК: C22B 34/10, публик.05.05.1992 г, Westinghouse Electric corp., Snyder и др.), US №5174971 (МПК: B01D 15/08, публик.29.12.1992 г, Westinghouse Electric corp., Snyder и др.).

Известен способ разделения изотопов гадолиния Gd¹⁵⁵, Gd¹⁵⁶ и/или Gd¹⁵⁷ (Патент ЕР №0173484, МПК: B01D 59/30, публик. 05.03.1986, Westinghouse Electric corp., Peterson и др.) от содержащих их смесей путем дискретного хроматографического процесса с использованием жидкостных хроматографических колонн, неподвижной фазы ионообменной смолы и подвижной фазы раствора элюента и последовательного разделения изотопов в одно и то же время.

Недостатком является то, что для более эффективного разделения изотопов требуется большое количество хроматографических колонн, тем самым повышается время прохождения раствора, а также высокие требования к материалам и к самой конструкции резервуара за счет использования азотной кислоты.

Наиболее близким аналогом по технической сущности и назначению является устройство для разделения изотопов гадолиния, описанный в способе (Патент RU №2167698, «Непрерывное стационарное хроматографическое разделение изотопов гадолиния (варианты)», МПК: B01D 59/30, G01N 30/96, публик.20.02.1999, Westinghouse Electric corp., Snyder, Peterson и др.). Устройство включает в себя хроматографическую колонну для заливки раствора ионов гадолиния и вымывающего раствора с подающими и выводящими раствор каналами, и размещенными в ней, ионообменниками Ионообменники выполнены из ионообменной смолы в виде монодисперсных шариков. Хроматографическая колонна выполнена кольцеобразной формы, а ее центральная полость ограничена внутренним цилиндром для приложения давления к слою смоляных шариков.

Проблемой известного решения является недостаточный для экономически оправданного промышленного получения гадолиния обогащенного по изотопу Gd^lS5, Gd¹⁵⁷, коэффициент разделения, а также высокие требования к материалам и к самой конструкции хроматографической колонны. Также для более эффективного разделения требуется раствор гадолиния пропускать через колонну n-количество раз, что увеличивает время получения целевых изотопов.

Техническим результатом изобретения является существенное повышение коэффициента разделения изотопов за счет уменьшения потерь целевых изотопов, а также упрощение изготовления и снижение стоимости материалов при сохранении эксплуатационных характеристик (надежности, ресурса работы) за счет снижения требований к материалам и к самой конструкции из-за использования неагрессивного химически нейтрального раствора.

Дополнительным техническим результатом является сокращение времени получения целевых изотопов.

Указанный технический результат достигается в двух вариантах устройства для разделения изотопов гадолиния.

Указанный технический результат в первом варианте достигается тем, что в устройстве для разделения изотопов гадолиния, включающем хроматографическую колонну для заливки раствора ионов гадолиния с подающими и выводящими раствор каналами, и размещенными в ней ионообменниками, новым является то, что снаружи хроматографической колонны установлен, по крайней мере, один источник ультрафиолетового излучения (далее УФ излучения) постоянной мощности, при этом стенка колонны со стороны размещения источника выполнена прозрачной для УФ излучения, а в самой хроматографической колонне по всей ее длине выполнены отсеки для размещения ионообменников, которые установлены с зазором относительно друг друга и образованы стенками самой колонны и сетками, причем одна из стенок колонны выполнена разъемной.

В отсеках ионообменники могут быть размещены с чередованием катионо- и анионо-обменников.

Указанный технический результат во втором варианте достигается тем, что в устройстве для разделения изотопов гадолиния, включающем кольцеобразную хроматографическую колонну для заливки раствора ионов гадолиния с подающими и выводящими раствор каналами, и ионообменниками, размещенными в периферийном кольцеобразном пространстве колонны, новым является то, что снаружи кольцеобразной хроматографической колонны и внутри образованной ею полости установлен, по крайней мере, один источник УФ излучения постоянной мощности, при этом стенки колонны со сторон размещения источников выполнены прозрачными для УФ излучения, также на двух противоположных внутренних стенках периферийного кольцеобразного пространства хроматографической колонны по всей ее длине на разных уровнях выполнены под углом кольцевые выступы, направленные к дну колонны, при этом в кольцеобразной хроматографической колонне дополнительно установлены подающие и выводящие каналы для ионообменников.

В обеих вариантах устройства в качестве раствора ионов гадолиния может быть использован водный раствор хлорида гадолиния GdCl₃, а в качестве источника УФ излучения постоянной мощности может быть использована эксимерная лампа.

Влияние отличительных признаков патентных формул на вышеуказанный технический результат.

Размещение снаружи и/или внутри хроматографической колонны, по крайней мере, одного источника ультрафиолетового излучения постоянной мощности и выполнение стенок колонны со сторон размещения источника прозрачной для УФ излучения, позволяет за счет спиновой эволюции ускорить процесс активации реакции изотопного обмена, что влияет на повышение коэффициента разделения изотопов, а также сокращает время их получения.

Выполнение в хроматографической колонне по всей ее длине отсеков для размещения ионообменников, которые установлены с зазором относительно друг друга и образованы стенками самой колонны и сетками, причем одна из стенок колонны выполнена разъемной, позволяет поместить в замкнутый объем отдельно катионо- и анионо-обменники для упрощения дальнейшего отделения получившихся в результате фотолиза ионов.

Размещение в отсеках ионообменников с чередованием катионо- и анионо-обменников, обеспечивает равномерное извлечение из раствора катионов и анионов, влияющий также на коэффициент разделения.

Выполнение под углом кольцевых выступов на двух противоположных внутренних стенках периферийного кольцеобразного пространства хроматографической колонны по всей ее длине на разных уровнях и направленных к ее дну, позволяет придать необходимое направление движения ионообменникам, равномерно распределив их по всей длине колонны.

Установка дополнительных подающих и выводящих каналов для ионообменников, позволяет регулировать поток поступления ионообменников в хроматографическую колонну для более эффективного извлечения ионов из раствора.

В качестве раствора ионов гадолиния использование водного раствора хлорида гадолиния GdCl₃, позволяет за счет неагрессивно-нейтральной ph-среды снизить требования к материалам и к самой конструкции. Также выбранный раствор обеспечивает низкое влияние других молекул на магнитный момент Gd, что также влияет на уменьшение потерь целевых изотопов.

Использование в качестве источника УФ излучения постоянной мощности эксимерной лампы, позволяет за счет достаточно широкой полосы в спектре излучения, перекрыть возможные отклонения в спектре поглощения Gd, обусловленные экранированием молекулами растворителя.

Предлагаемые конструкции вариантов реализации представлены на фиг. 1 и 2.

На фиг. 1 представлена конструкция устройства кюветы хроматографа с поочередным размещением ионообменников.

На фиг. 2 представлена конструкция устройства кюветы хроматографа с кольцевыми выступами.

На фигурах позициями обозначены: 1 - хроматографическая колонна, 2 - катионообменник, 3 - анионообменник, 4 - источник УФ-излучения постоянной мощности, 5, 5а - подающие каналы, 6, 6а - выводящие каналы, 7 - сетка, 8 - кольцевые выступы.

В первом варианте реализации устройство представляет собой хроматографическую колонну 1 для заливки раствора ионов гадолиния с подающими 5 и выводящими 6 раствор каналами, и размещенными в ней ионообменниками. В колонне по всей ее длине размещают отсеки для размещения ионообменников 2,3, установленные с зазором относительно друг друга и образованные стенками самой колонны 1 и сетками 7, причем одна из стенок колонны выполнена разъемной для помещения и извлечения ионообменников. В отсеках ионообменники размещены с чередованием катионо- и анионо-обменников. При этом снаружи хроматографической колонны напротив зазора между отсеками установлены источники УФ излучения постоянной мощности 4 в виде эксимерных ламп. Стенка колонны со стороны размещения источников выполнены из прозрачного стекла.

Во втором варианте реализации устройство представляет собой кольцеобразную хроматографическую колонну 1 для заливки раствора ионов гадолиния с подающими 5 и выводящими 6 раствор каналами, и ионообменниками, размещенными в периферийном кольцеобразном пространстве колонны. Снаружи кольцеобразной хроматографической колонны и внутри образованной ею полости установлен источник УФ излучения постоянной мощности 4, при этом стенки колонны со сторон размещения источников выполнены прозрачными для УФ излучения. Также на двух противоположных внутренних стенках периферийного кольцеобразного пространства хроматографической колонны по всей ее длине на разных уровнях выполнены под углом кольцевые выступы 8, направленные к дну колонны. В кольцеобразной хроматографической колонне 1 дополнительно установлены подающие 5а и выводящие 6а каналы, для ионообменников.

В обоих вариантах исполнения ионообменники представляют собой катионообменную и анионообменную смолы в виде монодисперсного распределения сферических шариков, имеющих средний размер приблизительно 10-50 мкм. и имеют обменную способность между 0,1 и 0,5 м-экв для катионов и анионов. В качестве вымывающего раствора для катионообменника используют лимонную или гликолевую кислоту с концентрацией 0,25М, а для анионообменника - гидроксид калия (КОН) с концентрацией 0.32М.

Подающий канал 5 выполнен в виде входного сопла для загрузки раствора ионов гадолиния, а подающий канал 5а - в виде входного сопла для загрузки ионообменников. Выводящий канал 6 выполнен в виде выходного сопла для вывода обедненного раствора ионов гадолиния, а выводящий канал 6а в виде выходного сопла для вывода ионообменников. В качестве раствора ионов гадолиния используют хлорид гадолиния (GdCl₃), который растворяют в бидистиллированной воде до концентрации 2М.

Для извлечения ионов из раствора необходимо выбрать конкретный тип ионообменника. Для разделения катионов (Gd³⁺) и анионов (Cl^-) могут быть использованы как катионообменники (ионы Cd поглощаются, ионы Cl остаются в растворе), так и анионообменники (ионы Cl поглощаются, ионы Cd остаются в растворе). Для выделения Cd подходят марки сильнокислотных ионообменников: Dowex 50-Х8, Dowex AG 50W-X8, Dowex 50W-X12, Dowex 50-X16, КУ-2. Для выделения ионов Cl подходят следующие марки сильноосновных ионообменников: Dowex 1-Х4, Dowex 1-Х 10, Amberlite CG-400 в ОН-форме, Amberlite IRA-401, Amberlite SB-2 (ионообменная бумага), AB-17.

Устройство работает следующим образом. В первом варианте реализации (фиг. 1) в хроматографическую колонну через подающий канал 5 заливают раствор ионов гадолиния, содержащего смесь изотопов, который подвергают сначала непрерывному облучению источником УФ-излучения постоянной мощности 4. После чего раствор пропускают через катионообменник 2, затем снова раствор подвергают облучению УФ излучением и пропускают через анионообменник 3 и т.д. Во втором варианте реализации (фиг. 2) раствор ионов гадолиния, содержащего смесь изотопов, заливают в периферийное кольцеобразное пространство колонны через подающий канал 5 под давлением 1 атм. Туда же, через подающий канал 5а, регулируя поток, помещают катионо- и анионо-обменники 2,3, где они с помощью размещенных там кольцевых выступов равномерно распределяются по всей длине колонны. При этом внутри и снаружи колонны осуществляют непрерывное облучение источником УФ-излучения постоянной мощности 4.

Организацию регулируемого потока предусматривают изменением угла наклона хроматографической колонны, либо дозирующим устройством (на фиг не показано) на выходе из колонны, либо с возможностью организации избыточного давления в пределах 1 атм. Причем последовательность процесса непрерывного облучения и хроматографии повторяют до получения раствора с требуемым высоким коэффициентом разделения, либо с требуемым высоким сечением захвата тепловых нейтронов. Ход процесса разделения можно контролировать в выходном сопле путем измерения ph-среды. После прохождения через ионообменники всего объема раствора ионов гадолиния, залитого в кювету хроматографической колонны, осуществляют извлечение ионообменников из кюветы в отдельную емкость, где и осуществляют ее промывку. При необходимости процессы повторяют до получения требуемого коэффициента разделения, при котором учитывают суммарный вклад.

Исходные реакции при фотолизе водного раствора хлорида гадолиния:

Gd¹⁵⁷Cl₃+hν→*Gd^l57+3Cl^-

H₂O+hν→*Н+*ОН.

Для извлечения целевого изотопа из фазы раствора используется повторение процесса хроматографии.

Целевой изотоп в результате ионного обмена на сильнокислом катионообменнике будет концентрироваться в фазе смолы

*Gd¹⁵⁷++RH₃→RGd¹⁵⁷+3H

RH - катионообменник в Н-форме.

что повышает эффективность разделения изотопов гадолиния.

Повторение процесса хроматографии и непрерывного облучения до получения раствора ионов гадолиния с кислотным или щелочным ph-фактором, способствует усилению эффекта разделения.

На предприятии проведено расчетно-теоретическое обоснование, смоделировано устройство и проведены эксперименты, которые показали, что за счет уменьшения потерь целевых изотопов, существенное повышение коэффициента разделения изотопов, а также упрощение изготовления и снижение себестоимости материалов при сохранении эксплуатационных характеристик (надежности, ресурса работы) за счет снижения требований к материалам и к самой конструкции из-за использования неагрессивного химически нейтрального раствора.

Изобретение относится к устройству для разделения изотопов гадолиния и может быть использовано для производства чистых стабильных и радиоактивных изотопов химических элементов для ядерного топливного блока в качестве выгорающей присадки для тепловыделяющих элементов. Устройство включает хроматографическую колонну для заливки раствора ионов гадолиния с подающими и выводящими раствор каналами, ионообменники, размещенные в отсеках, установленных с зазором относительно друг друга по всей длине колонны и образованных стенками колонны и сетками, и источник УФ излучения постоянной мощности, установленный снаружи колонны, при этом стенка колонны со стороны размещения источника выполнена прозрачной для УФ излучения. В одном из вариантов хроматографическая колонка выполнена кольцеобразной, при этом ионообменники размещены в выступах, выполненных на внутренних стенках периферийного кольцеобразного пространства колонны по всей ее длине на разных уровнях. Изобретение обеспечивает повышение коэффициента разделения изотопов, упрощение изготовления конструкции и снижение стоимости материалов при сохранении эксплуатационных характеристик, а также сокращение времени получения целевых изотопов. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для разделения изотопов гадолиния, включающее хроматографическую колонну для заливки раствора ионов гадолиния с подающими и выводящими раствор каналами, и размещенными в ней ионообменниками, отличающееся тем, что снаружи хроматографической колонны установлен, по крайней мере, один источник ультрафиолетового излучения (далее УФ излучения) постоянной мощности, при этом стенка колонны со стороны размещения источника выполнена прозрачной для УФ излучения, а в самой хроматографической колонне по всей ее длине выполнены отсеки для размещения ионообменников, которые установлены с зазором относительно друг друга и образованы стенками самой колонны и сетками, причем одна из стенок колонны выполнена разъемной.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в отсеках ионообменники размещены с чередованием катионо- и анионообменников.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве раствора ионов гадолиния используют водный раствор хлорида гадолиния GdCl₃, а в качестве источника УФ излучения постоянной мощности используют эксимерную лампу.

4. Устройство для разделения изотопов гадолиния, включающее кольцеобразную хроматографическую колонну для заливки раствора ионов гадолиния с подающими и выводящими раствор каналами, и ионообменниками, размещенными в периферийном кольцеобразном пространстве колонны, отличающееся тем, что снаружи кольцеобразной хроматографической колонны и внутри образованной ею полости установлен, по крайней мере, один источник УФ излучения постоянной мощности, при этом стенки колонны со сторон размещения источников выполнены прозрачными для УФ излучения, также на двух противоположных внутренних стенках периферийного кольцеобразного пространства хроматографической колонны по всей ее длине на разных уровнях выполнены под углом кольцевые выступы, направленные к дну колонны, при этом в кольцеобразной хроматографической колонне дополнительно установлены подающие и выводящие каналы для ионообменников.

5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что в качестве раствора ионов гадолиния используют водный раствор хлорида гадолиния GdCl₃, а в качестве источника УФ излучения постоянной мощности используют эксимерную лампу.