Способ получения обогащенного изотопа бор-10 Российский патент 2020 года по МПК B01D59/20 

Изобретение относится к области разделения изотопов и касается технологии получения обогащенного изотопа бор-10 газоцентрифужным методом.

Бор - химический элемент III группы Периодической таблицы. Природный бор представляет собой смесь из двух стабильных изотопов с массовыми числами 10 и 11 а.е.м. Концентрация указанных изотопов в природной смеси варьируется от 18,9 до 20,4% для бор-10 и от 79,6 до 81,1% для бор-11 [Meija J. et al Isotopic compositions of the elements 2013 (IUPAC Technical report) // Pure applied chemistry. - 2016. - Vol. 88. - P. 293-306].

Бор и изотопно-модифицированные по бору соединения находят широкое применение в атомной энергетике, машиностроении и приборостроении. Перспективы их применения и практического использования существуют в радиационной химии, ядерной медицине (бор нейтронно-захватная терапия) и других отраслях науки и техники. Использование этих соединение обусловлено сочетанием благоприятных физико-химических свойств бора и его соединений (высокая плотность, жаропрочность и коррозионная стойкость), и различиями в ядерно-физических свойствах изотопов бора. Наибольшее значение при этом имеет резкое различие в сечениях захвата а изотопами бора нейтронов и слабая зависимость этого сечения для изотопа бор-10 от энергии взаимодействующих нейтронов (таблица 1) [Изотопы: свойства, получение, применение. В 2 т. Т. 2 / Под. Ред. В.Ю. Баранова. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. С. 193].

Основная область применения изотопа бор-10 и модифицированных им борсодержащих соединений - использование в качестве высокоэффективного нейтронного поглотителя в органах систем управления и защиты ядерных реакторов на тепловых и быстрых нейтронах. Перспективным направлением использования являются нейтронопоглощающие конструкционные материалы устройств для транспортировки и хранения ядерного топлива с целью уменьшения нейтронного излучения. Изотоп бор-10 используется также в составе выгорающих присадок к ядерному топливу и в счетчиках нейтронов. Требуемая концентрация изотопа бор-10 составляет от 60 до 96%.

Задача создания соединений и материалов с повышенной концентрацией изотопа бор-10 может быть решена путем разделения природной смеси изотопов бора.

Известны способы получения обогащенного изотопа бор-10 с использованием физико-химических методом разделения: криогенная ректификация трифторида бора [Зельвенский Я.Д. Разделение изотопов низкотемпературной ректификацией. - М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 1998. - 208 с.], химический изотопный обмен в системе BF₃ - комплекс BF₃ с диметиловым, диэтиловым эфиром [Каминский В.А., Карамян А.П., Гиоргадзе Н.А. и др. Концентирирование изотопа ¹¹В методом обменной дистилляции (CH₃)₂O⋅BF₃ при атмосферном давлении // Производство изотопов. - Минск: Атомиздат, 1973. С. 466] и анизолом [Ivanov V.A., Katalnikov S.G. Physico-chemical engineering principles of boron isotopes separation by using BF3 - anisole-BF3 system // Separation science and technology. - 2001. - V. 36. - P. 1737-1768], а также химический изотопный обмен в системе раствор борной кислоты - комплекс бора с азотсодержащим фенолформальдегидным резольным олигомером [Патент 2311949 Российская Федерация, МПК B01D 59/28, B01D 59/22, С01В 35/00. Способ разделения изотопов бора / Волк В.И., Семенов А.А., Шугрина Н.В. и др.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное унитарное предприятие «Сибирский химический комбинат». - № 2006105185/15, заявл. 20.02.2006; опубл. 10.12.2007, Бюл. № 34 - 6 с.]. Общими недостатками указанных методов для получения обогащенного изотопа бор-10 являются низкий коэффициент разделения, длительный процесс выхода каскада на стационарный (равновесный) режим и высокое энергопотребление.

Для получения обогащенного изотопа бор-10 может быть использован газоцентрифужный метод, который первоначально разрабатывался для разделения изотопов урана. Позднее этот метод стал использоваться для разделения стабильных и радиоактивных изотопов различных химических элементов. Для осуществления разделения изотопная смесь в газовой фазе подается в быстровращающийся ротор газовой центрифуги. При этом легкие изотопы концентрируются вблизи оси ротора, более тяжелые - около стенки ротора, за счет чего достигается разделительный эффект. Умножение эффекта разделения достигается соединением газовых центрифуг в ступень и каскад [Шемля М., Перье Ж. Разделение изотопов. М.: Атомиздат, 1980].

Известен способ получения обогащенного изотопа бор-10 газоцентрифужным методом с использованием в качестве рабочего газа трифторида бора (BF₃) [Токманцев В.И., Палкин В.А. Разделение изотопов бора в прямоточных газовых центрифугах / Атомная энергия. - 2017. - Т. 123. - № 1. - С. 40-45]. Природный BF₃ подается в каскад газовых центрифуг, в котором происходит разделение изотопов бора. Из первой ступени каскада отбирается поток тяжелой фракции, обогащенный изотопом бор-11. Из последней ступени каскада отбирается поток легкой фракции, обогащенный изотопом бор-10. Настройка параметров каскада для получения BF₃ с заданной концентрацией изотопа бор-10 осуществляется путем изменения величин потоков питания, легкой и тяжелой фракции каскада, номера ступени, в которую осуществляется подача природного BF₃. Приведены результаты расчетов и оптимизации конструкции прямоточной газовой центрифуги и каскада. Показана возможность использования газоцентрифужного метода для крупномасштабного получения обогащенного изотопа бор-10. Упомянутый способ использован в качестве прототипа.

Недостатком прототипа является низкое содержание бора в используемом летучем химическом соединении бора (рабочем газе): в 1000 г BF₃ с природным изотопным составом содержится около 159 г бора. То есть около 16% разделительной мощности каскада затрачивается на разделение изотопов бора, а остальные 84% - на перенос между газовыми центрифугами моноизотопного фтора. Эффективность газоцентрифужного каскада прямо пропорционально зависит от содержания целевого химического элемента в рабочем газе. Исходя из этого, при использовании BF₃ в качестве рабочего газа для разделения изотопов бора имеют место высокие капитальные затраты на создание газоцентрифужного каскада за счет большого количества основного и вспомогательного оборудования для обеспечения требуемой производительности. Помимо этого, BF₃ является высоко коррозионно-активным веществом, вступает в реакции взаимодействия с конструкционными материалами, что приводит к образованию и накоплению нелетучих коррозионных отложений на внутренних поверхностях каскада и снижает ресурс работы газовых центрифуг и вспомогательного оборудования.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, являются повышение производительности газоцентрифужного каскада для получения обогащенного изотопа бор-10.

Решение задачи заключается в использовании в качестве летучего химического соединения бора, подаваемого в газоцентрифужный каскад, триметилборана В(СН₃)₃.

Триметилборан В(СН₃)₃ - органическое алкильное соединение бора, бесцветный газ со следующими свойствами:

молярная масса - 55,8 кг/кмоль;

давление насыщенных паров - 0,39 МПа (при 25°С);

температура плавления - минус 153°С;

температура кипения - минус 22°С;

плотность - 0,625 кг/м³ (при минус 153°С).

Способы синтеза триметилборана различны:

3NaCl+AlCl₃+2Al+3CH₃Cl→3NaCH₃AlCl₃

3NaCH₃AlCl₃+BCl₃→В(СН₃)₃+3NaAlCl₄

2BCl₃+3Zn(CH₃)₂→2В(СН₃)₃+3ZnCl₂

Помимо бора в состав триметилборана входят полиизотопные химические элементы углерод и водород, каждый из которых имеет по два изотопа. Поэтому триметилборан представляет собой смесь из 5 компонентов с молекулярной массой от 55 до 59 а.е.м. (таблица 2).

Изотоп бор-10 практически полностью сконцентрирован в компоненте с молекулярной массой 55 а.е.м. (около 97% от общего количества изотопа), где его содержание составляет 100%. Таким образом, с использованием В(СН₃)₃ в качестве рабочего газа в газоцентрифужном каскаде можно получить изотоп бор-10 с концентрацией близкой к 100%.

Для получения обогащенного изотопа бор-10 триметилборан с исходным составом подается в ступень с номером S_F в потоке питания F в газоцентрифужный каскад, который состоит из S ступеней. В каскаде происходит разделение компонентов В(СН₃)₃. В потоке легкой фракции Р, который отбирается из S-й ступени, повышается концентрация компонента с молекулярной массой 55 а.е.м. и изотопа бор-10, в потоке тяжелой фракции W, который отбирается из первой ступени, повышается концентрация компонентов с массой 56-59 а.е.м. и изотопа бор-11. Изменением отношения величин потока легкой фракции и потока питания (P/F), номера ступени подачи потока питания в каскад (S_F) настраивается требуемая концентрация изотопа бор-10 в потоке легкой фракции. На фиг. 1-3 приведены параметры газоцентрифужных каскадов при получении изотопа бор-10 с концентрацией 60, 80 и 96%, в таблице 3 приведено сравнение каскадов. Параметры приведены для каскадов, состоящих из одинакового количества газовых центрифуг с одинаковой разделительной мощностью при работе на BF₃ и В(СН₃)₃.

Полученный в потоке легкой фракции В(СН₃)₃ с повышенной концентрацией изотопа бор-10 поступает на химический передел в форму, допускающую длительное хранение и перевозку заказчику, например в оксид бора ¹⁰В₂О₃ или борную кислоту Н₃¹⁰ВО₃:

2В(СН₃)₃+6Н₂→В₂Н₆+6СН₄

В₂Н₆+3O₂→B₂O₃+3H₂O

В₂Н₆+6H₂O→2H₃BO₃+6Н₂

Основным преимуществом В(СН₃)₃ является доля бора в рабочем газе, которая составляет 0,193 (для BF₃ - 0,159). Таким образом, в В(СН₃)₃ содержится бора на 21% больше, чем в BF₃. С учетом распределения изотопа бор-10 по компонентам В(СН₃)₃ газоцентрифужный каскад при работе на В(СН₃)₃ имеет производительность на 18,1-18,9% выше, чем при работе на BF₃.

Изобретение не ограничивается приведенными примерами. Возможны и другие варианты примеров в пределах объема предложенной формулы изобретения.

Заявляемый способ получения обогащенного изотопа бор-10 расширяет технологические возможности газоцентрифужного метода разделения изотопов, обеспечивая повышение производительности газоцентрифужного каскада. Изобретение не требует использования дополнительных устройств и может быть реализовано на имеющемся оборудовании. Промышленная осуществимость предлагаемого технического решения вытекает из разработанности и практического осуществления обогащения изотопа бор-10. [Баранов В.Ю. Изотопы: свойства, получение, применение, М., ФИЗМАТЛИТ, 2005].

Заявляемый способ отличается тем, что для получения обогащенного изотопа бор-10 используется газоцентрифужный метод с применением в качестве рабочего газа триметилборана В(СН₃)₃. Техническим результатом использования заявляемого способа явилось получение газоцентрифужным методом обогащенного изотопа бор-10 с концентрацией не менее 60% и повышение производительности газоцентрифужного каскада не менее чем на 18% по сравнению с использованием трифторида бора BF₃.

Изобретение относится к способу получения обогащенного изотопа бор-10 газоцентрифужным методом. Способ включает подачу в газоцентрифужный каскад триметилборан В(СН₃)₃ в качестве летучего химического соединения бора и разделение его компонентов. Изобретение обеспечивает повышение производительности газоцентрифужного каскада и получение обогащенного изотопа бор-10 с концентрацией не менее 60%. 3 ил., 3 табл.

Способ получения обогащенного изотопа бор-10 газоцентрифужным методом, отличающийся тем, что в качестве летучего химического соединения бора, подаваемого в газоцентрифужный каскад, используется триметилборан В(СН₃)₃, что позволяет повысить производительность газоцентрифужного каскада при получении обогащенного изотопа бор-10.