Способ разделения изотопов легких газов Российский патент 2023 года по МПК B01D59/12 

Изобретение относится к технологии разделения изотопов и может использоваться для выделения изотопов гелия и водорода. Технология может применяться в химической, топливно-энергетической, фармацевтической отраслях промышленности.

Изотоп ⁴Не составляет основную часть гелия, в то время, как ³Не (гелион) является весьма редким и ценным элементом. В настоящее время гелион получают как продукт радиоактивного распада трития, что далеко не удовлетворяет спрос на него. Большие перспективы по добыче ³Не предоставляет космическое пространство, так как на Солнце и в атмосферах планет-гигантов этот изотоп содержится в гораздо большем количестве, чем на Земле. Гелион находит применение в криогенной промышленности, медицине (магнитно-резонансная томография), для детектирования нейтронов. Пока не освоенным, но многообещающим выглядит использование гелиона, реагирующего с дейтерием, в качестве термоядерного топлива. К преимуществам данного вида топлива относятся низкая радиоактивность, что не требует особых мер предосторожности и не влечет катастрофических последствий при аварии, низкая деградация материалов реактора, возможность дальнейшего использования побочного продукта реакции - протонов.

Изотопы водорода также являются важными компонентами в некоторых технологических и промышленных областях. Дейтерий применяется в атомной энергетике как лучший замедлитель нейтронов, также в водородной спектроскопии ядерного магнитного резонанса, используется в качестве изотопного индикатора. Тритий находит применение в военной промышленности и аналитической химии. Оба изотопа используются в качестве сырья в термоядерных реакторах типа токамак. Фактически выход изотопов водорода для ядерного сырья составляет менее 10%, поэтому их извлечение имеет решающее значение для сокращения ядерных отходов.

Изотопы одного элемента имеют сходные химические и физические свойства и различаются только массой. Таким образом, для их разделения необходимы зависящие от массы процессы. Таким методом является, например, газовая диффузия, основанная на различии скоростей движения через узкие поры разных по массе молекул газа. При этом легкие и более быстрые молекулы обгоняют более тяжелые. Для легких изотопов степень разделения в этом случае достаточно велика. Другим способом является электромагнитное разделение, использующее масс-спектрометр для того, чтобы под действием магнитного поля изотопы разной массы двигались по траекториям соответствующих радиусов и попадали в соответствующие приемники. Однако электромагнитное разделение непригодно для промышленного использования, так как очень энергоемко, сложно и дорого в обслуживании и имеет низкую производительность. Газовое центрифугирование является более простой и более производительной процедурой. Высокоскоростная центрифуга разделяет смеси на слои, пользуясь центробежной силой, причем коэффициент разделения зависит от абсолютной разницы в массе. Кроме того, существуют методы криогенной дистилляции, адсорбции при переменном давлении и др. [Raymond L. Murray and Keith E. Holbert. Nuclear Energy: An Introduction to the Concepts, Systems, and Applications of Nuclear Processes. Butterworth-Heinemann, 2020, (624 p.), ch.15, pp.273-286]. Известен способ разделения изотопов в хроматографических колонках [Способ разделения изотопов: пат.2318582 Рос.Федерация: МПК B01D 59/10, B01D 59/20, B01D 59/28. Эриксен Д.О., Чеккааролли Б.]. Данное изобретение направлено в первую очередь на получение изотопически чистого кремния ²⁸Si, пропускаемого через колонку в газифицированной форме ²⁸SiH₄. Способ хроматографического разделения легких изотопов, в частности изотопов водорода - дейтерия и трития - упоминается чаще всего с точки зрения определения анализа изотопного состава. Масштабная технология по этому способу упоминается в работе [В. Иванов, С.С. Ананьев Вопросы уровня готовности технологий тритиевого цикла в России на примере проекта гибридного реактора ДЕМО-ТИНБ. Вопросы атомной науки и техники Сер. Термоядерный синтез, 2021, т.44, вып.4, с 5-24] как неосновная и слабо проработанная.

Известен способ выделения изотопов водорода из газовых смесей с помощью композитной мембраны на основе металлов ниобия, ванадия, тантала, покрытой тонким слоем палладия или его сплавов. [Способ выделения изотопов водорода из газовых смесей: пат.2605561 Рос. Федерация: МПК B01D 53/22, 59/10, 63/00. Лившиц А.И., Ноткин М.Е и др.]. Недостатком представленной технологии является высокая стоимость изготовления такой мембраны, необходимость поддержки высокой температуры, низкая степень разделения изотопов.

Более близким к предлагаемому является способ разделения изотопов с помощью мембраны из цеолита при криогенных температурах, основанный на эффекте «набухания», вызванного квантовыми флуктуациями, [Isotope Separation by Quantum Swelling: #2007/000027 World Intellectual Property Organization, BOID 59/00, 59/12, 15/26. Kumar A. V., Bhatia S.K.]. Система фильтрации и смесь изотопов охлаждаются до температуры (10-100 K), при которой становятся существенны квантовые эффекты, которые по-разному увеличивают диаметры изотопов одного и того же вещества и по-разному влияют на их прохождение через мембрану с ультрамалыми порами.

Данный способ, однако, не обеспечивает достаточно высокой степени разделения изотопов, что требует использования многокаскадного процесса.

Для повышения степени разделения смеси предложен способ разделения изотопов при криогенных температурах путем резонансного туннелирования атомов через составной барьер из двух близко расположенных мембран [V.A. Poteryaeva et al. Quantum tunneling of molecules through compound barriers: Journal of Physics: Conference Series 1537(2020):012008]. По технической сущности этот способ наиболее близок к заявляемому и выбран в качестве прототипа.

Сущность способа состоит в том, что используют двухслойную мембрану, моноатомные слои которой расположены на расстоянии, кратном длине волны де Бройля выделяемого компонента. Даная технология использует квантовые эффекты, зависящие от массы частиц, которые обеспечивают высокую степень разделения изотопов.

При определении проницаемости мембраны классическим способом однозначно известно, преодолеет молекула с заданной кинетической энергией потенциальный барьер или нет. Однако в ситуациях, когда проявляются квантовомеханические эффекты, атомы и молекулы проявляют волновую природу, следовательно, всегда существует вероятность прохождения частицей мембраны благодаря эффекту туннелирования. Разделение в известном способе достигается вследствие двух факторов: различия вероятностей прохождения двух изотопов через узкий потенциальный барьер и резонанса волны де Бройля, соответствующей одному из изотопов в промежутке между мембранами.

Способ разделения изотопов легких газов с помощью мембран поясняется графиками фиг.1 и 2. По сравнению с одной мембраной, энергетический профиль которой представлен одним пиком функции U(z), приведенной на фиг.1, использование двухслойной мембраны, энергетический профиль которой представлен двумя пиками функции U(z), приведенной на фиг.2, радикально меняет условия прохождения барьера благодаря возникновению резонансных режимов прохождения одного из изотопов, в то время как другие компоненты задерживаются двумя слоями мембраны практически полностью. Резонансный эффект обусловлен волновыми свойствами частицы легкого газа, и может быть реализован, если два тонких слоя мембраны расположить на расстоянии, кратном длине волны де Бройля. При этом условии частица способна преодолеть даже достаточно высокий энергетический барьер.

С точки зрения квантовой механики частица легкого газа характеризуется длиной волны де-Бройля

Здесь h - постоянная Планка, р - импульс частиц компоненты газа, которую нужно выделить из смеси.

Вероятность прохождения частицей мембранного слоя находится из решения уравнения Шредингера

где , m - масса частицы, U - потенциальная энергия взаимодействия частицы с мембраной, задаваемая профилем потенциальных барьеров, связанных с мембранами.

Примерный вид решения уравнения в случае одной мембраны, согласно прототипу, показан на фиг.1. Компоненты с различными массами проходят потенциальный барьер со слабо различающимися вероятностями.

Примерный вид решения уравнения в случае двух мембран показан на фиг.2. При резонансе волны де-Бройля наблюдается эффективное прохождение частиц. При отсутствии резонанса вероятность прохождения частиц с другой длиной де-Бройля дополнительно уменьшается.

Степень разделения компонент, или селективность разделения частиц по величине импульса, находится как отношение вероятностей прохождения изотопами мембраны. Для однослойных мембран, как видно из фиг.1, это отношение мало превышает единицу. Двухслойные мембраны при тех же условиях увеличивают указанное отношение вероятностей до 30 раз, что делает данный способ достаточно эффективным для промышленного применения.

Используемые эффект туннелирования и резонансный эффект имеют место при криогенных температурах, то есть 10-60 К. Точное значение температуры выясняется с помощью математического моделирования.

В качестве материала мембран используются моноатомные углеродные материалы, например, пористый графен или графидин. Синтез двухслойных мембран заключается в размещении среди двух слоев материала мембраны молекул такого размера, который соответствует требуемой дистанции. Предложенные моноатомные слои успешно синтезированы. Так, пористый графен синтезирован в работе [патент Южной Кореи № KR 101611173 В1, 2016-04-12]. Способ синтеза графидина приведен в работе [патент Китая № CN 102225757 В, 2012-10-10].

Таким образом, известный способ позволяет достигнуть высокой степени разделения смесей изотопов легких газов, таких, как гелий и водород.

Вместе с тем, он обладает существенным недостатком, связанным с трудностью получения моноатомных графеновых слоев - ключевого элемента для реализации известного способа. Это приводит к практической недоступности известного способа ввиду чрезвычайно высокой стоимости графена.

Технический результат предлагаемого изобретения - снижение стоимости и трудоемкости получения мембран, обеспечивающих его реализацию.

Технический результат достигается тем, что при осуществлении способа разделения изотопов легких газов, включающего пропускание смеси изотопов через мембраны, разделенные промежутком, кратным длине волны де Бройля для выделяемого компонента, отличие состоит в том, что в качестве элементов, образующих мембраны, используют расслоенный графит с количеством слоев до 100.

Реализуемость способа разделения изотопов легких газов и достижение технического результата определяются следующим.

Расслоенный графит имеет вид многослойных структур, образованных графеновыми плоскостями. В отличие от способа-прототипа, где фигурируют две графеновых плоскости, слой расслоенного графита представлен множеством графеновых плоскостей, уложенных друг на друга с периодичностью около 0,335 нм. Такая периодичность соответствует условию квантового туннельного резонанса, демонстрируемому фиг.2. В связи с наличием большого количества слоев, в отличие от двух слоев в прототипе, был решен вопрос о проницаемости такой мультислойной структуры для легких газов. Квантово-механическим расчетом установлено, что при количестве слоев до 100 структура сохраняет проницаемость порядка 10% при высокой селективности разделения изотопов. Эта задача была поставлена и решена впервые. Реально расслоенный графит содержит чешуйчатые компоненты с количеством слоев, распределенным в интервале от 1 до 100, соответственно усредненная проницаемость такого материала будет превышать нижнюю оценку 10%.

Для волн де-Бройля, ассоциируемых с атомами разделяемых изотопов, расслоенный графит по отдаленной аналогии играет роль фотонного кристалла - периодической структуры, обладающей чередующимися частотами пропускания и отражения. Преимущества расслоенного графита в сравнении с графеном состоят в меньшей трудоемкости получения, меньшей себестоимости и соответственно в доступности его в масштабах, необходимых для практики. Например, расслоенный графит успешно заменяет графен в аккумуляторах. Кроме того, тонкие графитовые слои обладают большей механической устойчивостью и удобством обращения в сравнении с графенами. Так, образец, содержащий среднее количество слоев для диапазона от 1 до 100, то есть в среднем 50 слоев, имеет толщину 17 мкм, хорошо рассматривается под микроскопом и может позиционироваться на пористой подложке при помощи микроманипулятора.

Расслоенный графит достаточно просто получают путем насыщения графита поверхностно активными растворителями с последующей термической или ультразвуковой обработкой. Варианты получения расслоенного графита с помощью ряда разнообразных растворителей содержатся, например, в источнике [RU 2016115794].

Приведенные сведения подтверждают наличие всех достаточных технических средств для реализации заявляемого способа.

Изобретение относится к технологии разделения изотопов и может использоваться для выделения изотопов гелия и водорода в химической, топливно-энергетической, фармацевтической отраслях промышленности. Способ разделения изотопов легких газов включает пропускание смеси изотопов через мембраны, разделенные промежутком, кратным длине волны де Бройля для выделяемого компонента. В качестве элементов, образующих мембраны, используют расслоенный графит с количеством слоев до 100. Изобретение обеспечивает сохранность проницаемости мембраны порядка 10% при высокой селективности разделения изотопов. 2 ил.

Способ разделения изотопов легких газов, включающий пропускание смеси изотопов через мембраны, разделенные промежутком, кратным длине волны де-Бройля для выделяемого компонента, отличающийся тем, что в качестве элементов, образующих мембраны, используют расслоенный графит с количеством слоев до 100.