Izotopová separace je technologický proces změny izotopového složení látky tvořené směsí různých izotopů jednoho chemického prvku . Z jedné směsi izotopů nebo chemických sloučenin se na výstupu z procesu získávají dvě směsi: jedna se zvýšeným obsahem požadovaného izotopu (obohacená směs), druhá se sníženým obsahem (chudá směs).
Hlavní aplikací procesu separace izotopů je obohacování uranu izotopem 235 U pro výrobu jaderného paliva, jaderných materiálů pro zbraně a další aplikace zahrnující použití radioaktivních látek.
Průmyslová práce separace izotopů se měří v jednotkách separační práce (SWU). Pro určitou změnu izotopového složení určité výchozí směsi je potřeba stejné množství SWU bez ohledu na technologii separace izotopů.
Separace izotopů (například extrakce 6 Li , 235 U , D ) je vždy spojena se značnými obtížemi a náklady na energii, protože izotopy , což jsou variace jednoho prvku , které se mírně liší hmotností , se chemicky chovají téměř stejně. Rychlost některých reakcí se ale mírně liší v závislosti na hmotnosti izotopu prvku, navíc můžete využít rozdíl v jejich fyzikálních vlastnostech – například v hmotnosti .
Protože rozdíly ve vlastnostech izotopů jsou tak malé, v jednom stupni separace je látka obohacena o setiny procenta v cílovém izotopu, a proto je nutné proces separace mnohokrát opakovat.
Technologicky se to provádí postupným průchodem objemu izotopů, které mají být separovány, přes buňky stejného typu, které separaci produkují - tzv. kaskády. Pro dosažení požadovaného stupně oddělení může být několik tisíc kaskád zapojených do série a pro získání požadovaného objemu desítky a stovky tisíc takových sérií kaskádových skupin zapojených paralelně.
Výkon takového kaskádového systému ovlivňují dva faktory: požadovaný stupeň obohacení v každém stupni a ztráta cílového izotopu v proudu odpadu.
Pojďme si vysvětlit druhý faktor. V každém stupni obohacování se tok rozdělí na dvě části – obohacený a ochuzený o požadovaný izotop. Protože stupeň obohacení je extrémně nízký, celková hmotnost izotopu ve spotřebované surovině může překročit jeho hmotnost v obohaceném produktu. Aby se zabránilo takové ztrátě surovin, vyčerpaný tok každého následujícího stupně znovu vstupuje do vstupu předchozího.
Zdrojový materiál nevstupuje do prvního stupně kaskády. Do systému se zavádí okamžitě do nějaké, n-té fáze. Díky tomu je z prvního stupně odstraněn materiál, který je vysoce ochuzený o hlavní izotop.
V každém případě množství vyrobeného obohaceného materiálu závisí na požadovaném stupni obohacení a chudosti výstupních proudů. Pokud je výchozí látka dostupná ve velkém množství a levně, lze produktivitu kaskády zvýšit vyřazením velkého množství neextrahovaného užitečného prvku spolu s odpadem (například výroba deuteria z obyčejné vody). V případě potřeby se dosáhne velkého stupně extrakce izotopu ze suroviny (např. při obohacování uranu ). [jeden]
Metoda elektromagnetické separace je založena na stejné síle interakce mezi vnějším magnetickým polem a stejně elektricky nabitými částicemi. Při stejné síle působení na částice různé hmotnosti bude pohyb částic odlišný. Například trajektorie stejně nabitých iontů se stejnou kinetickou energií pohybujících se v magnetickém poli bude záviset na jejich hmotnosti. Umístěním lapačů na vhodná místa instalace je možné sbírat iontové paprsky izotopů, které mají být separovány. Ve skutečnosti jsou taková zařízení, nazývaná calutrony ( calutron ), velké hmotnostní spektrometry . V nich ionty separovaných látek, pohybující se v silném magnetickém poli, opisují trajektorie po obloucích kružnic s poloměry úměrnými jejich hmotnosti a padají do pastí (přijímačů), kde se hromadí.
Tato metoda umožňuje separovat jakékoliv směsi izotopů s blízkými hmotnostmi a má velmi vysoký stupeň separace. Obvykle stačí opakovat separační proces dvakrát k získání stupně obohacení nad 80 % z látky chudé na cílový izotop (s počátečním obsahem cílového izotopu menším než 1 %). Elektromagnetická separace však není v průmyslové výrobě technologicky vyspělá: většina látky oddělené izotopy se ukládá na stěnách vakuové dutiny kalutronu, takže se musí pravidelně zastavovat kvůli údržbě. Nevýhodou je také vysoká spotřeba energie, složitost a vysoké náklady na údržbu, nízká produktivita. Hlavní oblastí použití metody je výroba malých množství vysoce čistých izotopových vzorků pro vědecký výzkum. I přes technologické potíže však byla během druhé světové války vybudována instalace Y-12 , která v lednu 1945 dosáhla denní produktivity 204 g uranu s koncentrací U-235 v ní 80 %.
Účinnost metody . Závod vyrábějící 50 kg vysoce obohaceného uranu-235 ročně elektromagnetickou separací spotřebuje asi 50 MW elektřiny [2] .
Tato metoda využívá rozdílu rychlostí pohybu molekul plynu různé hmotnosti. Metoda je vhodná pouze pro látky v plynném stavu.
Podstata metody je založena na rozdílu difúzního koeficientu přes porézní tělesa pro molekuly s různou hmotností v důsledku rozdílu jejich průměrných rychlostí, lehčí molekuly snáze difundují. V praxi se používají porézní tělesa, jejichž průměr porézních kanálků je mnohem menší než střední volná dráha molekul - tzv. Knudsenova difúze .
Stupeň separace u difúzní metody je úměrný druhé odmocnině poměru atomových hmotností molekul s různými izotopy, takže účinnost separace klesá s nárůstem atomové hmotnosti izotopů.
Určitým technologickým problémem této metody je také výroba porézních membrán pro separaci s typickými průměry pórů v řádu desítek až stovek nanometrů s malým rozptylem v efektivním průměru. Membrány by neměly umožňovat úniky makroskopickými netěsnostmi, odolávat velkému poklesu tlaku a být odolné vůči korozivním látkám obsahujícím fluor při použití k separaci izotopů uranu.
Existuje několik způsobů, jak získat porézní membrány, například:
Membrány byly obvykle vyrobeny ve formě trubek dlouhých až několik metrů. Z několika stovek trubek je sestavena jedna separační kaskáda.
U některých lehkých prvků může být stupeň separace poměrně velký, ale u uranu je to pouze 1,00429 (výstupní proud každého stupně je obohacen faktorem 1,00429). Pro dosažení vysokého stupně obohacení bylo někdy několik tisíc separačních kaskád stejného typu zapojeno do série. Vzhledem k tomu, že jedna typická průmyslová kaskáda zabírala plochu až 100 m 2 nebo více, podniky na obohacování difúzí plynu se ukázaly jako kyklopské.
Poměrně velké tlakové ztráty plynu na membránách a velikost instalací vedly k obrovské spotřebě energie pro pohon kompresoru. V závodě se navíc nacházelo obrovské množství technologického hexafluoridu uranu a separační proces byl zdlouhavý, od spuštění závodu do výroby prvního produktu uběhlo někdy i několik týdnů, během kterých hexafluorid postupně zaplňoval dutiny všechny kaskády. Tato okolnost kladla velmi vážné požadavky na spolehlivost zařízení, protože výpadek byť jedné kaskády mohl způsobit zastavení celého řetězce kaskád. Pro minimalizaci škod z technologických odstávek byly kaskády vybaveny automatickým řízením provozuschopnosti a redundance výpadkové kaskády.
V tomto případě se opět využívá rozdílu rychlostí molekul. Světlejší, v přítomnosti teplotního rozdílu, mají tendenci skončit v teplejší oblasti. Separační faktor závisí na poměru rozdílu hmotnosti izotopů k celkové hmotnosti a je větší u lehkých prvků. Navzdory své jednoduchosti vyžaduje tato metoda mnoho energie k vytvoření a udržení vytápění. Na úsvitu jaderného věku existovala průmyslová zařízení založená na tepelné difúzi. [3] V současné době není široce používán samostatně, nicméně myšlenka tepelné difúze se používá ke zvýšení účinnosti plynových odstředivek .
Myšlenka odstředivé separace se začala aktivně rozvíjet během druhé světové války. Potíže s optimalizací technologie však její vývoj zdržely a v západních zemích byl dokonce vynesen verdikt o ekonomické marnosti metody. V SSSR začalo průmyslové zavádění technologie odstředivek také až po průmyslovém rozvoji plynné difúze.
Pokud plynná směs izotopů prochází vysokorychlostními plynovými odstředivkami , pak odstředivá síla oddělí lehčí nebo těžší částice do vrstev, kde mohou být shromažďovány. Velkou výhodou odstřeďování je, že separační faktor závisí na absolutním rozdílu hmotnosti, nikoli na hmotnostním poměru. Odstředivka pracuje stejně dobře s lehkými i těžkými prvky. Stupeň separace je úměrný druhé mocnině poměru rychlosti rotace k rychlosti molekul v plynu. Odtud je velmi žádoucí centrifugu co nejrychleji roztočit. Typické lineární rychlosti rotujících rotorů jsou 250-350 m/s a více než 600 m/s u pokročilých odstředivek. Rozdíl tlaků na ose odstředivky a na vnější stěně může dosáhnout desetitisíckrát, takže kaskády odstředivek pracují při nízkých tlacích, aby se zabránilo kondenzaci hexafluoridu. Pro zlepšení separace tepelnou difúzí v odstředivkách se podél osy odstředivky vytváří teplotní gradient v řádu desítek stupňů.
Typický separační faktor je 1,01 - 1,1. Ve srovnání s instalacemi plynové difúze má tato metoda sníženou spotřebu energie a snadnější zvýšení výkonu. V současnosti je v Rusku hlavní průmyslovou metodou separace izotopů odstřeďování plynu.
Tento způsob lze považovat za variantu odstřeďování, ale místo víření plynu v odstředivce víří při výstupu ze speciální trysky, kam je přiváděn pod tlakem. Tuto technologii, založenou na vířivém efektu , používá Jižní Afrika a Německo.
Problémy technologie spočívaly v tom, že poloměr trysky byl asi 100 mikronů, zatímco celková délka trysky v každém stupni průmyslové separace byla stovky a tisíce metrů. Tato délka byla sbírána v kouscích několika desítek až stovek centimetrů. Kromě obtíží při výrobě trysek se objevil problém s ředícím plynem, jako je helium. Ředidlo umožnilo udržet hexafluorid uranu v plynné fázi při vysokých tlacích na vstupu do trysek nutných pro vytvoření vysokorychlostního proudění v trysce. Ředidlo a hexafluorid bylo nutno na výstupu z výroby oddělit. Vysoký tlak určoval značnou spotřebu energie.
Laserová separace není nezávislá metoda, ale používá se ke zlepšení výkonu elektromagnetických nebo chemických separačních metod. Metoda je založena na selektivní ionizaci jednoho z izotopů elektromagnetickým zářením (například laserovým světlem). Ionizační selektivita je založena na rezonanční (úzkopásmové) absorpci světla atomy, různé izotopy mají různá radiační absorpční spektra. To znamená, že je možné zvolit takové parametry ozáření, při kterých jsou atomy daného izotopu převážně ionizovány. Další ionizované atomy lze oddělit například v magnetickém poli ( AVLIS). Kromě toho může ionizace atomů změnit rychlost chemických reakcí, například tím, že usnadní rozklad určitých chemických sloučenin ( MLIS). [3]
Technologie laserové separace byla vyvinuta od 70. let 20. století v mnoha zemích [4] a je považována za perspektivní, ale stále nepřesáhla rámec výzkumu. V 90. letech 20. století probíhal ve Spojených státech program na studium laserového obohacování pomocí elektromagnetické separace v experimentálním zařízení, které však bylo uzavřeno. V současné době ve Spojených státech probíhá výzkumný program [5] na demonstračním zařízení pro jednu z variant laserového obohacování s chemickou separací nazvanou SILEX.. Technologie byla vyvinuta v roce 1992 australskou společností Silex. [6] Od roku 2006 je technologie Silex vyvíjena společností Global Laser Enrichment LLC. [7] Pro rok 2019 společnost pokračuje v experimentální práci. [osm]
Chemické obohacení využívá rozdílu v rychlosti chemických reakcí s různými izotopy. Nejlépe funguje při oddělování světelných prvků, kde je rozdíl výrazný. V průmyslové výrobě se používají reakce, které probíhají se dvěma činidly v různých fázích (plyn/kapalina, kapalina/pevná látka, nemísitelné kapaliny). To usnadňuje oddělení bohatých a chudých proudů. Použitím dodatečného teplotního rozdílu mezi fázemi se dosáhne dalšího zvýšení separačního faktoru. Chemická separace je dnes energeticky nejúspornější technologií pro výrobu těžké vody. Kromě výroby deuteria se používá k extrakci 6 Li. Ve Francii a Japonsku byly vyvinuty metody chemického obohacování uranu, které nikdy nedosáhly průmyslového rozvoje.
Destilace (destilace) využívá rozdílu teplot varu izotopů různých hmotností. Obvykle, čím menší je hmotnost atomu, tím nižší je bod varu tohoto izotopu . Opět to funguje nejlépe na světelných prvcích. Destilace byla úspěšně použita jako poslední krok při výrobě těžké vody.
Jedinou oblastí použití elektrolýzy je výroba těžké vody . Při elektrolýze vody dochází k separaci především „lehkých“ molekul (s obyčejným vodíkem ) na plyny . Tento nejúčinnější způsob získávání deuteria (separační faktor vyšší než 7) vyžaduje takové množství energie, že z ekonomických důvodů, pokud se použije, pak v pozdějších fázích čištění.
Protože se ionty různých hmotností pohybují v roztoku různými rychlostmi (zákon zachování hybnosti) ve stejném elektrickém poli, je při elektroforéze namířené proti proudu kapaliny snadné zvolit poměr rychlostí gelové filtrace a elektroforézy, při kterých pouze uran-235 bude redukován na katodě pro separátor uranu nebo lithium-6 pro lithium.
Pokud se stejným úsilím urychlíme jádra atomů, pak lehká jádra nabudou větší rychlost než těžká. Oddělení rychlosti lze provádět například na dvou synchronně rotujících discích instalovaných v sérii. V prvním disku je vyříznuta štěrbina, takže tok jader je nespojitý. Na druhém disku se usadí atomy, které proletěly štěrbinou. V tomto případě budou zóny poklesu záviset na rychlosti jader. Urychlování jader konstantní silou se provádí na urychlovači nabitých částic .
Kapacita závodu na separaci izotopů uranu v tisících SWU ročně podle WNA Market Report .
| Země | Společnost, závod | 2012 | 2013 | 2015 | 2018 | 2020 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Rusko | Rosatom | 25 000 | 26 000 | 26578 | 28215 | 28663 |
| Německo, Holandsko, Anglie | URENCO | 12800 | 14200 | 14400 | 18600 | 14900 |
| Francie | Orano | 2500 | 5500 | 7000 | 7500 | 7500 |
| Čína | CNNC | 1500 | 2200 | 4220 | 6750 | 10700+ |
| USA | URENCO | 2000 | 3500 | 4700 | ? | 4700 |
| Pákistán, Brazílie, Írán, Indie, Argentina | 100 | 75 | 100 | ? | 170 | |
| Japonsko | JNFL | 150 | 75 | 75 | ? | 75 |
| USA | USEC : Paducah & Piketon | 5000 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Celkový | 49 000 | 51550 | 57073 | 61111 | 66700 |
| Jaderné technologie | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Inženýrství | |||||||
| materiálů | |||||||
| Jaderná energie |
| ||||||
| nukleární medicína |
| ||||||
| Jaderná zbraň |
| ||||||
| |||||||