Борман Теория каскадов для разделения бинарных 2011

центрифуг. Определение разделительного режима – это всегда компромисс, состоящий в выборе наиболее критичных из многих взаимозависимых параметров, и учете различных аспектов, влияющих на разделительную кампанию.

3.4. Примеры разделительных кампаний*

Разделение изотопов кадмия. Рассмотрим задачу обогащения изотопа, применяющегося, в частности, в гелий-кадмиевых лазерах изотопа 116Cd до концентрации не менее 95%, в каскаде постоянной ширины со следующими значениями безразмерных параметров

F L = 0.114 ; N = 60 ; f = 25 ; q0 = 1.09 ; y = 1.5 10−4 , где q0 –

коэффициент разделения, приходящийся на единицу разности масс. У кадмия 8 стабильных изотопов [5].

				Питание F
				Диметил				кадмия
			3/5 ступеней	природного состава
			каскада	↓		2/5 ступеней
			Центробежный каскад
	Легкая						Тяжелая
	фракция						фракция
		↓ W					P ↓
Изотоп	Концентрация, %					Концентрация, %
	расчетная	экспериментальная				расчет.	экспер.
106	1.405	1.4				-	-
108	0.997	1.0				-	-
110	13.920	14.1				-	-
111	14.197	14.7				-	-
112	26.541	27.8				-	-
113	13.200	13.8				0.079	0.1
114	29.093	27.1				4.903	4.4
116	0.648	0.1				95.013	95.5

Рис. 3.3. Обогащения изотопа 116Cd в центробежном каскаде постоянной ширины

* В представленных в настоящем разделе примерах в качестве отборного конца был принят «тяжёлый» конец каскада.

351

Потери рабочего вещества, разлагающегося в разделительной ступени L , определим как часть потока питания ступеней y = L / L . Под отборным будем понимать конец каскада, в

направлении которого происходит обогащение целевым компонентом, а под отвальным – противоположный.

Для расчета изотопно-селективного массопереноса в прямоугольном каскаде с потерями использована методика, описанная в разделе 2.4.2.4.

На рис. 3.3 показана схема обогащения изотопа 116Cd в прямоугольном каскаде, а также приведены значения концентраций компонентов в выходных потоках, полученные экспериментальным и расчетным путем.

На рис. 3.4 представлены распределения по ступеням концентрации изотопов 116Cd, 114Cd и 113Cd.

Рис. 3.4. Распределения изотопов113Cd (кривая 1), 114Cd (2) и 116Cd (3) по ступеням каскада

а)

б)

Рис. 3.5. Зависимость концентрации изотопа 116Cd в потоке отбора (а) и отвала (б) от безразмерных величин потоков отбора и питания в каскаде

352

На рис. 3.5,а и 3.5,б приведены результаты теоретического исследования распределения концентрации 116Cd в потоках отбора и отвала из каскада в зависимости от безразмерных величин потока

питания F / q0 L и потока отбора P / q0 L , где q0 - коэффициент

разделения, приходящийся на единичную разность массовых чисел изотопов.

Вследствие того, что в молекулу ДМК входят не только изотопы разделяемого химического элемента (кадмия), учет изотопии всех химических элементов, входящих в молекулы рабочего вещества, приводит к явлению, называемому «изотопным перекрытием» или «изотопным расщеплением» компонентов, когда молекулы могут быть образованы из разных изотопов, но имеют одинаковую молекулярную массу. При исследовании влияния изотопного состава на процесс обогащения изотопов кадмия в виде ДМК изотопией водорода часто пренебрегают, так как природное содержание изотопа 2H (0,015%) очень мало по сравнению с основным изотопом 1H (99,985%). Без учета изотопии водорода

возникают следующие компоненты ДМК:

112Cd(13CH3)(13CH3),…113Cd(12CH3)(13CH3) а также

114Cd(12CH3)(12CH3), включающие разные изотопы кадмия, но имеющие одно и то же массовое число, равное 144. В результате при обогащении методом центрифугирования молекулярной смеси компонентом с массой 144, будут извлекаться содержащиеся в ней изотопы кадмия 112, 113 и 114.

Изотопное перекрытие приводит к появлению теоретического предела концентрации обогащаемого изотопа. Предельное обогащение по изотопу 116Cd составляет 100% при условии, что в процессе разделения выделяются компоненты с массами 147 и 148. Если одновременно извлекать и компонент с молекулярной массой 146, то предельное обогащение уменьшится до 99.95%. Для всех не крайних изотопов предельное обогащение всегда будет меньше 100%. Так, для 112Cd оно составляет 98.82%.

На рис. 3.6 представлены экспериментальные данные и расчетная зависимость коэффициента извлечения целевого

компонента Re =	PCiP	(целевой изотоп 116Cd) от безразмерной
	FC
	iF
	353

величины потока питания в каскад F q0 L . Расчетные и

экспериментальные данные совпадают в пределах точности измерений.

Зависимости концентрации изотопа 116Cd в потоке отбора из каскада от коэффициента потерь рабочего вещества y показаны на рис. 3.7. Видно, что концентрация целевого компонента в потоке отбора снижается с ростом коэффициента потерь рабочего газа в каскаде. Причем с ростом величины потока питания в каскад резкое падение концентрации наблюдается при бóльших значениях безразмерного параметра y. Потери рабочего вещества стараются уменьшить путем повышения чистоты рабочего газа и устранения из конструкции центрифуг материалов, с ним взаимодействующих.

Рис. 3.6. Зависимость коэффициента извлечения ценного компонента Rе от относительного потока отбора F q0 L : 1− расчетные точки, 2- экспериментальные

данные

354

Рис. 3.7. Зависимость концентрации изотопа 116Cd в потоке отбора от коэффициента потерь y при различных значениях безразмерного потока питания. 1 – F/L=0,06; 2 – 0,07; 3 – 0,08

Обогащение стабильных изотопов для получения радионуклида 123I [6]. В основном обогащенные стабильные изотопы применяются в качестве стартового материала для получения радиоактивных изотопов различного назначения. Центробежный метод разделения сделал изотопные материалы не только более доступными, но и предоставил новые возможности, в том числе и по получению радионуклида 123 I для ядерной медицины. Иод-123 является гамма-излучателем с энергией основной линии 159 КэВ. Его период полураспада – 13,3 ч. Преимущество 123I состоит в хорошей регистрации излучения и меньшей на два порядка радиационной дозы, получаемой

пациентом, по сравнению с широко используемым радионуклидом

131I.

Из ядерно-физического рассмотрения возможных путей наработки 123I достаточно давно была ясна перспективность использования 124Хе для реакций как на протонах – (p,2n) и (p,pn), так и фотоядерной – (γ,n). Наличие примеси изотопа ксенон-126 нежелательно, поскольку она определяет радионуклидную чистоту 123I. Ксенон, как газ, не может быть разделен электромагнитной сепарацией и только развитие центробежного метода позволило сделать это.

355

356

Рис. 3.8. Схема центробежного процесса получения высокообогащенного ксенона-124

На рис. 3.8. представлена одна из схем обогащения ксенона. На всех 3-х этапах центрифугирования целевой является легкая фракция. Видно, что на первом этапе 124 изотопный компонент возрастает на порядок, на втором - на полтора. Последний этап позволяет достичь концентрации 99,9% и более.

Природное содержание 124-го изотопа ксенона 0,09%, поэтому в 1000 г исходного ксенона содержится менее 1 г изотопа. Для наработки десятка граммов 124Xe (99,9%) при степени извлечения целевого компонента из сырья 90%, необходимо переработать более 11 кг природного ксенона. Поэтому на первом и втором этапах целесообразно использование более широкого каскада для уменьшения времени переработки ксенона. Третий этап следует осуществлять с наибольшей степенью извлечения целевого компонента. В этом случае наиболее эффективен длинный каскад. На рисунке отражена относительная ширина используемых прямоугольных каскадов.

Другим вариантом получения 123I является использование мишеней из изотопов теллура по реакциям: 124Te (p,2n)123I и 123Te (p,n)123I. Для обеих реакций весьма остро стоит проблема достижения необходимой радионуклидной чистоты с обеспечением наибольшего полезного времени жизни 123I. Как и в случае 124Xe, качество изотопной мишени 123Te является решающим фактором достижения результата. Наличие в мишени соседнего изотопа 124Te, из которого образуется 124I (период полураспада которого Т1/2=4,17 сут.), приводит к ограничению на время применения препарата по соотношению активностей и поэтому содержание 124Te в мишени должно быть минимально.

Центробежное обогащение 123Te высокого качества может быть организовано по-разному, в зависимости от мощности имеющихся каскадов и количества исходного гексафторида теллура. Наиболее эффективным является трехэтапная схема, представленная на рис. 3.9. На первом этапе на широком каскаде обогащают легкие изотопы теллура, при этом в легкую фракцию отбирается примерно 10% от массы исходного газа. На втором этапе отделяются все компоненты, тяжелее 123Te, для чего используется более длинный каскад. Газом питания длинного каскада на третьем этапе является продукт, где 123Te крайний в тяжелой части спектра масс (не считая малой примеси массы 124), и при отборе в тяжелую фракцию его обогащают до концентрации 99% и более.

357

358

Pис. 3.9. Cхема центробежного процесса получения высокообогащенного теллура-123

Согласно этой схеме, получаемым продуктом является 123Te при содержании 124 Te не свыше 0,1%, что на полтора порядка чище по 124-й массе, чем продукт, получавшийся на масс-сепараторе. Эта же разделительная схема позволила получить изотопный образец с обогащением по 123Te до 99,9%.

В производстве 123Te и 124Xe имеются существенные различия. 124Xe является самым крайним легким изотопом и имеет разницу в 2 а.е.м. от единственного соседа с 126-й массой. 123Te имеет почти на порядок большее природное содержание, но располагается между изотопами с массами 122 и 124 с отличием от них в 1 а.е.м. Для получения изотопов ксенона используется рабочий газ ксенон с чистотой до 99,995%. Получение изотопов теллура требует специальной технологии синтеза химически

активного вещества – гексафторида теллура и обеспечения его достаточной для применения в центрифугах чистоты. В отличие от отвалов при получении 124Xe, которые могут быть возвращены на рынок ксенона, отвалы гексафторида теллура не имеют альтернативного применения и должны храниться с последующей утилизацией.

Рассмотренные разделительные режимы для изотопов ксенона и теллура демонстрируют, что от этапа к этапу уменьшается число изотопных компонентов, соотношение их концентраций, и изменяется тем самым средняя молекулярная масса газа, подвергаемого разделению. Таким образом, строго говоря, в каскаде нет ни одной ступени, работающей на одной и той же изотопной смеси. Тем не менее, для одного рабочего вещества эти отличия невелики, поэтому для практических расчетов берут характеристики центрифуги для природной изотопной смеси.

Обогащение изотопа 50Cr [7]. Центробежное разделение изотопов хрома было начато в середине 1980-х годов для Баксанской обсерватории (Кавказ), регистрирующей поток солнечных нейтрино. Первоначально была поставлена задача получения обогащенного 50Cr в количестве 1 кг, который после облучения в реакторе переходит в радиоактивный 51Cr, испускающий нейтрино. Этот искусственный источник нейтрино был необходим для калибровки солнечного нейтринного телескопа.

В результате проведенных исследований была разработана следующая технологическая схема получения обогащенного 50Cr:

359

1. Синтез рабочего вещества для центробежного обогащения изотопа 50Cr летучего химического соединения хрома - хромилфторида (CrO2F2);

2. Разделение на каскаде центрифуг и сбор обогащенной до нужной концентрации легкой фракции 50CrO2F2;

3. Гидролиз обогащенного продукта 50CrO2F2 и получение окиси

50CrO3;

4. Электролизное получение металлического 50Cr из окиси

50CrO3;

5. Обеспечение химической чистоты металлического хрома, т.е. необходимый для пользователей состав химических примесей, определяющих уровень радионуклидного загрязнения источника нейтрино 51Cr.

На рисунке 3.10.(1) показана схема процесса разделения изотопов хрома. Двухэтапный режим на каскаде изменяемой ширины позволял обеспечивать 90% обогащение при требуемой степени извлечения 50Cr из сырья. Xромилфторид помимо хрома включает кислород, обладающий собственной изотопией. Поскольку природное содержание 17O и 18O невелико, их влияние не препятствовало обогащению самого легкого изотопа хрома.

После отработки технологии обогащения изотопа 50Cr была поставлена задача наработать 40 кг этого изотопа с обогащением (38-40%) для европейского нейтринного телескопа международного научного объединения GALLEX [8].

Врезультате проведенных работ была достигнута производительность около 3 кг изотопа в месяц [7, 8]. На рис.

3.10(2) показаны величины выходных концентраций изотопных компонентов в легкой фракции каскада при обогащения 50Cr.

Вэтой разделительной кампании помимо ограничений на

химическую чистоту конечного продукта имелось изотопное лимитирующее условие по содержанию изотопа 53Cr, обладающего большим сечением захвата нейтронов. В рамках проекта GALLEX

его содержание ограничивалось 2% (в природном материале - 9.5%). В процессе получения изотопа 50Cr удалось обеспечить содержание изотопа 53Cr 0,5%.

360