族谱网 头条 人物百科

同位素分离

2020-10-16
出处:族谱网
作者:阿族小谱
浏览:829
转发:0
评论:0
分离技术分离同位素的方法主要有三种:利用不同同位素相对原子质量的不同进行物理分离。利用不同同位素相对原子质量的不同造成其在同一化学反应中反应速率的差别进行分离。与同位素相对原子质量无关的方法(如原子核共振)进行分离。此方法仍在实验阶段。实际中应用的分离技术都在某种程度上利用了同位素相对原子质量上的差异。就一般情况而言,不同同位素相对原子质量的差异比较大,分离则相对容易。比如,氘的原子核的质量几乎是氕的两倍,因此,提纯氘要比在天然铀中分离铀-235与铀-238更容易。更极端的例子是将裂变物质钚-239和杂质钚-240分离,该项分离难度极大。(参见:浓缩铀)多级浓缩大规模的同位素分离方案通常会采用一系列相似的结构,每一级都将前一级的产物继续浓缩后提供给下一级,使同位素得到多次浓缩、富集。类似的,每一级产生的尾料都交返前一级再处理。这样形成的同位素提纯系统称为多级结构。影响多级结构分离同位素性能...

分离技术

分离同位素的方法主要有三种:

利用不同同位素相对原子质量的不同进行物理分离。

利用不同同位素相对原子质量的不同造成其在同一化学反应中反应速率的差别进行分离。

与同位素相对原子质量无关的方法(如原子核共振)进行分离。此方法仍在实验阶段。

实际中应用的分离技术都在某种程度上利用了同位素相对原子质量上的差异。

就一般情况而言,不同同位素相对原子质量的差异比较大,分离则相对容易。比如,氘的原子核的质量几乎是氕的两倍,因此,提纯氘要比在天然铀中分离铀-235与铀-238更容易。更极端的例子是将裂变物质钚-239和杂质钚-240分离,该项分离难度极大。

(参见:浓缩铀)

多级浓缩

大规模的同位素分离方案通常会采用一系列相似的结构,每一级都将前一级的产物继续浓缩后提供给下一级,使同位素得到多次浓缩、富集。类似的,每一级产生的尾料都交返前一级再处理。这样形成的同位素提纯系统称为多级结构。

影响多级结构分离同位素性能的因素主要有以下两点:

达到所需纯度的分级数。

同位素分离因子D(D是一个大于1的实数),其计算公式如下(M 1 与M 2 分别表示两种同位素的相对原子质量):

商业材料

到目前为止,大规模的商业化的同位素分离仅仅限于以下三种元素。每一中元素中,两种最常见的同位素中较为稀少的那个在核技术中有重要的应用,需要被浓缩提纯。

铀同位素需要被分离以提供浓缩铀作为核反应堆的燃料或者用于核武器中

氢同位素需要被分离以提供重水作为核反应堆中的中子减速剂

锂-6需要被提纯以应用于热核武器中。

其他的一些经过提纯的少量同位素会用于特殊的应用中,特别是半导体工业。经过提纯的硅会拥有更完美的晶体结构和热传导性能 。

同位素分离在民用和军用核技术中都有着重要应用,因此一个国家进行同位素分离的能力是其智库非常关心的问题。

替代方式

唯一能够替代同位素分离的方法是在制备所需要的同位素就将它提纯。这可以通过对一个合适的目标进行辐射,但是需要注意选择合适的目标以及注意其他的一些因素,以使得所需要的同位素是该元素惟一的产物。若生成其他元素的同位素并不是很大的问题,因为我们可以使用化学方法将它们除去。

在制备核武器所使用的高纯度钚-239时就需要注意这个问题。将钚-239与钚240或者钚241分离是非常困难的事情。裂变物质钚-239通过铀-238俘获一个中子而得到,但是再俘获一个中子将得到非裂变物质钚-240,更坏的情况是得到钚-241。因此,生产军用钚的铀只能接受辐射比较短的时间,以尽量减少不需要的同位素。

实际使用的分离方法

扩散

扩散通常使用气体,但是也会使用液体。扩散方式的原理是在热平衡时,两种具有相同能量的同位素的平均速度会有所不同。较轻的原子(或者包含有该原子的分子)的速度运动的更快,也更容易穿过薄膜。由于速度之比与与质量比的平方根成正比,分离的效率其实并不高,因此为了得到高纯度需要很多级来进行分离。由于需要推动气体穿过薄膜,同时需要非常多的分级扩散装置,这种方法的成本非常高。

美国在橡树岭国家实验室建成了世界上第一个大型气体扩散分离工厂,以大规模分离铀的同位素。该工厂是曼哈顿工程的一部分。工厂中使用了六氟化铀气体来进行分离。

气体离心法

同位素分离

美国铀浓缩工厂中使用的多级气体离心机。

气体离心法利用离心作用通过快速地旋转物质,使不同核素分离。该过程通常通过使用Z型离心机分离气体完成。

利用离心机来分离同位素的方法首先由阿斯顿和 Lindemann于1919年提出, 在1936年,Beams和Haynes使用这种方法成功分离了氯的同位素。然而,在曼哈顿工程中,这种方式因产量太低而未被选用。但是在现代,这种方式仍为了分离铀的同位素的主要方式,气体离心法也因此成为了一种相对保密的技术,阻碍了各国对这个技术的理解及掌握。

外界气体离心法的主要了解有:气体离心法的大致过程为UF 6 气体先被送进中心层,随后送入其他级。 由于达到同样的浓度气体离心法需要的级数比较少,消耗的能量也就大幅度下降。实际上,在如今生产浓缩铀的过程中,气体离心技术已经替代了气体扩散技术。

由于达到同样的浓度需要的能量比较少,工厂的规模也得以大幅减小,使得一些较小的国家也有可能试图生产核武器。巴基斯坦的核武器中的铀很可能就是采用这种方式进行生产的。

其他离心分离技术

南非在其的赫利孔涡流分离中使用了涡流管来进行同位素分离。气体被注入一个有特殊几何形状的空间后,空间的特殊形状可以使气流旋转得非常快,并使同位素分离。由于涡流管没有可移动的零件,这种方式非常简单,但是需要大量的能量。这种方式所需的能量大约是气体离心法的50倍。

一个七赫利孔涡流分离但较为简单的名为“喷气机喷口”的方法后来在德国创立,德国在巴西建造了一个示范工厂,同时正努力建造一个能够提供他们国家国家核电站所需燃料的工厂。

电磁场

同位素分离

使用电磁同位素分离器对铀同位素素分离的示意图

这种方法是一种质谱法,同时这也是该方法的另一个名字。它利用带电粒子在磁场作用下会发生偏转,而偏移量于例子的质量有关这个性质将同位素分离。由于这种方法的产量极低,通过该方法分离同位素的成本非常高昂,但是分离的纯度相当高。这种方法经常被用来处理很少量纯粹的同位素为研究或者其他特殊的应用(如同位素示踪)使用,但是无法用于大规模的工业化生产。

在橡树岭和伯克利加州大学,欧内斯特·劳伦斯研究了电磁法分离铀。美国第一颗原子弹使用的大部分铀都是由这个方法提供的(参见曼哈顿工程)。使用这个原理分离的设备被称为卡留管。战后,由于这种方法很不实用而几乎被舍弃。它仅仅在不计代价的保证需要足够的核原料的情况下才被采用。它在战后的主要工作是将气体扩散工厂生成的核原料进行进一步的浓缩。

激光

在这种方法中,激光被调整为某一个适当的波长使得核原料中仅仅某一中同位素可以被激发和电离。同位素对光的共振吸收与原子核的质量和某种电子与原子核间超精细作用有关,因此可以通过精确调节激光的波长使其仅与某种特定的同位素发生作用。原子核电离以后,它可以通过施加一个外加的电场从样品中移除。这种方式经常被称为原子蒸汽激光同位素分离。这种方法在近年来激光技术改进后才发展起来,但是现在仍然没有大规模使用。然而,由于于其它方法相比,这种方法可能成本更加低,也更容易被隐藏,这种方法在核扩散领域内引起广泛关注。这种方法中使用的可调谐激光包括染料激光 和更新的激光二极管。

激光同位素分离的第二种方法被称为分子激光同位素分离。这种方法使用红外激光来照射六氟化铀气体,并将那些包含有铀-235原子核的分子激发。第二个激光可以将一个氟原子从被激发的分子中释放出来,形成五氟化铀,而这种物质可以从气体中沉淀出来。由于这种方法的产物五氟化铀必须重新被氟化成六氟化铀才能进行下一级提纯,这种方法很难以被多极化。这种方法如今正在被改进,以使得仅仅通过一级就可以将铀-235的浓度提升至95%。这个方法目前仍无法工业化。

最后,由澳大利亚的西勒克斯系统公司开发的第三代激光铀浓缩技术SILEX最近被授权给通用电气,以建立一个小规模的浓缩工厂。这种方法同样使用六氟化铀作为原料,在同位素被电离以后使用磁场将其分离出去。进一步的技术细节没有被透露。

化学方法

尽管通常情况下人们认为同种元素的不同同位素拥有相同的化学性质,但严格来说这并不成立。其实,原子质量会非常轻微的影响反应速度。

利用化学方法进行分离较轻的原子核将会更加有效,比如分离氢的同位素。轻一些的同位素更容易发生反应,蒸发的也比重同位素快,这样就可以通过化学方法将他们分离。这也是商业化重水的生产方法,技术细节参见Girdler硫化过程。轻一些的同位素在电场的作用下分离的更快。在德国尤坎的重水生产基地就利用这个性质进行了多级工业化生产。

利用动力学同位素效应对同位素进行分离的备选方案可能最终被用于分离氚。将氚化的甲酸阴离子氧化为氚化水的效应如下:

重力

碳、氧和氮的同位素可以通过在很高的分离塔(大约70到200米)中将它们的气体单质或者气体化合物冷却至接近液化温度从而得到分离。比较重的元素会下沉,而比较轻的元素会上浮,这样就很容易被收集了。这种方式在1960年代末由洛斯阿拉莫斯国家实验室的科学家发明[1]。 这种方式也被称为 低温蒸馏 [2]。

分离功单位

分离功单位 是一个复杂的计量单位。它是用于处理的铀的数量和得到的纯度的函数,也就是铀-235在经过浓缩以后的所增加的比例。如果原料和产物的数量都使用千克进行计算,这个计量单位被用于衡量分离单位质量的同位素所小号的能量。

例如,如果有100千克天然铀,那么需要60SWU易产生10千克的U-235纯度为4.5%的铀。

外部链接


免责声明:以上内容版权归原作者所有,如有侵犯您的原创版权请告知,我们将尽快删除相关内容。感谢每一位辛勤著写的作者,感谢每一位的分享。

——— 没有了 ———
编辑:阿族小谱
发表评论
写好了,提交
{{item.label}}
{{commentTotal}}条评论
{{item.userName}}
发布时间:{{item.time}}
{{item.content}}
回复
举报
点击加载更多
打赏作者
“感谢您的打赏,我会更努力的创作”
— 请选择您要打赏的金额 —
{{item.label}}
{{item.label}}
打赏成功!
“感谢您的打赏,我会更努力的创作”
返回

更多文章

更多精彩文章
打赏
私信

推荐阅读

· 同位素
性质同位素具有相同原子序数的同一化学元素的两种或多种原子之一,在元素周期表上占有同一位置,化学性质几乎相同(氕、氘和氚的性质有些微差异),但原子质量或质量数不同,从而其质谱性质、放射性转变和物理性质(例如在气态下的扩散本领)有所差异。同位素的表示是在该元素符号的左上角注明质量数(例如碳14,一般用C来表示)。同位素可以分为稳定性同位素和放射性同位素。在自然界中天然存在的同位素称为天然同位素,人工合成的同位素称为人造同位素。如果该同位素是有放射性的话,会被称为放射性同位素。历史弗雷德里克·索迪借由衰变链分析,在1912年证实同位素存在。约瑟夫·汤姆孙在1913年首次发现稳定元素同位素的证据。弗朗西斯·阿斯顿通过实验,证明了氖的两种同位素的存在。参看同位素列表元素核素核素列表化学元素同中子素同量素
· 氙的同位素
自然存在的氙同位素在自然存在的氙元素中存在9种不同的氙同位素,其中有5个稳定同位素和3个观测上稳定的同位素和一个放射性痕量同位素。由于Xe和Xe根据预测能够进行双重β衰变,但这未经实验证明,因此这两种同位素仍被认为是稳定的。氙是自然存在稳定同位素第二多的元素,最多的是锡,其共有7个稳定同位素和3个观测上稳定的同位素。稳定同位素数量高于7个的元素只有氙和锡。在自然存在的氙同位素中,丰度最高的是氙-132,占26.9%、其次为氙-129,占26.4%、再来是氙-131,占21.2%、以及氙-134,占10.4%、还有氙-136,占8.86%,其余丰度皆在5%以下,包括氙-130(丰度:4.07%)、氙-128(丰度:1.91%)、氙-124(丰度:0.095%)以及氙-126(丰度:0.089%),其中氙-136有微弱的放射性,会经由双重β衰变衰变成钡-136,半衰期约2×10。能够形成氙的自...
· 氖的同位素
图表备注:画上#号的数据代表没有经过实验的证明,只是理论推测而已,而用括号括起来的代表数据不确定性。参考文献IsotopemassesfromAme2003AtomicMassEvaluationbyG.Audi,A.H.Wapstra,C.Thibault,J.BlachotandO.BersilloninNuclearPhysicsA729(2003).IsotopiccompositionsandstandardatomicmassesfromAtomicweightsoftheelements.Review2000(IUPACTechnicalReport).PureAppl.Chem.Vol.75,No.6,pp.683-800,(2003)andAtomicWeightsRevised(2005).Half-life,spin,andisomerdataselectedfrom...
· 铅的同位素
图表备注:画上#号的数据代表没有经过实验的证明,只是理论推测而已,而用括号括起来的代表数据不确定性。参考文献IsotopemassesfromAme2003AtomicMassEvaluationbyG.Audi,A.H.Wapstra,C.Thibault,J.BlachotandO.BersilloninNuclearPhysicsA729(2003).IsotopiccompositionsandstandardatomicmassesfromAtomicweightsoftheelements.Review2000(IUPACTechnicalReport).PureAppl.Chem.Vol.75,No.6,pp.683-800,(2003)andAtomicWeightsRevised(2005).Half-life,spin,andisomerdataselectedfrom...
· 稳定同位素
稳定性同位素同位素的一种类型,不自衰变的,不存在放射性衰变的稳定的同位素。比如H(氢),D(氘)互为稳定性同位素。O,O和O互为稳定性同位素。稳定性同位素为自然界广泛存在的,如C、C、O、O等。

关于我们

关注族谱网 微信公众号,每日及时查看相关推荐,订阅互动等。

APP下载

下载族谱APP 微信公众号,每日及时查看
扫一扫添加客服微信