Большая Советская энциклопедия
выделение чистых изотопов из смеси изотопов данного элемента или обогащение смеси отдельными изотопами. И. р. — важная проблема, имеющая большое научное и практическое значение. С момента открытия изотопов (См. Изотопы)и до 1930-х гг. попытки И. р. производились главным образом для обнаружения изотопов у стабильных элементов, измерения их массы и изотопного состава. Удавалось выделить лишь небольшие (индикаторные) количества некоторых элементов, незначительно обогащенных изотопами. В 30-х гг. начались фундаментальные исследования атомных ядер, ядерных реакций (См. Ядерные реакции), взаимодействия частиц с ядрами и т. д. Достоверность экспериментальных данных и интерпретация полученных результатов в значительной мере зависели от чистоты и доступного количества изотопа. Но получение чистых изотопов даже в миллиграммовых количествах являлось сложной задачей. Были выделены лишь небольшие количества обогащенных смесей изотопов главным образом лёгких элементов. Только Дейтерий начали производить в промышленных масштабах. Дальнейшее развитие техники И. р. было вызвано установлением в 1939 реакции деления 235U под действием нейтронов, которое открыло перспективу использования ядерной энергии в мирных и военных целях (см. Ядерная энергетика, Ядерный реактор, Ядерное оружие). Получение в больших количествах изотопов U и некоторых других элементов, необходимых в качестве «ядерного горючего» или материалов для ядерной техники, превратилось с этого момента в важную задачу. Для её решения были построены огромные заводы.
Существует ряд методов И. р. Все они основаны на различиях в свойствах изотопов и их соединений, связанных с различием масс их атомов. Для большинства элементов относительная разность масс изотопов весьма мала. Этим определяется сложность задачи.
Эффективность И. р. характеризуется коэффициентом разделения α. Для смеси двух изотопов С' и (1 — C') — относительные содержания лёгкого и тяжёлого изотопов в обогащенной смеси, а С " и (1 — С ") — в первичной смеси. Для большинства методов α лишь немного больше единицы, поэтому для получения высокой изотопной концентрации единичную операцию И. р. приходится многократно повторять. Только при электромагнитном разделении α составляет 10—1000 за 1 цикл разделения. Выбор метода И. р. зависит от свойств разделяемого вещества, требуемой степени разделения, необходимого количества изотопов, экономичности процесса (при значительном масштабе производства изотопов) и т. п.
Газовая диффузия через пористые перегородки. Газообразное соединение разделяемого элемента при достаточно низких давлениях Изотопов разделение 0,1 н/м2 (Изотопов разделение10-3 мм рт.ст.) «прокачивается» через пористую перегородку, содержащую до 106 отверстий на 1 см2 (рис. 1). Лёгкие молекулы проникают через перегородку быстрее тяжёлых, так как скорости молекул обратно пропорциональны квадратному корню из их молекулярного веса (см. Диффузия). В результате газ обогащается лёгкой компонентой по одну сторону перегородки и тяжёлой — по другую. Если разница в молекулярных массах очень мала, то необходимо повторение этого процесса тысячи раз. Количество операций разделения n определяется соотношением: q = αn, где q — необходимая степень разделения. На этом методе основана работа гигантских газодиффузионных заводов для получения 235U из газообразного UF6 (α Изотопов разделение 1,0043). Для получения необходимой концентрации 235U требуется около 4000 единичных операций разделения (рис 2).
Диффузия в потоке пара (противопоточная масс-диффузия). И. р. происходит в цилиндрическом сосуде (колонне), перегороженном вдоль оси диафрагмой, содержащей около 103 отверстий на 1 см2 (рис. 3). Газообразная изотопная смесь движется навстречу потоку вспомогательного пара. Вследствие градиента (перепада) концентрации газа и пара в поперечном сечении цилиндра и бо́льшего коэффициента диффузии для лёгких молекул происходит обогащение лёгким изотопом части газа, прошедшего сквозь поток пара в левую часть цилиндра. Обогащённая часть выводится из верхнего конца цилиндра вместе с основным потоком пара, а оставшаяся в правой половине часть газа движется вдоль диафрагмы и отводится из аппарата. Пар, проникший в правую часть, конденсируется. На разделительных установках, состоящих из нескольких десятков последовательно соединённых диффузионных колонок с испаряющейся жидкостью (ртуть, ксилол и др.), разделяются в лабораторных масштабах (до 1 кг) изотопы неона, аргона, углерода, криптона, серы (рис. 4).
Термодиффузия. Термодиффузионная разделительная колонка состоит из двух коаксиально расположенных труб, в которых поддерживаются различные температуры (рис. 5). Разделяемая смесь вводится между ними. Перепад температур ΔТ между поверхностями труб создаёт диффузионный поток, что приводит к появлению разности концентрации изотопов в поперечном сечении колонки (см. Термодиффузия). Одновременно перепад температур приводит к возникновению конвективных вертикальных потоков газа (см. Конвекция). Вследствие этого более лёгкие изотопы накапливаются у горячей поверхности внутренней трубы и движутся вверх. Коэффициент разделения T = (T1 + T2)/2. Термодиффузионный метод позволяет разделять изотопы как в газообразной, так и в жидкой фазе. Возможный ассортимент разделяемых изотопов шире, чем при разделении методом газовой диффузии или диффузии в потоке пара. Однако для жидкой фазы α мало. Метод удобен при И. р. в лабораторных условиях вследствие простоты, отсутствия вакуумных насосов и т. д. Этим методом был получен Не с содержанием 0,2% 3He (в природной смеси 1,5․10-5%), изотопы 18O, 15N, 13C, 20Ne, 22Ne, 35Cl, 84Kr, 86Kr с концентрацией > 99,5%. Термодиффузия использовалась в промышленном масштабе в США для предварительного обогащения 235U перед окончательным разделением его на электромагнитной установке. Термодиффузионный завод состоял из 2142 колонн высотой 15 м.
Дистилляция (фракционная перегонка). Поскольку, как правило, изотопы имеют различные давления насыщенного пара, например p1 и p2, и различные точки кипения, то возможно разделение изотопов путём фракционной перегонки. Используются фракционирующие колонны с большим числом ступеней разделения; α зависит от отношения p1/p2 и его значение уменьшается с ростом молекулярной массы и температуры. Поэтому процесс наиболее эффективен при низких температурах. Дистилляция использовалась при получении изотопов лёгких элементов — 10B, 11B, 18O, 15N, 13C, а в промышленном масштабе для получения сотен тонн тяжёлой воды в год.
Изотопный обмен. Для И. р используются также химические реакции, в которых изотопы разделяемого элемента обмениваются местами. Так, например, если привести в соприкосновение хлористый водород HCl с бромистым водородом HBr, в которых первоначальное содержание дейтерия D в водороде было одинаковым, то в результате обменной реакции содержание D в HCl будет несколько выше, чем в HBr (см. Изотопный обмен). Применение нескольких ступеней позволяет получать высокое обогащение водорода, азота, серы, кислорода, углерода, лития отдельными изотопами.
Центрифугирование. В центрифуге, вращающейся с большой окружной скоростью (100 м/сек), более тяжёлые молекулы под действием центробежных сил концентрируются у периферии, а лёгкие молекулы — у ротора центрифуги. Поток пара во внешней части с тяжёлым изотопом направлен вниз, а во внутренней с лёгким изотопом — вверх. Соединение нескольких центрифуг в каскад обеспечивает необходимое обогащение изотопов. При центрифугировании α зависит не от отношения масс атомов разделяемых изотопов, а от их разности. Поэтому центрифугирование пригодно для разделения изотопов и тяжёлых элементов. Благодаря совершенствованию центрифуг метод стал применяться для промышленного разделения изотопов урана и других тяжёлых элементов.
Электролиз. При Электролизе воды или водных растворов электролитов выделяющийся на катоде водород содержит меньшее количество дейтерия, чем исходная вода. В результате в электролизёре растет концентрация дейтерия. Метод применялся в промышленных масштабах для получения тяжёлой воды. Разделение других изотопов лёгких элементов (лития, калия) электролизом их хлористых солей производится только в лабораторных количествах.
Электромагнитный метод. Вещество, изотопы которого требуется разделить, помещается в тигель ионного источника, испаряется и ионизуется. Ионы вытягиваются из ионизационной камеры сильным электрическим полем, формируются в ионный пучок и попадают в вакуумную разделительную камеру, помещенную в магнитное поле Н, направленное перпендикулярно движению ионов. Под действием магнитного поля ионы движутся по окружностям с радиусами кривизны, пропорциональными корню квадратному из отношения массы иона М к его заряду е. Вследствие этого радиусы траектории тяжёлых и лёгких ионов отличаются друг от друга (рис. 6). Это позволяет собирать ионы различных изотопов в приёмники, расположенные в фокальной плоскости установки (см. Масс-спектрометры).
Производительность электромагнитных установок определяется значением ионного тока и эффективностью улавливания ионов. На больших установках ионный ток колеблется от десятков до сотен ма, что даёт возможность получать до нескольких граммов изотопов в сутки (суммарно по всем изотопам). В лабораторных сепараторах производительность в 10—100 раз ниже.
Электромагнитный метод характеризуется высоким α и возможностью одновременного разделения всех изотопов данного элемента. Обычно на больших промышленных установках для одной ступени разделения αИзотопов разделение 10—100, в лабораторных — в 10—100 раз выше. В большинстве случаев при разделении электромагнитным методом достаточно одной ступени, редко производится повторное разделение предварительно обогащенных изотопных материалов для получения изотопов особо высокой частоты. Основной недостаток метода — относительно низкая производительность, высокие эксплуатационные затраты, значительные потери разделяемого вещества.
Электромагнитный метод впервые позволил получить килограммовые количества 235U. Электромагнитный завод в Ок-Ридже (США) имел 5184 разделительные камеры — «калютроны» (рис. 7). Вследствие высокой универсальности и гибкости электромагнитные установки используются для разделения изотопов Изотопов разделение 50 элементов периодической системы в количествах от мг до сотен г и являются основным источником обеспечения изотопами научно-исследовательских работ и некоторых практических применений изотопов (см., например, Изотопные индикаторы).
Наряду с большими электромагнитными разделительными установками для промышленного производства изотопов широкое применение получили лабораторные сепараторы. Они используются для получения радиоактивных изотопов, необходимых для ядерной спектроскопии (См. Ядерная спектроскопия), для изучения взаимодействия ионов с твёрдым телом (при ионном внедрении (См. Ионное внедрение) и для других целей).
Другие методы разделения. Помимо перечисленных, существует ряд других методов, применение которых носит ограниченный характер или находится в стадии исследований или технических усовершенствований. К ним относятся: получение 3He, основанное на явлении сверхтекучести (См. Сверхтекучесть) 4He; разделение посредством диффузии в сверхзвуковой струе газа, расширяющейся в пространстве с пониженным давлением; хроматографическое разделение, основанное на различии в скоростях адсорбции изотопов; биологические способы разделения.
Методы И. р. имеют особенности, определяющие области их наиболее эффективного применения. При И. р. лёгких элементов с массовыми числами около 40 экономически более выгодны и эффективны дистилляция, изотопный обмен и электролиз. Для разделения изотопов тяжёлых элементов применяются диффузионный метод, центрифугирование и электромагнитное разделение. Однако газовая диффузия и центрифугирование могут быть использованы, если имеются газообразные соединения элементов. Поскольку таких соединений мало, реальные возможности этих методов пока ограничены. Термодиффузия позволяет разделять изотопы как в газообразном, так и в жидком состоянии, но при разделении изотопов в жидкой фазе α мало. Электромагнитный метод обладает большим α, но имеет малую производительность и применяется главным образом при ограниченных масштабах производства изотопов.
Для обеспечения научно-исследовательских работ и практических применений изотопов в СССР создан Государственный фонд стабильных изотопов, обладающий запасом изотопов почти всех элементов. Регулярно производится разделение значительных количеств дейтерия 10B, 13C, 15N, 180, 22Ne и других изотопов. Организован также выпуск различных химических препаратов, меченых стабильными изотопами.
Лит.: Бродский А. И., Химия изотопов, М., 1952; Смит Г., Атомная энергия для военных целей, пер. с англ., М., 1946; Физический энциклопедический словарь, т. 4, М., 1965; Розен А. М., Теория разделения изотопов в колоннах, М., 1960; Джонс К., Ферри В., Разделение изотопов методом термодиффузии, пер. с англ., М., 1947; Koch J. [ed.], Electromagnetic isotope separators and applications of electromagnetically enriched isotopes, Amst., 1958.
В. С. Золотарев.
Рис. 1. Схема устройства для разделения изотопов методом газовой диффузии.
Рис. 3. Схема устройства для разделения изотопов методом противопоточной масс-диффузии.
Рис. 5. Схема термодиффузионной разделительной колонки.
Рис. 6. Схематическое изображение электромагнитного разделительного устройства; точки показывают направление магнитного поля, перпендикулярное плоскости рисунка.
Рис. 2. Газодиффузионный завод для производства 235U в Ок-Ридже (США).
Рис. 4. Разделительная установка, работающая на противопоточной масс-диффузии.
Рис. 7. Завод для электромагнитного разделения в Ок-Ридже (США).
Большой энциклопедический словарь
ИЗОТОПОВ РАЗДЕЛЕНИЕ - выделение чистых изотопов из смеси изотопов или обогащение природного элемента отдельными изотопами. Существуют способы промышленного разделения изотопов для некоторых химических элементов (азота, бора, водорода, урана, углерода и др.).
Большой энциклопедический словарь
ИЗОТОПОВ РАЗДЕЛЕНИЕ - выделение чистых изотопов из смеси изотопов или обогащение природного элемента отдельными изотопами. Существуют способы промышленного разделения изотопов для некоторых химических элементов (азота, бора, водорода, урана, углерода и др.).
Физическая энциклопедия
- ИЗОТОПОВ РАЗДЕЛЕНИЕ
-
выделение отд. изотопов из естественной их смеси или обогащение смеси отд. изотопами. Первые попытки И. р. производились гл. обр. для обнаружения изотопов у стабильных элементов, для точного измерения массы их атомов и относит. содержания (см. АВТОРАДИОГРАФИЯ). В 30-х гг. фундам. исследования в области яд. физики потребовали получения изотопов, что тогда даже в кол-вах порядка неск. мг являлось сложной задачей. Выделялись лишь небольшие кол-ва обогащённых смесей изотопов лёгких элементов. Только дейтерий начал производиться в пром. масштабах. Дальнейшее развитие техники И. р. было обусловлено появлением ядерных реакторов, для к-рых требовался U, обогащённый 235U (см. ЯДЕРНОЕ ТОПЛИВО). Существует множество методов И. р. Все они основаны на различиях в св-вах изотопов и их соединений, связанных с различием масс их атомов. Для большинства элементов относит. разность масс изотопов весьма мала, что определяет сложность задачи. Эффективность методов И. р. характеризуется коэфф. разделения a. Для смеси двух изотопов он равен:
где с' и 1-с' — относит. содержания лёгкого и тяжёлого изотопов в обогащённой смеси, а с" и 1-с" — в исходной смеси. Если а лишь немного больше единицы, то операцию И. р. приходится многократно повторять; только при эл.-магн. разделении a->1 (см. ниже).
Газовая диффузия через пористые перегородки.
Рис. 1. Схема устройства для разделения изотопов методом газовой диффузии.
Газообразное соединение разделяемого элемента при достаточно низких давлениях (=10-3 мм рт. ст. или =0,1 Па) прокачивается через пористую перегородку (рис. 1). Лёгкие молекулы диффундируют через перегородку быстрее тяжёлых. В результате газ обогащается лёгкой компонентой по одну сторону перегородки и тяжёлой — по другую. Если разница в массах мала, то необходимо повторять процесс неск. тыс. раз. Этот метод используется на спец. газодиффуз. заводах для обогащения U (в виде газообразного UF6) изотопом 235U (a=1,0043). Для получения нужной концентрации 235U требуется ок. 4000 операций разделения.
Диффузия в потоке пара (масс-диффузия). И. р. происходит в цилиндрич. сосуде (колонне), перегороженном вдоль оси диафрагмой, содержащей ок. 103 отверстий на 1 см2 (рис. 2). Газообразная изотопная смесь движется навстречу потоку вспомогат. пара.
Рис. 2. Схема устройства для разделения изотопов методом противопоточной масс-диффузий.
Вследствие перепада концентраций газа и пара в поперечном сечении цилиндра и большего коэфф. диффузии для более лёгких молекул происходит обогащение лёгким изотопом части газа, прошедшего сквозь поток пара в левую часть цилиндра. Обогащённая часть выводится из верхнего цилиндра вместе с осн. потоком пара, а оставшаяся в правой половине часть газа движется вдоль диафрагмы и выводится из аппарата. Пар конденсируется и отделяется от смеси изотопов. Процесс может осуществляться многократно. В лаб. условиях получают до 1 кг изотопов Ne, Ar, С, Kr, S.
Термодиффузия. Разделит. колонка состоит из двух коаксиальных труб, поддерживаемых при разных темп-pax (рис. 3), между к-рыми находится газообразное в-во. Разность темп-р DT создаёт вертик. конвекц. поток газовой смеси и одновременно вызывает непрерывно идущее поперечное термодиффуз. разделение изотопов (см. КОНВЕКЦИЯ, ТЕРМОДИФФУЗИЯ). Вследствие этого более лёгкие изотопы накапливаются у горячей поверхности внутр. трубы и движутся вверх. Коэфф. разделения
a=1+gDТ/Т,
где g — постоянная термодиффузии, зависящая от относит. разности масс изотопов, а Т=(Т1+Т2)/2
Этим методом были получены Не с содержанием 0,2% 3Не (в природной смеси — 1,5*10-5%), изотопы 18О, 15N, 13C, 20Ne, 22Ne, 35Cl, 84Kr, 86Kr с концентрацией >99,5%.
Рис. 3. Схема термодиффузионной разделит. колонки.
Дистилляция. Изотопы обычно имеют разл. давления насыщ. пара (p1 и р2) и точки кипения, поэтому возможно И. р. путём фракц. перегонки. При кипении жидкой смеси изотопов в образующемся паре преобладает изотоп с наименьшей темп-рой кипения. Используются фракционирующие колонны с большим числом ступеней разделения; а зависит от отношения p1/p2 и уменьшается с ростом мол. массы и темп-ры (процесс наиб. эффективен при низких темп-pax). Дистилляция использовалась при получении изотопов лёгких элементов 10В, 11B, 18O, 15N, 13С и для получения тяжёлой воды (сотен т в год).
Изотопный обмен. Для И. р. используются хим. реакции, при к-рых происходит перераспределение изотопов к.-л. элемента между реагирующими в-вами. Так, напр., если привести в соприкосновение HCl с HBr, в к-рых первонач. содержание дейтерия D в водороде было одинаковым, то в результате обменной реакции в HCl содержание D будет неск. выше, чем в HBr. Применение неск. каскадов позволяет получать дейтерий и обогащённые отд. изотопами смеси для др. лёгких элементов (N, S, О, С, Li).
Центрифугирование. В центрифуге, вращающейся с большой скоростью, более тяжёлые молекулы под действием центробежных сил концентрируются у периферии, а лёгкие молекулы — у ротора. Поток пара во внеш. части с тяжёлым изотопом направлен вниз, а во внутренней, с лёгким изотопом, вверх. Соединение неск. центрифуг в каскад обеспечивает необходимое обогащение. Центрифугирование пригодно для разделения изотопов как лёгких, так и тяжёлых элементов.
Электролиз. При электролизе воды или водных р-ров электролитов выделяющийся на катоде водород содержит меньшее кол-во D, чем исходная вода. В результате в электролизёре растёт концентрация D. Метод применялся в пром. масштабах для получения тяжёлой воды. Электролизный завод в Норвегии в 40-х гг. производил неск. тонн D в год. Разделение Li, К и др. (электролизом их хлористых солей) производится только в лаб. условиях.
Электромагнитный метод. В-во, содержащее изотопы элемента, к-рые требуется разделить, помещается в тигель ионного источника, испаряется и ионизуется. Ионы вытягиваются из ионизац. камеры высоким отрицат. потенциалом, формируются в ионный пучок и попадают в вакуумную разделит, камеру с магн. полем, направленным перпендикулярно ионному пучку. Под действием магн. поля ионы движутся по окружностям с радиусами R=?М/е, где М и е — масса и заряд ионов. Это позволяет собирать ионы разл. изотопов в разные приёмники, помещённые в фокальной плоскости установки (рис. 4; (см. МАСС-СПЕКТРОМЕТР)).
Эл.-магн. метод впервые (1943—45) использовался в Ок-Ридже (США) для получения 235U в кол-ве неск. кг.
Рис. 4. Схематич. изображение эл.-магн. разделит, устройства. Магн. поле направлено перпендикулярно плоскости рисунка.
Обычно достаточно одной ступени. Повторное разделение применяется редко. Осн. недостаток — относительно низкая производительность, высокие эксплуатац. затраты, значит. безвозвратные потери разделяемого в-ва.
Другие методы разделения пока находятся в стадии лаб. исследований. К ним относятся: лазерное разделение изотопов — метод, перспективный для создания пром. установок; получение 3Не, основанное на сверхтекучести 4Не; разделение посредством диффузии в сверхзвуковой струе газа, расширяющейся в пр-ве с пониженным давлением; разделение, обусловленное миграцией ионов при прохождении электрич. тока в электролитах; хроматографич. разделение, основанное на различии в скоростях адсорбции изотопов; биол. способы разделения и др.
Методы И. р. имеют особенности, определяющие области их наиболее эфф. применения. При И. р. лёгких элементов с A=40 экономически более выгодны и эфф. дистилляция, изотопный обмен и электролиз. Для разделения изотопов тяжёлых элементов применяются диффузионный метод, центрифугирование и эл.-магнитное разделение. Однако газовая диффузия и центрифугирование могут быть использованы, если имеются газообразные соединения элементов. Поскольку таких соединений мало, реальные возможности этих методов пока ограничены. Термодиффузия позволяет разделять изотопы как в газообразном, так и в жидком состоянии, но при разделении изотопов в жидкой фазе а мало. Эл.-магн. метод обладает большим а, но имеет малую производительность, поэтому применяется гл. обр. при огранич. масштабах произ-ва изотопов.
Для обеспечения н.-и. работ и практич. применений изотопов в СССР создан Гос. фонд стабильных изотопов. Систематически производится получение значит. кол-в дейтерия, 10В, 13С, 15N, 18O, 22Ne и др. Организован также выпуск разл. хим. препаратов, «меченых» стабильными изотопами.
Химическая энциклопедия
выделение одного или неск. изотопов данного элемента из их смеси или обогащение смеси отдельными изотопами. Основано на различиях в св-вах в-в, молекулы к-рых содержат разл. изотопы одного хим. элемента (см. Изотопные эффекты). Существуют две группы методов И. р. К первой группе относят т. наз. абс. методы - электромагнитный и фотохимический, позволяющие выделить в чистом виде к.-л. изотоп из смеси путем однократной операции, ко второй - методы, в к-рых операцию разделения многократно повторяют.
Электромагнитный метод основан на зависимости отклонения ионов в электрическом и магнитном полях от отношения m/z (т - масса иона, z - eгo заряд), т. е. на тех же принципах, что и масс-спектрометрия. В-во, содержащее изотопную смесь, переводится в пар, ионизируется, затем ионы ускоряются электрич. полем и попадают в разделит. камеру, где под действием магн. поля, перпендикулярного направлению движения ионов, смесь разделяется на отдельные пучки с одинаковыми значениями m/z; затем пучки собираются в разные приемники. Этим методом можно выделить все изотопы данного элемента. Его применяют для получения малых кол-в изотопов более 50 элементов; впервые этим методом было получено неск. кг 235U (1943-45). Недостатки метода: малая производительность, низкая степень использования сырья, сложность аппаратуры, большие энергозатраты.
Фотохимический метод (лазерное И. р.) основан на том, что молекулы разного изотопного состава возбуждаются излучением разл. длины волны. Используя монохроматич. излучение лазера, удается селективно возбуждать молекулы, содержащие определенный изотоп данного элемента. Возбужденные молекулы отделяют затем посредством хим. р-ций, воздействием электрич. поля или др. способом. Метод можно применять для любых элементов. Пока его используют только в лаб. масштабах; осн. затруднения связаны с необходимостью сохранения селективности на всех следующих после поглощения кванта света стадиях (см. Лазерная химия).
Методы разделения второй группы основаны на неравномерном распределении молекул разного изотопного состава между двумя фазами системы или между двумя зонами одной фазы, в к-рых поддерживаются разл. значения т-ры, давления, электрич. потенциала или др. параметра. Если изменением агрегатного состояния части смеси или воздействием поля разделить исходную смесь на две фракции с разным содержанием изотопов, то элементарный разделит. эффект такой операции характеризуют коэффициентом разделения a. Для смеси двух изотопов
где N' и N: молярные доли выделяемого изотопа в обогащенной и обедненной фракциях. Изменение изотопного состава обогащенной фракции по сравнению с поступающей смесью характеризуют коэффициентом обогащения
где N - молярная доля выделяемого изотопа в поступающей смеси. Величина b может принимать значения в пределах от 1 до a в зависимости от соотношения масс обогащенной и обедненной фракций. Для разделения изотопов всех хим. элементов (кроме водорода) значение а лишь немного больше 1. Поэтому элементарный разделит. эффект умножают в каскадах или в колоннах. Каскады представляют собой последовательно соединенные элементы однократного разделит. действия (ступени). В т. наз. простом каскаде обогащенную фракцию первой ступени подают на вторую ступень, повторяют операцию разделения, затем обогащенную фракцию второй ступени подают на третью спупень и т. д. В целях экономии исходного материала обедненные фракции дальних ступеней, к-рые по сравнению с исходной смесью обогащены целевым изотопом, не отбрасывают, а используют как дополнит. сырье на предыдущих ступенях (осуществляют рециркуляцию потоков). Чаще всего обедненную фракцию послед. ступени (молярная доля выделяемого изотопа
где
Рис. 1. Схема каскада с рециркуляцией потока смеси (N - молярная доля выделяемого изотопа; N0 - в исходной смеси;
Для снижения затрат энергии на перемещение потоков, уменьшения объема аппаратуры и периода первонач. накопления изотопа (см. ниже) обычно сокращают потоки при переходе от низких ступеней к более высоким, т. е. ведут процесс так, чтобы обогащенная фракция данной ступени была по массе меньше обогащенной фракции предыдущей ступени. В ряде случаев используют каскады без сокращения потоков (т. наз. прямоугольные каскады). Аналогами прямоугольного каскада являются противоточные разделит. колонны, напр., ректификационные. В каскадах перемещение потоков между ступенями осуществляют с помощью насосов или др. устройств, в колоннах за счет конвекц. потоков, возникающих из-за различия плотностей, избыточного давления, электрич. потенциала или др. При этом в каждом поперечном сечении колонны изотопы перераспределяются между перемещающимися в противоположных направлениях потоками (в соответствии с элементарным разделит эффектом). Для достижения в прямоугольном каскаде (или в противоточной колонне) степеней разделения больших, чем в единичной операции (q >b), часть выходящего с последней ступени обогащенного потока возвращают в каскад или колонну (рис. 2) проводят обращение потока (напр., испарение жидкости или конденсация пара при ректификации). Накопление целевого изотопа начинается на конце каскада (или колонны), где вследствие обращения потока контактирующие фракции или потоки выводятся из состояния равновесия. В результате в контакт с обогащенной фракцией данной ступени приходит фракция, имеющая несколько более высокое содержание целевого изотопа, чем обедненная фракция, уведенная с этой ступени. Послед. перераспределение изотопов приводит к увеличению концентрации изотопа по сравнению с исходной в обеих покидающих эту ступень фракциях. По мере протекания процесса обогащение на конце каскада увеличивается, из состояния равновесия выводятся все более удаленные от места обращения потока ступени и протяженность обогащенной части каскада растет. После достижения на конце каскада требуемой степени разделения начинают отбирать продукт. Далее каскад (или колонна) работает в стационарном режиме.
Рис. 2. Схема противоточной колонны с обращением потока.
Вследствие малых отличий a от 1, а также из-за низких для мн. элементов исходных концентраций целевого изотопа период накопления изотопа (пусковой период установки) составляет сотни и тысячи часов. Для характеристики эффективности колонн используют понятие высоты, эквивалентной теоретич. ступени (ВЭТС), - высоты участка колонны, на к-ром при стационарном режиме составы выходящих потоков связаны таким же соотношением, как в однократной разделит. операции. Для колонны или прямоугольного каскада макс. степень разделения достигается при работе без отбора продукта. В этих условиях q= an, где п - число ступеней каскада или число эквивалентных ступеней разделения колонны. При работе с отбором продукта степень разделения снижается. Осн. характеристики процесса И. р. зависят от a: производительность (кол-во продукта, получаемого в единицу времени) и lnqпропорциональны (a - 1), кол-во перерабатываемого в каскаде в-ва и энергетич. затраты обратно пропорциональны (a Ч 1)2, пусковой период сокращается при увеличении a. Как правило, для достижения нужного обогащения требуется большое число ступеней, переработка больших материальных потоков и большие затраты энергии. Поэтому очень важен выбор условий, при к-рых отличия a от 1 были бы максимальными. Для каждого метода характерна своя зависимость a от св-в разделяемых молекул и от условий разделения. В грубом приближении для большинства методов величина (a Ч 1) пропорциональна (М 1- М 2)/М 1, где M1 и М 2 - массы изотопно различающихся молекул. Рассмотрим осн. методы, используемые для разделения изотопов.
Дистилляция. И. р. основано на различиях в равновесном составе жидкости и пара. Обычно соед., содержащее легкий изотоп, концентрируется в паре. Значение а равно отношению давлений насыщ. пара (летучестей) изотопно различающихся соед., оно уменьшается с повышением мол. массы и т-ры. Осуществляют И. р. в противоточных колоннах. Применяется для пром. разделения изотопов водорода и, в меньших масштабах, В, С, N, О.
Изотопный обмен. И. р. обусловлено отличием от единицы константы равновесия обмена изотопами данного элемента между двумя соед., находящимися в контактирующих фазах (чаще всего жидкость и газ, но используются также системы жидкость жидкость, жидкость твердая фаза и газ - твердая фаза). Осуществляется в противоточных колоннах. Для обращения потоков применяют термич. или электрохим. разложение либо р-ции со вспомогат. в-вами. Напр., при концентрировании изотопа 10 В обменом между BF3 и его соединением с анизолом последнее разлагают при нагр. и BF3 возвращают в колонну. При разделении изотопов лития обменом между амальгамой и р-рами солей литий переводят в амальгаму электролизом р-ра соли на текущем ртутном электроде. При концентрировании изотопа 15N обменом между HNO3 и NO азотную к-ту восстанавливают диоксидом серы. В случае разделения изотопов водорода процессы изотопного обмена с обращением потока не применяют, т. к. более экономичной оказывается двухтемпературная схема (рис. 3), в к-рой вместо перевода всей обогащенной смеси в др. фазу путем превращ. одного соед. в другое используют изотопный обмен между теми же соед. (напр., Н 2 О и H2S) при более высокой т-ре (меньшем a). В результате из покидающей холодную колонну фазы (Н 2 О) в поступающую фазу (H2S) переводится избыточное по сравнению с исходным кол-во накапливаемого изотопа. Обогащенная дейтерием вода выводится на границе холодной и горячей колонн. Изотопный обмен применяется для пром. разделения изотопов легких элементов: водорода, Li, В, N, С.
Рис. 3. Схема двухтемпературного концентрирования дейтерия (Т 2 >T1).
Центрифугирование. И. р. основано на распределении компонентов газовой смеси в центробежном поле. Осуществляется в противоточной газовой центрифуге, к-рая представляет собой узкий вертикальный цилиндр, вращающийся вокруг своей оси с большой скоростью. Тяжелый изотоп концентрируется на периферии цилиндра, легкий -вблизи его оси. Из-за различий плотности смесь перемещается вдоль оси вверх, а по периферии - вниз. В отличие от др. методов, а определяется абс. разностью масс разделяемых изотопов М 1 и М 2, а не относительной (М 1 Ч M2)/M1, поэтому метод применяется как для легких, так и для тяжелых элементов (С, Кr, Хе, U).
Эффузия газов. Метод основан на том, что при мол. истечении (эффузии) смеси изотопно замещенных молекул через пористую перегородку с отверстиями, диаметр к-рых меньше длины свободного пробега молекул газа, легкие молекулы проникают через перегородку быстрее, чем тяжелые. Макс. значение 
. И. р. осуществляют в каскаде ступеней. Каждая ступень представляет собой камеру, разделенную пористой перегородкой, по одну сторону к-рой насосом нагнетается газообразная разделяемая смесь. Проходящая через перегородку смесь оказывается обогащенной легким изотопом. Метод применяется для разделения изотопов Н, Не, С, а также для пром. концентрирования 235U (в виде UF6).
Macc-диффузия. И. р. основано на различии в скоростях диффузии изотопнозамещенных молекул газа в потоке вспомогат. разделительного пара. Вспомогат. пар должен обладать высоким коэф. диффузии в разделяемой смеси и легко отделяться от нее. Часто в качестве вспомогат. пара используют пары ртути. И. р. осуществляется либо в каскаде ступеней (наз. насосами), либо в противоточной колонне. Ступень однократного действия представляет собой цилиндр, внутри к-рого соосно размещена цилиндрич. диафрагма с отверстиями диаметром ок. 10 мк (рис. 4). По центр. каналу движется вспомогат. пар, по кольцевому зазору между каналом и стенкой цилиндра в противоположном направлении разделяемая смесь. Молекулы смеси диффундируют в отверстиях диафрагмы через встречный поток вспомогат. пара. Выходящая из центр. канала часть смеси, увлекаемая вспомогат. паром, обогащена легким изотопом, выходящая из кольцевого канала тяжелым. В противоточной колонне вспомогат. пар подается равномерно по всей высоте колонны через трубку с отверстиями, помещенную вдоль оси, диффундирует сквозь отверстия к стенкам колонны и конденсируется. Элементарный разделит. эффект возникает в каждом поперечном сечении из-за диффузии изотопно замещенных молекул газообразной смеси к оси колонны. В результате у оси повышается концентрация легкого изотопа, у стенок - тяжелого. Различия в плотности, а также движение вниз по стенке пленки конденсата приводят к возникновению конвекц. потоков, направленных около оси вверх, а у стенок - вниз. Метод применяется для разделения изотопов Ne, Аr, С.
Рис. 4. Схема масс-диффузионной ступени: 1 - испаритель; 2 - диафрагма; 3 - конденсац. поверхность; 4 - конденсатор.
Термодиффузия. Осуществляется в газовой или жидкой фазах в противоточной колонне, вдоль оси к-рой расположена нагретая металлич. нить (или трубка), а наружная стенка охлаждается. Перепад т-р вызывает диффузионный поток, что приводит к появлению разности концентраций изотопов в радиальном направлении. Нагреваемая вблизи оси колонны смесь, обогащенная легким изотопом, перемещается кверху, а охлаждаемая у стенок более тяжелая смесь - вниз. Метод ранее применялся при пром. концентрировании 235U, сейчас используется для лаб. разделения изотопов мн. элементов.
Электролиз. И. р. основано на различиях в скоростях электролитич. разложения изотопнозамещенных молекул. При электролизе воды или водных р-ров электролитов выделяющийся на катоде водород содержит меньшее кол-во дейтерия, чем исходная вода. В результате в электролизере растет концентрация дейтерия. В зависимости от материала и пов-сти катода 5 < a < 15. Процесс проводят в каскаде ступеней - электролизеров. Метод применяется для пром. получения тяжелой воды (D2O), а также лаб. обогащения воды тритием.
Электромиграция ионов. В электрич. поле изотопные ионы в р-ре или расплаве перемещаются с разными скоростями и более подвижные концентрируются у соответствующего электрода. Для увеличения эффекта разделения создают постоянный противоток ионов противоположного знака. Напр., при разделении изотопных катионов в катодное пространство добавляют к-ту, содержащую тот же анион, что и исходная соль. Кол-во к-ты эквивалентно кол-ву разрядившихся на аноде анионов. Метод применяют для лаб. разделения изотопов щелочных, щел.-зем. элементов, Ag, Cl, Вr.
Выбор метода И. р. зависит от св-в разделяемого в-ва, требуемой степени разделения, необходимого кол-ва продукта, экономичности процесса. Для элементов с атомными массами до 40 экономически более выгодны дистилляция, изотопный обмен и электролиз, для разделения тяжелых элементов - диффузионные методы, центрифугирование, электромагн. разделение. Однако возможности первых двух из них ограничены тем, что не все элементы образуют удобные для разделения газообразные соединения. В перспективе универсальным пром. методом И. р., особенно для тяжелых элементов, может стать лазерный, позволяющий выделять целевой изотоп, не затрагивая всех остальных, и обладающий высокой селективностью, малым пусковым периодом, сравнительно малыми энергозатратами. Для обеспечения научных работ и потребностей практики в СССР создан Государств. фонд стабильных изотопов. В значит. кол-вах получают 2D, 10B, 13C, 15N, 18O, 22Ne и др. Выпускают разл. соед., модифицир. стабильными изотопами. Лит.: Розен А. М., Теория разделения изотопов в колоннах, М., 1960; Бенедикт М., Пигфорд Т., Химическая технология ядерных материалов, пер, с англ., М., 1960; Производство изотопов, М., 1973; Шемля М., Перье Ж., Разделение изотопов, пер. с франц., М., 1980; Андреев Б. М., Зельвенский Я. Д., Катальников С. Г., Разделение стабильных изотопов физико-химическими методами. М., 1982; Летохов В. С., Нелинейные селективные фотопроцессы в атомах и молекулах, М., 1983. В. И. Горшков.
Энциклопедический словарь
изото́пов разделе́ние
выделение чистых изотопов из смеси изотопов или обогащение природного элемента отдельными изотопами. Существуют способы промышленного разделения изотопов для некоторых химических элементов (азота, бора, водорода, урана, углерода и др.).
* * *
ИЗОТОПОВ РАЗДЕЛЕНИЕИЗОТО́ПОВ РАЗДЕЛЕ́НИЕ, выделение отдельных изотопов из их смеси или обогащение природных смесей отдельными изотопами. Развитие методов разделения изотопов обусловлено в первую очередь нуждами ядерной энергетики, применяется также в физике, химии, биологии и др. областях. Различают молекулярно-кинетические, физико-химические и электромагнитные методы разделения изотопов.
Естествознание. Энциклопедический словарь
выделение чистых изотопов из смеси изотепов или обогащение природного элемента отд. изотопами. Существуют способы пром. И. р. для нек-рых хим. элементов (азота, бора, водорода, урана, углерода и др.).