Разделение изотопов и применение их в ядерном реакторе

 

Нечетный протон - четный нейтрон.

Это самые стабильные формы изотопов элементов с нечетными числами, но существует только один стабильный нечетно-четный изотоп для каждого из 41 нечетных элементов от 1-ого до 81-ого, за исключением технеция (₄₃Тс) и прометия (₆₁Рm), которые не имеют стабильных изотопов, и хлора (₁₇Cl), калия (₁₉К), меди (₂₉Cu), галлия (₃₁Ga), брома (₃₅Br), серебра (₄₇Ag), сурьмы (₅₁Sb),  иридия (Ir) и таллия (₈₁Tl), которые имеют два стабильных изотопа, составляя в общем 48 стабильных нечетно-четных изотопов. Существует также четыре первоначальных долгоживущих нечетно-четных изотопов ⁸⁷₃₇ Rb,   ¹¹⁵₄₉ In, ¹⁵¹ ₆₃Eu и ¹⁸⁷ ₇₅Re.

Четный протон – нечетный нейтрон.

Существует 54 стабильных изотопов, которые имеют четное число  протонов и нечетное число нейтронов. Также существует четыре первоначальных долгоживущих четно-нечетных изотопов ¹¹³ ₄₈Cd (бета – распад, период полураспада 7,7*10¹⁵ лет); ¹⁴⁷ ₆₂Sm (1,06*10¹¹  лет); ¹⁴⁹ ₆₂Sm  (>2*10 ¹⁵ лет) ; и делящийся уран ²³⁵ ₉₂U. Единственными четно-нечетными изотопами, которые наиболее распространены для своих элементов это ¹⁹⁵ ₇₈Pt и ⁹ ₄Be. Бериллий - 9 – единственный стабильный изотоп бериллия, потому что предполагается, что бериллий – 8 имеет большую энергию, чем две альфа частицы и поэтому распадается на них.

Нечетное нейтронное число.

Единственные изотопы  с нечетным нейтронным числом, которые наиболее распространены для своих элементов это ¹⁹⁵ ₇₈Pt, ⁹ ₄Be  и ¹⁴₇ N. Актиноиды с нечетным нейтронным числом, как правило, являются делящимися, в то время как с четным нейтронным числом, как правило, нет, хотя они расщепляются, когда бомбардируются быстрыми нейтронами.

Нахождение  в природе.

Элементы состоят из одного или более изотопов природного происхождения. Нестабильные (радиоактивные) изотопы являются либо первоначальными, в этом случае они продолжают существовать вплоть до настоящего времени, поскольку их скорость распада очень мала (например, уран-238 и калий-40), либо превращенными, созданными  бомбардировкой космическими лучами в виде космогенных нуклидов ( например, трития, углерода-14), либо радиоактивным распадом первоначальных изотопов на радиоактивные дочерние нуклиды (например, уран  в радий). Как сказано выше, только 80 элементов имеют какие-нибудь стабильные изотопы и 26 из них только один стабильный изотоп. Таким образом, около две трети стабильных элементов встречаются в природе на Земле в форме нескольких стабильных изотопов, с самым большим количеством стабильных изотопов – 10 для олова (₅₀Sn). Существует около 94 элементов найденных естественно на Земле (до плутония включительно), хотя некоторые обнаружены в очень маленьких количествах, такие как плутоний-244. Ученые подсчитали, что элементы, имеющие естественное происхождение (некоторые только как радиоизотопы) встречаются в виде 339 изотопов (нуклидов) в общей сложности. Только 255 изотопов естественного происхождения из них стабильны, в том смысле,  что никогда не подвергались радиоактивному распаду до настоящего времени. Вдобавок 33 первоначальных нуклида (в целом 288 первоначальных нуклидов) являются радиоактивными с известным периодом полураспада, но имеют период распада больше чем 80 миллионов лет, что позволяет им существовать с появления солнечной системы.

Все известные стабильные изотопы встречаются в природе  на Земле; другие изотопы природного происхождения  радиоактивны, хотя имеют природное происхождение  в связи с их относительно большим периодом жизни или еще в связи с другими способами постоянной природной продукции. Они включают вышеупомянутые космогенные нуклиды и коротко - живущие радиоизотопы, образованные распадом радиоактивных первоначальных изотопов, таких как радон и радий, полученный из урана.   Вдобавок около 3000 радиоактивных изотопов, не найденных в природе, создаются в ядерных реакторах и в ускорителях частиц. Много коротко – живущих изотопов, не найденных в природе на Земле, также могут быть замечены спектроскопическим анализом или создаются естественно в звездах или в сверхвеществе. В качестве примера является алюминий-26, который не найден естественно на Земле, но, который может, найден в изобилии в астрономическом масштабе. Табличные атомные массы элементов являются средними, так как вычислены для многочисленных существующих изотопов с различными массами. Перед открытием изотопов, эмпирично определили нецелые значения атомных масс, что ввело в замешательство ученых. Например, образец хлора содержит 75,8% хлора-35 и 24,2% хлора-37, образуя среднюю атомную массу 35.5 атомных единиц массы. В соответствии с общепринятой теорией космологии, только изотопы водорода и гелия, следы некоторых изотопов лития и бериллия и, возможно, немного бора, были созданы в момент Большого Взрыва, в то время как все другие изотопы были синтезированы позже, в звездах и суперматерии и во взаимодействии между энергетическими частицами, такими как космические лучи и ранее произведенными изотопами. Относительное изобилие изотопов  на Земле – это результат количеств изотопов, образованных этими процессами, их распространение по всей галактике, и скорость радиоактивного распада изотопов, которые являются неустойчивыми. После начального слияния Солнечной системы, изотопы перераспределяются в соответствии с их атомными массами, и изотопный состав элементов слегка меняется от планеты к планете. Это иногда позволяет определить происхождение метеоритов.

Атомные массы  изотопов.

Атомная масса изотопа (m_r )  определяется, главным образом, их массовым числом (т.е числом нуклонов в ядре). Небольшие поправки из-за энергии связи ядра, небольшое различие между массой протона и нейтрона и связью массы электрона с атомом и, потому что отношение электрон – нуклон различается среди изотопов.

Массовое число – это безразмерная величина. С другой стороны, атомная масса измеряется в единицах атомной массы, основанных на массе атома углерода. Она обозначается символом «U» (для частиц) или «Da» (по Дальтону).

Атомные массы изотопов элементов природного происхождения определяются атомным весом элемента. Когда элемент состоит из N изотопов, уравнение ниже применяется для атомного веса М:

_{M = m1x1 + m2x2 + ... + mNxN}

Где  m1, m2, mN – атомные массы каждого отдельно изотопа и x1,  x2, xN – относительные количества этих изотопов.

Применение  изотопов.

   Некоторые применения основаны на объединении свойств различных изотопов данного элемента. Разделение изотопов – это значительный технологический вызов, особенно для тяжелых элементов, таких как уран или плутоний. Более легкие элементы, такие как литий, углерод, азот и кислород, как правило, разделяются газовой диффузией или другие соединения, такие как СО и NO. Разделение водорода и дейтерия необычно, так как это основано скорее на химических, нежели на физических свойствах, например, в сульфидном процессе Гельдера. Изотопы урана разделяются в объеме газовой диффузией, газовой центрифугой, разделением лазерной ионизацией и (в проекте Манхеттена) по типу масс-спектрометрии.

Применение  химических и биологических свойств.

- Изотопный анализ  основан на определении следов  изотопов, относительных количеств  изотопа данного элемента, в частности  пробы. Для биогенных веществ,  в частности, могут встречаться  большие количества разновидностей  изотопов углерода, азота и кислорода. Анализ таких разновидностей имеет широкий диапазон применений, таких как определение подделки продуктов питания. Определение конкретных метеоритов, имеющих марсианское происхождение, основано частично на определении изотопных следов газа, содержащихся в нем.

- Другое распространенное  применение – это изотопная  маркировка, использование необычных  изотопов, в качестве следа или  маркера в химической реакции.  Как правило, атомы данного  элемента не отличаются друг  от друга. Однако, по изотопам  различных масс их можно разрешить посредством масс-спектроскопии или инфракрасной спектроскопии. Например, в стабильном изотопе, помеченном аминокислотой в клеточной культуре, стабильные изотопы используются для количественного определения протеинов. Если используется радиоактивный изотоп, то он может быть определен по радиации, которую испускает.

- Техника радиометрического  датирования похожа на радиоизотопную  маркировку: используя известный  период полураспада нестабильного  элемента, можно вычислить время,  за которое существовал изотоп  с известным содержанием изотопа.  Самый  известный пример это  радиоуглеродное датирование, использующееся для определения возраста углеродосодержащих материалов.

- Изотопный обмен может  быть использовано для определения  механизма реакции с помощью  кинетического изотопного эффекта.

Применение  ядерных свойств.

- Некоторые формы спектроскопии основываются на уникальных свойствах специфичных изотопов. Например, ядерный магнитный резонанс, может быть использован для изотопов с ненулевым ядерным спином. Самые распространенные изотопы определяются ЯМР, такие как ¹H, ²D, ¹⁵N, ¹³C и ³¹P.

- Мессбауэровская спектроскопия  основывается на ядерных переходах  специфичных изотопов, таких как ⁵⁷Fe.

- Радионуклиды имеют  также важное применение. Развитие  ядерной энергетики и ядерного  оружия требует относительно  больших количеств специфичных изотопов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Разделение  изотопов

 

Разделение изотопов – это процесс концентрирования специфического изотопа химического  элемента, удалением других изотопов, например разделение природного урана  в обогащенный уран и обедненный уран. Это  важный процесс в производстве уранового топлива для атомных электростанций, а также он требуется для создания урана, применяемого в ядерном оружии. Плутоний, являясь основой оружия, берут его из ядерных реакторов, который должен производиться таким образом, чтобы производить плутоний уже в подходящей изотопной смеси или подходящего качества. Эта теория была первым принята Чарльзом Таунсом. В то время в целом, химические элементы могли быть очищены посредством химического процесса, изотопы одного и того же элемента имеют практически идентичные химические свойства, поэтому этот тип разделения оказался непрактичным, исключая разделение дейтерия.

 

Содержание

 

1. Методы разделения.
2. Каскады обогащения.
3. Торговые материалы.
4. Альтернатива.
5. Практические методы разделения.
1. Диффузия.
2. Центрифужный эффект.
3. Электромагнетизм.
4. Лазер.
5. Химические методы
6. Методы, основанные на различии масс
6. Единица  работы разделения.
7. Разделение изотопов для исследований.
8. Способность производить лучи устройствами ISOL.

 

Методы разделения

 

Существует три вида методов разделения изотопов:

Одни, в основном, основываются на  атомных массах изотопов.

Другие основываются на маленьком различии в скоростях  химической реакции, производимом из-за различия в атомных массах.

Третьи, основываются на свойствах, не связанных непосредственно с атомной массой, например ядерный резонанс.

 Третий тип разделения  является все еще экспериментальным;  все методы практического разделения  зависят некоторым образом от  атомных масс. Поэтому, в общем,  проще разделять изотопы с большой разницей в относительных массах. Например, дейтерий в два раза тяжелее обычного (легкого) водорода и его, в целом, проще очистить, чем разделить уран – 235 от более распространенной примеси урана – 238. С другой стороны разделение делящегося плутония – 239  от более распространенной примеси плутония – 240, пока является желательным, так как это позволит создать ядерное оружие из плутония, но это является нерентабельным.  

 

Каскады обогащения

 

Все широкомасштабные схемы  разделения изотопов применяют ряд похожих стадий, которые производят последовательно, увеличивая концентрации желаемого изотопа. Каждая стадия обогащает продукт предыдущего этапа, перед тем как тот будет отправлен на следующую стадию. Подобным образом, остатки с каждой стадии возвращаются на предыдущую стадию для дальнейшего проведения процесса. Это создает последовательную обогатительную систему называемую каскадом. Существует два важных фактора, которые влияют на выполнение каскада. Первый – это разделительный фактор (квадратный корень отношения масс двух изотопов), у которого значение больше чем 1. Второй – это ряд требуемых стадий, для  достижения нужной чистоты.

 

Торговые материалы

 

 На сегодняшний день широкомасштабное разделение изотопов имеет место только для трех элементов. В каждом случае, больше двух самых распространенных изотопов элемента не концентрируются для использования в ядерной технологии:

Изотопы урана разделяются  для производства обогащенного урана, для использования в ядерном  реакторе и в ядерном оружии.

Изотопы водорода разделяются для производства тяжелой воды, используемой в ядерных реакторах в качестве замедлителя.

   Литий – 6 концентрируется  для использования в термоядерном  оружии.

Некоторые  очищенные  от изотопов элементы используются в  меньших количествах и находят специальное применение, особенно, в полупроводниковой индустрии, где очищенный кремний используется для улучшения кристаллической структуры и теплопроводности.

Разделение изотопов – важный процесс использования  ядерной технологии, как в мирных, так и в военных целях и, поэтому способность к изотопному разделению является крайне интересной  для ученого сообщества.

 

 

 

 

 

Альтернативы

 

Единственная альтернатива разделению изотопов – это производство требуемого изотопа  уже в чистой форме. Это может быть выполнено излучением лучей на подходящую мишень, но необходимо соблюдать осторожность при выборе мишени и других факторов, обеспечивающих получение единственно требуемого  изотопа интересующего элемента. Изотопы других элементов не являются большой проблемой, так как они могут быть удалены химическими способами.