Разделение изотопов и применение их в ядерном реакторе

Это особенно целесообразно  в приготовлении высокоочищенного плутония – 239, используемого в ядерном  оружии.  Не является практичным разделять  плутоний-239 от плутония -240 или от плутония – 241. Делящийся плутоний – 239 производится последующим нейтронным захватом урана – 238, но дальнейший нейтронный захват  создаст неделящийся плутоний – 240 или еще хуже плутоний – 241, который достаточно стабилен  к нейтронному излучению. Поэтому, используются урановые мишени  для производства «оружейного» плутония, который должен излучаться только короткое время, минимизируя производство нежелательных изотопов. Наоборот, смешивая плутоний с плутонием – 241, он становится  непригодным для ядерного оружия.

Практические  методы разделения

Диффузия

 

Часто выполняется с  газами, но еще и с жидкостями, диффузионный метод основывается на том факте что, при тепловом равновесии, два изотопа с одинаковой энергией будут иметь различную среднюю  скорость. Более легкие атомы (или молекулы, содержащие их) будут двигаться более быстро и, вероятно, будут больше диффундировать через мембрану. Различие в скоростях является пропорциональным квадратному корню  отношения масс, таким образом, коэффициент разделения будет малым и потребуется много ступеней каскада, чтобы обладать высокой чистотой. Этот метод является дорогостоящим из-за того что, необходимо затрачивать работу на продавливание газа через мембрану и требуется много ступеней процесса. Первое широкомасштабное разделение изотопов урана было проведено в Соединенных Штатах Америки на большом газодиффузионном заводе в лабораториях Оак Ридж, в которых была создана часть Манхэттенского проекта. Там использовали газ гексафторид урана, в то время как процесс является жидкостным. Никелевый порошок и диффузионные барьеры на никелевых электрических ячейках были открыты Эдвардом Адлером и Эдвардом Норрисом.

 

Центрифужный  эффект.

 

Центрифуги быстро вращают  сырье, тем самым тяжелые изотопы  приближаются к внешней радиальной стене. Это также часто используется в газообразной форме, применяя центрифугу Циппе – типа. Центрифужный эффект разделения изотопов был впервые предложен Астоном и Линдеманном в 1919 году и первые удачные эксперименты были проведены Бимсом и Хэйнсом на изотопах хлора в 1936 году. Тем не менее, попытки использования технологии во время Манхэттенского проекта оказались непродуктивными. На сегодняшний день это главный метод, используемый во всем мире для обогащения урана, и, как результат, остается довольно секретным процессом, препятствующим широкому распространению огласки технологии. Суть метода в том, что поддается газ гексафторида  урана в  цилиндр, который вращается с высокой скоростью. Около внешнего края цилиндра собираются более тяжелые молекулы газа урана – 238, в то время как молекулы, содержащие уран – 235, концентрируются в центре и затем это поддается на другую ступень каскада. Использование газообразной центрифужной технологии для обогащения изотопов желательно, так как потребление энергии значительно уменьшается по сравнению с общепринятыми технологиями, как диффузионные заводы, так как стадии каскада требуют подобные степени разделения. Фактически, газовые центрифуги, использующие гексафторид урана, в значительной степени заменяют газодиффузионную технологию для обогащения урана. Так же как требуется меньше энергии для достижения того же разделения,  так и гораздо меньшие размеры завода требуются насколько это возможно, делая их экономически рентабельными для маленьких наций, пытающихся производить ядерное оружие.  Пакистан убежден, что необходимо использовать этот метод для развития их ядерного оружия.

Вихревые трубки используются в Южной Африке  в Геликонском  вихревом разделительном процессе. Газ  впрыскивается тангенсально в камеру со специальной геометрией, что в дальнейшем увеличивает его вращение до очень высоких скоростей, тем самым, являясь причиной  разделение изотопов. Метод прост, потому что вихревые трубки не имеют подвижных частей, но усиливают энергию, в 50 раз больше, чем в газовых центрифугах. Подобный процесс, известный как реактивное сопло, был создан в Германии, с демонстрационным заводом, построенным в Бразилии, и они настолько развиваются, что способны питать  государственного атомные электростанции.

 

Электромагнетизм.

 

Этот метод – это  вид масс – спектроскопии, и иногда этот метод относят к этому названию. Это используется в явлении, когда заряженные частицы отклоняются под действием магнитного поля и количество отклонений зависит от массы частиц. Это очень дорого для полученного количества, так как они имеют чрезвычайно низкую пропускную способность, но это позволяет достигать очень большую чистоту. Этот метод часто используется для протекания процесса маленьких количеств чистых изотопов для исследований или особого применения (такие как изотопные следы), но это непрактично для применения в промышленных масштабах. В Оак Ридж и в Калифорнийском университете Беркли, Эрнест Лоренс развивали электромагнитное разделение для большего количества урана, применяемого в первой американской атомной бомбе (смотри Манхэттенский проект). Приборы, работающие по его принципу называются калутронами. После войны этот метод в значительной степени забросили, считая его непрактичным. Это только представило (вместе с диффузией и другими технологиями) гарантию по использованию достаточного количества материала, что бы он ни стоил. Это главный конечный вклад  на действие войны - это  дальнейшее концентрирования материала из газообразных диффузионных заводов до даже высших степеней чистоты.

 

Лазер.

 

В  этом методе лазер настроен на длину волны, которая возбуждает только один изотоп данного материала и ионизирует исключительно эти атомы. Резонансная абсорбция света для изотопа зависит от его массы и определенного взаимодействия между электронами и ядрами, позволяя превосходно настраивать лазер на взаймодествие только с одним изотопом. После того как атом ионизировался, он может  удален с пробы действием электрического поля. Этот метод часто сокращают как АВЛИС (атомный испарительный лазер изотопного разделения). Этот метод был недавно открыт, так как лазерная технология усовершенствовалась и сейчас не используется так повсеместно. Однако, она  представляет серьезную проблему в области распространения ядерного оружия, потому что этот метод может быть дешевле и его легче скрыть, чем другие методы изотопного разделения. Перестраиваемые лазеры, используемые в АЛВИС, включают в себя лазер на красителях и  недавно открытые диодные лазера.

Второй метод известен как МЛИС – молекулярное лазерное изотопное разделение. В этом методе инфракрасный лазер направлен на газ гексафторид урана, возбуждая молекулы, содержащие атомы урана – 235. Второй лазер выбивает атом фтора, превращаясь в пентафторид урана, который затем выпадает в осадок. Каскадные стадии в МЛИС более сложны, по сравнению с другими методами, так как пентафторид урана должен прореагировать с фтором (обратно в гексафторид урана) перед подачей в следующую МЛИС стадию. Альтернативные МЛИС проекты в настоящее время разрабатываются (с помощью первого лазера, настроенного на ближнюю инфракрасную  или видимую области), где можно достичь обогащения более 95% за одну стадию, но эти методы, пока еще не достигли промышленной осуществимости. Этот метод назвали ОП-ИРМПД (Обертоновское предварительное возбуждение – ИК многократная диссоциация фотонов)

Наконец, СИЛЕКС процесс, разработанный  Силекс Систем в Австралии  недавно был лицензирован Дженерал Электрик для развития пробного обогатительного  завода. Метод использует гесафторид урана как сырье, и использует магниты для разделения изотопов вслед за первым изотопом, предварительно ионизированного.

 

Химические  методы.

 

Хотя  изотопы одного элемента описываются одними химическими  свойствами, это не совсем верно. В  частности, на скорость реакции немного  влияют атомные массы.

Методы, использующие этот принцип, наиболее эффективны для легких атомов, таких как водород. Легкие изотопы, как правило реагируют или испаряются быстрее, чем тяжелые изотопы,  что позволяет им разделяться. Это как коммерческое производство тяжелой воды (смотри сульфидный процесс Гедлера подробнее). Легкие изотопы также быстрее диссоциируют под действием электрического поля. Этот процесс в большом каскаде использовался для производства тяжелой воды на заводе в Рюкане.

Один из кандидатов на крупнейший кинетический эффект, всегда измеряемый при комнатной температуре, со временем может использоваться для разделения трития. Эффекты окисления тритийсодержащиего карбоксилат аниона в НТО измеряются как:

k(HCO2-) = 9.54 M−1s−1	k(H)/k(D) = 38
k(DCO2-) = 9.54 M−1s−1	k(D)/k(T) = 8.1

k(TCO_2-) = 9.54 M⁻¹s⁻¹k(H)/k(T) = 305

 

Тяготение.

 

Изотопы углерода, кислорода  и азота могут быть очищены  охлаждением этих газов или соединений, при температуре, близкой к температуре  замерзания, в очень высоких колоннах (200 – 700 футов, от 70 до 200 метров). Тяжелые изотопы оседают, легкие поднимаются, где они легко собираются. Процесс был разработан в конце 1960-х учеными в Лос – Аламосской Национальной Лаборатории. Этот процесс также называется криогенная перегонка.

 

Единица работы разделения.

 

Единица работы разделения (ЕРР)  представляет собой сложную единицу, которая является функцией от количества обработанного урана и степень его обогащения, то есть степень увеличения концентрации изотопов урана – 235 по сравнению с остатком.

Точно единица называется: единица работы разделения 1 кг и измеряется в количестве работы разделения (показывает энергию, используемой при обогащении), когда сырье и продукт выражены в килограммах. Энергия, затраченная на разделение массы F сырья или количества xf в массу Р дистиллята или количества хр и кубового остатака W или количества  xw выражается  числом необходимой работы разделения и определяется выражением  SWU = WV(xw) + PV(xp) - FV(xf), где V(x) это «оценочная функция», определяемая как  V(x) = (1 - 2x) ln ((1 - x) /x).

Единица работы разделения выражается в ЕРР, кг работы разделения или кг УТА (от немецкого Urantrennarbeit )

• 1 ЕРР = 1 кг SW = 1 кг УТА
• 1 kSWU = 1,0 т SW = 1 т УТА
• 1 MSWU = 1 кт SW = 1 кт УТА

 

Если, к примеру, вы возьмете 100 килограмм (220 фунтов) природного урана, это будет  равно 60 ЕРР, чтобы произвести 10 килограмм (22 фунта) обогащенного урана – 235 с  содержанием 4,5 %.

 

Разделение  изотопов для исследований.

 

Радиоактивные лучи определенных изотопов широко применяются в области  экспериментальной физики, биологии и материаловедения. Производство и  формирование этих  радиоактивных  атомов в ионные лучи для исследований является целой областью исследований, проведенных во многих лабораториях по всему миру. Первый изотопный сепаратор был разработан в копенгагенском циклотроне Бором и его сотрудниками с использованием принципа электромагнитного разделения. Сегодня существует много лабораторий по всему миру, которые обеспечивают использование лучей радиоактивных ионов. Возможно, главный изотопный сепаратор On-Line (ISOL) является ISOLDE в Церне, который является совместным проектом Европейского учреждения, простирающегося через Франко – Швейцарскую границу около города Женева. В этой лаборатории, в основном происходит протонное расщепление мишени карбида урана, в целях производства широкого спектра радиоактивных осколков деления, которые не встречаются естественно на Земле. В процессе расщепления (бомбардировки протонов с высокой энергией), мишени карбида урана нагреваются на несколько тысяч градусов, так что радиоактивные атомы, образующиеся в ядерных реакциях, испускаются. Выйдя из мишени, испаряющиеся радиоактивные атомы движутся к полости ионизатора. Эта полость ионизатора представляет собой тонкую трубу, сделанную из металла с низкой работой выхода электрона, позволяющего сталкиваться со стенками, чтобы высвободить один электрон с валентного атома. После ионизации радиоактивные ионы ускоряются электростатическим полем и направляются в электромагнитный сепаратор. Как только ионы влетели в сепаратор, они имеют примерно одинаковую энергию, но ионы с меньшей атомной массой будут отклоняться сильнее под действием магнитного поля, чем более тяжелые ионы. Этот различный радиус кривизны позволяет провести изобарическую очистку. После изобарической очистки, ионный луч направляется на различные эксперименты. В целях повышения чистоты изобарных лучей, лазерная ионизация может происходить внутри полости ионизатора избирательно ионизируя один элемент, представляющий интерес. В Церне этот прибор называется Резонансный ионизационный лазер источника ионов (RILIS). В настоящее время в более 60 % всех экспериментов предпочитают использовать RILIS для увеличения чистоты радиоактивных лучей.

 

Способность производить  лучи устройствами ISOL.

 

Так как производство радиоактивных атомов методом ISOL зависит от вакантного атома химического элемента, который был изучен, существует определенные лучи, которые не могут быть произведены простой бомбардировкой протона толстой мишени актиноидов. Тугоплавкие металлы, такие как вольфрам и рений не вылетают из мишени даже при высокой температуре в связи с низким давлением испарения. Для того чтобы произвести эти типы лучей, нужна  тонкая мишень. Ионный изотопный проводниковый сепаратор On Line (IGISOL) был разработан в 1981 году в Юваскулайском университете в циклотронной лаборатории в Финляндии. В этом методе, тонкая урановая мишень бомбардируется протонами и продуктами ядерной реакции, выбитыми из мишени в заряженном состоянии. Выбивания прекращаются в газовой ячейке и затем выходят через маленькое отверстие в боковой части ячейки, где они ускоряются электростатически и влетают в  масс – сепаратор. Этот метод производства и добычи осуществляется в более короткие временные сроки по сравнению со стандартным методом ISOL и изотопами с коротким периодом полураспада (доли миллисекунд) и может быть изучен, используя IGISOL.  IGISOL также может сочетаться с лазерным источником ионов в Левенском изотопном сепараторе On Line (LISOL) в Бельгии. Тонкая мишень источника, как правило, обеспечивает значительно меньшее количество радиоактивных ионов, чем толстая мишень источника, и это является их главным недостатком.

По мере развития ядерной  физики, все более и более важным становится изучение самых редких радиоактивных ядер. Для того чтобы сделать это таковым, требуется все больше новаторных методов, чтобы создать ядра с крайними значениями отношения протон – нейтрон. Самый многообещающий метод на сегодняшний день – это использование нескольких мишеней. Могут образоваться очень редкие ядра, если сперва, образовать радиоактивный луч методом ISOL а затем ускорить его еще раз, чтобы поразить вторично тонкую мишень. Национальная Циклотронная Лаборатория Сверхпроводимости в Мичиганском Государственном Университете (NSCL) является хорошим примером такой возможности. Чем выше энергия взаимодействия, тем, как правило, более редкие ядра образуются. Затем становится необходимым -  обладать способностью притормозить эти ядра, как только они образовались. Пионерами  японской фирмы RIKEN были первыми, кто использовал гигантский газовый приемник и новое электрическое поле, которое стало стандартной технологией этой возможности.

Ядерный реактор

 

Ядерный реактор –  это устройство, служащее для зарождения и управления поддерживающейся цепной ядерной реакции. Самым распространенным применением ядерных реакторов является выработка электрической энергии и использование энергии на некоторых кораблях. Тепло, полученное от реакции ядерного распада, используется для повышения выделения пара, который пройдя через турбины или электрические генераторы которые, в свою очередь, отвечают за продвижение корабля. Существует также менее распространенные применения, которые обсуждены ниже.