* Данный текст распознан в автоматическом режиме, поэтому может содержать ошибки

195 ИЗОТОПОВ РАЗДЕЛЕНИЕ 196 ИЗОТОПОВ Р А З Д Е Л Е Н И Е — р а з д е л е н и е смеси и з о т о п н ы х в е щ е с т в н а к о м п о н е н т ы , с о д е р ж а щ и е от­ д е л ь н ы е и з о т о п ы . Ч а щ е всего И . р . с в о д и т с я к в ы д е л е ­ н и ю и з с м е с и одного и з и з о т о п н ы х веществ и л и п р о с т о к к о н ц е н т р и р о в а н и ю этого вещества в смеси. И . р . я в л я е т с я частным случаем разделения веществ, близ­ к и х по свойствам (напр., изомерных соединений, п о л и м е р о в р а з н о г о м о л е к у л я р н о г о веса и т. д . ) . В в и д у б л и з о с т и с в о й с т в и з о т о п н ы х веществ и х р а з д е ­ л е н и е весьма т р у д о е м к о . Д л я р а з д е л е н и я и с п о л ь з у ю т р а з л и ч и я ф и з и ч . и л и х и м и ч . с в о й с т в в е щ е с т в , обу­ с л о в л е н н ы е р а з л и ч и е м в и х и з о т о п н о м составе (см. Изотопные эффекты). В с о о т в е т с т в и и с и с п о л ь з у е м ы м и з о т о п н ы м эффектом с у щ е с т в у ю т с л е д у ю щ и е методы И. р . : д и ф ф у з и я ( р а з л и ч и е к о э ф ф . д и ф ф у з и и ) , т е р м о ­ диффузия (различие коэфф. термодиффузии), ректифи­ к а ц и я ( р а з л и ч и е д а в л е н и й п а р а ) , х и м и ч . обмен ( н е р а в ­ н о м е р н о е р а с п р е д е л е н и е и з о т о п о в п р и и з о т о п и ч . об­ м е н н о м р а в н о в е с и и ) , к и н е т и ч . метод ( р а з л и ч и е к о н ­ стант скорости химич. реакций), центрифугирование ( р а з л и ч и е п л о т н о с т е й ) и э л е к т р о м а г н и т н ы й метод (различие удельных зарядов ионов). Разработка методов И. р. была начата одновременно с откры­ тием изотопов. Еще в 1913 Д ж . Д ж . ТомсОном был применен электромагнитный метод разделения изотопов неона Ne& > и Ne- , явившийся также способом их открытия. Будучи усовер­ шенствован, этот метод был использован в дальнейшем (1920) Ф. Астоном для открытия и разделения изотопов многих эле­ ментов. В 1919 Ф. Линдеманном и Ф. Астоном был предложен д л я И. р. метод центрифугирования. В 1932 Г. Герц использо­ вал для разделения изотопов метод диффузии через пористые перегородки, а в 1934 — метод диффузии в струю пара. Метод ректификации изотопных смесей был применен в 1931 В. К е з о мом и Г. Ван-Дейком для разделения Ne*> и N e , а Г. Юри, Ф. Брикведом и Л. Мэрфи — д л я концентрирования дейтерия в жидком водороде. В 1933 Г. Льюис и Р. Макдональд полу­ чили тяжелую воду электролизом (кинетич. метод). В 1935 Г. Юри и Л . Грейфф был предложен для И. р. метод химич. обмена. В 1938 К. К л у з и у с о м и Г. Диккелем д л я целей И. р. был применен термодиффузионный метод. J1 2 i ( 22 н а 2-ю с т у п е н ь . Н а 2-й с т у п е н и о б о г а щ е н н ы й - п о т о к вторично подвергается разделению: обогащенный по­ т о к 2-й с т у п е н и п о с т у п а е т н а 3 - ю , а е е о б е д н е н н ы й п о ­ ток возвращается на преды­ д у щ у ю с т у п е н ь (1-ю) и т. д . С последней ступени каска­ П-1 да отбирается готовый про­ дукт с требуемой концентра­ цией заданного изотопа. Поток смеси, протекающий LiX; п о к а с к а д у От п р е д ы д у щ и х L ступеней к последующим, &IS h i - 1 i-J наз. прямым, или обогащае­ л В связи с потребностью д л я н у ж д ядерной энерге­ тики больших количеств таких изотопов, к а к D и U , м н о г и е методы И . р . п о л у ч и л и , н а ч и н а я со в р е м е н и второй мировой войны, промышленное использова­ н и е : метод д и ф ф у з и и — д л я в ы д е л е н и я U с приме­ н е н и е м г а з о о б р а з н о г о U F , методы р е к т и ф и к а ц и и , х и м и ч . обмена и э л е к т р о л и з а д л я в ы д е л е н и я дейтерия. П р о м ы ш л е н н о е з н а ч е н и е имеет т а к ж е р а з д е л е н и е и з о ­ топов л и т и я . Разделение д р у г и х изотопов осуществ­ ляется в лабораторном масштабе. О б щ и е п р и н ц и п ы р а з д е л е н и я . О д н о к р а т н а я опера­ ция И . р . приводит л и ш ь к небольшому обогащению р а з д е л я е м о й смеси п о т р е б у е м о м у и з о т о п у , ч т о с в я ­ зано с малыми, к а к правило, значениями изотопных эффектов. Поэтому д л я полного выделения или значи­ т е л ь н о г о к о н ц е н т р и р о в а н и я Одного и з и з о т о п н ы х веществ операцию разделения многократно повторяют в ступенчатом разделительном каскаде. Ступень кас­ к а д а п р е д с т а в л я е т собой один и л и н е с к о л ь к о п а р а л ­ л е л ь н о с о е д и н е н н ы х р а з д е л и т е л ь н ы х а п п а р а т о в ; сту­ п е н и с о е д и н е н ы м е ж д у собой п о с л е д о в а т е л ь н о . П о ­ с к о л ь к у исходное содержание выделяемого изотопного в е щ е с т в а о б ы ч н о м а л о , т о п о т о к и с х о д н о й смеси, п р о х о д я щ е й ч е р е з к а с к а д , очень в е л и к п о с р а в н е н и ю с количеством получаемого продукта. Каскады широко применяются в химич. технологии и лаборатор­ ной практике д л я разделения не только изотопных смесей, Однако в с л у ч а е и з о т о п о в о н и с о д е р ж а т обыч­ н о з н а ч и т е л ь н о б о л ь ш е е ч и с л о с т у п е н е й , чем в д р у ­ гих, с л у ч а я х . П о э т о м у с о в р е м е н н ы е методы расчета каскадов разработаны именно в связи с задачей И. р . Х а р а к т е р н ы е ч е р т ы к а с к а д н о г о способа р а з д е л е н и я с о х р а н я ю т с я н е з а в и с и м о от и с п о л ь з у е м о г о метода И . р . П о т о к и с х о д н о й смеси п о д а е т с я н а п е р в у ю с т у п е н ь к а с к а д а (см. р и с . 1). В р е з у л ь т а т е Операции р а з д е л е ­ н и я он р а з б и в а е т с я н а д в а п о т о к а : обедненный — удаляемый из каскада, и обогащенный — подаваемый 2 3 5 2 3 5 6 мым, а протекающий в об­ ратном направлении — воз­ вратным, или обедняемым. зУз 1 Концентрация изотопа в воз­ вратном потоке с данной ступени н е всегда соответ­ LQXQ ствует предыдущей сту­ пени, и обедненный поток *- прямой notOK L м о ж е т возвращаться н е на &возвратный ш о к G Одну, а на две ступени x и у концентрации ниже. Степень р а з д е л е н и я н а Рис. 1. Схема каскада раз­ деления. к а ж д о й (г-той) с т у п е н и х а ­ рактеризуется коэфф. разде­ о т н о с и т е л ь н ы е конления а — Х | , У | , где X и У центрации заданного изотопа соответственно в обо­ гащаемом и обедняемом п о т о к а х этой ступени: = = xji — x Y — 2/^/1 — у , х и (1 — x ) — а т о м н ы е доли требуемого и отбрасываемого изотопов в обога­ щ а е м о м п о т о к е , у и (1 — ? / | ) — с о о т в е т с т в у ю щ и е а т о м ­ ные доли в обедняемом потоке. Коэфф. разделения зависит от вида и з о т о п о в , а т а к ж е от метода и у с л о ­ вий разделения, н о н е зависит практически от кон­ центрации изотопа; поэтому п р и заданных условиях р а з д е л е н и я о н Одинаков д л я в с е х ступеней. с • i { {t { { { t { Указанная связь концентраций изотопов в потоках сту­ пени, Xi/Yi = xi(i —Vi)/yi(i — х() ~ а, совместно с ур-нием материального баланса на каждой ступени, L ( j х{ j + -4- Gi_j_jy|_j_i = L | X | ~{- Gixi (где L и G — количества веществ, составляющих прямой и соответственно возвратный потоки, г — номер ступени), служит ос­ новой для расчета каскада, т. е. определения числа ступеней, не­ обходимых для заданного кон­ центрирования. Расчет обычно проводят начиная с последней ступени, для которой по приве­ денным двум ур-ниям и исходя из заданной концентрации про­ дукта определяют две неизвест­ ные концентрации: в прямом потоке, подаваемом на послед­ нюю ступень с предпоследней, и в возвратном, идущем с по­ следней ступени на предпослед­ нюю. Используя значения этих концентраций, проводят анало­ гичный расчет для предпослед­ ней ступени и т . д . , пока рассчи­ танное значение концентрации Рис. 2. х—у-Диаграмма кас­ в поступающем на ступень пря­ кадного разделения. мом потоке не совпадет с кон­ центрацией изотопа в исходном сырье. Такой расчет можно проводить графически, исходя из т. н. х — у-диаграммы (рис. 2), на которой построены кривая равновесия [по выражению для коэфф. разделения (а)] и рабочая линия (по ур-нию материального баланса); число ступенек, которые можно построить между этими линиями от точки для исходной концентрации до точки для конечной, со­ ответствует искомому числу ступеней. В зависимости от типа каскада и распределения в нем потоков существуют также специальные методы расчета. Весьма важной характеристикой каскада является с т е п е н ь и з в л е ч е н и я и з о т о п а , т. е. Отношение количе­ ства и з о т о п а в п р о д у к т е к е г о к о л и ч е с т в у в и с х о д н о м с ы р ь е : у = Ь х /Ь х . Е с л и из первой ступени кас­ к а д а о б е д н е н н ы й п о т о к о т б р а с ы в а е т с я ( с м . р и с . 1), п п 0 0