Классификация методов разделения изотопов водорода - Тяжелые изотопы водорода в ядерной технике

Изотопное замещение в молекулах приводит к некоторому изменению физических и химических свойств вещества. Такие изменения наиболее сильно проявляются при замещении одного изотопа водорода другим. Однако при водородном изотопном замещении эти изменения относительно невелики, и поэтому при использовании процессов разделения изотопов, основанных на них, требует умножение однократного разделительного эффекта. Количественной характеристикой последнего является коэффициент разделения изотопов, представляющий собой отношение относительных концентраций целевого изотопа в богатой и бедной фракциях:

Б=x(1-y)/((1-x)y),

Где х, у - атомные доли целевого изотопа в богатой и бедной фракциях; х/(1-х), у/(1-у)- относительные концентрации целевого изотопа в богатой и бедной фракциях.[7]

В настоящее время при промышленном концентрировании тяжелых изотопов водорода наиболее широко применяют методы, основанные на термодинамически обратимых процессах разделения. Основные их преимущества по сравнению с неравновесными процессами разделения связаны с обратимостью однократного акта разделения. Они состоят в том, что в отличие от методов разделения с неравновесным элементарным процессом задача умножения однократного изотопного эффекта достаточно просто решается путем создания противоточных разделительных колонн, а также все энергетические затраты связанны не с элементарными актами разделения, а лишь с процессами обращения фаз и создания продольных потоков в колонне, т. е. подвод энергии требуется только на концах колонны. Перечисленные преимущества обратимых процессов разделения, основанных на термодинамических изотопных эффектах, обеспечивают не только экономичность этих методов, но и позволяют создавать высокопроизводительные промышленные установки.[3]

Термодинамические изотопные эффекты могут наблюдаться либо в гетерогенной системе одного вещества, находящегося в двух агрегатных состояниях (при фазовом изотопном обмене), либо в системе из двух или более веществ(в реакциях изотопного обмена). Из первой группы практическое применение при разделении изотопов водорода нашли только системы жидкость-пар.

В системе двух веществ, химически не взаимодействующих друг с другом, может протекать реакция изотопного обмена с константой равновесия, отличающейся от значения, отвечающего равновероятностному распределению изотопов между участвующими в реакции молекулами. На таких реакциях основано разделение изотопов способом химического изотопного обмена.[7]

Для простоты создания в колонне противотока предпочтение отдают гетерогенным системам, в которых рабочие вещества находятся в различных агрегатных состояниях. Обычно это системы газ-жидкость; однако значительные изотопные эффекты обнаружены в системах газ-твердое тело.

Помимо термодинамического изотопного эффекта при выборе системы рабочих веществ важное значение имеют кинетика реакции изотопного обмена и возможность осуществления доступными приемами процесса обращения потоков, т. е. перевода выделяемого изотопа из одного рабочего вещества или фазового состояния в другое. При химобменном разделении изотопов обращение потоков осуществляется химическим или термическим способом. Последний способ используется и в процессах разделения, основанных на изотопных эффектах при фазовом равновесии.[3] В узлах обращения потоков с помощью реактивов(в химическом способе), электроэнергии(в электрохимическом способе) или путем подвода(отвода) тепла(в термическом способе) осуществляются необходимые химические реакции. Двухтемпературный метод основан на температурной зависимости термодинамического изотопного эффекта, что позволяет принципиально новым путем решать задачу обращения потоков.[6]

В рассмотренных методах разделения термодинамические изотопные эффекта основаны на различиях в тех свойствах веществ, состоящих из изотопно-замещенных молекул, которые зависят от нулевых энергий колебаний как атомов в молекулах, так и самих молекул в кристаллических решетках или жидких телах. Различия в нулевых энергиях колебаний являются причиной и кинетических изотопных эффектов, приводящих к разделению изотопов в таких неравновесных процессах, как электролиз и проницаемость водорода через металлические мембраны. Наряду с последними все способы разделения, в которых используются термодинамические изотопные эффекты, называют физико-химическими методами разделения изотопов. В отличие от них большинство физических методов разделения непосредственно основано на разности масс изотопных молекул, атомов и ионов, что делает эффективными их применение лишь для разделения изотопов тяжелых элементов. Поэтому из неравновесных методов разделения изотопов водорода основное внимание будет уделено таким перспективным методам, как фотохимический и лазерный.[5]

Похожие статьи




Классификация методов разделения изотопов водорода - Тяжелые изотопы водорода в ядерной технике

Предыдущая | Следующая