разделение, 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 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 , 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 a. Для смеси двух изотопов где С¢ и (1 - C' ) - относительные содержания лёгкого и тяжёлого изотопов в обогащенной смеси, а С¢¢ и (1 - С¢¢ ) - в первичной смеси. Для большинства методов a лишь немного больше единицы, поэтому для получения высокой изотопной концентрации единичную операцию И. р. приходится многократно повторять. Только при электромагнитном разделении a 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 ~ 0,1 н/м 2 (~10-3 мм рт . ст .) 'прокачивается' через пористую перегородку, содержащую до 106 отверстий на 1 см 2 ( 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 a n , где q - необходимая степень разделения. На этом методе основана работа гигантских газодиффузионных заводов для получения 235U из газообразного UF6 (a ~ 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 см 2 ( рис. 3 ). Газообразная изотопная смесь движется навстречу потоку вспомогательного пара. Вследствие градиента (перепада) концентрации газа и пара в поперечном сечении цилиндра и большего 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 D Т 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 где g - постоянная термодиффузии, зависящая от относительной разности масс изотопов, а T ( T 1 + T 2)/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 a 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 p 1 и p 2, и различные точки кипения, то возможно разделение изотопов путём фракционной перегонки. Используются фракционирующие колонны с большим числом ступеней разделения; a зависит от отношения p 1/ p 2 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 a 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 a и возможностью одновременного разделения всех изотопов данного элемента. Обычно на больших промышленных установках для одной ступени разделения a ~ 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 ~ 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 , для изучения взаимодействия ионов с твёрдым телом (при ионном внедрении 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 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 a мало. Электромагнитный метод обладает большим a, 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.