一種分離鈾同位素的方法

2023-05-04 00:10:21 1

專利名稱：一種分離鈾同位素的方法
技術領域：
本發明涉及冶金和光化學領域，主要是由雷射選擇性激活化學反應從UF6分子中分離鈾同位素的方法。
235U應用於核科學技術領域和核電站，是和平利用原子能的基礎核燃料之一。
背景技術：
用氣體擴散法和離心法生產同位素鈾235U是現行成熟的方法，但在科學技術界公認用雷射分離的方法比這兩種方法的成本低得多，其本質的原因是因為雷射的波長可以選得很精確，光強又強，在一定收集條件下，能相當準確地從含235U為0.7％的U原子或U的化合物中將235U提取。自從雷射問世以來，用雷射分離鈾同位素的設想和研究便極為活躍，最早的雷射分離鈾同位素的報導是在1974年在第八屆國際量子電子學會議上美國的利費莫爾(Livermore)提出了勞倫斯·利費莫爾(Lawrence Livermore)實驗室的分離鈾同位素的結果(IEEEJ.Quantum Electron QE-10，1974，790)。人們將雷射分離鈾同位素的方法劃分為原子法、分子法以及雷射選擇性激活化學反應法，三者的英文表述分別為AVLIS(Atomic VaporLaser Isotope Separation)、MLIS(Molecular Laser Isotope Separation)和CRISLA(ChemicalReaction by Isotope Selective Laser Activation)。原子法是指以U原子蒸氣為分離體系，經銅蒸氣雷射泵浦染料而獲得分離鈾同位素的三個頻率的雷射，通過這三個頻率雷射的作用使235U獲得選擇性光電離，然後用電場方式收集電離後的235U+而得濃縮的235U。這三步光電離約需總的光子能量為6ev。分子法是指以UF6分子氣體為分離體系，選擇與UF6基頻一致的16μm雷射進行多光子選擇性離解，或同時利用16μm雷射和CO2雷射進行多光子選擇性離解，或同時利用紅外雷射和紫外雷射兩雷射進行多光子選擇性離解。多光子選擇性離解是指選擇性地使235UF6離解為235UF5，失去的F原子與添加的反應劑進行反應，235UF5成為固體粉末而被收集。由於此法採用的是多光子離解方法，故獲得一個235UF5分子要用許多個光子或光子能量之和應大於6ev。雷射選擇性激活化學反應法分離鈾同位素，也有人將其歸入分子法，雖然它也利用UF6分子作為分離體系，但它已和多光子離解UF6分子的方法存在顯著的差別。差別之一，這個方法的實質是將分子235UF6選擇性地激發到激發態，而不需光電離或光離解，激發了的分子顯然會更快地與反應劑反應，以此來獲取富含235U的產物分子；差別之二，則是分子法是用有一定重複頻率的高能量脈衝雷射，而選擇性激活化學反應法則只需要採用連續波或低能脈衝串雷射即可。最先提出這個方法的是美國的Eerkens(Jeff W.Eerkens，ReactionChemistry of the UF6LISOSep Process，Optics Communications，Vol.18，No.1，32-33，1976)，他還申請了澳大利亞專利(AU-B-6607/81)。CRISLA的開發人員認為，在雷射同位素分離方法中CRISLA是最有前途的，這是因為UF6分子的活化能對應於頻率為2000cm-1的雷射能量，而UF6的激發與離解(MLIS)需要35000cm-1的能量，原子蒸氣法同位素分離(AVLIS)需要50000cm-1的雷射能量(參見俄V.U巴朗諾夫主編，王立軍等譯同位素，清華大學出版社2004年3月第1版，P339)。這個看法的依據顯然是成立的。現行的選擇性激活化學反應分離鈾同位素的方法，一般均在CO雷射器的諧振腔內進行，雷射器的光波在諧振腔內的傳輸及在輸出鏡的輸出都是連續的，所用的反應劑為HCl或Rx，Rx是未被公布名稱及化學式的(①Eerkens J.W.//Int.Enrichment Conf.Monterrey.California.1989；②Xu Bao-Yu//Int.Enrichment Conf.Monterrey.California.1989)。現行的這種方法的缺點是雷射對UF6分子的激發截面較小，故對235UF6的選擇性激發的截面也較小，激發態所處能級還不夠高，故對某種確定反應劑而言，光化學反應速率相對於無選擇性的熱化學反應速率還不夠高，故其分離係數仍受較大的限制。

發明內容
本發明的目的正是針對現行選擇性激活化學反應法分離鈾同位素方法中所存在的缺陷而對其進行改進，提供一種能提高分離係數的方法。
本發明所提供的方法是在連續波或調製脈衝串準連續波雷射器諧振腔內置一反應池，反應池內的UF6氣體及HCl(或其它反應劑)氣體混合物流動或處於靜態，在連續波或準連續波雷射的選擇作用下使235UF6得到選擇激發而達到激發態235UF*6，235UF*6與HCl(或其它反應劑)的反應速率高於238UF6與HCl(或其它反應劑)的反應速率，反應後的產物UF5Cl富含235U而使同位素鈾達到分離。在其它條件相同時，對235UF6選擇激發的截面越大及激發態235UF*6處的能級越高，則同位素鈾達到的分離程度便可越高，故分離係數也越高。本發明的特徵在於在雷射器諧振腔內作用於反應池內UF6分子的連續波或準連續波雷射為CO雷射和CO2雷射兩種波長的光源，不僅利用了兩波長雷射對235UF6的激發截面，並提供了兩波長雷射相互配合激發以利於選擇性激活光化學反應進行的新途徑，故能達到提高分離係數、提高產率目的，同時本發明還避免了原方法中採用單一雷射時為追求高光強而使雷射器造價過高的問題。
CO2雷射對235UF6的組合帶(v3+v4+v6)的激發截面與CO激發235UF6泛頻帶(3v3)的激發截面十分相近。若單用CO2雷射時，由於激發的是組合帶而不易使得235UF6分子象CO雷射激發時那樣處於易於光化反應的較高激發態，因此，高轉換效率的CO2雷射一般便以高能量脈衝雷射形式用作分子法(MLIS)分離鈾同位素的光源之一，對UF6的多光子離解起重要作用。然而，當連續波或脈衝串準連續波CO2雷射與連續波或脈衝串準連續波CO雷射同時使用時，則可充分利用CO2雷射低成本光子使兩波長雷射對235UF6分子的激發都變得更加有效於光化學反應。由於連續波或準連續波選頻雷射器輸出功率不大，而功率大(或光強強)有利於提高選擇性激發速率，故利用腔內光強優勢則是選擇性激活化學反應分離鈾同位素的合理方式。
為了獲得雷射諧振腔內CO雷射和CO2雷射的高功率，採用快軸流型CO雷射器和快軸流型CO2雷射器。在快軸流CO雷射器中，CO、N2、He、O2的高純氣體經混氣瓶混合後送入預冷器，再經冷疑器冷卻後由分流管分別進入兩獨立放電管，放電後的氣體被羅茨泵及前級泵抽走。混合氣體在放電管放電時一氧化碳分子受到激發並產生受激輻射，受激輻射在雷射器諧振腔控制下獲得單線振蕩的腔內CO雷射高功率傳輸。在快軸流CO2雷射器中，CO2、N2、He三種氣體經混氣瓶混合後經冷卻水冷卻的冷凝器後被送入快軸流放電管，放電後的氣體被羅茨泵和前級泵抽出或參與循環放電。CO2分子在放電激勵下產生受激輻射，在雷射諧振腔控制下獲得單線振蕩的腔內CO2雷射高功率傳輸。
為獲得腔內CO雷射和CO2雷射兩波長單線高功率，並使兩波長高功率雷射同時同區域作用於反應池內UF6氣體，採用統一的雷射諧振腔，即採用共軸諧振腔。即將CO2雷射放電管、CO雷射放電管、反應池(管)依次置於同一軸線上。兩雷射管之間在室溫環境以NaCl、KCl或znSe片作布氏窗片加以連接，三種材料對兩波長光波的折射率均極接近，兩雷射管的另兩端和反應池(管)的兩端則均以NaCl、KCl或ZnSe片作布氏窗片封貼。在反應池(管)外端附近置一全反射鏡。在CO2雷射管的始端前置一不鏽鋼基底原刻閃耀光柵，其旁設一鍍金凹面銅反射鏡，直接利用光柵的二級衍射選擇CO雷射振蕩波長，而利用光柵的一級衍射選擇CO2雷射振蕩波長，旁設的全反鏡可用於兩振蕩波長之一的諧振腔。布底窗片對兩波長折射率的微小差別也將由光柵榜的銅鏡的角度選擇而加以修正。兩波長光波在光柵的零級衍射輸出將用於對振蕩波長和腔內功率及兩波長功率比值的監測。
反應池的兩端下側分別設計入口和出口開關，高純天然豐度的UF6氣體和HCl氣體或其它反應劑混合進入反應池，經光化學反應後的氣體經出口流出。收集容器為若干個帶極多小孔的圓形基板組合而成，應定時換取收集器進行產物收集的基板。由於反應產物會部分存留在反應池管壁及布氏窗片上，故反應池應定期清洗或更換。實驗已證明不鏽鋼材料作反應池及收集器是可以的。當反應池內氣體不流動時，有利於初期分離實驗的簡化，因為這可以省去尾氣處理環節，但此時只能在反應池管壁上收取產物，且產物會較快沉積到布氏窗片上而使雷射器的腔內損耗加大，不利於建立很強的振蕩。


附圖中，1和27為全反射鏡，2和4為調製器，3為不鏽鋼基底原刻光柵，6和15分別為軸流CO2雷射器和軸流CO雷射器的放電管，7和16為分流管，12和21為回流管，8和17分別為CO2雷射介質混合氣和CO雷射介質混合氣的入口，13和22則為相應的出口，11和20為匯合器，9和17為放電陽極，10和18為放電陰極，5、14、19、23、24為布氏窗片，25為反應池，26為溫度控制器，28為不鏽鋼開關，29為壓力計，30為流量計，A為功率汁，CT50為單色儀，B為未鍍膜平行平面Ge鏡分束器，C為產物收集器，D為剩餘物處理器，E為抽氣泵，F為尾氣處理器，尾氣經F處理後再排出。
具體實施例方式
現結合附圖對具體實施方式
加以說明。附圖中5、14、19、23、24五個布氏窗片均採用ZnSe片，其折射率在5μm波長處為2.4。實踐證明在連續波CO2雷射器中的布氏角也按此折射率計算是可行的，一級閃耀波長為10.6μm的不鏽鋼基底平面原刻反射光柵3，其二級閃耀波長正好處於我們需要的CO雷射波長處。全反射鏡1和27均為曲率半徑10m的鍍金銅反射鏡，在5μm和10μm波長處均可達98％以上的反射率。快軸流CO雷射器和CO2雷射器的放電管總長均為1m，內徑20mm，布氏窗5與14間距離為2.2m，14與19間的距離也為2.2m，反應池25的總長為2m，光柵3與全反鏡27間距離為7.5m，全反鏡1與光柵3之間距離為1m，全反射鏡27與光柵3構成穩定腔，全反射鏡1、光柵3、全反射鏡27三者也構成穩定腔。調製器2和4選為斬波器，調製頻率為1KHz，當它們或兩者之一不工作時光波能不受損失地通過。分束器B經調整角度使反射和透射光各近1/2或一個合適的比例。CO、N2、He、O2以1∶1∶18∶0.01的混氣比例混合後以20×133.3pa的總壓強經冷疑器冷卻至絕對溫度100K左右從進氣口17進入並經分流管16分別進入兩段長0.5m的放電管15放電後流入匯合器20，羅茨泵及前級泵從抽氣口22將放電後的混合氣抽走。CO分子經放電激發產生波長為5.33μm(9-8P(15))的受激輻射，光柵3的轉角正好在利特羅條件下滿足5.33μm波的二級衍射，以95％的效率將其反饋到腔內，經放電管、反應池後再經全反射鏡27反射後構成振蕩，而光柵3的約5％的零級衍射信號經分束器B分束後送入功率計A和單色儀CT50，分別對腔內功率和波長進行監控，可以通過光柵3的轉角變化來對振蕩波長進行修正。CO2、N2、He以1∶1.5∶7.5的混合比例混合後以20×133.3Pa的總壓強經冷凝器冷卻到0℃-20℃，從進氣口8進入並經分流管7進入兩段長0.5m的放電管6放電後流入匯合器11，羅茨泵及前級泵從抽氣口13將放電後的混合氣抽走或使其參與循環使用。CO2分子經放電激發產生波長為10.53μm(00°1-10°0P(14))的受激輻射，沿軸向的輻射經光柵3後按一級衍射的方向射到全反射鏡1，並沿原光路返回到光柵3，再回到放電管軸線方向，經反應池、再經全反射鏡27沿軸向返回，這樣在腔內便形成10.53μm波的振蕩，其在光柵3上的零級衍射有兩束光，其一與5.33μm波的同方向，可供測波長和測功率用，其二則是由於從全反射鏡1返回的CO2雷射在經光柵3時也形成其零級衍射，它的方向與前一零級衍謝方向有所差別，正好功率計可作少許平移即可測到CO2雷射的功率，這一功率與前一零級方向CO2雷射的強度十分接近，由此數據和前一方向兩種雷射的合功率才可確定腔內CO雷射功率數據。若啟動調製器4，則兩紅外雷射均為脈衝串準連續波，若只啟動調製器2，則僅CO2雷射為脈衝串準連續波，若將光柵3於CO2雷射波長工作於一級衍射的利特羅條件，則光柵3對CO雷射的二級衍射將被全反鏡1控制返回，此時僅啟動調製器2，則僅CO雷射為脈衝串準連續波。在反應池部分，具有天然豐度的UF6純氣體在反應池抽為真空並在泵的不斷抽取條件下經兩個控制開關28進入反應池，反應池處於235K的溫度，純的HCl氣體反應劑經兩個控制開關28後也一同進入反應池，在反應池保持UF6的分壓為3×133.3Pa，HCl的分壓為20×133.3Pa，以12.5m/s的流速通過反應池，因為5.33μm波對235UF6的激發截面(T＝235K)為2×10-22cm2，比對238UF6的激發截面3×10-23cm2約大5倍，而10.53μm波對235UF6的激發截面比對238UF6的激發截面也大5-10倍，在5.33μm波和10.53μm波的腔內雙向功率之和分別等於或大於400W時獲得的鈾同位素分離係數可達2以上。被激發的UF6及少量未激發的UF6與HCl生成的產物UF5Cl等從反應池出口經開關28後到達被冷卻的收集器C，C內有若干層不鏽鋼圓片，每圓片上有許多毫米級小孔，產物將存留於各圓片上而被收集，而HF、HCl及剩餘物UF6被帶入處理器D及以後的尾氣處理環節，而部分HF、HCl與反應池、收集器等反應，它們的反應物在收集器上的存在不會對UF5Cl的分析帶來根本性的麻煩。收集器中的UF5Cl比UF6有更低的蒸氣壓，故可將它們分開。因UF5Cl富含235U而使同位素鈾得到分離。
權利要求
1.一種分離鈾同位素的方法，是以紅外雷射作為選擇性激發光源，以UF6氣體分子為分離體系，以HCl或其它氣體分子、原子體系Rx作反應劑，UF6分子中的235UF6受到紅外光子的選擇性激活而與HCl或其它反應劑Rx進行化學反應，產物UF5Cl中比例235UF5Cl/238UF5Cl將高於分離前的UF6氣體中235UF6/238UF6的比例，或產物UF5Rx中的比例235UF5Rx/238UF5Rx高於分離前的UF6氣體中235UF6/238UF6的比例，從而使鈾同位素得到一定程度的分離，其特徵在於在雷射腔內同時採用CO雷射和CO2雷射兩種雷射對UF6分子選擇性激活，以獲得較高的分離係數。
2.按權利要求1的方法，其特徵在於同時採用的CO雷射和CO2雷射兩種紅外雷射是連續波，也可以是經調製的脈衝串準連續波，也可以是其中之一為連續波而另一波長光波則為調製的脈衝串準連續波。
3.按權利要求1的方法，其特徵在於反應池(25)位於一個CO2雷射器和CO雷射器的共軸諧振腔內。
4.按權利要求1或權利要求3的方法，其特徵在於共軸諧振腔的選頻元件光柵對CO2雷射處於一級衍射工作狀態，而對CO雷射則處於二級衍射工作狀態。
5.按權利要求1或權利要求4的方法，其特徵在於兩雷射光波在光柵(3)的零級衍射被用於腔內振蕩光波的功率和波長的監測信號。
全文摘要
本發明涉及冶金學和光化學領域，主要是由含
文檔編號B01D59/00GK1709557SQ20041004000
公開日2005年12月21日 申請日期2004年6月16日 優先權日2004年6月16日
發明者李育德, 陳梅, 匡一中, 郭俊平, 劉靜倫, 李徵, 劉維銘, 張秀雲, 楊元傑, 張力軍 申請人:四川大學