CN109865430B - 一种激光辅助凝聚抑制的同位素气动离心分离装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于同位素分离技术领域，具体涉及一种激光辅助凝聚抑制的同位素气动离心分离装置及方法，该置包括与真空室密封连接的、存有高压待分离同位素原料的原料储存器；原料储存器上设有脉冲阀，用于将高压待分离同位素原料向真空室中喷射，形成超声速分子流；还包括用于对超声速分子流进行脉冲激光辐照的激光器；还包括用于对脉冲激光辐照后的超声速分子流进行离心分离的半圆形离心器；还包括与半圆形离心器相对应的收集系统，收集系统用于将超声速分子流分离后得到的产品和尾料分别进行收集。本发明能提高同位素分离的效率，浓缩因子达到2.0以上，只要几级浓缩即可获得高浓缩产品。
Description
技术领域
本发明属于同位素分离技术领域，具体涉及一种激光辅助凝聚抑制的同位素气动离心分离装置及方法。
背景技术
当前激光同位素分离(LIS——Laser Isotope Separation)最接近工业化水平的是美、澳两国掌握的SILEX(Separation of Isotope by laser Excitation)技术，该技术处于保密状态，其浓缩系数能够达到2～20。根据公开信息推测其可能的技术路线是激光辅助凝聚抑制的气动扩散分离法【1】，即JEFF W.EERKENS倡导的CRISLA(CondensationRepression by Isotope Selective Laser Activation)法。其基本原理是利用激光选择性激发目标同位素分子，提高目标分子的内能，降低其表面吸附系数，致使受激分子在超声速分子流中与载气分子碰撞形成二聚体瞬间解离，而非目标同位素分子未受激以二聚体形式存在于超声速分子流中，人为加大同位素分子间质量差，造成同位素分子径向迁移(扩散)速率差增大，使同位素分子沿喷流径向空间分布距离扩大，提高同位素分离能力。这是一种被动的气动分离过程，同位素分子的径向扩散速率取决于同位素分子质量差异，类似于传统的气体扩散法。
发明内容
鉴于激光辅助凝聚抑制的气动扩散分离法是一种被动的浓缩过程，影响浓缩系数的进一步提高，因此本发明拟采用主动分离方法提高浓缩能力。目标是构建一种气动离心装置，在激光辅助凝聚抑制引起的同位素分子间质量差增大条件下，使超声速分子流通过离心机构受到离心力作用，回旋半径随分子质量而增大，提高同位素分子空间分离度，提升浓缩能力。
为达到以上目的，本发明采用的技术方案是一种激光辅助凝聚抑制的同位素气动离心分离装置，其中，包括与真空室密封连接的、存有高压待分离同位素原料的原料储存器；所述原料储存器上设有脉冲阀，用于将所述高压待分离同位素原料向所述真空室中喷射，形成超声速分子流；还包括用于对所述超声速分子流进行脉冲激光辐照的激光器；还包括用于对脉冲激光辐照后的所述超声速分子流进行离心分离的半圆形离心器；还包括与所述半圆形离心器相对应的收集系统，所述收集系统用于将所述超声速分子流分离后得到的产品和尾料分别进行收集。
进一步，所述收集系统包括由锲形分离器划分的浓缩室和贫化室，还包括依次通过第一真空泵、第一液氮冷却系统与所述浓缩室相连的产品收集室，还包括依次通过第二真空泵、第二液氮冷却系统与所述贫化室相连的尾料收集室。
进一步，所述半圆形离心器为两个，并排设置在所述超声速分子流的喷射方向上，所述超声速分子流能够均匀的分别进入两个所述半圆形离心器内；每个所述半圆形离心器对应一套所述收集系统。
进一步，还包括设置在所述超声速分子流的喷射路径周围的防扩散壁。
为达到以上目的，本发明还公开了用于以上所述的激光辅助凝聚抑制的同位素气动离心分离装置的一种激光辅助凝聚抑制的同位素气动离心分离方法，包括以下步骤：
步骤S1，通过所述脉冲阀将所述高压待分离同位素原料向所述真空室中喷射，形成超声速分子流；
步骤S2，对所述超声速分子流进行脉冲激光辐照；
步骤S3，用所述半圆形离心器将脉冲激光辐照后的所述超声速分子流进行离心分离，使得分离后得到的所述产品进入所述浓缩室，使得分离后得到的所述尾料进入所述贫化室；
步骤S4，使用所述产品收集室对所述产品进行收集；使用所述尾料收集室对所述尾料进行收集。
进一步，在所述步骤S4中，通过所述第一真空泵和所述第一液氮冷却系统将所述产品从所述浓缩室抽离并转化为固体或液态，收集到所述产品收集室，同时保持所述浓缩室的近真空状态；通过所述第二真空泵和所述第二液氮冷却系统将所述尾料从所述贫化室抽离并转化为固体或液态，收集到所述尾料收集室，同时保持所述贫化室的近真空状态。
进一步，在所述步骤S1和所述步骤S2中，要求所述脉冲阀产生的所述超声速分子流与所述激光器输出的所述激光在时、空上均保持同步，确保所述超声速分子流中的所有同位素分子均能够被所述激光辐照，减少所述尾料中目标同位素丰度。
进一步，对所述产品重复所述步骤S1至所述步骤S4，实现多级浓缩，得到高浓缩产品。
本发明的有益效果在于：
1.本发明能够提高同位素分离的效率，浓缩因子能够达到2.0以上，只要几级浓缩即可获得高浓缩产品。因此浓缩工厂规模大大减小，减少建设资金投入及空间占用，并节省大量能源，降低浓缩成本。
2.利用质谱仪可以在线或离线测量浓缩产品丰度。
3.利用这种方法可以分离铀、硼、硫、钼、硅等放射性或非放射同位素，浓缩系数能够达到2.0以上。
附图说明
图1是本发明具体实施方式中所述的激光辅助凝聚抑制的同位素气动离心分离装置的示意图；
图中：1-原料储存器，2-脉冲阀，3-防扩散壁，4-超声速分子流，5-激光，6-锲形分离器，7-半圆形离心器，8-真空室，9-浓缩室，10-贫化室，11-第一真空泵，12-第一液氮冷却系统，13-产品收集室，14-第二真空泵，15-第二液氮冷却系统，16-尾料收集室，17-激光器，18-脉冲延时器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
如图1所示，本发明提供的一种激光辅助凝聚抑制的同位素气动离心分离装置，其中，包括与真空室8密封连接的、存有高压待分离同位素原料的原料储存器1；原料储存器1上设有脉冲阀2，用于将高压待分离同位素原料向真空室8中喷射，形成超声速分子流4；还包括用于对超声速分子流4进行脉冲激光辐照的激光器17；还包括用于对脉冲激光辐照后的超声速分子流4进行离心分离的半圆形离心器7；还包括与半圆形离心器7相对应的收集系统，收集系统用于将超声速分子流4分离后得到的产品和尾料分别进行收集。
收集系统包括由锲形分离器6划分的浓缩室9和贫化室10，还包括依次通过第一真空泵11、第一液氮冷却系统12与浓缩室9相连的产品收集室13，还包括依次通过第二真空泵14、第二液氮冷却系统15与贫化室10相连的尾料收集室16。
半圆形离心器7为两个，并排设置在超声速分子流4的喷射方向上，超声速分子流4能够均匀的分别进入两个半圆形离心器7内；每个半圆形离心器7对应一套收集系统。
还包括设置在超声速分子流4的喷射路径周围的防扩散壁3。
本发明还公开了用于上述的激光辅助凝聚抑制的同位素气动离心分离装置的一种激光辅助凝聚抑制的同位素气动离心分离方法，包括如下步骤：
步骤S1，通过脉冲阀2将高压待分离同位素原料向真空室8中喷射，形成超声速分子流4；
步骤S2，对超声速分子流4进行脉冲激光辐照；
步骤S3，用半圆形离心器7将脉冲激光辐照后的超声速分子流4进行离心分离，使得分离后得到的产品进入浓缩室9，使得分离后得到的尾料进入贫化室10；
步骤S4，使用产品收集室13对产品进行收集；使用尾料收集室16对尾料进行收集。
在步骤S4中，通过第一真空泵11和第一液氮冷却系统12将产品从浓缩室9抽离并转化为固体或液态，收集到产品收集室13，同时保持浓缩室9的近真空状态；通过第二真空泵14和第二液氮冷却系统15将尾料从贫化室10抽离并转化为固体或液态，收集到尾料收集室16，同时保持贫化室10的近真空状态。
为了尽可能提高浓缩系数，在步骤S1和步骤S2中，要求脉冲阀2产生的超声速分子流4与激光器17输出的激光5在时、空上均保持同步，确保超声速分子流4中的所有同位素分子均能够被激光辐照，减少尾料中目标同位素丰度。
对产品重复步骤S1至步骤S4，实现多级浓缩，得到高浓缩产品。
激光辅助凝聚抑制的同位素气动离心法分离的基本原理是激光5选择性激发超声速分子流4中的目标同位素分子，受激的目标同位素分子内能增大，导致其与载气分子碰撞时吸附系数下降，形成二聚体后迅速(ps级)解离，而未受激的非目标同位素分子在超声速分子流4中与载气分子碰撞形成二聚体，致使目标同位素分子与非目标同位素分子质量差扩大，利用超声速分子流中受激单体(目标同位素分子)与二聚体分子(非目标同位素分子)在半圆形离心器7中回旋半径不同实现同位素分离。
实现技术方案是掺有载气的同位素分子气体经超声速脉冲阀以绝热膨胀方式进入真空室8(即离心分离室)，可调谐脉冲激光同步辐照在超声速分子流4上，选择性激发目标同位素分子，增大受激分子内能，导致受激目标分子在输运过程中与载气分子碰撞形成的二聚体瞬间解离，而非受激同位素分子由于内能小、表面吸附系数大在输运过程中与载气分子碰撞形成的二聚体不会发生瞬间解离，以二聚体形式存在于超声速分子流4中直至热激发解体。
具有相近速率的超声速分子流4在激光选择性激发后进入半圆形离心器7，分子所受到的离心力相同，所以质量较大的二聚体(未受激的非目标同位素分子)回旋半径较大并沿着靠近半圆形离心器7表面做回旋运动，而受激的目标同位素分子质量较小，回旋半径小，因此受激单体分子运动轨迹远离半圆形离心器7表面，在半圆形离心器7出口处恰当位置放置锲形分离器6，即可实现同位素分离，锲形分离器6把浓缩室9与贫化室10隔开。
连接到浓缩室9与贫化室10的真空泵分别把浓缩产品与尾料抽离，利用液氮冷却抽离出来的浓缩产品与贫化尾料，使其转化为固体或液态，并收集到产品储藏容器与尾料储藏容器，确保真空室8(即离心分离室)工作处于近真空低压状态。
利用质谱仪可以在线或离线测量浓缩产品丰度。
本发明所述的装置并不限于具体实施方式中所述的实施例，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。
Claims (6)
1.一种激光辅助凝聚抑制的同位素气动离心分离装置，其特征是：包括与真空室(8)密封连接的、存有高压待分离同位素原料的原料储存器(1)；所述原料储存器(1)上设有脉冲阀(2)，用于将所述高压待分离同位素原料向所述真空室(8)中喷射，形成超声速分子流(4)；还包括用于对所述超声速分子流(4)进行脉冲激光辐照的激光器(17)；还包括用于对脉冲激光辐照后的所述超声速分子流(4)进行离心分离的半圆形离心器(7)；还包括与所述半圆形离心器(7)相对应的收集系统，所述收集系统用于将所述超声速分子流(4)分离后得到的产品和尾料分别进行收集；
所述收集系统包括由锲形分离器(6)划分的浓缩室(9)和贫化室(10)，还包括依次通过第一真空泵(11)、第一液氮冷却系统(12)与所述浓缩室(9)相连的产品收集室(13)，还包括依次通过第二真空泵(14)、第二液氮冷却系统(15)与所述贫化室(10)相连的尾料收集室(16)；
所述半圆形离心器(7)为两个，并排设置在所述超声速分子流(4)的喷射方向上，所述超声速分子流(4)能够均匀的分别进入两个所述半圆形离心器(7)内；每个所述半圆形离心器(7)对应一套所述收集系统。
2.如权利要求1所述的激光辅助凝聚抑制的同位素气动离心分离装置，其特征是：还包括设置在所述超声速分子流(4)的喷射路径周围的防扩散壁(3)。
3.用于如权利要求1所述的激光辅助凝聚抑制的同位素气动离心分离装置的一种激光辅助凝聚抑制的同位素气动离心分离方法，包括如下步骤：
步骤S1，通过所述脉冲阀(2)将所述高压待分离同位素原料向所述真空室(8)中喷射，形成超声速分子流(4)；
步骤S2，对所述超声速分子流(4)进行脉冲激光辐照；
步骤S3，用所述半圆形离心器(7)将脉冲激光辐照后的所述超声速分子流进行离心分离，使得分离后得到的所述产品进入所述浓缩室(9)，使得分离后得到的所述尾料进入所述贫化室(10)；
步骤S4，使用所述产品收集室(13)对所述产品进行收集；使用所述尾料收集室(16)对所述尾料进行收集。
4.如权利要求3所述的方法，其特征是：在所述步骤S4中，通过所述第一真空泵(11)和所述第一液氮冷却系统(12)将所述产品从所述浓缩室(9)抽离并转化为固体或液态，收集到所述产品收集室(13)，同时保持所述浓缩室(9)的近真空状态；通过所述第二真空泵(14)和所述第二液氮冷却系统(15)将所述尾料从所述贫化室(10)抽离并转化为固体或液态，收集到所述尾料收集室(16)，同时保持所述贫化室(10)的近真空状态。
5.如权利要求4所述的方法，其特征是：在所述步骤S1和所述步骤S2中，要求所述脉冲阀(2)产生的所述超声速分子流(4)与所述激光器(17)输出的激光(5)在时、空上均保持同步，确保所述超声速分子流(4)中的所有同位素分子均能够被所述激光辐照，减少所述尾料中目标同位素丰度。
6.如权利要求5所述的方法，其特征是：对所述产品重复所述步骤S1至所述步骤S4，实现多级浓缩，得到高浓缩产品。
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