CN116943426A - 一种小角散射磁铁表面分离锂同位素的装置及分离方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种小角散射磁铁表面分离锂同位素的装置及分离方法，涉及锂同位素分离技术领域，包括高温锂原子炉模块、高真空束流输运模块、激光作用模块、磁铁散射模块；分离方法是通过高温锂原子炉和高真空束流输运装置制备一定动能、密度的准直锂原子束流；在激光真空腔室和线圈磁场区，连续激光对锂原子束进行选择性激发，获得一定动能、密度、磁矩取向的准直锂原子束流；在高真空腔室的强磁铁表面，锂原子束与磁铁表面进行小角度散射，受磁力散射的锂‑6原子被收集板收集，而受磁力吸引的锂‑7原子粘附在磁铁表面，从而完成锂同位素的分离，解决了锂同位素分离效率低的问题，具有分离系数高、能耗低、体积小、绿色环保的特点。
Description
技术领域
本发明涉及锂同位素分离技术领域，更具体的是涉及小角散射磁铁表面分离锂同位素的装置及分离方法。
背景技术
在自然界中，锂有两种稳定的同位素锂-6和锂-7，其天然丰度分别为7.58％和92.42％。锂-6和锂-7在军事和核能领域具有重要应用。锂-6由于具有很大的中子截面，可用来生产氚(T)，已经成为热核武器和未来托克马克D-T聚变中T的主要来源。锂-7具有很好的传热性能和低的中子吸收率，不与空气和水剧烈反应，99.995％丰度的7Li常用来作为第4代钍基熔盐堆的氟化物冷却剂。99.95％丰度的7LiOH是目前压水堆冷却水中稳定pH值的重要物质。
锂同位素的分离方法较多，主要分为化学法和物理法。其中化学法包括锂汞齐法、离子交换色层分离法、萃取法、分级结晶和分级沉淀法等，物理方法包括电磁法和激光分离法等。但目前已用于工业生产的方法只有锂汞齐法。由于锂汞齐分离法在分离过程中会使用大量的汞，存在对环境和职业人员造成危害的潜在风险，目前世界各国正在大力发展物理分离方法。
以专利CN1032790C为例，公开了一种极化束磁偏转激光同位素浓缩法，该方法使原子束在弱取向磁场中与垂直入射的激光束作用，使不同同位素原子通过选择性光抽运，形成沿不同方向极化的原子束，经选态磁铁后，使不需要的同位素偏转，需要的则聚焦后被收集。该方法只能浓缩某一元素的单一同位素，分离效率低。该方法用到高磁场强度的四极或六级磁铁，磁铁的体积和能耗大。在该方法中，多极磁铁的极孔小，且中心为无磁区，原子束无法全部受到磁力偏转，只有束流边缘的同位素原子才能受到磁力聚焦或发散，从而分离效率低、产额低，不利于同位素的分离和浓缩，限制了其工业化应用。
因此，本发明提供了一种小角散射磁铁表面分离锂同位素的装置及分离方法，以解决上述技术问题。
发明内容
本发明针对极化束磁偏转激光同位素浓缩法分离效率低、体积和能耗大等问题，提供一种高效的小角散射磁铁表面分离锂同位素的装置及方法，提高了分离效率，具有分离系数高、能耗低、体积小、绿色环保的特点，有利于未来工业化应用。
本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：
一种小角散射磁铁表面分离锂同位素的装置，包括高温锂原子炉模块、高真空束流输运模块、激光作用模块、磁铁散射模块；所述高温锂原子炉模块包含高温锂原子炉、加热温控系统，所述高真空束流输运模块包含真空管路、准直狭缝、挡板、第一真空获取与测量系统，所述激光作用模块包含激光真空腔室、激光器、磁场，所述磁铁散射模块包含高真空腔室、磁铁、精密定位、第二真空获取与测量系统、收集板。
优选的，所述高温锂原子炉模块包括高温锂原子炉、加热温控系统；所述高温锂原子炉，其喷嘴满足分子泻流条件，出射原子束有小发散角和足够原子通量，并与真空兼容；所述加热和温控包含镍铬加热丝、恒流电源、K型热电偶、测温仪、保温层；所述K型热电偶、测温仪完成温度测量，反馈给恒流电源，完成温度控制。
优选的，所述激光真空腔室为六通CF法兰的真空腔室；激光真空腔室的两侧设置玻璃窗，激光真空腔室用于激光与锂原子束相互作用；所述激光器为中心波长671nm的激光系统，包含锂-6D2线和锂-7D1线精细波长、窄线宽的两束激光，并合并成一束光；所述磁场包含三维方形亥姆霍兹线圈、恒流电源。
优选的，所述高真空腔室为不锈钢长方体真空腔室；所述磁铁为长条形高磁场强度磁铁，安装在长方体真空腔室底部；所述精密定位包含所述激光真空腔并与长方体真空腔室软连接，精密定位通过精密运动滑块完成两者中心轴形成一小夹角；所述第二真空获取与测量系统包含分子泵、机械泵真空泵组，电离、电阻真空规计；所述收集板为金属板，且固定在长方体真空腔室底部，收集板位于磁铁尾部。
一种小角散射磁铁表面分离锂同位素的装置的分离方法，包括以下步骤：
第一步，通过高温锂原子炉和高真空束流输运模块制备一定动能、密度的准直锂原子束流；
第二步，在激光真空腔室和线圈磁场区，两束合并的连续激光垂直对锂原子束进行选择性激发，获得一定动能、密度、磁矩取向的准直锂原子束流，所述选择性激发方法包括：在激光真空腔室和线圈磁场区，使用两束合并的连续激光分别对锂-6、锂-7同位素原子进行选择性激发，其中锂-6原子被激发至D2线后退激至态2S1/2，F＝3/2态，锂-7原子被激发至D1线后退激至态2S1/2，F＝1态，从而获得一定动能、密度、磁矩取向的准直锂原子束流；
第三步，在高真空腔室的强磁铁处，锂原子束与磁铁表面进行小角度散射，受磁力散射的锂-6原子被收集板收集，而受磁力吸引的锂-7原子粘附在磁铁表面，从而分离锂-6和锂-7同位素，所述小角度散射方法包括：在高真空腔室的强磁铁处，准直的锂原子束与磁铁表面进行小角度散射，具有确定磁矩的原子感受到的磁力为其中，受磁力散射的锂-6原子飞离磁铁表面被收集板收集，而受磁力吸引的锂-7原子粘附在磁铁表面，从而分离锂-6和锂-7同位素。
本发明的有益效果如下：利用激光选择性激发锂-6和锂-7，使准直的锂原子束与磁铁表面进行小角度磁力散射，从而分离锂同位素。本发明采用两束合并的激光同时激发锂-6和锂-7的新分离方案，同步彻底分离锂-6和锂-7，分离效率高，同时与入射锂原子束垂直方向的平面磁铁宽，受磁力作用的锂原子多，分离效率高。与极化束磁偏转激光同位素浓缩法相比，本发明不用多极磁铁，重量、体积和能耗显著降低，更重要的是锂原子束全部与磁铁表面碰撞受磁力作用，分离效率更高，而且通过增加平面磁铁宽度使得分离产额更高，有利于工业化应用。
附图说明
图1是本发明的一种小角散射磁铁表面分离锂同位素的装置的示意图；
图2是本发明的一种小角散射磁铁表面分离锂同位素的分离方法的流程图。
附图标记：1、高温锂原子炉模块；2、高真空束流输运模块；3、激光作用模块；4、三维方形亥姆霍兹线圈；5、激光；6、磁铁散射模块；7、长条形平面阵列磁铁；8、收集板。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
实施例1
请参阅图1-2，本发明提供以下技术方案：
一种小角散射磁铁表面分离锂同位素的装置，包括高温锂原子炉模块1、高真空束流输运模块2、激光作用模块3、磁铁散射模块6，所述高温锂原子炉模块1包含高温锂原子炉、加热温控系统，所述高真空束流输运模块包含真空管路、准直狭缝、挡板、第一真空获取与测量系统，所述激光作用模块3包含激光真空腔室、激光器、磁场，所述磁铁散射模块6包含高真空腔室、长条形平面磁铁7、精密定位、第二真空获取与测量系统、收集板8：
一种小角散射磁铁表面分离锂同位素的分离方法：通过高温锂原子炉模块1和高真空束流输运模块2制备一定动能、密度的准直锂原子束流；在激光作用模块3和三维方形亥姆霍兹线圈4磁场区，两束合并的连续激光5对锂原子束进行选择性激发，获得一定动能、密度、磁矩取向的准直锂原子束流；在高真空腔室，锂原子束与长条形平面磁铁7表面进行小角度散射，受磁力散射的锂-6原子被收集板8收集，而受磁力吸引的锂-7原子粘附在磁铁表面，从而分离锂-6和锂-7同位素。
在本实施例中，使用真空系统对装置抽真空，使真空度小于指定值，示例性的，该指定值为(1-2)×10-6Pa。在充满氩气的手套箱中将金属锂转置于锂原子炉中，接着在充满氩气的手套箱中将锂原子炉装配到高真空束流输运装置相应位置，再对高真空束流输运管道抽真空，使管道真空度小于指定值，示例性的，该指定值为(1-2)×10-5Pa。
在本实施例中，对放置金属锂的高温锂原子炉进行加热并保持在设定温度，以产生一定动能、密度的准直锂原子束流。示例性的，锂原子炉设定温度为400-700℃。
在本实施例中，为了降低锂原子束在激光作用区的发散角，利用高真空束流输运模块2对锂原子束进行准直。在该模块中，第一狭缝与第二狭缝对锂原子束进行准直。其中，对第一狭缝进行加热避免锂蒸汽冷凝堵塞。示例性的，设定温度为300℃。
在本实施例中，锂同位素在激光真空腔室被激光选择性激发。激光真空腔室是一个六通CF法兰的真空腔室，两侧玻璃窗，用于激光与锂原子束垂直相互作用。在激光真空腔室外部，使用三维方形亥姆霍兹线圈4对地磁场进行补偿，并产生单一方向磁场。在本实施例中，锂-6原子和锂-7原子分别被两束合并的激光5激发，锂-6原子被激发至D2线后退激至2S1/2，F＝3/2态，锂-7原子被激发至D1线后退激至2S1/2，F＝1态。
在本实施例中，一个不锈钢长方体真空腔室内安装有长条形高磁场强度磁铁，该长方体真空腔室与前方的激光真空腔室软连接，并通过精密运动滑块完成两者中心轴形成一小夹角，使得激光选择性激发后的锂同位素原子小角散射磁铁表面。具有确定磁矩的原子感受到的磁力为其中，受磁力散射的锂-6原子飞离磁铁表面被收集板8收集，而受磁力吸引的锂-7原子粘附在磁铁表面，从而同步分离锂-6和锂-7同位素。
以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (8)
1.一种小角散射磁铁表面分离锂同位素的装置，其特征在于，包括高温锂原子炉模块、高真空束流输运模块、激光作用模块、磁铁散射模块。
2.根据权利要求1所述的一种小角散射磁铁表面分离锂同位素的装置，其特征在于：所述高温锂原子炉模块包括高温锂原子炉、加热温控系统；所述高温锂原子炉，其喷嘴满足分子泻流条件，出射原子束有小发散角和足够原子通量，并与真空兼容；所述加热和温控包含镍铬加热丝、恒流电源、K型热电偶、测温仪、保温层；所述K型热电偶、测温仪完成温度测量，反馈给恒流电源，完成温度控制。
3.根据权利要求1所述的一种小角散射磁铁表面分离锂同位素的装置，其特征在于：所述高真空束流输运模块包括真空管路、准直狭缝、挡板、第一真空获取与测量系统。
4.根据权利要求1所述的一种小角散射磁铁表面分离锂同位素的装置，其特征在于：所述激光作用模块包含激光真空腔室、激光器、磁场，所述激光真空腔室为六通CF法兰的真空腔室；激光真空腔室的两侧设置玻璃窗，激光真空腔室用于激光与锂原子束相互作用；所述激光器为中心波长671nm的激光系统，包含锂-6D2线和锂-7D1线精细波长、窄线宽的两束激光，并合并成一束光；所述磁场包含三维方形亥姆霍兹线圈、恒流电源。
5.根据权利要求1所述的一种小角散射磁铁表面分离锂同位素的装置，其特征在于：所述磁铁散射模块包含高真空腔室、磁铁、精密定位、第二真空获取与测量系统、收集板；所述高真空腔室为不锈钢长方体真空腔室；所述磁铁为长条形高磁场强度磁铁，安装在长方体真空腔室底部；所述精密定位包含所述激光真空腔并与长方体真空腔室软连接，精密定位通过精密运动滑块完成两者中心轴形成一小夹角；所述第二真空获取与测量系统包含分子泵、机械泵真空泵组，电离、电阻真空规计；所述收集板为金属板，且固定在长方体真空腔室底部，收集板位于磁铁尾部。
6.一种小角散射磁铁表面分离锂同位素的分离方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，通过高温锂原子炉和高真空束流输运模块制备一定动能、密度的准直锂原子束流；
第二步，在激光真空腔室和线圈磁场区，两束合并的连续激光垂直对锂原子束进行选择性激发，获得一定动能、密度、磁矩取向的准直锂原子束流；
第三步，在高真空腔室的强磁铁处，锂原子束与磁铁表面进行小角度散射，受磁力散射的锂-6原子被收集板收集，而受磁力吸引的锂-7原子粘附在磁铁表面，从而分离锂-6和锂-7同位素。
7.根据权利要求6所述的一种小角散射磁铁表面分离锂同位素的分离方法，其特征在于：所述第二步中选择性激发方法包括：在激光真空腔室和线圈磁场区，使用两束合并的连续激光分别对锂-6、锂-7同位素原子进行选择性激发，其中锂-6原子被激发至D2线后退激至态2S1/2，F＝3/2态，锂-7原子被激发至D1线后退激至态2S1/2，F＝1态，从而获得一定动能、密度、磁矩取向的准直锂原子束流。
8.根据权利要求6所述的一种小角散射磁铁表面分离锂同位素的分离方法，其特征在于：所述第三步中小角度散射方法包括：在高真空腔室的强磁铁处，准直的锂原子束与磁铁表面进行小角度散射，具有确定磁矩的原子感受到的磁力为其中，受磁力散射的锂-6原子飞离磁铁表面被收集板收集，而受磁力吸引的锂-7原子粘附在磁铁表面，从而分离锂-6和锂-7同位素。/>
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