CN1709557A - 一种分离铀同位素的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及冶金学和光化学领域，主要是由含235U、238U的UF6分子气体在反应剂HCl或其它反应剂存在下通过激光选择性激活235UF6引起的活化化学反应使铀同位素获得分离的方法，其特征在于激光选择性激活235UF6是在一个共轴谐振腔内由连续波CO激光和连续波CO2激光双波长激光选择性激活进行的，或者是在两者或二者之一经过调制后获得脉冲串准连续波的双波长激光选择性激活条件下进行的，双波长光波在腔内的激活利用了激光器的腔内光强优势和双波长激光激发截面相加、双波长激光配合激发的优势，从而增加了选择性和选择性激活化学反应速率，从而获得较高的分离系数。
Description
技术领域 本发明涉及冶金和光化学领域，主要是由激光选择性激活化学反应从UF6分子中分离铀同位素的方法。
235U应用于核科学技术领域和核电站，是和平利用原子能的基础核燃料之一。
发明背景 用气体扩散法和离心法生产同位素铀235U是现行成熟的方法，但在科学技术界公认用激光分离的方法比这两种方法的成本低得多，其本质的原因是因为激光的波长可以选得很精确，光强又强，在一定收集条件下，能相当准确地从含235U为0.7％的U原子或U的化合物中将235U提取。自从激光问世以来，用激光分离铀同位素的设想和研究便极为活跃，最早的激光分离铀同位素的报道是在1974年在第八届国际量子电子学会议上美国的利费莫尔(Livermore)提出了劳伦斯·利费莫尔(Lawrence Livermore)实验室的分离铀同位素的结果(IEEEJ.Quantum Electron QE-10，1974，790)。人们将激光分离铀同位素的方法划分为原子法、分子法以及激光选择性激活化学反应法，三者的英文表述分别为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原子蒸气为分离体系，经铜蒸气激光泵浦染料而获得分离铀同位素的三个频率的激光，通过这三个频率激光的作用使235U获得选择性光电离，然后用电场方式收集电离后的235U+而得浓缩的235U。这三步光电离约需总的光子能量为6ev。分子法是指以UF6分子气体为分离体系，选择与UF6基频一致的16μm激光进行多光子选择性离解，或同时利用16μm激光和CO2激光进行多光子选择性离解，或同时利用红外激光和紫外激光两激光进行多光子选择性离解。多光子选择性离解是指选择性地使235UF6离解为235UF5，失去的F原子与添加的反应剂进行反应，235UF5成为固体粉末而被收集。由于此法采用的是多光子离解方法，故获得一个235UF5分子要用许多个光子或光子能量之和应大于6ev。激光选择性激活化学反应法分离铀同位素，也有人将其归入分子法，虽然它也利用UF6分子作为分离体系，但它已和多光子离解UF6分子的方法存在显著的差别。差别之一，这个方法的实质是将分子235UF6选择性地激发到激发态，而不需光电离或光离解，激发了的分子显然会更快地与反应剂反应，以此来获取富含235U的产物分子；差别之二，则是分子法是用有一定重复频率的高能量脉冲激光，而选择性激活化学反应法则只需要采用连续波或低能脉冲串激光即可。最先提出这个方法的是美国的Eerkens(Jeff W.Eerkens，ReactionChemistry of the UF6 LISOSep Process，Optics Communications，Vol.18，No.1，32-33，1976)，他还申请了澳大利亚专利(AU-B-6607/81)。CRISLA的开发人员认为，在激光同位素分离方法中CRISLA是最有前途的，这是因为UF6分子的活化能对应于频率为2000cm-1的激光能量，而UF6的激发与离解(MLIS)需要35000cm-1的能量，原子蒸气法同位素分离(AVLIS)需要50000cm-1的激光能量(参见：俄V.U巴朗诺夫主编，王立军等译：同位素，清华大学出版社2004年3月第1版，P339)。这个看法的依据显然是成立的。现行的选择性激活化学反应分离铀同位素的方法，一般均在CO激光器的谐振腔内进行，激光器的光波在谐振腔内的传输及在输出镜的输出都是连续的，所用的反应剂为HCl或Rx，Rx是未被公布名称及化学式的(①Eerkens J.W.//Int.Enrichment Conf.Monterrey.California.1989；②Xu Bao-Yu//Int.Enrichment Conf.Monterrey.California.1989)。现行的这种方法的缺点是激光对UF6分子的激发截面较小，故对235UF6的选择性激发的截面也较小，激发态所处能级还不够高，故对某种确定反应剂而言，光化学反应速率相对于无选择性的热化学反应速率还不够高，故其分离系数仍受较大的限制。
发明内容 本发明的目的正是针对现行选择性激活化学反应法分离铀同位素方法中所存在的缺陷而对其进行改进，提供一种能提高分离系数的方法。
本发明所提供的方法是在连续波或调制脉冲串准连续波激光器谐振腔内置一反应池，反应池内的UF6气体及HCl(或其它反应剂)气体混合物流动或处于静态，在连续波或准连续波激光的选择作用下使235UF6得到选择激发而达到激发态235UF* 6，235UF* 6与HCl(或其它反应剂)的反应速率高于238UF6与HCl(或其它反应剂)的反应速率，反应后的产物UF5Cl富含235U而使同位素铀达到分离。在其它条件相同时，对235UF6选择激发的截面越大及激发态235UF* 6处的能级越高，则同位素铀达到的分离程度便可越高，故分离系数也越高。本发明的特征在于在激光器谐振腔内作用于反应池内UF6分子的连续波或准连续波激光为CO激光和CO2激光两种波长的光源，不仅利用了两波长激光对235UF6的激发截面，并提供了两波长激光相互配合激发以利于选择性激活光化学反应进行的新途径，故能达到提高分离系数、提高产率目的，同时本发明还避免了原方法中采用单一激光时为追求高光强而使激光器造价过高的问题。
CO2激光对235UF6的组合带(v3+v4+v6)的激发截面与CO激发235UF6泛频带(3v3)的激发截面十分相近。若单用CO2激光时，由于激发的是组合带而不易使得235UF6分子象CO激光激发时那样处于易于光化反应的较高激发态，因此，高转换效率的CO2激光一般便以高能量脉冲激光形式用作分子法(MLIS)分离铀同位素的光源之一，对UF6的多光子离解起重要作用。然而，当连续波或脉冲串准连续波CO2激光与连续波或脉冲串准连续波CO激光同时使用时，则可充分利用CO2激光低成本光子使两波长激光对235UF6分子的激发都变得更加有效于光化学反应。由于连续波或准连续波选频激光器输出功率不大，而功率大(或光强强)有利于提高选择性激发速率，故利用腔内光强优势则是选择性激活化学反应分离铀同位素的合理方式。
为了获得激光谐振腔内CO激光和CO2激光的高功率，采用快轴流型CO激光器和快轴流型CO2激光器。在快轴流CO激光器中，CO、N2、He、O2的高纯气体经混气瓶混合后送入预冷器，再经冷疑器冷却后由分流管分别进入两独立放电管，放电后的气体被罗茨泵及前级泵抽走。混合气体在放电管放电时一氧化碳分子受到激发并产生受激辐射，受激辐射在激光器谐振腔控制下获得单线振荡的腔内CO激光高功率传输。在快轴流CO2激光器中，CO2、N2、He三种气体经混气瓶混合后经冷却水冷却的冷凝器后被送入快轴流放电管，放电后的气体被罗茨泵和前级泵抽出或参与循环放电。CO2分子在放电激励下产生受激辐射，在激光谐振腔控制下获得单线振荡的腔内CO2激光高功率传输。
为获得腔内CO激光和CO2激光两波长单线高功率，并使两波长高功率激光同时同区域作用于反应池内UF6气体，采用统一的激光谐振腔，即采用共轴谐振腔。即将CO2激光放电管、CO激光放电管、反应池(管)依次置于同一轴线上。两激光管之间在室温环境以NaCl、KCl或znSe片作布氏窗片加以连接，三种材料对两波长光波的折射率均极接近，两激光管的另两端和反应池(管)的两端则均以NaCl、KCl或ZnSe片作布氏窗片封贴。在反应池(管)外端附近置一全反射镜。在CO2激光管的始端前置一不锈钢基底原刻闪耀光栅，其旁设一镀金凹面铜反射镜，直接利用光栅的二级衍射选择CO激光振荡波长，而利用光栅的一级衍射选择CO2激光振荡波长，旁设的全反镜可用于两振荡波长之一的谐振腔。布底窗片对两波长折射率的微小差别也将由光栅榜的铜镜的角度选择而加以修正。两波长光波在光栅的零级衍射输出将用于对振荡波长和腔内功率及两波长功率比值的监测。
反应池的两端下侧分别设计入口和出口开关，高纯天然丰度的UF6气体和HCl气体或其它反应剂混合进入反应池，经光化学反应后的气体经出口流出。收集容器为若干个带极多小孔的圆形基板组合而成，应定时换取收集器进行产物收集的基板。由于反应产物会部分存留在反应池管壁及布氏窗片上，故反应池应定期清洗或更换。实验已证明不锈钢材料作反应池及收集器是可以的。当反应池内气体不流动时，有利于初期分离实验的简化，因为这可以省去尾气处理环节，但此时只能在反应池管壁上收取产物，且产物会较快沉积到布氏窗片上而使激光器的腔内损耗加大，不利于建立很强的振荡。
附图说明 附图中，1和27为全反射镜，2和4为调制器，3为不锈钢基底原刻光栅，6和15分别为轴流CO2激光器和轴流CO激光器的放电管，7和16为分流管，12和21为回流管，8和17分别为CO2激光介质混合气和CO激光介质混合气的入口，13和22则为相应的出口，11和20为汇合器，9和17为放电阳极，10和18为放电阴极，5、14、19、23、24为布氏窗片，25为反应池，26为温度控制器，28为不锈钢开关，29为压力计，30为流量计，A为功率汁，CT50为单色仪，B为未镀膜平行平面Ge镜分束器，C为产物收集器，D为剩余物处理器，E为抽气泵，F为尾气处理器，尾气经F处理后再排出。
具体实施方式 现结合附图对具体实施方式加以说明。附图中5、14、19、23、24五个布氏窗片均采用ZnSe片，其折射率在5μm波长处为2.4。实践证明在连续波CO2激光器中的布氏角也按此折射率计算是可行的，一级闪耀波长为10.6μm的不锈钢基底平面原刻反射光栅3，其二级闪耀波长正好处于我们需要的CO激光波长处。全反射镜1和27均为曲率半径10m的镀金铜反射镜，在5μm和10μm波长处均可达98％以上的反射率。快轴流CO激光器和CO2激光器的放电管总长均为1m，内径20mm，布氏窗5与14间距离为2.2m，14与19间的距离也为2.2m，反应池25的总长为2m，光栅3与全反镜27间距离为7.5m，全反镜1与光栅3之间距离为1m，全反射镜27与光栅3构成稳定腔，全反射镜1、光栅3、全反射镜27三者也构成稳定腔。调制器2和4选为斩波器，调制频率为1KHz，当它们或两者之一不工作时光波能不受损失地通过。分束器B经调整角度使反射和透射光各近1/2或一个合适的比例。CO、N2、He、O2以1∶1∶18∶0.01的混气比例混合后以20×133.3pa的总压强经冷疑器冷却至绝对温度100K左右从进气口17进入并经分流管16分别进入两段长0.5m的放电管15放电后流入汇合器20，罗茨泵及前级泵从抽气口22将放电后的混合气抽走。CO分子经放电激发产生波长为5.33μm(9-8P(15))的受激辐射，光栅3的转角正好在利特罗条件下满足5.33μm波的二级衍射，以95％的效率将其反馈到腔内，经放电管、反应池后再经全反射镜27反射后构成振荡，而光栅3的约5％的零级衍射信号经分束器B分束后送入功率计A和单色仪CT50，分别对腔内功率和波长进行监控，可以通过光栅3的转角变化来对振荡波长进行修正。CO2、N2、He以1∶1.5∶7.5的混合比例混合后以20×133.3Pa的总压强经冷凝器冷却到0℃-20℃，从进气口8进入并经分流管7进入两段长0.5m的放电管6放电后流入汇合器11，罗茨泵及前级泵从抽气口13将放电后的混合气抽走或使其参与循环使用。CO2分子经放电激发产生波长为10.53μm(00°1-10°0P(14))的受激辐射，沿轴向的辐射经光栅3后按一级衍射的方向射到全反射镜1，并沿原光路返回到光栅3，再回到放电管轴线方向，经反应池、再经全反射镜27沿轴向返回，这样在腔内便形成10.53μm波的振荡，其在光栅3上的零级衍射有两束光，其一与5.33μm波的同方向，可供测波长和测功率用，其二则是由于从全反射镜1返回的CO2激光在经光栅3时也形成其零级衍射，它的方向与前一零级衍谢方向有所差别，正好功率计可作少许平移即可测到CO2激光的功率，这一功率与前一零级方向CO2激光的强度十分接近，由此数据和前一方向两种激光的合功率才可确定腔内CO激光功率数据。若启动调制器4，则两红外激光均为脉冲串准连续波，若只启动调制器2，则仅CO2激光为脉冲串准连续波，若将光栅3于CO2激光波长工作于一级衍射的利特罗条件，则光栅3对CO激光的二级衍射将被全反镜1控制返回，此时仅启动调制器2，则仅CO激光为脉冲串准连续波。在反应池部分，具有天然丰度的UF6纯气体在反应池抽为真空并在泵的不断抽取条件下经两个控制开关28进入反应池，反应池处于235K的温度，纯的HCl气体反应剂经两个控制开关28后也一同进入反应池，在反应池保持UF6的分压为3×133.3Pa，HCl的分压为20×133.3Pa，以12.5m/s的流速通过反应池，因为5.33μm波对235UF6的激发截面(T＝235K)为2×10-22cm2，比对238UF6的激发截面3×10-23cm2约大5倍，而10.53μm波对235UF6的激发截面比对238UF6的激发截面也大5-10倍，在5.33μm波和10.53μm波的腔内双向功率之和分别等于或大于400W时获得的铀同位素分离系数可达2以上。被激发的UF6及少量未激发的UF6与HCl生成的产物UF5Cl等从反应池出口经开关28后到达被冷却的收集器C，C内有若干层不锈钢圆片，每圆片上有许多毫米级小孔，产物将存留于各圆片上而被收集，而HF、HCl及剩余物UF6被带入处理器D及以后的尾气处理环节，而部分HF、HCl与反应池、收集器等反应，它们的反应物在收集器上的存在不会对UF5Cl的分析带来根本性的麻烦。收集器中的UF5Cl比UF6有更低的蒸气压，故可将它们分开。因UF5Cl富含235U而使同位素铀得到分离。
Claims (5)
1.一种分离铀同位素的方法，是以红外激光作为选择性激发光源，以UF6气体分子为分离体系，以HCl或其它气体分子、原子体系Rx作反应剂，UF6分子中的235UF6受到红外光子的选择性激活而与HCl或其它反应剂Rx进行化学反应，产物UF5Cl中比例235UF5Cl/238UF5Cl将高于分离前的UF6气体中235UF6/238UF6的比例，或产物UF5Rx中的比例235UF5Rx/238UF5Rx高于分离前的UF6气体中235UF6/238UF6的比例，从而使铀同位素得到一定程度的分离，其特征在于在激光腔内同时采用CO激光和CO2激光两种激光对UF6分子选择性激活，以获得较高的分离系数。
2.按权利要求1的方法，其特征在于同时采用的CO激光和CO2激光两种红外激光是连续波，也可以是经调制的脉冲串准连续波，也可以是其中之一为连续波而另一波长光波则为调制的脉冲串准连续波。
3.按权利要求1的方法，其特征在于反应池(25)位于一个CO2激光器和CO激光器的共轴谐振腔内。
4.按权利要求1或权利要求3的方法，其特征在于共轴谐振腔的选频元件光栅对CO2激光处于一级衍射工作状态，而对CO激光则处于二级衍射工作状态。
5.按权利要求1或权利要求4的方法，其特征在于两激光光波在光栅(3)的零级衍射被用于腔内振荡光波的功率和波长的监测信号。
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|---|---|---|---|---|
| CN109865430A (zh) * | 2019-03-20 | 2019-06-11 | 中国原子能科学研究院 | 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 |
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| CN109865430A (zh) * | 2019-03-20 | 2019-06-11 | 中国原子能科学研究院 | 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 |
| CN109865430B (zh) * | 2019-03-20 | 2021-05-18 | 中国原子能科学研究院 | 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 |
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