RU2753033C1 - Method for separating isotopes of lanthanides and thorium using gas centrifuge method - Google Patents
Method for separating isotopes of lanthanides and thorium using gas centrifuge method Download PDFInfo
- Publication number
- RU2753033C1 RU2753033C1 RU2020120002A RU2020120002A RU2753033C1 RU 2753033 C1 RU2753033 C1 RU 2753033C1 RU 2020120002 A RU2020120002 A RU 2020120002A RU 2020120002 A RU2020120002 A RU 2020120002A RU 2753033 C1 RU2753033 C1 RU 2753033C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- thorium
- cascade
- borohydride
- lithium
- gas
- Prior art date
Links
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D59/00—Separation of different isotopes of the same chemical element
- B01D59/20—Separation by centrifuging
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B6/00—Hydrides of metals including fully or partially hydrided metals, alloys or intermetallic compounds ; Compounds containing at least one metal-hydrogen bond, e.g. (GeH3)2S, SiH GeH; Monoborane or diborane; Addition complexes thereof
- C01B6/06—Hydrides of aluminium, gallium, indium, thallium, germanium, tin, lead, arsenic, antimony, bismuth or polonium; Monoborane; Diborane; Addition complexes thereof
- C01B6/10—Monoborane; Diborane; Addition complexes thereof
- C01B6/13—Addition complexes of monoborane or diborane, e.g. with phosphine, arsine or hydrazine
- C01B6/15—Metal borohydrides; Addition complexes thereof
- C01B6/19—Preparation from other compounds of boron
- C01B6/21—Preparation of borohydrides of alkali metals, alkaline earth metals, magnesium or beryllium; Addition complexes thereof, e.g. LiBH4.2N2H4, NaB2H7
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01D—COMPOUNDS OF ALKALI METALS, i.e. LITHIUM, SODIUM, POTASSIUM, RUBIDIUM, CAESIUM, OR FRANCIUM
- C01D15/00—Lithium compounds
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01F—COMPOUNDS OF THE METALS BERYLLIUM, MAGNESIUM, ALUMINIUM, CALCIUM, STRONTIUM, BARIUM, RADIUM, THORIUM, OR OF THE RARE-EARTH METALS
- C01F15/00—Compounds of thorium
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01F—COMPOUNDS OF THE METALS BERYLLIUM, MAGNESIUM, ALUMINIUM, CALCIUM, STRONTIUM, BARIUM, RADIUM, THORIUM, OR OF THE RARE-EARTH METALS
- C01F17/00—Compounds of rare earth metals
- C01F17/10—Preparation or treatment, e.g. separation or purification
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01F—COMPOUNDS OF THE METALS BERYLLIUM, MAGNESIUM, ALUMINIUM, CALCIUM, STRONTIUM, BARIUM, RADIUM, THORIUM, OR OF THE RARE-EARTH METALS
- C01F17/00—Compounds of rare earth metals
- C01F17/20—Compounds containing only rare earth metals as the metal element
- C01F17/253—Halides
- C01F17/271—Chlorides
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01F—COMPOUNDS OF THE METALS BERYLLIUM, MAGNESIUM, ALUMINIUM, CALCIUM, STRONTIUM, BARIUM, RADIUM, THORIUM, OR OF THE RARE-EARTH METALS
- C01F17/00—Compounds of rare earth metals
- C01F17/30—Compounds containing rare earth metals and at least one element other than a rare earth metal, oxygen or hydrogen, e.g. La4S3Br6
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Geology (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
Abstract
Description
Техническое решение относится к технологиям разделения изотопов лантаноидов и тория методом газового центрифугирования. Изотопы лантаноидов и тория используются в ядерной медицине, например, иттербий-168, лютеций-176, эрбий-167, торий-229, в ядерной технике, например, европий-151, гадолий-157, эрбий-167 и ядерно-физических исследованиях, например, ербий-162, неодим-150 и другие.The technical solution relates to technologies for the separation of isotopes of lanthanides and thorium by gas centrifugation. Isotopes of lanthanides and thorium are used in nuclear medicine, for example, ytterbium-168, lutetium-176, erbium-167, thorium-229, in nuclear technology, for example, europium-151, gadolium-157, erbium-167 and nuclear physics research, for example, erbium-162, neodymium-150 and others.
Из уровня техники известны различные методы изотопного разделения лантаноидов (La - лантан, Се - церий, Pr - празедим, Nd - неодим, Pm - прометий, Sm - самарий, Eu - европий, Gd - гадолиний, Tb - тербий, Dy - диспрозий, Но - гольмий, Er - ербий, Tm - тулий, Yb - иттербий, Lu - лютеций) и тория.Various methods of isotopic separation of lanthanides are known from the prior art (La - lanthanum, Ce - cerium, Pr - prazedim, Nd - neodymium, Pm - promethium, Sm - samarium, Eu - europium, Gd - gadolinium, Tb - terbium, Dy - dysprosium, But - holmium, Er - erbium, Tm - thulium, Yb - ytterbium, Lu - lutetium) and thorium.
Например, разделение изотопов лантаноидов в жидкой фазе методом ионообменной хроматографии (US Patent 4711768 от 08.12.1987. Process for the separation of gadolinium isotopes) или химического изотопного обмена (US Patent 7318899 от 15.01.2008. Method of separating isotopes). Недостатком данных методов является низкий коэффициент разделения изотопов (коэффициент разделения α=1,001-1,005), что ведет к высоким энергетическим и капитальным затратам на процесс разделения. Кроме того, технически крайне сложно обеспечить умножение разделительного эффекта, достигаемого на единичной стадии, что необходимо для получения изотопа с высоким обогащением. Поэтому данные физико-химические методы в производственной практике не используются.For example, the separation of isotopes of lanthanides in the liquid phase by ion exchange chromatography (US Patent 4711768 from 08.12.1987. Process for the separation of gadolinium isotopes) or chemical isotope exchange (US Patent 7318899 from 15.01.2008. Method of separating isotopes). The disadvantage of these methods is a low isotope separation factor (separation factor α = 1.001-1.005), which leads to high energy and capital costs for the separation process. In addition, it is technically extremely difficult to ensure the multiplication of the separation effect achieved in a single stage, which is necessary to obtain an isotope with high enrichment. Therefore, these physicochemical methods are not used in industrial practice.
Более обширная группа методов разделения изотопов лантаноидов и тория основывается на технологиях разделения изотопов в газовой или паровой фазе молекулярно-кинетическими, лазерными и электромагнитными методами.A wider group of methods for the separation of isotopes of lanthanides and thorium is based on technologies for the separation of isotopes in the gas or vapor phase by molecular kinetic, laser and electromagnetic methods.
Например, метод электромагнитной сепарации (Изотопы. Свойства, получение, применение. Том 1, ред. Баранов В.Ю. М.: Физматлит, 2005, с. 290-338), основанный на ионизации атомов разделяемого элемента электронным пучком с последующим расщепление в электромагнитном поле первоначального пучка на ряд пучков в зависимости от молекулярной массы иона, то есть в зависимости от молекулярной массы соответствующего изотопа элемента. На выходе установки эти пучки селективно осаждаются или улавливаются. Недостатком данного метода является сравнительно малое количество элемента, с которыми могут работать установки электромагнитной сепарации, допустимая плотность пучка ионов в вакууме ограничена, получаемые количества изотопов составляют сотни миллиграмм - граммы в год даже на самых крупных разделительных установках. Это определяет чрезвычайно высокую стоимость получаемых изотопов, что делает, зачастую, их использование экономически не целесообразным.For example, the method of electromagnetic separation (Isotopes. Properties, production, application. Volume 1, ed. Baranov V.Yu. M .: Fizmatlit, 2005, p. 290-338), based on the ionization of atoms of the separated element by an electron beam with subsequent splitting into the electromagnetic field of the initial beam into a number of beams depending on the molecular weight of the ion, that is, depending on the molecular weight of the corresponding isotope of the element. At the outlet of the installation, these beams are selectively deposited or captured. The disadvantage of this method is the relatively small number of elements with which electromagnetic separation units can operate, the permissible density of the ion beam in a vacuum is limited, the amount of isotopes obtained is hundreds of milligrams - grams per year even in the largest separation plants. This determines the extremely high cost of the obtained isotopes, which often makes their use economically unfeasible.
Аналогичного порядка сложности имеют место в случае использования метода AVLIS - «лазерной селективной фото ионизации атомных паров» и метода ионно-циклотронного резонанса ICR.A similar order of complexity occurs in the case of using the AVLIS method - “laser selective photoionization of atomic vapors” and the ion-cyclotron resonance ICR method.
Использование AVLIS метода описано для разделения изотопов неодима (I.S. Grigoriev, A.B. Diachkov, S.K. Kovalevich, et al "AVLIS of neodymium", Proc. SPIE Vol. 5121, p. 406-410, 2003). В данном методе поток испаренных атомов проходит через область лазерного излучения, где происходит селективная фото ионизация атомов. Фото ионы требуемого изотопа (Nd-150) вытягиваются электрическим полем на коллектор продукта, в то время как атомы других изотопов, оставаясь нейтральными продолжают свой путь по прямой на коллектор отвала. Сложности реализации процесса связаны с высокой температурой испарения металла (3341 К для неодима) и необходимостью использовать для фото ионизации одновременно интенсивное излучение в инфракрасной и ультрафиолетовой области.The use of the AVLIS method has been described for the separation of isotopes of neodymium (I.S. Grigoriev, A.B. Diachkov, S.K. Kovalevich, et al "AVLIS of neodymium", Proc. SPIE Vol. 5121, p. 406-410, 2003). In this method, a flux of evaporated atoms passes through the region of laser radiation, where selective photoionization of atoms occurs. Photo ions of the required isotope (Nd-150) are drawn by the electric field to the product collector, while the atoms of other isotopes, remaining neutral, continue their path in a straight line to the waste collector. Difficulties in the implementation of the process are associated with the high evaporation temperature of the metal (3341 K for neodymium) and the need to use simultaneously intense radiation in the infrared and ultraviolet regions for photoionization.
Применение ICR метода описано для разделения изотопов гадолиния (US Patent 5422481 от 06.06.1995. Device for isotope separation by on cyclotron resonance). Суть метода заключается в селективном нагреве резонансных ионов много изотопной плазмы, получаемой в плазменном источнике и транспортируемой в однородном магнитном поле с последующим разделением горячих и холодных ионов. Для реализации метода последовательно осуществляются операции: испарение и ионизация паров элемента, создание потока спокойной плазмы с замагниченными ионами в достаточно протяженном однородном магнитном поле; селективное ускорение ионов выделяемого изотопа, разделение и сбор ускоренных ионов. В сумме, все это требует больших энергетических затрат на разделение.Application of the ICR method is described for the separation of gadolinium isotopes (US Patent 5422481 dated 06.06.1995. Device for isotope separation by on cyclotron resonance). The essence of the method consists in selective heating of resonant ions of a multi-isotopic plasma obtained in a plasma source and transported in a uniform magnetic field, followed by the separation of hot and cold ions. To implement the method, the following operations are carried out sequentially: evaporation and ionization of element vapors, creation of a flow of calm plasma with magnetized ions in a sufficiently extended uniform magnetic field; selective acceleration of ions of the released isotope, separation and collection of accelerated ions. In sum, all this requires high energy costs for separation.
Таким образом, недостатками методов с использованием атомных паров - AVLIS и ICR являются большие энергетические затраты на разделение и специфические технические сложности, связанные с высокой температурой испарения лантаноидов и тория. Это делает производство этими методами экономически не эффективным, как это установлено на примере разделения изотопов урана (AVLIS Production Plant Project Schedule and Milestones. APP-030. 15.11.1984. Lawrence Livermore National Laboratory).Thus, the disadvantages of the methods using atomic vapors - AVLIS and ICR are high energy costs for separation and specific technical difficulties associated with the high temperature of evaporation of lanthanides and thorium. This makes production by these methods economically ineffective, as established by the example of uranium isotope separation (AVLIS Production Plant Project Schedule and Milestones. APP-030. 11/15/1984. Lawrence Livermore National Laboratory).
Более производительными и эффективными являются молекулярно-кинетические методы разделения изотопов, такие как газовое центрифугирование и разделение в аэродинамическом сопле, основанные, в конечном счете, на разделение молекул с различным изотопным составом в поле центробежных сил за счет различия молекулярных масс молекул. Ограничением в использование данных методов является наличие устойчивого газообразного соединения соответствующего элемента. Лантаноиды и торий в своих химических соединениях имеют преимущественно ионный характер связи, поэтому их соединения, в том числе комплексные и металлорганические, отличаются малым давлением паров в технически приемлемой для данных методов температурной области 20°-100°С (Drozdov A., Kuzmina N. Volatile compounds of lanthanides. Comprehensive Inorganic Chemistry. II. Elsevier, 2012. p. 511-534; Суглобов Д.Н., Сидоренко Г.В., Легин Е.К. Летучие органические и комплексные соединения f-элементов. М.: Энергоатомиздат, 1987. 208 с.).Molecular kinetic methods of isotope separation, such as gas centrifugation and separation in an aerodynamic nozzle, are more productive and efficient, ultimately based on the separation of molecules with different isotopic compositions in the field of centrifugal forces due to the difference in molecular weights of molecules. A limitation in the use of these methods is the presence of a stable gaseous compound of the corresponding element. Lanthanides and thorium in their chemical compounds have a predominantly ionic nature of the bond, therefore their compounds, including complex and organometallic ones, are distinguished by low vapor pressure in the temperature range of 20 ° -100 ° C that is technically acceptable for these methods (Drozdov A., Kuzmina N. Volatile compounds of lanthanides. Comprehensive Inorganic Chemistry. II. Elsevier, 2012. p. 511-534; Suglobov D.N., Sidorenko G.V., Legin E.K. Volatile organic and complex compounds of f-elements. Energoatomizdat, 1987.208 p.).
Например, для разделения изотопов неодима предложен способ с использованием газовых центрифуг, в котором в качестве газообразных соединений неодима используются модифицированные бета-дикетонаты неодима (RU 2638858 от 05.10.2015. Способ получения изотопов неодима). Недостатком способа является необходимость поддержания высокой температуры (более 80°-100°С) во всем производственном комплексе, сложность синтеза исходных газообразных соединений неодима и очень высокая молекулярная масса получаемых соединений (более 1000 а.е.). Последнее требует разработки специальных газовых центрифуг для работы с соединениями подобной молекулярной массы.For example, for the separation of neodymium isotopes, a method is proposed using gas centrifuges, in which modified neodymium beta-diketonates are used as gaseous neodymium compounds (RU 2638858 from 05.10.2015. Method for producing neodymium isotopes). The disadvantage of this method is the need to maintain a high temperature (more than 80 ° -100 ° C) throughout the production complex, the complexity of the synthesis of the initial gaseous neodymium compounds and a very high molecular weight of the resulting compounds (more than 1000 AU). The latter requires the development of special gas centrifuges to handle compounds of a similar molecular weight.
Существенно меньшую молекулярную массу и более высокую летучесть имеют боргидридные соединения лантаноидов и тория, использование которых для разделения изотопов в аэродинамическом сопле предложено в заявке на патент компании Westinghouse (US Patent application 2010/0111800 Al от 06.05.2010. Production of nuclear grade enriched gadolinium and erbium using volatile Gd and Er species using an aerodynamic process).The borohydride compounds of lanthanides and thorium have a significantly lower molecular weight and higher volatility; erbium using volatile Gd and Er species using an aerodynamic process).
Данный способ, который является наиболее близким к заявляемому и выбран нами в качестве прототипа, основан на разделение молекул с различными молекулярными массами в поле центробежных сил, возникающих в потоке газа в аэродинамическом сопле специальной конструкции, и по своему физическому принципу аналогичен разделению молекул в газовой центрифуге, где поле центробежных сил реализуется за счет вращения ротора. Способ включает в себя взаимодействие хлорида металла MCln, где М - лантаноид или торий, n=3 для лантаноидов или n=4 для тория с боргидридом лития LiBH4 или метилборгидридом лития Li(CH3)H3 с получением соответствующего летучего боргидрида М(ВН4)n или метилборгидрида металла М[В(СН3)Н3]n, подачу полученного газообразного соединения с потоком газа - носителя в аэродинамическое сопло, отбор на выходе из сопла фракций, обогащенных тяжелым и легким изотопом, отделение газообразных соединений от газа носителя и их конверсию в химическую форму хлоридов при обработке соединений молекулярным хлором:This method, which is the closest to the claimed one and was chosen by us as a prototype, is based on the separation of molecules with different molecular weights in the field of centrifugal forces arising in a gas flow in an aerodynamic nozzle of a special design, and by its physical principle is similar to the separation of molecules in a gas centrifuge , where the field of centrifugal forces is realized due to the rotation of the rotor. The method includes the interaction of a metal chloride MCl n , where M is lanthanide or thorium, n = 3 for lanthanides or n = 4 for thorium with lithium borohydride LiBH 4 or lithium methyl borohydride Li (CH 3 ) H 3 to obtain the corresponding volatile borohydride M ( ВН 4 ) n or metal methyl borohydride М [В (СН 3 ) Н 3 ] n , supply of the obtained gaseous compound with the carrier gas flow to the aerodynamic nozzle, selection of fractions enriched in heavy and light isotopes at the outlet of the nozzle, separation of gaseous compounds from gas carrier and their conversion into the chemical form of chlorides during the treatment of compounds with molecular chlorine:
Для рециклирования боргидрида лития, дорогого и дефицитного реагента, используют получение диборана В2Н6 при взаимодействии хлорида бора с водородом:For the recycling of lithium borohydride, an expensive and scarce reagent, the preparation of diborane В 2 Н 6 by the interaction of boron chloride with hydrogen is used:
с последующим взаимодействием диборана с гидридом лития:with the subsequent interaction of diborane with lithium hydride:
Аналогичным образом осуществляют рециклирование метилборгидрида лития.Recycling of lithium methyl borohydride is carried out in a similar manner.
Основным недостатком метода, согласно прототипу, является использование в качестве разделительного элемента, обеспечивающего разделение молекул с различной массой в поле центробежных сил, аэродинамического сопла, требующего применения больших объемов газа -носителя и не освоенного в производственной практике. Кроме того, крайне сложно построение каскада аэродинамических сопел (каскадирование) для достижения высокой степени обогащения изотопов. В химической части процесса недостатком является предложенный метод рециклирования литий боргидрида, основанный на обработке боргидрида металла или метилборгидрида металла молекулярным хлором. В результате этой реакции образуется трихлорид бора, который технически крайне сложно превратить в диборан.The main disadvantage of the method, according to the prototype, is the use of an aerodynamic nozzle, which requires the use of large volumes of carrier gas and is not mastered in industrial practice, as a separating element that separates molecules with different masses in the field of centrifugal forces. In addition, it is extremely difficult to construct a cascade of aerodynamic nozzles (cascading) to achieve a high degree of isotope enrichment. In the chemical part of the process, a disadvantage is the proposed method for recycling lithium borohydride, based on the treatment of metal borohydride or metal methylborohydride with molecular chlorine. As a result of this reaction, boron trichloride is formed, which is technically extremely difficult to convert into diborane.
Задачей технического решения является создание процесса для получения изотопов лантаноидов и тория с использованием стандартного высоко производительного разделительного оборудования - газовых центрифуг - с достижением возможности эффективного рецикла дорогих реагентов, используемых в процессе - литий боргидрида и литий метилборгидрида.The task of the technical solution is to create a process for obtaining isotopes of lanthanides and thorium using standard high-performance separation equipment - gas centrifuges - with the achievement of the possibility of efficient recycling of expensive reagents used in the process - lithium borohydride and lithium methyl borohydride.
Технический результат вышеприведенной задачи достигается за счет создания способа получения изотопов лантаноидов и тория методом разделения молекул газообразного соединения металла в поле центробежных сил, включающий синтез летучего соединения металла - тетраборгидрида металла или тетра-метилборгидрида металла из хлорида металла и боргидрида или метилборгидрида лития, подачу указанного соединения металла в каскад разделительных элементов, выделение фракции газа, обогащенной по целевому изотопу, на выходе каскада разделительных элементов, обработку полученных фракций газа хлорирующим реагентом и рецикл боргидрида или метил боргидрида лития, отличающийся тем, что в качестве разделительных элементов, обеспечивающих разделение молекул в поле центробежных сил, используют газовые центрифуги, а в качестве хлорирующего реагента при рецикле боргидрида лития или метил боргидрида лития используют хлористый водород.The technical result of the above problem is achieved by creating a method for producing isotopes of lanthanides and thorium by separating molecules of a gaseous metal compound in the field of centrifugal forces, including the synthesis of a volatile metal compound - metal tetrabohydride or metal tetra-methylborohydride from metal chloride and borohydride or lithium methyl borohydride, supplying said compound metal into the cascade of separating elements, the separation of a gas fraction enriched in the target isotope at the outlet of the cascade of separation elements, the treatment of the obtained gas fractions with a chlorinating reagent and the recycle of lithium borohydride or methyl borohydride, forces, gas centrifuges are used, and hydrogen chloride is used as a chlorinating reagent when recycling lithium borohydride or methyl lithium borohydride.
Указанный технический результат обеспечивает получение изотопов лантаноидов и тория на стандартном разделительном оборудование - газовых центрифугах, рассчитанных на работу с газообразными соединениями средней молекулярной массы (не более 350 а.е.), и рецикл реагентов по технически и экономически эффективной схеме.The specified technical result provides the production of isotopes of lanthanides and thorium on standard separation equipment - gas centrifuges designed to work with gaseous compounds of average molecular weight (no more than 350 a.u.), and recycle reagents according to a technically and economically efficient scheme.
Способ разделения изотопов лантаноидов и тория с использованием метода газовых центрифуг заключается в использовании в процессе разделения изотопов в качестве газообразного рабочего вещества летучих в температурном диапазоне 20°С-100°С боргидридных М(ВН4)n и метилборгидридных М[(СН3)3Н3]4 соединений, аналогично прототипу. Соединения получают взаимодействием соответствующих хлоридов металлов MCln с литий боргидридом LiBH4 или литий метилборгидридом Li[(CH3)BH4:The method of separating isotopes of lanthanides and thorium using the method of gas centrifuges consists in using volatile borohydride M (BH 4 ) n and methyl borohydride M [(CH 3 ) 3 H 3 ] 4 compounds, similar to the prototype. The compounds are prepared by reacting the corresponding metal chlorides MCl n with lithium borohydride LiBH 4 or lithium methyl borohydride Li [(CH 3 ) BH 4 :
где М - лантаноид или торий при n=3, если М - лантаноид и n=4, если М - торий.where M is lanthanide or thorium at n = 3, if M is lanthanide and n = 4, if M is thorium.
Полученные газообразные соединения подаются в разделительные элементы, обеспечивающие разделение молекул газообразного соединения в поле центробежных сил по их массе. На выходе разделительного элемента, или каскада разделительных элементов, получают фракцию №1 газа с молекулами большей молекулярной массой, содержащую тяжелые изотопы элемента М, и фракцию №2 газа с молекулами меньшей молекулярной массы, содержащую легкие изотопы элемента. Согласно прототипа в качестве разделительных элементов, обеспечивающих разделение молекул газа по их молекулярной массе в поле центробежных сил, используется аэродинамическое сопло, а газ М(ВН4)n или М[(СН3)ВН4]n подается в разделительные элементы в потоке газа - носителя: водорода или гелия. Согласно заявляемому техническому решению в качестве разделительных элементов используются газовые центрифуги стандартной конструкции, что повышает эффективность и экономичность процесса разделения. Кроме того, применение газовых центрифуг в качестве разделительных элементов упрощает реализацию схемы с большим числом разделительных элементов (каскада), необходимой для получения высоко обогащенного продукта.The resulting gaseous compounds are fed into the separating elements, which ensure the separation of the molecules of the gaseous compound in the field of centrifugal forces by their mass. At the outlet of the separating element, or cascade of separating elements, fraction No. 1 of gas with molecules of higher molecular weight, containing heavy isotopes of element M, and fraction No. 2 of gas with molecules of lower molecular weight, containing light isotopes of the element are obtained. According to the prototype, an aerodynamic nozzle is used as separating elements ensuring the separation of gas molecules by their molecular weight in the field of centrifugal forces, and gas M (VN 4 ) n or M [(CH 3 ) VN 4 ] n is fed into the separating elements in a gas flow - carrier: hydrogen or helium. According to the claimed technical solution, gas centrifuges of standard design are used as separating elements, which increases the efficiency and economy of the separation process. In addition, the use of gas centrifuges as separating elements simplifies the implementation of a scheme with a large number of separating elements (cascade) required to obtain a highly enriched product.
Фракции газа №1 и №2, полученные на выходе из разделительных элементов, обрабатываются хлорирующим агентом, в качестве которого в заявляемом техническом решении используют хлористый водород в отличие от использования хлора по прототипу уравнению 1.Gas fractions No. 1 and No. 2, obtained at the outlet of the separating elements, are treated with a chlorinating agent, which is used in the claimed technical solution as hydrogen chloride, in contrast to the use of chlorine according to the prototype equation 1.
Согласно заявляемому решению:According to the stated solution:
В соответствии с приведенными уравнениями (6) и (7) при обработке фракций газа хлорирующим реагентом - хлористым водородом получают диборан В2Н6 или, соответственно, диметил диборан [(СН3)ВН2]2.In accordance with the above equations (6) and (7), when processing gas fractions with a chlorinating reagent - hydrogen chloride, diborane В 2 Н 6 or, respectively, dimethyl diborane [(CH 3 ) BH 2 ] 2 are obtained.
Полученными реагентами - дибораном В2Н6 или диметил дибораном [(СН3)ВН2]2 обрабатывают гидрид лития для синтеза новой порции боргидрида лития или метилборгидрида лития согласно уравнениям (8) и (9):The obtained reagents - diborane B 2 H 6 or dimethyl diborane [(CH 3 ) BH 2 ] 2 treat lithium hydride to synthesize a new portion of lithium borohydride or lithium methyl borohydride according to equations (8) and (9):
Это обеспечивает рецикл дорогого боргидрида лития или метилборгидрида лития. Синтез по уравнениям (8), (9) проводят согласно описанному способу [Review: Comparison of the LiBH4 Material Synthesis Method and its Application as Hydrogen Energy Storage J. Appl. Sci. Envir. Stud. 3(4) (2020) 232-253].This allows expensive lithium borohydride or lithium methyl borohydride to be recycled. The synthesis according to equations (8), (9) is carried out according to the described method [Review: Comparison of the LiBH 4 Material Synthesis Method and its Application as Hydrogen Energy Storage J. Appl. Sci. Envir. Stud. 3 (4) (2020) 232-253].
Гидрид лития получают аналогично прототипу по общей схеме:Lithium hydride is obtained similarly to the prototype according to the general scheme:
из продажного металлического лития и водорода, или используют продажный реагент.from commercially available lithium metal and hydrogen, or use a commercially available reagent.
Таким образом, получение изотопов лантаноидов и тория в поставленной задаче решается при обогащении газообразных соединений этих элементов в разделительном элементе или каскаде разделительных элементов, в качестве которых используются газовые центрифуги. Преимущества центробежного метода заключаются в меньшей энергоемкости, существенно большей производительности установок и в возможности умножения эффекта разделения на одиночной газовой центрифуге за счет соединения отдельных центрифуг в согласованный каскад из большого числа центрифуг. Подбирая длину каскада, отношение потоков отбора фракций и величину потока питания каскада, можно обеспечить получение в отборе легких фракций каскада наиболее легких компонент рабочего газа с концентрациями вплоть до 100% или в отборе тяжелых фракций каскада всех наиболее тяжелых компонент смеси с концентрациями сколь угодно близкими к 100%. В первом случае будут получаться обогащенные легкие изотопы лантаноидов и тория, во втором - наиболее тяжелые изотопы этих металлов. При обогащении изотопов этих элементов с промежуточными массами, необходимо проведение не менее двух циклов переработки рабочего газа на разделительной установке, в первом из которых режим работы каскада настраивается так, чтобы в составе одного из отборов обогащаемый промежуточный изотоп стал либо самым легким (в отборе тяжелых фракций каскада), либо самым тяжелым (в отборе легких фракций) из изотопов. Во втором цикле обогащается по целевому изотопу уже рабочий газ, полученный в том отборе разделенных фракций каскада, в котором этот целевой изотоп является крайне тяжелым или крайне легким.Thus, obtaining isotopes of lanthanides and thorium in the task at hand is solved by enriching gaseous compounds of these elements in a separating element or a cascade of separating elements, which are used as gas centrifuges. The advantages of the centrifugal method are lower energy consumption, significantly higher plant productivity and the possibility of multiplying the separation effect on a single gas centrifuge by connecting individual centrifuges into a coordinated cascade of a large number of centrifuges. By choosing the length of the cascade, the ratio of the fraction collection flows, and the value of the cascade feed flow, it is possible to ensure that the lightest components of the working gas with concentrations up to 100% are obtained in the selection of the light fractions of the cascade, or in the selection of the heavy fractions of the cascade of all the heaviest components of the mixture with concentrations arbitrarily close to 100%. In the first case, enriched light isotopes of lanthanides and thorium will be obtained, in the second, the heaviest isotopes of these metals. When enriching isotopes of these elements with intermediate masses, it is necessary to carry out at least two cycles of processing the working gas in the separation unit, in the first of which the operating mode of the cascade is adjusted so that the enriched intermediate isotope becomes either the lightest (in the selection of heavy fractions cascade), or the heaviest (in the selection of light fractions) of the isotopes. In the second cycle, the working gas obtained in the selection of separated fractions of the cascade in which this target isotope is extremely heavy or extremely light is enriched in the target isotope.
Газообразные соединения лантаноидов и тория, используемые в процессе согласно заявляемому решению, получают аналогично прототипа по общей схеме, описываемой уравнениями 4 и 5. Рецикл дорогих реагентов - литий боргидрида LiBH4 и литий метилборгидрида Li[(CH3)BH2] осуществляют по схеме, описываемой уравнениями реакций 6, 7 и 8, 9 в отличие от более сложной и многостадийной схемы по прототипу: уравнения реакций 1, 2 и 3. Химическую переработку согласно заявляемому решению с рециклом дорогих реагентов (уравнения реакций 6, 7 и 8, 9) осуществляют в соответствии с описанными в литературе методиками, обеспечивающими высокий выход и безопасность проведения процесса (А.Ф. Жигач, Д.С. Стасиневич. Химия гидридов, М., Химия, 1969, 676 с.). Недостатками решения по прототипу в части рецикла дорогих реагентов является необходимость получения диборана или метилборана по реакции, описываемой уравнением 2, трихлорида бора с водородом при высоком давлении. Данный процесс технически чрезвычайно сложен в реализации (А.Ф. Жигач, Д.С. Стасиневич. Химия гидридов, М, Химия, 1969, 676 с.).Gaseous compounds of lanthanides and thorium used in the process according to the claimed solution are obtained similarly to the prototype according to the general scheme described by equations 4 and 5. The recycle of expensive reagents - lithium borohydride LiBH 4 and lithium methyl borohydride Li [(CH 3 ) BH 2 ] is carried out according to the scheme, described by the equations of reactions 6, 7 and 8, 9, in contrast to the more complex and multistage scheme according to the prototype: the equations of reactions 1, 2 and 3. Chemical processing according to the claimed solution with the recycle of expensive reagents (equations of reactions 6, 7 and 8, 9) is carried out in accordance with the methods described in the literature, providing a high yield and safety of the process (AF Zhigach, DS Stasinevich. Chemistry of hydrides, M., Chemistry, 1969, 676 S.). The disadvantages of the prototype solution in terms of recycling expensive reagents is the need to obtain diborane or methylborane by the reaction described by equation 2, boron trichloride with hydrogen at high pressure. This process is technically extremely difficult to implement (AF Zhigach, DS Stasinevich. Chemistry of hydrides, Moscow, Chemistry, 1969, 676 p.).
Сущность предлагаемого способа получения изотопов лантаноидов и тория поясняется следующими примерами.The essence of the proposed method for producing isotopes of lanthanides and thorium is illustrated by the following examples.
Пример 1. Получение изотопа иттербий-168.Example 1. Obtaining the isotope ytterbium-168.
В качестве рабочего газа для разделения изотопов иттербия использован трис-метилборгидрид иттербия Yb[B(CH3)H3]3, который получали взаимодействием трихлорида иттербия с метилборгидридом лития по общему уравнению реакции 5. Трихлорид иттербия получали нагреванием оксида иттербия с избытком хлористого аммония (M.D. Taylor, СР. Carter. Preparation of anhydrous lanthanide halides, especially iodides. J. Inorg. Nycl. Chem., 1962, 24, p. 387-391). Исходный метил боргидрид лития получали по по реакции триметилбороксина (50% раствор в ТГФ) с LiAlH4 в диэтиловом эфире (В. Singaram et al., Addition compounds of alkali-metal hydrides. Organometallics, 1984, 3 (5), p. 774-777): Ytterbium tris-methylborohydride Yb [B (CH 3 ) H 3 ] 3 was used as a working gas for the separation of ytterbium isotopes; MD Taylor, CP Carter. Preparation of anhydrous lanthanide halides, especially iodides. J. Inorg. Nycl. Chem. 1962, 24, pp. 387-391). The starting lithium methyl borohydride was obtained by the reaction of trimethylboroxin (50% solution in THF) with LiAlH 4 in diethyl ether (B. Singaram et al., Addition compounds of alkali-metal hydrides. Organometallics, 1984, 3 (5), p. 774 -777):
Реакцию проводили следующим образом. В реакционном сосуде объемом 2 л, заполненном аргоном, смешивали 500 мл диэтилового эфира с 35 г (0,9 моля) литий алюмогидрида LiAlH4 и кипятили с обратным холодильником под аргоном в течение 3 часов до полного растворения литий алюмогидрида. К полученному раствору добавляли при перемешивании и охлаждении до 0°С 41 мл (0,293 моля) триметил бороксина в виде 50% раствора в тетрагидрофуране. Полученную смесь перемешивали при комнатной температуре 2 часа, раствор отделяли центрифугированием, осадок промывали 200 мл эфира, растворы объединяли. Полученный раствор метилборгидрида лития Li[СН3ВН3] использовали для приготовления комплекса иттербия:The reaction was carried out as follows. In a 2 L reaction vessel filled with argon, 500 ml of diethyl ether was mixed with 35 g (0.9 mol) of lithium aluminum hydride LiAlH 4 and refluxed under argon for 3 hours until complete dissolution of lithium aluminum hydride. To the resulting solution was added with stirring and cooling to 0 ° C 41 ml (0.293 mol) of trimethyl boroxin in the form of a 50% solution in tetrahydrofuran. The resulting mixture was stirred at room temperature for 2 hours, the solution was separated by centrifugation, the precipitate was washed with 200 ml of ether, the solutions were combined. The resulting solution of lithium methylborohydride Li [CH 3 BH 3 ] was used to prepare the ytterbium complex:
К безводному хлориду иттербия (III) (80 г, 0,29 моль) добавляли раствор метилборогидрида лития, полученный, как описано выше. Реакционную смесь перемешивали в течение 6 часов при комнатной температуре в атмосфере аргона. Растворитель удаляли при пониженном давлении и остаток сублимировали при 50-60°С в вакууме (0,05 мм.рт.ст.) в приемную металлическую ампулу, охлаждаемую до 0°С. Полученный продукт - 73 г (0,28 моля) получали в виде бесцветных призматических кристаллов с давлением паров 0,4 мм.рт.ст. при 80°С, 1,9 мм.рт.ст. при 100°С и 8 мм.рт.ст. при 120°С.To anhydrous ytterbium (III) chloride (80 g, 0.29 mol) was added a solution of lithium methyl borohydride prepared as described above. The reaction mixture was stirred for 6 hours at room temperature under argon atmosphere. The solvent was removed under reduced pressure and the residue was sublimated at 50-60 ° C in vacuum (0.05 mm Hg) into a receiving metal ampoule cooled to 0 ° C. The resulting product - 73 g (0.28 mol) was obtained in the form of colorless prismatic crystals with a vapor pressure of 0.4 mm Hg. at 80 ° C, 1.9 mm Hg at 100 ° C and 8 mm Hg at 120 ° C.
Рабочий газ - трис-метилборгидрид иттербия Yb[CH3BH3]3, содержащий изотопы иттербия с природным содержанием (иттербий-176-12,3%), подают на питание разделительного каскада и настраивают режим работы каскада, который при разделении потока питания на две фракции обеспечивает в отборе тяжелой фракции каскада отбор максимального количества компонент рабочего газа с молекулярными массами более 261 при минимальном содержании компонент с молекулярными массами 260 и менее. Исходя из концентраций молекулярных масс в исходном рабочем газе, доля отбора в тяжелую фракцию каскада должна при этом составлять около 7% от величины потока питания. При отборе только тяжелых компонент рабочего газа с массами 262 и более концентрация изотопа Yb-176 в целевом отборе тяжелой фракции каскада составит более 99,5%. Из 73 г рабочего газа с исходным природным содержанием изотопов может быть получено 5 г трис-метилборгидрид иттербия с содержанием иттербия-176 99,5%. В качестве отвального продукта - легкой фракции - будет получено 68 г трис-метилборгидрид иттербия с пониженным, относительно природного, содержанием иттербия-176.The working gas - tris-methyl borohydride of ytterbium Yb [CH 3 BH 3 ] 3 , containing isotopes of ytterbium with a natural content (ytterbium-176-12.3%), is fed to the separation stage and the operating mode of the cascade is adjusted, which, when the feed stream is divided into two fractions provides in the selection of the heavy fraction of the cascade the selection of the maximum amount of working gas components with molecular weights of more than 261 with a minimum content of components with molecular weights of 260 or less. Based on the concentration of molecular masses in the initial working gas, the proportion of selection into the heavy fraction of the cascade should be about 7% of the feed flow. With the selection of only heavy components of the working gas with masses of 262 and more, the concentration of the Yb-176 isotope in the target selection of the heavy fraction of the cascade will be more than 99.5%. From 73 g of working gas with the initial natural content of isotopes, 5 g of ytterbium tris-methylborohydride with a ytterbium-176 content of 99.5% can be obtained. As a waste product - a light fraction - 68 g of ytterbium tris-methylborohydride with a reduced, relative to natural, ytterbium-176 content will be obtained.
Для рецикла метилборгидрида лития осуществляют обработку легкой и тяжелой фракции рабочего газа, полученных при разделение в каскаде газовых центрифуг, эквимолярным количеством безводного хлористого водорода в аппарате из кварцевого стекла:For the recycling of lithium methyl borohydride, the light and heavy fractions of the working gas obtained during separation in a cascade of gas centrifuges are treated with an equimolar amount of anhydrous hydrogen chloride in a quartz glass apparatus:
Трихлорид иттербия-176, полученный при обработке тяжелой фракции по реакции (13), является конечным продуктом обогащения и, при необходимости, может быть переведен в химическую форму оксида Yb2O3 при обработке хлорида иттербия водой с последующем прокаливанием при высокой температуре. Трихлорид иттербия, образующийся при обработке хлористым водородом легкой фракции, является отходом производства. Метилборгидрид [СН3ВН3]2, полученный при обработке тяжелой и легкой фракции рабочего газа, очищается от примесей избытка хлористого водорода пропусканием через адсорбционную колонну с металлическим кальцием и направляется на синтез литий метил боргидрида согласно уравнению (9) в соответствии с описанной процедурой (А.Ф. Жигач, Д.С.Стасиневич. Химия гидридов, М., Химия, 1969, 676 с). Метилборгидрид лития Li[CH3BH3], полученный в результате рецикла, используется при синтезе новой партии рабочего газа - трис-метилборгидрида иттерия согласно уравнению (5). Пример 2. Получение изотопа торий-229.Ytterbium trichloride-176 obtained by treating the heavy fraction according to reaction (13) is the final product of enrichment and, if necessary, can be converted into the chemical form of oxide Yb 2 O 3 by treating ytterbium chloride with water, followed by calcination at a high temperature. Ytterbium trichloride formed during the treatment with hydrogen chloride of the light fraction is a waste product. Methyl borohydride [CH 3 BH 3 ] 2 , obtained by processing the heavy and light fractions of the working gas, is purified from impurities of excess hydrogen chloride by passing through an adsorption column with metallic calcium and sent to the synthesis of lithium methyl borohydride according to equation (9) in accordance with the described procedure ( AF Zhigach, DS Stasinevich. Chemistry of hydrides, M., Chemistry, 1969, 676 p.). Lithium methyl borohydride Li [CH 3 BH 3 ], obtained as a result of recycle, is used in the synthesis of a new batch of working gas - tris-methyl borohydride of yttrium according to equation (5). Example 2. Obtaining the isotope thorium-229.
Изотоп торий-229 является материнским нуклидом для генерации актиния-225 - чрезвычайно дорогого медицинского радионуклида (А. Morgenstern et al., An Overview of Targeted Alpha Therapy with 225-Actinium and 213-Bismuth. Current Radiopharmaceuticals, 2018, 11, 200-208). Торий-229 отсутствует в природе, и его получают искусственно, например облучением в реакторе радия-226 (S. Hogle et al., Reactor production of Thorium-229. Applied Radiation and Isotopes, 114, 2016, p. 19-27). В качестве примеси при этом образуется торий-228, ограничивающий возможности применения полученного тория-229 для генерации актиния-225 медицинского качества. Поэтому стоит задача очистки тория-229 от примесей тория-228, и эта задача может быть решена только методами разделения изотопов.The isotope thorium-229 is the parent nuclide for the generation of actinium-225, an extremely expensive medical radionuclide (A. Morgenstern et al., An Overview of Targeted Alpha Therapy with 225-Actinium and 213-Bismuth. Current Radiopharmaceuticals, 2018, 11, 200-208 ). Thorium-229 is absent in nature, and it is obtained artificially, for example, by irradiation in a radium-226 reactor (S. Hogle et al., Reactor production of Thorium-229. Applied Radiation and Isotopes, 114, 2016, p. 19-27). In this case, thorium-228 is formed as an impurity, which limits the possibilities of using the obtained thorium-229 for the generation of medical grade actinium-225. Therefore, the task is to purify thorium-229 from impurities of thorium-228, and this task can only be solved by isotope separation methods.
Исходный материал - торий-229 с примесью тория-228 получен при радиохимической переработке облученного нейтронами радия-226. Облучалось 80 г радия-226 в течение 80 суток потоком тепловых нейтронов 1⋅1015 н/(с⋅см2). После радиохимической переработки облученного материала и последующего «охлаждения» для распада короткоживущего изотопа тория-227 (торий-227, период полураспада 18,7 суток) в течение 6 месяцев, получен материал, содержащий следующее количество радионуклидов:The starting material, thorium-229 with an admixture of thorium-228, was obtained by radiochemical processing of radium-226 irradiated with neutrons. Irradiated 80 g of radium-226 for 80 days with a thermal neutron flux of 1⋅10 15 n / (s⋅cm 2 ). After radiochemical processing of the irradiated material and subsequent "cooling" for the decay of the short-lived isotope thorium-227 (thorium-227, half-life 18.7 days) within 6 months, the material containing the following amount of radionuclides was obtained:
Торий-228 - 8 г, или ~ 6000 Ки;Thorium-228 - 8 g, or ~ 6000 Ci;
Торий-229 - 2,7 г, или ~ 0,6 Ки;Thorium-229 - 2.7 g, or ~ 0.6 Ci;
Торий-230 - 1 г, или ~ 0,01.Thorium-230 - 1 g, or ~ 0.01.
Поставленная задача - получение тория-229 с минимумом примесей высоко радиоактивных изотопов путем очистки материала от высоко активного тория-228 - решается следующим образом.The task set - to obtain thorium-229 with a minimum of impurities of highly radioactive isotopes by purifying the material from highly active thorium-228 - is solved as follows.
Для разделения изотопов тория в качестве рабочего газа используется тетра-метилборгидрид тория Th[CH3BH3]4. Его получают в ходе последовательных операций, описываемых ниже.For the separation of thorium isotopes, thorium tetra-methylborohydride Th [CH 3 BH 3 ] 4 is used as a working gas. It is obtained through the sequential operations described below.
Для исключения радиолиза химических продуктов в процессе изотопного разделения к материалу, содержащему радиоактивные изотопы тория торий-228, торий-229 и торий-230, добавлено 55 г природного, слабо радиоактивного тория-232. Материал, содержащий в итоге: торий-228 - 8 г, торий-229 - 2,7 г, торий-230 - 1 г и торий-232 - 55 г, всего - 66,7 г в виде двуокиси тория хлорируется с получением тетрахлорида тория ThCl4 по описанной в литературе процедуре (Ключников Н.Г. Руководство по неорганическому синтезу - М.: Химия, 1965. - 392 с.):To exclude the radiolysis of chemical products in the process of isotopic separation, 55 g of natural, weakly radioactive thorium-232 was added to the material containing the radioactive isotopes thorium-228, thorium-229 and thorium-230. The material containing as a result: thorium-228 - 8 g, thorium-229 - 2.7 g, thorium-230 - 1 g and thorium-232 - 55 g, total - 66.7 g in the form of thorium dioxide is chlorinated to obtain tetrachloride thorium ThCl 4 according to the procedure described in the literature (Klyuchnikov N.G. Guide to inorganic synthesis - M .: Chemistry, 1965. - 392 p.):
Для получения литий метилборгидрида по реакции (11) используется триметилбороксин, обогащенный по изотопу бор-11 до уровня 99,9%:To obtain lithium methylborohydride by reaction (11), trimethylboroxin is used, enriched in the boron-11 isotope to a level of 99.9%:
Синтез литий метилборгидрида Li[11BH3CH3] осуществляют по литературной методике (В. Singaram et al., Addition compounds of alkali-metal hydrides. Organometallics, 1984, 3 (5), p. 774-777):, описанной выше в примере 1.The synthesis of lithium methyl borohydride Li [ 11 BH 3 CH 3 ] is carried out according to the literature method (B. Singaram et al., Addition compounds of alkali-metal hydrides. Organometallics, 1984, 3 (5), p. 774-777): described above in example 1.
Тетрахлорид тория, полученный по реакции (14), в количестве 107 г (0,288 моля) обрабатывается литий метилборгидридом Li[11BH3CH3] в хлорбензоле, как растворителе, соответствии с описанной методикой (R. Shinomoto et al., Syntheses and crystal structures of the tetrakis(methyltrihydroborato) compounds of zirconium(IV), thorium(IV), uranium(IV), and neptunium(IV). Inorg. Chem. 1983, 22, 17, 2351-2355):Thorium tetrachloride obtained by reaction (14) in an amount of 107 g (0.288 mol) is treated with lithium methyl borohydride Li [ 11 BH 3 CH 3 ] in chlorobenzene as a solvent in accordance with the described procedure (R. Shinomoto et al., Syntheses and crystal structures of the tetrakis (methyltrihydroborato) compounds of zirconium (IV), thorium (IV), uranium (IV), and neptunium (IV). Inorg. Chem. 1983, 22, 17, 2351-2355):
Полученный раствор тетракис-метилборгидрид тория Th[CH3 11BH3]4 отделяется от осадка хлористого лития LiCl, упаривается в вакууме при комнатной температуре и полученный продукт в виде желто-зеленых кристаллов сублимируется в приемный контейнер, охлаждаемый до -70°С сухим льдом. Получается 99,5 г продукта с давлением паров ~ 0,35 мм.рт.ст.при 40°С; ~ 7 мм.рт.ст. при 80°С.The resulting solution of thorium tetrakis-methylborohydride Th [CH 3 11 BH 3 ] 4 is separated from the precipitate of lithium chloride LiCl, evaporated in vacuum at room temperature and the resulting product in the form of yellow-green crystals is sublimated into a receiving container cooled to -70 ° C with dry ice ... It turns out 99.5 g of a product with a vapor pressure of ~ 0.35 mm Hg at 40 ° C; ~ 7 mm Hg at 80 ° C.
Рабочий газ - тетракис-метилборгидрид тория Th[CH3 11BH3]4, содержащий изотопы тория торий-228, торий-229, торий-230 и торий-232, подается на питание разделительного каскада. При этом настраивается режим работы каскада таким образом, что при разделении потока питания на две фракции в отборе легкой фракции направляется максимальное количество компонент рабочего газа с молекулярными массами 344 (228Th(CH3 11BH3)4 -молекулярная масса 344), а в отбор тяжелой фракции направляются компоненты рабочего газа с молекулярными массами 345 (229Th(CH3 11BH3)4 - молекулярная масса 345) и более: 346 (230Th(CH3 11BH3)4 -молекулярная масса 346), 348 (232Th(CH3 11BH3)4 -молекулярная масса 348) при минимальном содержании компонент с молекулярными массами 344 (228Th(CH3 11BH3)4 -молекулярная масса 344). Исходя из концентраций молекулярных масс в исходном рабочем газе, доля отбора в легкую фракцию каскада должна при этом составлять около 12 г, или 12% от величины потока питания. Из 99,5 г рабочего газа с содержанием изотопов тория: торий-228 -8 г; торий-229 - 2,7 г; торий-230 - 1 г; торий-232 - 55 г может быть получено 87,5 г тетракис- метилборгидрид тория с остаточным содержанием тория-228 менее 0,001 г, или 0,75 Ки. При конверсии тяжелой фракции газа может быть получен торий-229 следующего радионуклидного состава:The working gas - thorium tetrakis-methylborohydride Th [CH 3 11 BH 3 ] 4 , containing the isotopes of thorium thorium-228, thorium-229, thorium-230 and thorium-232, is fed to the separation cascade. In this case, the operating mode of the cascade is adjusted in such a way that when the feed stream is divided into two fractions in the selection of the light fraction, the maximum number of components of the working gas with molecular weights of 344 ( 228 Th (CH 3 11 BH 3 ) 4 is the molecular weight of 344) is directed, and in the selection of the heavy fraction is directed to the components of the working gas with molecular weights 345 ( 229 Th (CH 3 11 BH 3 ) 4 - molecular weight 345) and more: 346 ( 230 Th (CH 3 11 BH 3 ) 4 - molecular weight 346), 348 ( 232 Th (CH 3 11 BH 3 ) 4 - molecular weight 348) with a minimum content of components with molecular weights 344 ( 228 Th (CH 3 11 BH 3 ) 4 - molecular weight 344). Based on the concentration of molecular weights in the starting working gas, the proportion of selection into the light fraction of the cascade should be about 12 g, or 12% of the feed flow. From 99.5 g of working gas containing thorium isotopes: thorium-228 -8 g; thorium-229 - 2.7 g; thorium-230 - 1 g; thorium-232 - 55 g, 87.5 g of thorium tetrakismethylborohydride can be obtained with a residual thorium-228 content of less than 0.001 g, or 0.75 Ci. When converting a heavy fraction of a gas, thorium-229 of the following radionuclide composition can be obtained:
Торий-228 - менее 0,01 г или 0,7 Ки;Thorium-228 - less than 0.01 g or 0.7 Ci;
Торий-229 - 2,6 г или 0,57 Ки;Thorium-229 - 2.6 g or 0.57 Ci;
Торий-230 - 1 г или 0,01 Ки;Thorium-230 - 1 g or 0.01 Ci;
Торий-232 - 55 г или менее 0,000001 Ки.Thorium-232 - 55 g or less 0.000001 Ci.
Таким образом, согласно заявляемому решению, может быть достигнуто получение тория-229, очищенного от вредной примеси тория-228, в 8500 раз. Активность тория-228 в полученном препарате тория-229 относительно незначительная, что позволяет использовать торий-229 для генерации актиния-225.Thus, according to the claimed solution, the production of thorium-229, purified from the harmful impurity of thorium-228, by a factor of 8500 can be achieved. The activity of thorium-228 in the resulting preparation of thorium-229 is relatively insignificant, which makes it possible to use thorium-229 for the generation of actinium-225.
Рецикл дорогого реагента - литий метилборгидрида Li[CH3 11BH3] осуществляется в соответствии с процедурами, описанными в примере 1 по следующим реакциям:The recycle of an expensive reagent - lithium methyl borohydride Li [CH 3 11 BH 3 ] is carried out in accordance with the procedures described in example 1 according to the following reactions:
Литий метилборгидрид, содержащий обогащенный В-11, возвращается в цикл для синтеза новой партии рабочего газа.Lithium methyl borohydride containing enriched B-11 is recycled to synthesize a new batch of working gas.
Полученный изотопно очищенный торий-229 в ходе химической конверсии переведен в химическую форму хлорида - уравнение 17, и после растворения в воде может быть использован для генерации актиния-225 по известным методам (L. I. Guseva. Production of High-Purity a-Emitting 225-Ac and 213-Bi Radionuclides for Use in Nuclear Medicine. Radiochemistry, 2013, Vol. 55, No. 3, pp. 317-323).The obtained isotopically purified thorium-229 during chemical conversion was converted into the chemical form of chloride - equation 17, and after dissolution in water can be used to generate actinium-225 according to known methods (LI Guseva. Production of High-Purity a-Emitting 225-Ac and 213-Bi Radionuclides for Use in Nuclear Medicine. Radiochemistry, 2013, Vol. 55, No. 3, pp. 317-323).
Техническим результатом применения предложенной технологии является получение изотопов лантаноидов и тория с использованием высоко эффективного метода газового центрифугирования. Предложенная технология обеспечивает рецикл дорогих реагентов по технически легко реализуемым методикам.The technical result of the application of the proposed technology is the production of isotopes of lanthanides and thorium using a highly efficient method of gas centrifugation. The proposed technology ensures the recycling of expensive reagents according to technically easy to implement methods.
Claims (3)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020120002A RU2753033C1 (en) | 2020-06-09 | 2020-06-09 | Method for separating isotopes of lanthanides and thorium using gas centrifuge method |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020120002A RU2753033C1 (en) | 2020-06-09 | 2020-06-09 | Method for separating isotopes of lanthanides and thorium using gas centrifuge method |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2753033C1 true RU2753033C1 (en) | 2021-08-11 |
Family
ID=77349073
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2020120002A RU2753033C1 (en) | 2020-06-09 | 2020-06-09 | Method for separating isotopes of lanthanides and thorium using gas centrifuge method |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2753033C1 (en) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7641799B2 (en) * | 2001-01-05 | 2010-01-05 | Framatome Anp | Method of separating isotopes |
US20100111800A1 (en) * | 2008-11-03 | 2010-05-06 | Westinghouse Electric Company Llc | PRODUCTION OF NUCLEAR GRADE ENRICHED GADOLINIUM AND ERBIUM USING VOLATILE Gd OR Er SPECIES USING AN AERODYNAMIC PROCESS |
RU2448763C2 (en) * | 2006-04-04 | 2012-04-27 | Нэшнл Юниверсити Корпорейшн Кумамото Юниверсити | Method of separation and concentration of isotope material, multistage rotor, and device for separation and concentration of isotope material |
RU2638858C2 (en) * | 2015-10-05 | 2017-12-18 | Акционерное общество "Производственное объединение "Электрохимический завод" | Method of producing isotopes of neodymium |
US20190001005A1 (en) * | 2016-01-05 | 2019-01-03 | Bayer As | Isotope purification method |
-
2020
- 2020-06-09 RU RU2020120002A patent/RU2753033C1/en active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7641799B2 (en) * | 2001-01-05 | 2010-01-05 | Framatome Anp | Method of separating isotopes |
RU2448763C2 (en) * | 2006-04-04 | 2012-04-27 | Нэшнл Юниверсити Корпорейшн Кумамото Юниверсити | Method of separation and concentration of isotope material, multistage rotor, and device for separation and concentration of isotope material |
US20100111800A1 (en) * | 2008-11-03 | 2010-05-06 | Westinghouse Electric Company Llc | PRODUCTION OF NUCLEAR GRADE ENRICHED GADOLINIUM AND ERBIUM USING VOLATILE Gd OR Er SPECIES USING AN AERODYNAMIC PROCESS |
RU2638858C2 (en) * | 2015-10-05 | 2017-12-18 | Акционерное общество "Производственное объединение "Электрохимический завод" | Method of producing isotopes of neodymium |
US20190001005A1 (en) * | 2016-01-05 | 2019-01-03 | Bayer As | Isotope purification method |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Zhil’tsov et al. | Plasma separation of the elements applied to nuclear materials handling | |
A. Tarasov et al. | Production of no-carrier added lutetium-177 by irradiation of enriched ytterbium-176 | |
RU2753033C1 (en) | Method for separating isotopes of lanthanides and thorium using gas centrifuge method | |
Schädel | The Chemistry of Transactinide Elements-Experimental Achievements and Perspectives | |
US20110064179A1 (en) | Advanced Fusion Fuel | |
Trautmann et al. | Rapid chemical separation procedures | |
RU2666552C1 (en) | Method of producing nanostructured target for production of molybdenum-99 | |
RU2748573C1 (en) | Method for producing nickel-63 radionuclide | |
Trubert et al. | Chemical isolation of dubnium (element 105) in fluoride media | |
Ban et al. | Reduction kinetics of Pu (IV) and Np (VI) by N, N-dimethylhydrazine, and its potential application in nuclear fuel reprocessing | |
RU2794182C1 (en) | Method for separating zirconium isotopes | |
Ding et al. | Zinc isotope separation in acetone by displacement chromatography using benzo-15-crown-5 resin | |
Popov et al. | Centrifugal enrichment of chromium-50 for experiments on detecting solar neutrinos | |
Cameron | The determination of atomic weights by mass spectrometry | |
US20100111800A1 (en) | PRODUCTION OF NUCLEAR GRADE ENRICHED GADOLINIUM AND ERBIUM USING VOLATILE Gd OR Er SPECIES USING AN AERODYNAMIC PROCESS | |
US11894156B1 (en) | Separation of rare earth elements by means of physical chemistry for use in medical applications | |
Nozaki et al. | A new radio-tracer technique for the evaporation study of light elements from molten silicon | |
Motojima et al. | Preliminary study on sublimation separation of 99Mo from neutron-irradiated UO2 | |
US20240339233A1 (en) | Separation of rare earth elements by means of physical chemistry | |
US20240363261A1 (en) | Separation of rare earth elements by means of physical chemistry | |
US20240011125A1 (en) | Repeated Distillation/Sublimation of Rare Earth Elements | |
RU2524686C2 (en) | Method of producing boron-11 isotope and compounds based thereon | |
Brüchle et al. | Attempts to produce superheavy elements by fusion of 48Ca with 248Cm in the bombarding energy range of 4.5–5.2 MeV/u | |
Raman et al. | Enrichment of stable isotopes for reactor use | |
JPH0283018A (en) | Isotope separation and gaseous compound synthesis by laser light |