WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 7 07;12 Получение изотопа ртуть-199 фотохимическим методом © Ю.В. Вязовецкий Российский научный центр „Курчатовский институт“, 123182 Москва, Россия e-mail: viazov@kiae.imp.ru (Поступило в Редакцию 11 июля 2005 г.) В РНЦ „Курчатовский институт“ развиваются технологии, использующиеся для выделения изотопов ртути фотохимическим методом. В основе процесса лежит реакция окисления селективно возбужденных атомов ртути в присутствии бутадиена-1,3. Наряду с изотопами Hg-198, Hg-196, Hg-200, Hg-202 впервые был получен изотоп Hg-199 с концентрацией 90%.

PACS: 81.05.-t Введение основанных на применении изотопических сдвигов в спектрах атомов и молекул.

В настоящее время значительно возросло потребле- Изучая сверхтонкую структуру резонансной линии ние изотопов ртути Hg-198, Hg-199, Hg-200 и Hg-202, ртути 253.7 nm, Мрозовский в 1932 г. предложил идею которые широко используются в ряде стран для изуче- разделения изотопов фотохимическим методом [8]. Суть ния проблем, связанных с загрязнением экологических его предположений свoдилась к следующему: если смесь систем промышленными отходами ртути и ее соединени- паров ртути с кислородом облучать светом ртутной ями [1–3]. Изотоп Hg-199 используется также в ядерной лампы, прошедшим через магнитный фильтр с парами физике и спектроскопии. ртути, то возбуждаться и вступать в реакцию окисления В РНЦ „Курчатовский институт“ созданы установка будут только определенные изотопы.

и технологии, которые используются для выделения Спустя три года Цубер экспериментально провевысокообогащенных изотопов ртути фотохимическим рил идею Мрозовского и установил, что увеличение методом [4–6]. Наряду с изотопами Hg-196, H-198, концентрации изотопов Hg-200 и Hg-202 достигается Hg-200, Hg-202 впервые была получена ртуть Hg-199 с при облучении смеси ртутного пара и воздуха светом концентрацией 90%. дуговой ртутной лампы, прошедшим через магнитный Впервые изотопы ртути были получены с помощью фильтp [9,10].

электромагнитного метода. Начальные опыты не поз- При освещении атомов ртути резонансным излучением с длиной волны 253.7 nm изотопы ртути переходят из волили получить изотопы с высокими концентрациями.

основного состояния 6(1S0) в возбужденное После значительного усложнения процесса разделения, связанного с использованием таких приемов, как, наприHg 6(1S0) + Hg 6(3P1).

мер, глубокое охлаждение основных узлов сепаратора до температуры жидкого азота, а также сбор целевоВ возбужденном состоянии 6(3P1) атомы ртути облаго изотопа на золотую или серебряную фольгу были дают избытком энергии 4.86 eV и благодаря этому могут получены изотопы с концентрациями свыше 99.5% [7].

вступать в химическую реакцию, вероятность которой Недостатками этого способа являются высокие энергес невозбужденными атомами значительно меньше. Если тические затраты и трудоемкость, что делает изотопы создать условия, при которых возможно избирательртути, полученные с помощью электромагнитного метоное возбуждение атомов одного из изотопов ртути, то да одними из самых дорогих.

продукт реакции будет обогащен этим изотопом. Для Успешное использование центробежной технологии избирательного возбуждения нужно, чтобы в спектре для получения целого ряда стабильных изотопов в поглощения ртути были разрешены изотопические комРоссии позволило начать эксперименты по получению поненты сверхтонкой структуры, а линии излучения, исс помощью этого метода и изотопов ртути. Однако в пользуемые для возбуждения, должны быть достаточно этих, в целом успешных экспериментах, были выявлены узкими и не возбуждать посторонних изотопов.

существенные трудности, связанные с высокой агрессив- В начале 1950-х гг. Макдональд и Ганнинг осущеностью рабочего газа к материалам центрифуг, а также ствили фотохимическую реакцию окисления ртути [11].

его высокой токсичностью, вследствие чего работы по В их установке была предусмотрена прокачка смеси совершенствованию центробежного метода получения паров ртути с воздухом через реактор, где эта смесь изотопов ртути были приостановлены еще на стадии облучалась светом ртутной лампы, содержащей изотоп создания опытно-промышленной технологии. Hg-198. Поскольку стенки лампы имели температуру Поиск более эффективных методов разделения изо- 150C, линии излучения сильно самообращались, в топов привел многих исследователей к изучению и экспериментах была получена ртуть, обогащенная по использованию для этих целей оптических методов, изотопам Hg-201 и Hg-204 и обедненная по Hg-198.

Получение изотопа ртуть-199 фотохимическим методом В лаборатории Ганнинга решили более подробно исследовать процесс фотохимического разделения изотопов ртути. Исследование было начато с изучения спектров излучения и поглощения компонент сверхтонкой структуры резонансной линии ртути 253.7 nm [12].

Используя безэлектродную лампу, содержащую 98% изотопа Hg-202, авторы изучили зависимость поглощения атомами природной ртути излучения лампы от оптической плотности ртутного пара, температуры стенок лампы, частоты возбуждения лампы СВЧ-генератором и от самопоглощения линии излучения в источнике света.

Ганнинг пришел к выводу, что отсутствие значительного Рис. 1. Cхема сверхтонкой и изотопической структуры реобогащения в реакциях паров ртути с воздухом и водой зонансной линии ртути 253.7 nm для естественной смеси связано с образованием в этих системах озона, котоизотопов. Положение вертикальных линий соответствует отнорый окисляет атомы природной ртути. Доказательством сительным положениям частот центров соответствующих комэтого вывода является также отсутствие обогащения в понент линии, а их высота характеризует их относительную чистом кислороде. Пертель и Ганнинг в работе [13] интенсивность.

предложили использовать в качестве такого акцептора озона или атомарного кислорода один из ненасыщенных углеводородов бутадиен-1,3 (CH2=CH–CH=CH2).

для естественной смеси изотопов. Очевидно, что обе Добавление его в небольших количествах к смеси пакомпоненты линии поглощения изотопа Hg-199 переров ртути с водой позволило увеличить концентрацию крыты линиями других изотопов — Hg-201 и Hg-Hg-202 в обогащенной окиси до 77%.

в реальных условиях ведения процесса обогащения Дальнейшее развитие фотохимическая технология на экспериментальной установке. Полуширина линии разделения изотопов ртути получила в РНЦ „Курчатовиспускания, обусловленная в основном допплеровским ский институт“, где были созданы экспериментальная уширением около 0.03 cm-1 (1 · 109 Hz), полуширина установка и технологии, использующиеся для выделения линии поглощения атомов ртути в ячейке обусловлена изотопов Hg-196, -198, -199, -200, -202. Применение как допплеровским, так и лоренцевским уширением, ряда физических и технических решений позволило и составляет около 0.08 cm-1 (2.3 · 109 Hz). Поэтому автоматизировать процесс обогащения [6].

применение метода прямого обогащения, когда сырье Основой процесса, применяемого в этих эксперименоблучается светом резонансной линии ртутной лампы, тах, является фотохимическая реакция возбужденных наполненной целевым изотопом Hg-199, не может быть атомов ртути с кислородом в присутствии бутадиена-1,3.

эффективным, поскольку в этом случае возбуждаются Атомы ртути селективно возбуждаются резонансным и вступают в фотохимическую реакцию помимо Hg-излучением лампы низкого давления с длиной волны и примесные изотопы — Hg-201 и Hg-204, удалить = 253.7 nm с образованием обогащенной окиси ртути, которые из полученного продукта крайне сложно. Это которая оседает на стенках реакционных ячеек. Пообстоятельство делает такую схему получения изотопа лученная обогащенная окись ртути восстанавливается Hg-199 непривлекательной ни с технологической, ни с до металлической ртути в атмосфере водорода при экономической точек зрения. Отметим, что обогащение возбуждении в реакционных узлах высокочастотного ртути изотопом Hg-199 стало возможным только поразряда. Обогащенная ртуть сносится потоком водорода сле получения изотопа Hg-196 c концентрацией около в охлаждаемый до температуры жидкого азота сборник 97% [16].

изотопов. Эта реакция обладает высокой селективноВыделение изотопа Hg-199 из сырья, в частности, стью процесса разделения, что особенно важно при обоиз ртути природного изотопного состава, возможно по гащении изотопов ртути с полностью или частично песледующей схеме: сырье облучается ртутной лампой, рекрывающимися контурами резонансной линии [14,15].

наполненной изотопом Hg-196. Основные параметры процесса обогащения, к которым прежде всего относятся параметры режима работы лампы, — ее температура Особенности выделения изотопа Hg-и протекающий через лампу ток — должны быть оптиПолучение ртути, обогащенной изотопом Hg-199 фо- мизированы на получение продукта с максимально возтохимическим методом, трудная, но интересная задача, можной концентрацией изотопа Hg-199 и приемлемой которую нам удалось успешно решить. В этих экспе- производительностью. Повышение температуры лампы риментах использовался не применявшийся ранее тех- приводит к росту интенсивности линии излучения и ее нологический прием — возбуждение целевого изотопа уширению.

„крылом“ линии излучения источника света. Оптимизация по этому параметру сводится к опредеНа рис. 1 представлена схема сверхтонкой и изото- лению температуры, при которой концентрация изотопа пической структуры резонансной линии ртути 253.7 nm Hg-199 в полученном продукте будет максимальной.

4 Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 50 Ю.В. Вязовецкий Уширение линии излучения лампы должно приводить к общему увеличению количества возбужденных атомов ртути — примесных за счет увеличения интенсивности излучения „на крыльях“, и целевого за счет роста интенсивности излучения лампы в пределах линии поглощения компоненты Hg-199a. Снижение интенсивности лампы в центре линии поглощения изотопа Hg-196, свидетельствующее о начале самообращения линии излучения, должно приводить к снижению концентрации изотопа Hg-196 в продукте. Обозначенная выше схема получения изотопа Hg-199 подтверждена экспериментами, данные которых представлены на рис. 2 и 3.

На рис. 2 показаны зависимости концентрации C Рис. 3. Зависимость общей производительности установки P изотопа Hg-199 и некоторых примесных изотопов в от температуры лампы (кривая 1) и при получении изотопа полученном продукте от температуры лампы T.

Hg-199 (кривая 2).

Максимальная концентрация изотопа Hg-199 в продукте достигнута при T = 31C. Дальнейшее повышение температуры приводит к снижению концентрации На рис. 3 показаны зависимости производительности целевого изотопа и росту концентраций всех примесных установки P от температуры лампы T —общая и по изотопов. Рост концентрации изотопов Hg-198 и Hg-целевому изотопу. Общая производительность установобъясняется уширением линии излучения лампы на ки, возрастая, выходит на плато при температурах выше „крыльях“, а относительно интенсивный рост концетра37C. Производительность по изотопу имеет вяло выции изотопа Hg-204 — передачей возбуждения от комраженный максимум, лежащий в интервале температур понент Hg-199a и Hg-201a, которыми полностью пере30-32C.

крыта линия поглощения изотопа Hg-204 в сверхтонкой Анализ экспериментальных данных показывает, что структуре с = 253.7nm (рис. 1). При температурах нипри температуре лампы, равной 31-32C, достигается же оптимальной снижение потока квантов от источника оптимальный режим работы установки как с точки зресвета в линию поглощения изотопа Hg-199 происходит ния производительности, так и концентрации целевого значительно интенсивней, чем снижение потока кванизотопа в продукте.

тов в линии поглощения других изотопов, являющихся Вместе с тем относительно низкая производительпримесными. Кроме того, снижение температуры лампы ность установки обусловлена неэффективным испольприводит к росту потока квантов в центре линии при зованием потока квантов света, испускаемого лампой.

незначительном влиянии самообращения, что обусловКак отмечалость выше, атомы целевого изотопа Hg-ливает рост концентрации примесного изотопа Hg-облучаются лишь крылом линии излучения лампы, сов продукте. Это приводит к снижению концентрации держащей изотоп Hg-196 с концентрацией 97%.

целевого изотопа Hg-199 в обогащенной ртути.

Простой расчет показывает, что для возбуждения изотопа Hg-199 используется не более 25–30% потока квантов света.

Контур линии поглощения атомов ртути в реакционной ячейке описывается выражением [17]:

a e-y K = K0 dy, (a )2 +( - y)где 2( - 0) N + L = ln 2; a = ln 2;

D D 2 2 2R ln 2 T y = ln 2; D = 0 ;

D c M 2 1 L = L N 2RT +, M1 MРис. 2. Зависимость концентрации C изотопа Hg-199 (кригде L — эффективное поперечное сечение для лоренвая 1), Hg-201 (2), Hg-198 (3), Hg-204 (4) от температуры цевского уширения, для кислорода L = 65.1 · 10-16.

лампы T.

Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. Получение изотопа ртуть-199 фотохимическим методом Извлечение из сырья изотопов Hg-198 и Hg-201 связано с перекрытием их линий поглощения линией испускания лампы на „крыльях“, а обогащение продукта изотопом Hg-196 неизбежно, поскольку центры линий поглощения и испускания для него совпадают.

Ниже приведен изотопный состав ртути, обогащенной изотопом Hg-199 на втором этапе.

Изотоп 204 202 201 200 199 198 Концентрация, % 2.0 2.0 11.9 2.8 66.7 10.2 4.Дальнейшее увеличение концентрации изотопа Рис. 4. Контур линии испускания лампы, наполненной изоHg-199 осуществлялось уже методом возбуждения топом Hg-196 (1) и линии поглощения компоненты изотопа примесных изотопов, т. е. негативным методом. Облучая Hg-199b в реакционной ячейке (2) с учетом красного смещепродукт второго этапа лампой, содержащей изотоп ния (3).

Hg-198, удается снизить концентрацию изотопов Hg-198 и Hg-201 до 2.1 и 3.8% соответственно с коэффициентом извлечения более 80%. В результате Это выражение представляет собой комбинацию концентрация изотопа Hg-199 в полученном продукте естественного, лоренцева и допплеровского уширений.

превышает 80%, что переводит полученный продукт в В расчет контура линий поглощения света в реакционкатегорию рыночных.

ной ячейке были заложены следующие параметры: T — Получение ртути, обогащенной изотопом Hg-199 до температура рабочей смеси на входе в реакционную 90%, возможно после проведения еще одного негативноячейку, равная 360 K; давление рабочей смеси в реакго этапа. Используя лампу, содержащую смесь изотопов ционной ячейке, равное 40 Torr. В расчете учтено, что Hg-196, Hg-198, Hg-200 и Hg-202 в оптимальном соотдавление рабочей смеси (кислород, бутадиен, пары ртуношении, удалось в один этап поднять концентрацию ти) обусловлено, в основном, содержанием кислорода.

изотопа Hg-199 в продукте до 90%.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.