Генри Смит - Атомная энергия для военных целей
ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА РАЗДЕЛЕНИЕ ИЗОТОПОВ
9.2. По определению, изотопы элемента отличаются своими массами, но не химическими свойствами. Точнее говоря, хотя массы ядер изотопов и их строение различны, заряды ядер одинаковы, и поэтому наружные электронные оболочки практически тождественны. Таким образом, для большинства практических целей изотопы какого-либо элемента можно разделить только при помощи процессов, зависящих от массы ядра.
9.3. Хорошо известно, что молекулы газа или жидкости находятся в непрерывном движении и что их средняя кинетическая энергия зависит только от температуры и не зависит от химических свойств молекулы. Таким образом в газе, состоящем из смеси двух изотопов, средняя кинетическая энергия легких и тяжелых молекул будет одинакова. Так как кинетическая энергия молекулы равна 1/2 mv2, где m — масса и v — скорость молекулы, то очевидно, что, в среднем, скорость более легкой молекулы должна быть больше скорости более тяжелой. Поэтому, по крайней мере в принципе, любой процесс, зависящий от средней скорости молекул, можно использовать для разделения изотопов. К сожалению, средняя скорость обратно пропорциональна корню квадратному из массы, так что для газообразных соединений изотопов урана это различие очень мало. К тому же, хотя средние скорости различаются, интервалы скоростей в значительной мере перекрываются. Так, в случае газообразного шестифтористого урана более 49 % легких молекул имеют такие же малые скорости, как и 50 % тяжелых молекул.
9.4. Очевидно, нет практически осуществимого способа приложения механических сил непосредственно к отдельным молекулам; их нельзя толкать палкой или тянуть веревкой. Однако, на них воздействуют гравитационные или, если молекулы ионизованы, электрические и магнитные поля. Гравитационные силы пропорциональны массе. В очень высоком вакууме атомы U-235 и U-238 будут падать с одинаковым ускорением, но так же, как перо и камень падают с разными скоростями в воздухе, где имеются силы трения, препятствующие движению, возможны условия, при которых сочетание гравитационных и противодействующих им внутримолекулярных сил заставит тяжелые атомы двигаться отлично от легких. Электрическими и магнитными полями легче управлять, чем гравитационными или «псевдогравитационными» (т. е. полями центробежных сил) и они весьма эффективны в разделении ионов различной массы.
9.5. Кроме гравитационных или электромагнитных сил, существуют внутриатомные и внутримолекулярные силы. Это силы взаимодействия между молекулами, и ими определяются скорости химических реакций, процессов испарения и т. д. Вообще говоря, такие силы зависят от внешних электронов молекул, а не от массы ядра. Однако, там, где силы взаимодействия между отдельными атомами или молекулами приводят к образованию новых молекул, влияние массы (обычно очень малое) сказывается.
В соответствии с законами квантовой механики, уровни энергии молекул несколько меняются, причем для разных изотопов по разному. Это, как мы увидим, вызывает некоторые изменения в поведении двух изотопов в определенных химических реакциях, хотя различие в поведении значительно меньше обычного различия в химическом поведении разных элементов.
9.6. Таким образом, главными факторами, которые следует иметь в виду при выборе процесса разделения, являются: равенство средней тепловой кинетической энергии молекул при данной температуре; гравитационные или центробежные эффекты, пропорциональные массе молекул; электрические или магнитные силы, влияющие на ионизованные молекулы, и внутриатомные или внутримолекулярные силы. В некоторых процессах разделения изотопов используется только один какой-нибудь из этих факторов, и общая степень разделения может быть предсказана. В других процессах разделения несколько этих факторов встречаются одновременно, так что такое предсказание становится затруднительным.
КРИТЕРИИ ДЛЯ ОЦЕНКИ ПРОЦЕССА РАЗДЕЛЕНИЯ
9.7. Раньше, чем приступить к детальному рассмотрению отдельных процессов разделения изотопов, мы выясним, какие общие требования предъявляются к этому процессу. Главные критерии для суждения о процессе разделения изотопов описываются нами ниже.
КОЭФФИЦИЕНТ РАЗДЕЛЕНИЯ9.8. Коэффициент разделения, или как его иногда называют, коэффициент обогащения какого-либо разделительного процесса, это отношение относительной концентрации выделяемого изотопа после обогащения к его относительной концентрации в исходном продукте. Точнее, если до разделения числа атомов изотопов с массами m1 и m2 равны, соответственно, n1 и n2 (на 1 г смеси изотопов), а после разделения соответствующие числа равны n'1 и n'2, то коэффициент разделения равен
Это определение применимо как к одной ступени разделительной установки, так и ко всей установке, состоящей из многих ступеней. Обычно нас интересует либо коэффициент разделения одной ступени, либо общий коэффициент разделения всего процесса. Если r мало отличается от единицы, как это часто бывает для одной ступени, то иногда удобнее пользоваться величиной r-1 вместо r. Величину r-1 называют коэффициентом обогащения. В природном уране m1=235, m2=238 и n1/n2 = 1/140, в 90 %-ном U-235, n'1/n'2 = 9/1. Таким образом, при получении 90 %-ного U-235 из природного урана общее значение величины r должно быть равно около 1260.
ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ9.9. Почти для всех способов разделения высокий коэффициент разделения достигается за счет низкого выхода. В дальнейшем, если не будет специальной оговорки, мы будем выражать производительность количеством чистого U-235. Таким образом если, например, разделительный аппарат обладает коэффициентом разделения 2 (т. е. n1' / n2' = 1/70) и производительностью в 1 грамм в день, то это означает, что из природного урана этот аппарат дает за один день продукт, состоящий из смеси 1 г U-235 и 70 г U-238.
ЗАГРУЗКА9.10. Общее количество вещества, содержащееся в разделительной установке, называется «загрузкой». Загрузка может достигать весьма больших величин в установке, состоящей из большого числа ступеней.
ПУСКОВОЙ ПЕРИОД9.11. В разделительной установке с большой загрузкой требуется довольно продолжительное время — недели или месяцы — от начала пуска до достижения стационарных условий работы. При расчете времени этот «пусковой период», или период установления равновесия, должен быть добавлен ко времени строительства завода.
ЭФФЕКТИВНОСТЬ9.12. Из общего количества сырья, поступающего в разделительную установку, часть будет обогащена легкой компонентой, часть обеднена, часть останется неизмененной. Некоторое количество каждой из этих трех фракций будет потеряно и часть регенерирована. Очевидно, что важно иметь метод высоко производительного восстановления обогащенного вещества. В некоторых процессах количество неизмененного вещества ничтожно мало; но в некоторых, особенно в электромагнитном методе, описанном ниже, это — самая большая фракция, и, следовательно, эффективность, которой она восстанавливается для повторного цикла, является весьма существенной. Значимость регенерации обедненного продукта существенно зависит от степени обеднения отвала. Таким образом, вообще говоря, понятие эффективности не является вполне однозначным.
СТОИМОСТЬ9.13. Так же, как и для всех частей проекта по урану, выигрыш во времени был значительно важнее, чем материальные издержки. Поэтому целый ряд больших разделительных установок для U-235 и дейтерия обошлись дороже, чем было бы необходимо, если бы строительство было отложено на несколько месяцев или лет, до тех пор пока не были бы разработаны более совершенные процессы.
НЕКОТОРЫЕ МЕТОДЫ РАЗДЕЛЕНИЯ
9.14. Еще в 1896 г. лорд Рэлей показал, что смесь двух газов различных атомных весов может быть частично разделена, если заставить смесь диффундировать через пористую перегородку в вакуум. Молекулы легкого газа благодаря большей их средней скорости диффундируют через перегородку быстрее, вследствие чего прошедший через перегородку газ обогащен более легкой компонентой, а оставшийся газ (который не прошел через перегородку) обеднен легкой компонентой. Газ, максимально обогащенный легкой компонентой, получится в том случае, когда количество продиффундировавшего газа настолько мало, что не вызывает заметного обеднения оставшегося газа. Если процесс диффузии длится до тех пор, пока почти весь газ не прошел через перегородку, то среднее обогащение прошедшего газа естественно уменьшается. В следующей главе это явление рассмотрено более детально. Здесь мы только укажем, что принимая скорости диффузии обратно пропорциональными корням квадратным из молекулярных весов, мы получаем для коэффициента разделения в начальной стадии процесса диффузии, называемого «идеальным коэффициентом разделения» α, следующее выражение:
