離心法分離鍺同位素實驗研究

周明勝,徐燕博,程維娜

(清華大學(xué)工程物理系,北京 100084)

離心法是目前同位素分離的主要方法之一。該方法的分離效應(yīng)取決于待分離氣體不同組分間的相對分子質(zhì)量之差,而與氣體的平均相對分子質(zhì)量無關(guān)。只要能找到合適的氣體分離介質(zhì),離心法是分離重同位素的一種經(jīng)濟(jì)有效的方法。由于電能消耗少,濃縮系數(shù)大,離心法已逐漸取代氣體擴(kuò)散法成為核燃料生產(chǎn)的主要方法。近年來,隨著科學(xué)的發(fā)展與技術(shù)的進(jìn)步,穩(wěn)定同位素的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大,為了滿足對穩(wěn)定同位素日益增長的需求,俄羅斯和歐洲URENCO公司等都已經(jīng)在進(jìn)行離心法分離穩(wěn)定同位素的研究和生產(chǎn)。

鍺有 5 種 天然同位 素,70Ge、72Ge、73Ge、74Ge、76Ge,其豐度分別為 20.5%、27.4%、7.8%、36.5%和7.8%,其中76Ge在探測器領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用[1],尤其在暗物質(zhì)的尋找、中微子質(zhì)量的測量[2]等尖端科學(xué)領(lǐng)域有著潛在的應(yīng)用。為了獲得單一的、豐度較高的76Ge同位素,需要對天然鍺同位素進(jìn)行分離。隨著與鍺同位素相關(guān)的科學(xué)研究的深入,其需求量也隨之增加,在意大利的Gran Sass國家實驗室(LNGS)進(jìn)行的無中微子的雙β衰變實驗研究中,預(yù)計會有總計大約1噸的高豐度76Ge晶體將被投入使用[3]。我國近年來也利用鍺展開了相關(guān)研究,對鍺同位素也有了一定的需求,因此,鍺同位素的生產(chǎn)分離研究具有非常重要的意義。

分離同位素的主要方法有化學(xué)交換法、電磁法、氣體離心法等,由于氣體離心法具有耗能少、分離系數(shù)大等優(yōu)點,本工作擬采用氣體離心法,利用國產(chǎn)離心機(jī)進(jìn)行鍺同位素的分離實驗。

1 分離介質(zhì)的選擇

實現(xiàn)鍺同位素離心分離的幾個關(guān)鍵因素為:實驗系統(tǒng)的真空度、離心機(jī)的轉(zhuǎn)速及氣體介質(zhì)的物化性質(zhì),其中最重要的是必須選擇能滿足離心分離要求的氣體介質(zhì)。通常情況下,利用氣體離心機(jī)進(jìn)行同位素分離,工作氣體需要滿足以下要求[4]:1)具有熱穩(wěn)定性(在570 K以下保持穩(wěn)定);2)相對分子質(zhì)量足夠大(≥70);3)常溫下飽和蒸氣壓＞665 Pa。

1.1 分離介質(zhì)選擇

由于天然氟是單一同位素元素,離心分離的介質(zhì)一般優(yōu)先選擇氟化物。GeF4的主要物化參數(shù)如下:熔點為-36.5℃(升華),相對分子質(zhì)量為148.6,-41.4℃下蒸氣壓為60.25 kPa,25℃下飽和蒸氣壓為850 k Pa。這符合離心分離的基本條件。同時由于氟的天然同位素唯一,便于對實驗中所取樣品進(jìn)行質(zhì)譜分析,故選用GeF4作為離心分離鍺同位素的分離介質(zhì)。

1.2 GeF4的儲存和使用

GeF4的升華溫度是-37℃,-15℃時的飽和蒸氣壓是405.3 kPa,在常溫下是高壓氣體,且有很強(qiáng)的腐蝕性,因此儲存時必須采用帶不銹鋼閥門的高壓瓶。GeF4的強(qiáng)腐蝕性和常溫下的高壓特性,增加了實驗研究的難度,在分離研究過程中,供料需減壓到擴(kuò)壓容器,在離心分離研究中得到的精貧料還要及時轉(zhuǎn)入高壓容器。

2 單機(jī)實驗

為了了解和掌握鍺同位素離心分離的單機(jī)性能,首先需要進(jìn)行單機(jī)分離實驗,掌握分離規(guī)律,以判斷分離介質(zhì)是否適合于國產(chǎn)離心機(jī)的分離要求。為此,利用圖1所示實驗系統(tǒng),進(jìn)行了單機(jī)分離實驗。

2.1 多元離心分離理論

由于天然鍺有5種穩(wěn)定同位素,鍺同位素的分離是多元分離,根據(jù)多元分離理論,其分離系數(shù)應(yīng)滿足以下關(guān)系式[5]:

圖1 鍺分離單機(jī)實驗原理示意圖

2.2 原料凈化

由于GeF4氣體中含有HF等雜質(zhì)氣體,購買的GeF4的純度不符合離心分離實驗的要求,因此選擇在-50～-40℃的溫度區(qū)間里,采用精餾的方法對GeF4進(jìn)行原料凈化,經(jīng)過多次實驗,凈化后的GeF4的純度可以滿足離心分離實驗的要求。

2.3 單機(jī)分離及分離效果

單機(jī)實驗分別在相同供料壓強(qiáng)下改變分流比和分流比相同時改變供料壓強(qiáng)的工況下進(jìn)行,達(dá)到定常態(tài)后取樣,用 MAT-281質(zhì)譜儀對GeF4樣品進(jìn)行豐度分析[6],并計算分流比及基本全分離系數(shù)。

根據(jù)單機(jī)實驗的質(zhì)譜結(jié)果分別計算其他組分對第一種組分的基本全分離系數(shù),對得到的結(jié)果進(jìn)行線性擬合,擬合結(jié)果即為單機(jī)分離實驗的基本全分離系數(shù)γ0。單機(jī)分離實驗數(shù)據(jù)及擬合結(jié)果列于表1。由表1可以看出,通過改變供料壓強(qiáng)P F和分流比θ,對單機(jī)工況進(jìn)行摸索,γ0不斷增大,說明分離性能不斷提高,P F=267 Pa,θ=0.44時,得到了較大的GeF4的基本全分離系數(shù) γ0=1.43。

表1 單機(jī)分離GeF4實驗結(jié)果

3 級聯(lián)分離及分離效果

3.1 1-2-1級聯(lián)實驗

在通過單機(jī)分離實驗了解了鍺同位素的單機(jī)分離性能的基礎(chǔ)上,把4臺離心機(jī)全部調(diào)整到適合分離GeF4的物理參數(shù),并以1-2-1的級聯(lián)方式進(jìn)行分離實驗,其級聯(lián)方式示意圖示于圖2。同樣對實驗樣品進(jìn)行質(zhì)譜分析得到GeF4的豐度數(shù)據(jù),然后計算其他組分對第一種組分的基本全分離系數(shù),對得到的結(jié)果進(jìn)行線性擬合,由此得到1-2-1短級聯(lián)分離實驗的基本全分離系數(shù)γ0。分離結(jié)果列于表2。由表2可以看出,通過改變供料壓強(qiáng)PF和分流比θ,γ0不斷增大,說明級聯(lián)的分離性能得到不斷優(yōu)化,在 P F=267 Pa,θ=0.54時,基本全分離系數(shù) γ0=2.01。

3.2 鍺同位素分離的級聯(lián)計算

了解了單機(jī)和小級聯(lián)的分離性能,考慮用一個矩形級聯(lián)進(jìn)行76Ge豐度大于90%的產(chǎn)品的生產(chǎn)。根據(jù)上述1-2-1級聯(lián)實驗結(jié)果,如果級聯(lián)的分離系數(shù)為2.00,且濃化系數(shù)等于貧化系數(shù),那么每級分離實際可達(dá)到的分離系數(shù)約為1.40。若取γ0=1.40,級聯(lián)供料流量與每級供料流量之比 F/G=0.1,級聯(lián)精料與供料流量之比P/F=0.93進(jìn)行多元分離級聯(lián)的迭代計算[7],則通過一個在第8級供料的10級矩形級聯(lián)即可生產(chǎn)出76Ge豐度大于90%的GeF4產(chǎn)品,迭代計算的各級同位素豐度分布情況列于表3。

圖2 1-2-1級聯(lián)方式示意圖

表2 1-2-1級聯(lián)分離GeF4實驗結(jié)果

表3 用矩形級聯(lián)生產(chǎn)GeF4時各階段同位素豐度分布

若以1-2-1短級聯(lián)為基礎(chǔ),以多次級聯(lián)分離[8]的方式進(jìn)行76Ge豐度大于90%的GeF4產(chǎn)品的生產(chǎn),則在F/G以及分流比θ保持不變的情況下(取 θ=0.55,γ0=2.00),經(jīng)過 6次 1-2-1級聯(lián)的分離可以得到76Ge豐度大于90%的GeF4產(chǎn)品,迭代計算的各階段同位素豐度分布情況列于表4。

表4 用1-2-1級聯(lián)生產(chǎn)GeF4時各階段同位素豐度分布

表3和表4的關(guān)于矩形級聯(lián)和多次1-2-1級聯(lián)的形式對76GeF4產(chǎn)品的實際生產(chǎn)的模擬計算結(jié)果表明,76Ge的豐度均可大于90%,說明通過選擇合適的級聯(lián)形式,可以獲得76Ge豐度大于90%的GeF4產(chǎn)品。

4 結(jié) 論

采用氣體離心法,選擇GeF4作為分離介質(zhì),通過國產(chǎn)離心機(jī)的單機(jī)實驗成功分離了鍺同位素,初步掌握了不同供料流量、分流比下,GeF4離心分離的基本全分離系數(shù),得到的基本全分離系數(shù)大于1.40;采用多次1-2-1級聯(lián)分離,可以獲得76Ge豐度大于90%的GeF4產(chǎn)品。

[1] Campbell DB,Vetter K,Henning R,et al.Evaluation of radioactive background rejection in Ge-76 neutrino-less double-beta decay experiments using a highly segmented HPGe detector[J].Nuclear Instruments&Methods in Physics Research,2008,587(1):35-43.

[2] Wu Huifang,Huang Tao.Half-life and the nuclear matrix element of the double-beta decay in76Ge[J].High Energy Physics and Nuclear Physics,2000,24(6):589-592.

[3] Nikolic M,Nikolic N,Liang YC,et al.The76Ge double-beta decay experiment GERDA at LNGS[J].Nuclear Physics,2006,37(7):195-203.

[4] Borisevich VD,Levin EV.Separation of multicomponent isotope mixtures by gas centrifuge[J].Separation science and technology,2001,36(8-9):1 697-1 735.

[5] 郭志雄,應(yīng)純同.多組份同位素離心分離的簡化計算[J].清華大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,1995,35(3):71-77.

[6] 王世俊.質(zhì)譜學(xué)及其在核科學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用[M].北京:原子能出版社,1998:56-60.

[7] Rutherford WM.A Generalized computer model of the transient behavior of multicomponent isotope separation cascades[J].Separation Science and Technology,1981,16(10):1 321-1 337.

[8] 周明勝,梁雄文,張永剛.離心法生產(chǎn)氙同位素[J].同位素,2006,19(1):1-3.