La separación de isótopo del es el proceso de concentrar los isótopos específicos de un elemento químico quitando otros isótopos, por ejemplo separando el uranio natural en el uranio enriquecido y el uranio agotado . Esto es un proceso crucial en la creación de un arma nuclear basada de uranio, mil que no es necesario para la construcción de un arma basada del plutonio.
Explicación
Mientras que en elementos químicos generales puede ser purificado con los procesos químicos, isótopos del mismo elemento tienen características químicas casi idénticas, que hace este tipo de la separación impráctico, a excepción de la separación del deuterio .
Técnicas de separación
Hay tres tipos de técnicas de separación de isótopo:
ésos basados directo en el peso atómico del isótopo.
Ésos basados en las pequeñas diferencias en tarifas de la reacción química produjeron por diversos pesos atómicos.
Ésos basados en las características conectadas no no directo con el peso atómico, tal como resonancias nucleares.
El tercer tipo de separación es todavía experimental; las técnicas de separación prácticas todas dependen de cierta manera del Massachusetts atómico. Es por lo tanto generalmente más fácil separar los isótopos con una diferencia total relativa más grande. Por ejemplo el deuterio tiene dos veces la masa del hidrógeno (ligero) ordinario y es generalmente más fácil purificarla que separar el Uranium-235 más común Uranium-238 . En el otro extremo, la separación fisible Plutonium-239 de la impureza común plutonium-240, mientras que es deseable en que permitiría la creación del arma-tipo armas nucleares del plutonio, es comúnmente aceptada ser impráctica. el
l considera también: Uranio enriquecido
Cascadas del enriquecimiento
Todos los esquemas en grande de la separación de isótopo emplean un número de etapas similares que produzcan concentraciones sucesivamente más altas del isótopo deseado. Cada etapa enriquece el producto del paso anterior más lejos antes de ser enviado a la etapa siguiente. Semejantemente, los tizones de cada etapa se vuelven a la etapa anterior para la transformación posterior. Esto crea un sistema de enriquecimiento secuencial llamado una cascada .
Hay dos factores importantes que afectan al funcionamiento de una cascada. Primero está el factor de separación (la raíz cuadrada del cociente total de los dos isótopos), que es un número mayor de 1. En segundo lugar el número de etapas required para conseguir la pureza deseada.
Materiales comerciales
Hasta la fecha, la separación de isótopo comercial en grande de solamente tres elementos ha ocurrido. En cada caso, el más raro de los dos isótopos mas comunes de un elemento se ha concentrado para el uso en tecnología nuclear:
Los isótopos de uranio se han separado para preparar el uranio enriquecido para el uso como combustible del reactor nuclear y en las armas nucleares .
Los isótopos del hidrógeno se han separado para preparar el agua pesada para el uso como asesor en reactores nucleares.
El litio -6 se ha concentrado para el uso en las armas termonucleares .
La separación de isótopo es un proceso importante para la tecnología nuclear pacífica y militar, y por lo tanto la capacidad que una nación tiene para la separación de isótopo está de interés extremo a la área de inteligencia.
Alternativas
La única alternativa a la separación de isótopo es fabricar el isótopo required en su forma pura. Esto se puede hacer por la irradiación de una blanco conveniente, pero el cuidado se necesita en la selección de la blanco y otros factores para asegurarse de que solamente el isótopo required del elemento del interés esté producido. Los isótopos de otros elementos no son tan grandes un problema pues pueden ser quitados por medios químicos.
Esto es particularmente relevante en la preparación de alto grado Plutonium-239 para el uso en armas. No es práctico separar Pu-239 de Pu-240 o de Pu-241. El fisible Pu-239 es producido después de captura de neutrón por uranium-238, pero la captura de neutrón adicional producirá Pu-240 non-fissile y peor, después Pu-241 que sea un emisor bastante fuerte del neutrón. Por lo tanto, las blancos de uranio usadas para producir el plutonio militar se deben irradiar por solamente un breve periodo de tiempo, de reducir al mínimo la producción de estos isótopos indeseados. Inversamente, el plutonio de mezcla con Pu-241 hace inadecuado para las armas nucleares.
Métodos prácticos de separación
Difusión
Hecho a menudo con los gases, pero también con los líquidos, el método de la difusión confía en el hecho que en equilibrio termal, dos isótopos con la misma energía tendrá diversas velocidades medias. Los átomos más ligeros (o las moléculas que los contienen) viajarán más rápidamente y serán más probables difundir a través de una membrana. La diferencia en velocidades es proporcional a la raíz cuadrada del cociente total, así que la cantidad de separación es pequeña y muchas etapas conectadas en cascada son necesarias obtener pureza elevada. Este método es costoso debido al trabajo necesario para empujar el gas a través de una membrana y las muchas etapas necesaria.La primera separación en grande de isótopos de uranio fue alcanzada por el Estados Unidos en plantas grandes de la separación de difusión gaseosa en los laboratorios de la Oak Ridge, que fueron establecidos como parte del proyecto de Manhattan . Éstos utilizaron el gas de uranio del hexafluorudo como el líquido de proceso, ven la difusión gaseosa .
Efecto centrífugo
Los esquemas del efecto centrífugo giran rápido el material permitiendo que los isótopos más pesados vayan más cercano a una pared radial externa. Esto se hace también a menudo en forma gaseosa usar un Zippe-tipo centrifugadora .
La separación centrífuga de isótopos primero fue sugerida por Aston y Lindemann en 1919 pero las tentativas de utilizar la tecnología durante el proyecto de Manhattan eran improductivas y no hasta que 1936 eran los primeros experimentos acertados divulgados por Beams y Haynes en los isótopos de la clorina. En tiempos modernos es el método principal usado en el mundo entero para enriquecer el uranio y consecuentemente sigue siendo un proceso bastante reservado, obstaculizando una absorción más extensa de la tecnología. En general la alimentación del gas de UF6 está conectada con un cilindro que se gire en la velocidad. Cerca del borde externo de las moléculas más pesadas del gas del cilindro que contienen U-238 recoger mientras que en las moléculas del gas del centro que contienen el concentrado U-235 que entonces se alimentan a otra etapa de la cascada. El uso de la tecnología centrífuga gaseosa de enriquecer los isótopos es deseable pues el consumo de energía se reduce grandemente cuando está comparado a técnicas más convencionales tales como plantas de la difusión puesto que pocos pasos de la cascada se requieren para alcanzar grados de separación similares. De hecho, las centrifugadoras del gas usar el hexafluorudo de uranio han substituido en gran parte la tecnología gaseosa de la difusión para el enriquecimiento de uranio. Así como requerir menos energía alcanzar la misma separación, las plantas de una escala lejos más pequeña son posibles, haciéndoles una posibilidad económica de una pequeña nación que intenta producir un arma nuclear . Paquistán se cree haber utilizado este método en desarrollar sus armas nucleares.
Los tubos de vórtice fueron utilizados por el Suráfrica en su proceso de la separación del vórtice de Helikon. El gas se inyecta tangencial en un compartimiento con la geometría especial que aumentos posteriores su rotación mismo a una alta tasa, haciendo los isótopos separarse. El método es simple porque los tubos de vórtice no tienen ninguna pieza móvil, pero intensivo en energía, cerca de 50 veces mayor que centrifugadoras del gas. Un proceso similar, conocido como inyector de jet del, fue creado en Alemania, con una instalación de demostración construida en el Brasil, y fueron hasta desarrollar un sitio para aprovisionar de combustible las centrales nucleares del país.
¡Electromagnetic
Este método es una forma de la espectrometría total, y es referido a veces por ese nombre. Utiliza el hecho de que las partículas cargadas están desviadas en un campo magnético y la cantidad de desviación depende del Massachusetts de la partícula. Es muy costoso para la cantidad producida, pues tiene extremadamente - el rendimiento de procesamiento bajo, pero él puede permitir que las purezas muy elevadas sean alcanzadas. Este método es de uso frecuente para procesar pequeñas cantidades de isótopos puros para la investigación o el uso específico (tal como trazalíneas isotópicos, pero es impráctico para el uso industrial.En el la Oak Ridge y en la Universidad de California, Berkeley, Ernesto O. Lorenzo desarrolló la separación electromágnetica para mucho del uranio usado en la primera bomba atómica de Estados Unidos (véase el proyecto de Manhattan ). Los dispositivos usar su principio se nombran los calutrones después de que la guerra el método fuera abandonada en gran parte como impráctica. Había sido emprendida solamente (junto con la difusión y otras tecnologías) para garantizar allí sería bastante material para el uso, lo que el coste. Su contribución eventual principal al esfuerzo de la guerra era concentrar más lejos el material de las plantas gaseosas de la difusión incluso a niveles más altos de pureza.
Laser
En este método un laser se templa a una longitud de onda que excite solamente un isótopo del material e ionice esos átomos preferencial. La absorción resonante de la luz para un isótopo es dependiente sobre sus interacciones hiperfinas de la masa y de cierto entre los electrones y el núcleo, permitiendo que los lasers finalmente templados obren recíprocamente solamente con un isótopo. Después de que se ionice el átomo puede ser quitado de la muestra aplicando un campo eléctrico . Este método se abrevia a menudo como AVLIS (separación de isótopo atómica del laser del vapor). Este método se ha desarrollado solamente recientemente como la tecnología láser ha mejorado, y no se utiliza actual extensivamente. Sin embargo, es una preocupación importante a ésos en el campo de la proliferación nuclear porque puede ser más barato y ocultado más fácilmente que otros métodos de separación de isótopo.Un segundo método de separación del laser se conoce como MLIS, separación de isótopo molecular del laser. En este método, un laser infrarrojo se dirige en el gas de uranio del hexafluorudo, las moléculas emocionantes que contienen un átomo U-235 . Un segundo laser libera un átomo del flúor, saliendo del pentafluorudo de uranio que entonces se precipita fuera del gas. La conexión en cascada de las etapas del MLIS es más difícil que con otros métodos porque el UF5 se debe refluorinated (de nuevo a UF6) antes de ser introducida en la etapa siguiente del MLIS. Los esquemas alternativos del MLIS se están desarrollando actual (usar un primer laser en la región del infrarrojo cercano o visible) donde un enriquecimiento de sobre el 95% se puede obtener en una sola etapa, pero los métodos no tienen (todavía) viabilidad industrial alcanzada. Este método se llama OP-IRMPD (Pre-excitación de la insinuación - disociación múltiple del fotón del IR).
Finalmente, el proceso del SÍLICE, desarrollado por los sistemas del sílice en Australia, se ha autorizado recientemente a General Electric para el desarrollo de una planta de enriquecimiento experimental. El método utiliza el hexafluorudo de uranio como materia de base, y los imanes de las aplicaciones para separar los isótopos después de que un isótopo se ionice preferencial. Otros detalles del proceso son desconocidos.
Métodos químicos
Aunque los isótopos de un solo elemento se describan normalmente como teniendo las mismas características químicas, éste no es terminantemente verdad. Particularmente, las tarifas de la reacción son muy levemente afectadas por Massachusetts atómico.
Las técnicas usar esto son las más eficaces para los átomos ligeros tales como hidrógeno. Isótopos más ligeros tienden a reaccionar o el evapora más rápidamente que los isótopos pesados, permitiendo que sean separados. Éste es cómo el agua pesada se produce comercialmente, ve el sulfuro de Girdler procesar para los detalles. Isótopos más ligeros también desasocian más rápido bajo campo eléctrico. Este proceso en una cascada grande fue utilizado en la instalación de producción del agua pesada en el Rjukan .
Un candidato al efecto isotópico cinético más grande midió nunca en la temperatura ambiente, 305, puede ser utilizado eventual para la separación del tritio (t). Los efectos para la oxidación de aniones triated del formiato a HTO fueron medidos como:
| k (HCO2-) = 9.54 M-1s-1 | k (H)/k (D) = 38
|
| k (DCO2-) = 9.54 M-1s-1 | k (D)/k (T) = 8.1
|
| k (TCO2-) = 9.54 M-1s-1 | k (H)/k (T) = 305 |
Gravedad
Los isótopos del carbón, del oxígeno, y del nitrógeno pueden ser purificados enfriando estos gases o compuestos casi a su temperatura del liquification en columnas muy altas (200 a 700 pies de alto). Los isótopos más pesados se hunden y los isótopos más ligeros se levantan, donde se recogen fácilmente. El proceso fue desarrollado en el finales de los sesenta por los científicos en el laboratorio nacional de Los Alamos. Este proceso también se llama " distillation" criogénico;.
El SWU (unidad de trabajo separativo)
La unidad de trabajo separativo del (SWU) es una unidad compleja que es una función de la cantidad de uranio procesada y el grado a el cual se enriquece, IE del el grado del aumento en la concentración del isótopo U-235 concerniente al resto.
La unidad está terminantemente: La unidad de trabajo separativo del kilogramo del, y ella mide la cantidad de trabajo separativo (indicativo de la energía usada en el enriquecimiento) cuando las cantidades de la alimentación y del producto se expresan en kilogramos. El esfuerzo expendido en la separación de un total F de la alimentación del xf análisis en un total P del xp del análisis del producto y de la pérdida del total W y de xw análisis se expresa en términos de número de unidades de trabajo separativo necesarias, dado por la expresión SWU = el WV (xw del ) + el picovoltio (xp ) - FV (xf ), donde está el " el V ( x ); función de valor, " definido como V ( x ) = (1 - 2 x ) ln ((1 -)/ x del x ).
El trabajo separativo se expresa en SWUs, el interruptor del kilogramo, o el kilogramo de UTA (del alemán Urantrennarbeit )
1 SWU = 1 kilogramo interruptor = 1 kilogramo de UTA
1 kSWU = 1.0 t interruptor = 1 t UTA
1 MSWU = 1 kt interruptor = 1 kt UTA
Si, por ejemplo, usted comienza con 100 kilogramos (220 libras) de uranio natural, toma cerca de 60 SWU para producir 10 kilogramos (22 libras) de uranio enriquecidas en el contenido U-235 a 4.5%
Separadores del isótopo para la investigación
Las vigas radiactivas de isótopos específicos son ampliamente utilizadas en los campos de la física experimental, de la biología y de la ciencia material. La producción y la formación de estos átomos radiactivos en un haz iónico para el estudio es un campo entero de la investigación realizado en muchos laboratorios en el mundo entero. El primer separador del isótopo fue desarrollado en el ciclotrón de Copenhague por Bohr y los compañeros de trabajo que usaban el principio de separación electromágnetica. Hoy, hay muchos laboratorios en todo el mundo que suministran las vigas de iones radiactivos para el uso. El separador en línea del isótopo del del principio (ISOL) es discutible ISOLDA en la CERN, que es una facilidad europea común separada a través de la frontera del Franco-Suizo cerca de la ciudad de Ginebra. Este laboratorio utiliza principalmente el desconchado del protón de las blancos de uranio del carburo para producir una amplia gama de los fragmentos de fisión radiactivos que no se encuentran naturalmente en la tierra. Durante el desconchado (bombardeo con los protones de la alta energía), una blanco de uranio del carburo se calienta a vario mil grados para lanzar los átomos radiactivos producidos en la reacción nuclear. Una vez de la blanco, el vapor de átomos radiactivos viaja a una cavidad del ionizer. Esta cavidad del ionizer es un tubo fino hecho de un metal bajo de la función de trabajo teniendo en cuenta colisiones con las paredes liberar un solo electrón de un átomo libre. Una vez que están ionizadas, las especies radiactivas son aceleradas por un campo electrostático e inyectadas en un separador electromágnetico. Pues los iones que entran en el separador están de energía approxiamtely igual, esos iones con una masa más pequeña serán desviados por el campo magnético por una mayor cantidad que ésos con un Massachusetts más pesado. Este radio de curvatura de diferenciación permite para que la purificación isobárica ocurra. Una vez que está purificada isobarically, la viga de ion entonces se envía a los experimentos individuales. Para aumentar la pureza de la viga isobárica, la ionización del laser puede ocurrir dentro de la cavidad del ionizer para ionizar selectivamente una sola cadena del elemento del interés. En la CERN, este dispositivo se llama la fuente de ion del laser de la ionización de la resonancia (RILIS). Actual sobre el 60% de todos los experimentos optar utilizar el RILIS para aumentar la pureza de vigas radiactivas.
Capacidad de la producción de la viga de las instalaciones del aislador
Como la producción de átomos radiactivos por el aislador la técnica depende de la química libre del átomo del elemento que se estudiará, allí es ciertas vigas que no se pueden producir por el bombardeo de protón simple de las blancos gruesas de la actinida. Los metales refractarios tales como tungsteno y renio no emergen de la blanco incluso en las temperaturas altas debido a su presión de vapor baja. Para producir estos tipos de vigas, una blanco fina se requiere. El separador del isótopo de la guía del ion del en la línea (IGISOL) técnica de fue desarrollado en 1981 en la universidad del laboratorio del ciclotrón de Jyvaskyla en el Finlandia . En esta técnica, una blanco de uranio fina se bombardea con los protones y los productos de la reacción nuclear retroceden fuera de la blanco en un estado cargado. Los retrocesos se paran en una célula de gas y después salen a través de un pequeño agujero en el lado de la célula donde se aceleran electrostático y se inyectan en un separador total. Este método de producción y de extracción ocurre en un calendario más corto comparado a la técnica estándar del aislador y los isótopos con los períodos cortos (milisegundo secundario) se pueden estudiar usar un IGISOL. Un IGISOL también se ha combinado con una fuente de ion del laser en el separador del isótopo de Lovaina en línea (LISOL) en Bélgica. Las fuentes finas de la blanco proporcionan generalmente cantidades perceptiblemente más bajas de iones radiactivos que apuntan densamente fuentes y ésta es su desventaja principal.
Mientras que progresa la física nuclear experimental, está llegando a ser cada vez más importante estudiar el más exótico de núcleos radiactivos. Para hacer así pues, técnicas más inventivas se requieren para crear núcleos con cocientes extremos del protón/neutrón. La técnica más prometedora hasta la fecha está usando blancos múltiples. Primero produciendo una viga radiactiva por un método del aislador y en seguida reaccellerating la para hacer que golpea una blanco fina secundaria, los núcleos muy exóticos pueden ser producidos. El laboratorio superconductor nacional (NSCL) del ciclotrón en la universidad de estado de Michigan es un buen ejemplo de tal facilidad. Cuanto más alta es la energía de la interacción, más exótico el núcleo produjo generalmente. Entonces llega a ser necesario poder reducir estos núcleos una vez que se han producido. Los pioneros en el japonés RIKEN de la facilidad eran los primeros para utilizar un colector gigante del gas y campos eléctricos nuevos para hacer el, que se está convirtiendo en la técnica estándar.
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