Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКООБОГАЩЕННЫХ ИЗОТОПОВ ВАНАДИЯ

Изобретение относится к разделению стабильных изотопов элементов и может быть использовано для получения высокообогащенных стабильных изотопов ванадия.

Ванадий, элемент 5-й группы таблицы Д.И. Менделеева, имеет 2 стабильных изотопа с молекулярными массами 50 и 51; концентрации в природном ванадии этих изотопов составляют 0,24 и 99,76% соответственно. Изотоп ванадий-50 представляет интерес для проведения физических исследований.

Известно использование для обогащения изотопов двухфазных физико-химических методов разделения в аппаратах колонного типа (изотопный обмен, криогенная дистилляция).

Этот класс методов разделения изотопов основан на различии для разных изотопов разделяемого элемента характеристик физико-химических процессов для соединений, содержащих разделяемые элементы (1). Эти методы требуют поиска не только соответствующих химических соединений, но прежде всего подходящих химических реакций или физических процессов. Как правило это удается только для случая разделения легких элементов (водород, азот, кислород, углерод, бор и т.п.), а разделительный эффект процесса достаточно слабо связан с молекулярными массами изотопов элемента. Кроме того, применение аппаратов колонного типа связано с требованием участия в процессе большого количества вещества и эффективно только при большой производительности установки.

Известен также и широко используется для получения стабильных изотопов различных элементов метод электромагнитной сепарации (2). В этом методе атомы разделяемого на изотопы элемента ионизируются электронным пучком и в электростатическом поле, затем ионизированный пучок поступает в разделительную установку. В установке в плоскости, перпендикулярной плоскости движения пучка ионов, создается поперечное электромагнитное поле. При движении заряженной частицы в таком поле перпендикулярно направлению ее полета на нее действует сила, пропорциональная отношению μ/е, где μ - молекулярная масса иона с зарядом е. Поэтому появляется физический эффект пространственного разделения ионов элемента с разной молекулярной массой и, соответственно, 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. Этот метод является наиболее универсальным и принципиально непригоден только для разделения изотопов инертных газов в связи с проблемой селективного улавливания разделенных фракций.

Недостатком этого способа разделения ванадия является то, что разделительный эффект, полученный при однократном пропускании через установку молекулярного пучка, не позволяет получать концентрации изотопа Ванадий-50 выше 40-45%. С другой стороны, из-за сравнительно малых количеств элемента, с которыми могут работать установки электромагнитной сепарации (допустимая плотность пучка ионов в вакууме ограничена), получаемые количества изотопа Ванадий-50 малы (миллиграммы - сотни миллиграмм) и не могут быть использованы в циклах повторного разделения.

Технической задачей изобретения является получение высокообогащенного изотопа Ванадий-50.

Техническое решение задачи заключается в использовании метода центрифугирования для разделения изотопов ванадия, причем в качестве рабочего вещества используется хлорсодержащее соединение ванадия - оксихлорид ванадия, для синтеза которого могут быть применены соединения, в которых вместо хлора с природным распределением изотопов хлора-35 и хлора-37 использован изотоп хлора-35 с концентрацией не ниже 85%.

Эти и другие особенности данного изобретения поясняются чертежами, где:

фиг.1 - принципиальная схема каскада;

фиг.2 - схема центрифуги;

фиг.3 - график распределения целевого изотопа ванадия;

фиг.4 - график выбора режима работы каскадной установки.

Центробежный метод разделения изотопов осуществляется на каскаде, который состоит из последовательно соединенных разделительных ступеней 1, между которыми находятся устройства контроля и регулирования 2. Ступень каскада представляет собой параллельно соединенные газовые центрифуги, каждая из которых содержит неподвижный корпус 3, установленный в нем быстровращающийся ротор 4, в котором происходит противоточное движение газа, верхний опорный узел 5, нижний опорный узел 6, отборную трубку 7 тяжелой фракции, отборную трубку 8 легкой фракции. Ротор 4 приводится во вращение электродвигателем 9.

Способ получения высокообогащенного изотопа Ванадий-50 осуществляется следующим образом.

Принцип работы газовой центрифуги заключается в разделении газовой смеси в центробежном поле быстровращающегося ротора 4 и в умножении этого эффекта по высоте ротора. При этом разделительный эффект, как и для случая электромагнитной сепарации, определяется разностью молекулярных масс μ компонент разделяемой смеси. Для разделения стабильных изотопов используются специально разработанные газовые центрифуги.

Умножение эффекта разделения достигается каскадированием (последовательным соединением) газовых центрифуг. Длина каскада (количество ступеней) определяется необходимой степенью концентрирования изотопов. Ширина каскада (количество центрифуг в ступенях) определяет количество производимого изотопа.

Получение высоких концентраций изотопа Ванадий-50 в поставленной задаче решается при обогащении газообразного соединения ванадия в газовой центрифуге. В качестве соединений ванадия, имеющих давление газа более 5-10 мм рт.ст. при комнатной температуре, могут быть использованы VF₅, VOF₃, VOCl₃, VCl₅. По условиям термической и химической стабильности соединения наиболее предпочтительным является использование соединения VOCl₃ (оксихлорид ванадия).

Способы его синтеза могут быть различными, например /3/ по реакции

Все элементы, входящие в соединение, имеют более одного изотопа (хлор - 2 изотопа, кислород - 3 изотопа), поэтому оксихлорид ванадия имеет 10 компонент с молекулярными массами от 171 до 180. При этом каждый из изотопов ванадия распределен в нескольких компонентах соединения с разными массами, но в компоненту с молекулярной массой 171 входит только изотоп Ванадий-50, поэтому при выделении данной компоненты возможно получение его концентрации до 100%.

При использовании для получения высокообогащенного изотопа V-50 в качестве рабочего газа VОСl₃, синтезированного из соединений хлора и кислорода с природным распределением изотопов элементов О, С1, в компоненте рабочего газа с молекулярной массой 171 можно выделить не более 43% изотопа Ванадий-50 из всего количества, содержащегося в соединении, см. таблицу. В этой же таблице для изотопа V-50 приведено его распределение по различным компонентам VОСl₃ (массовая доля из общего количества V-50, содержащегося в природном сырье). Учитывая малую концентрацию этого изотопа в природе - 2,4 г на 1 кг природного ванадия, для получения каждого 1 г высококонцентрированного изотопа V-50 необходимо переработать на разделительной установке не менее 4 кг рабочего газа.

Для более полного извлечения изотопа V-50 из природного сырья, как вариант, предлагается использовать в синтезе рабочего газа хлорсодержащие соединения с повышенным по сравнению с природной концентрацией содержанием изотопа Сl-35. На графике фиг.3 приведена зависимость доли изотопа V-50 от общего количества этого изотопа в природном сырье, содержащейся в компоненте VOCl₃ с молекулярной массой 171, от концентрации изотопа Сl-35, использованного при синтезе рабочего газа. Природное содержание изотопа Cl-35 составляет ~75%, поэтому общее количество работы разделения, необходимое для получения 1 г изотопа Cl-35 с концентрацией 85-90%, в сотни раз меньше, чем для изотопа Ванадий-50. Соответственно, стоимость этого изотопа при обогащении 85-90% также в сотни раз меньше, чем стоимость высокообогащенного изотопа V-50. Способы получения изотопа Cl-35 с такими концентрациями известны (например, двухфазный физико-химический метод разделения в аппаратах колонного типа, центробежный) и широко используются в изотопной промышленности.

Полученный VOCl₃ в форме газа подается в каскад газовых центрифуг, настраивается режим работы каскада с характерным отношением отборов Wл/Wт~0.001, и происходит разделение исходного газа на две фракции - легкую фракцию, содержащую преимущественно компоненту с молекулярной массой 171 и следы компоненты с молекулярной массой 172, и тяжелую фракцию, в которой компонента с молекулярной массой 171 практически отсутствует (ее концентрация обычно менее 0,01%). Для каскада с заданным количеством разделительных ступеней и количеством газовых центрифуг в ступени повышение концентрации молекулярной массы 171 в отборе Wл осуществлялось уменьшением потока питания каскада F и выбором точки его подачи в каскад C_S.

Далее собранный отбор VOCl₃ с легкой фракции каскада с повышенным содержанием изотопа Ванадий-50 поступает на химический передел в форму, допускающую длительное хранение и перевозку заказчику, например оксид ванадия-50 - ⁵⁰V₂O₅.

Синтезированный из ванадия природного состава изотопов рабочий газ - оксихлорид ванадия VOCl₃ подается в каскад газовых центрифуг в ступень C_S. Отбор фракции, обогащенной легкими компонентами VOCl₃, производится из ступени C₁, величина потока отбора легкой фракции - Wл.

Отбор фракции, обогащенной тяжелыми компонентами VOCl₃, производится из ступени С_K, величина потока отбора - Wт.

Подбирая длину каскада, отношение потоков отбора фракций Wл/Wт и величину потока питания каскада F=Wл+Wт, можно обеспечить получение наиболее легкой компоненты VOCl₃ с молекулярной массой 171 с концентрацией вплоть до 100%. В этой компоненте газовой смеси содержатся только изотопы ванадий-50, хлор-35 и кислород-16. Поэтому концентрация изотопа ванадий-50 после химической переработки полученного отбора легкой фракции каскада VОCl₃ в товарную форму хранения и поставки изотопа Ванадий-50 будет равна концентрации компоненты с молекулярной массой 171 в отборе Wл каскада.

В ходе проведения цикла центробежного разделения при получении высокообогащенного изотопа V-50 из VO³⁵Cl₃, настраивается режим работы каскада с величиной отношения отборов каскада Wл/Wт в соответствии с данными графика рис.3б. При использовании в VO³⁵Сl₃ изотопа хлор-35 с концентрацией более 85% из всего количества изотопа Ванадий-50, содержащегося в природном сырье, может быть получено более 60% высококонцентрированного изотопа V-50 с концентрацией более 85%.

Центробежный метод разделения изотопов имеет существенные преимущества по коэффициенту обогащения, который зависит только от разности молекулярных масс изотопов, по количеству исходного вещества, которое должно участвовать в процессе разделения и является более универсальным, поскольку требует только наличия подходящего газообразного соединения разделяемого элемента. Преимущества центробежного метода - в энергоемкости, существенно большей производительности установок и в возможности умножения эффекта разделения на одиночной газовой центрифуге.

Техническим результатом применения предложенной технологии явилось получение образцов изотопа ⁵⁰V с концентрацией 94,37 и 98,4%.

Список литературы

1. Изотопы: свойства, получение, применение/ Под ред. В.Ю.Баранова. - М.: ИздАТ, 2000, с. 167.

2. Там же, с. 220.

3. Химия редких и рассеянных элементов. Т.2/ Под ред. Большакова К.А. - М.: Высшая школа, 1969, с. 482-499.