Способ обогащения изотопов селена

Изобретение относится к области разделения изотопов, а более конкретно к технологии разделения стабильных изотопов газовым центрифугированием. Согласно способу обогащение изотопов селена осуществляют газовым центрифугированием летучего химического соединения селена, в качестве которого на газовое центрифугирование подают летучее соединение селена, не содержащее атомов фтора, такое как селеноводород (H₂Se) или селенофен (C₄H₄Se) или диметилселен (Se(СН₃)₂). Технический результат: повышение чистоты получаемого изотопного селена за счет исключения фторсодержащих компонентов при одновременном повышении безопасности процесса. 3 з.п. ф-лы, 1 табл.

 

Изобретение относится к области разделения изотопов, а более конкретно к технологии разделения стабильных изотопов газовым центрифугированием. Изотопы селена используют в различных областях. В частности, легкий изотоп селен-74 используют для получения радиоизотопа селен-75, применяемого в дефектоскопии. Сслен-76 используют в физических экспериментах по изучению свойств нейтрино.

Известный и используемый процесс газового центрифугирования в промышленных масштабах был разработан для разделения изотопов урана (см., например, "Обогащение урана", ред. С.Виллани, Энергоатомиздат, М., 1983). Для осуществления разделения летучее соединение элемента подают в быстро вращающийся ротор и более тяжелые молекулы, включающие более тяжелые изотопы, концентрируются на периферии, благодаря чему достигается разделительный эффект (см., например, М.Шемля, Ж.Перье "Разделение изотопов", М., Атомиздат, 1980). Для достижения эффекта разделения в газовой фазе, применяются специальные высокоскоростные центрифуги, чьи скорости вращения многократно превосходят другие аналоги.

Помимо разделения изотопов урана центробежную технологию развили в приложении к разделению стабильных изотопов других химических элементов - железа, вольфрама, ксенона, серы, молибдена и др. («Атомная энергия», том 67, №4, окт. 1989, стр.255). Главным условием применимости метода является наличие у элемента летучего химического соединения с достаточной упругостью паров. Как и для урана, существуют летучие гексафториды молибдена, селена, вольфрама и др.

Изотопия элемента характеризуется массой имеющихся стабильных изотопов и их содержанием в природной смеси. Масса изотопов измеряется в атомных единицах массы [а.е.м.]. У селена существует шесть стабильных (не радиоактивных) изотопа и нижеприведенная таблица показывает их природную изотопию (И.П.Селинов "Изотопы", Справочник, М., Наука, 1970).

масса изотопа [а.е.м.]	74	76	77	78	80	82
содержание [%]	0,87	9,02	7,58	23,52	49,82	9,19

Распространенность изотопов различна, поэтому для каждого изотопа своя трудоемкость их обогащения.

Известен процесс получения изотопов селена, в котором используется гексафторид селена. Способ получения обогащенных изотопов селена включает в себя подачу в разделительную установку с газовыми центрифугами летучего химического соединения селена - гексафторида селена (см. Афанасьев В.Г. и др. "Комплексная газофторидная технология получения изотопов селена", доклад на 4-й научной конференции "Физико-химические процессы при селекции атомов и молекул", г.Звенигород, 4-8 октября 1999 года). Данное рабочее вещество хорошо тем, что помимо его летучести, фтор имеет один стабильный изотоп и его наличие не мешает разделению изотопов основного элемента - селена. Указанный способ выбран в качестве прототипа.

Недостатком способа получения обогащенных изотопов селена по прототипу является использование гексафторида селена - химически крайне активного фторосодержащего вещества, пары которого обладают атмосферным давлением уже при -46°С. Для использования в нормальных условиях гексафторид селена требует баллонов высокого давления и соблюдения соответствующих правил обращения. Синтез этого соединения осуществляется посредством специализированных технологий химии фтора.

Другим недостатком прототипа является фторирование не только селена, но и примесей, содержащихся в исходном селене, которые затем препятствуют достижению нужной химической чистоты получаемого изотопа селена. Таким образом, прототип требует технологий фтористых соединений, которые являются связующим звеном между центробежным разделением и заинтересованными в изотопах селена приложениями.

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является расширение сырьевой базы, повышение чистоты получаемого изотопного селена за счет исключения фторсодержащих компонент при одновременном повышении безопасности процесса.

Для решения поставленной задачи в способе обогащения изотопов селена газовым центрифугированием летучего химического соединения селена, в качестве летучего химического соединения селена на газовое центрифугирование подают летучее соединение селена, не содержащее атомов фтора. В качестве летучего соединения селена на газовое центрифугирование подают селеноводород (Н₂Se). В качестве летучего соединения селена на газовое центрифугирование подают селенофен (С₄Н₄Se). В качестве летучего соединения селена на газовое центрифугирование подают диметилселен (Se(СН₃)₂).

Данные соединения хорошо изучены. Давление паров 760 мм рт.ст. для селеноводорода достигается при -41°С. Диметилселен при комнатной температуре имеет давление паров менее атмосферы, а селенофен - 40 мм рт.ст. Это вполне достаточная летучесть для использования названных веществ в центробежном процессе обогащения.

Пары не содержащих фтор рабочих веществ подают в разделительную установку с газовыми центрифугами, где происходит разделение изотопов селена. Обращение с соединениями, не содержащими фтор, позволяет использовать устройства и коммуникации, предназначенные на более низкие рабочие давления, мягче требования техники безопасности. Примеры реализации способа.

Пример 1. Для обогащения изотопов селена используют исходное рабочее вещество - селеноводород (H₂Se), полученный известными в неорганических химических технологиях методами, который подают в газовой фазе на установку с центрифугами. При перемещении по разделительной установке осуществляется центробежное разделение селеноводорода на две фракции. Легкая фракция обогащается по изотопу селен-74 и собирается на выходе из разделительной установки. В тяжелой фракции - отвале, содержание селена-74 уменьшено. Степень обогащения легкой фракции по изотопу селена-74 может быть различной, и определяется требованиями потребителей к материалу и экономическими показателями.

Пример 2. Для обогащения изотопов селена используют исходное рабочее вещество - селенофен (C₄H₄Se), который получают известными в технологиях металлоорганических соединений методами. Селенофен подают в газовой фазе на центрифугирование. При прохождении газа сквозь разделительную установку осуществляется центробежное разделение селенофена на две фракции. Если целевым изотопом выбран селен-82, то тяжелая фракция обогащается по изотопу селен-82 и собирается на выходе из разделительной установки.

Пример 3. Для обогащения изотопов селена используют исходное рабочее вещество - диметилселен (Se(СН₃)₂), который получают известными в технологиях металлоорганических соединений методами. Диметилселен подают в газовой фазе на центрифугирование. При прохождении газа сквозь разделительную установку осуществляется центробежное разделение диметилселена на две фракции. Если целевым изотопом является селен-82, то тяжелая фракция диметилселена обогащается по изотопу селен-82 и собирается на выходе из разделительной установки.

Осуществимость технического решения вытекает из разработанности и практического действия различных методов разделения изотопов как урана, так и всех стабильных изотопов (см., например, сборник "Изотопы в СССР", Москва, Атомиздат, 1980). Воспроизводимость результата определяется высоким достигнутым уровнем анализа изотопного состава элементов известными методами масс-спектрометрии.

Техническое решение по данному предложению имеет наибольшую значимость при необходимости крупномасштабного получения самого тяжелого или самого легкого изотопа селена для использования в технике и физике.

1. Способ обогащения изотопов селена газовым центрифугированием летучего химического соединения селена, отличающийся тем, что в качестве летучего химического соединения селена на газовое центрифугирование подают соединение селена, не содержащее атомов фтора.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве летучего соединения селена на газовое центрифугирование подают селеноводород (H₂Se).

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве летучего соединения селена на газовое центрифугирование подают селенофен (C₄H₄Se).

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве летучего соединения селена на газовое центрифугирование подают диметилселен (Se(СН₃)₂).