Способ разделения изотопов германия

Авторы патента:

Арефьев Дмитрий Геннадьевич (RU)

Филимонов Сергей Васильевич (RU)

Буланов Андрей Дмитриевич (RU)

Елисеев Евгений Викторович (RU)

Долгов Сергей Геннадьевич (RU)

Чурбанов Михаил Федорович (RU)

Васин Сергей Александрович (RU)

Зырянов Сергей Михайлович (RU)

Луцкий Владимир Алексеевич (RU)

B01D59/20 - центрифугированием

Владельцы патента RU 2412747:

Открытое акционерное общество "Производственное объединение "Электрохимический завод" (ОАО "ПО ЭХЗ") (RU)
Учреждение Российской академии наук Институт химии высокочистых веществ РАН (ИХВВ РАН) (RU)

Изобретение относится к области разделения стабильных изотопов и может быть использовано в полупроводниковой технике. Способ разделения изотопов германия газовым центрифугированием летучего химического соединения германия заключается в том, что на газовое центрифугирование в качестве летучего химического соединения германия подают моногерман (GeH₄) и извлекают это соединение, обогащенное по целевому изотопу германия до требуемой величины. Изобретение обеспечивает повышение производительности разделительной установки и коэффициент извлечения целевого изотопа, упрощение схемы получения элементарного германия, повышение безопасности производства и снижение стоимости конечного продукта. 2 табл.

Изобретение относится к области разделения стабильных изотопов и касается разработки технологии разделения стабильных изотопов германия газовым центрифугированием и может быть использовано в полупроводниковой технике для создания высокочувствительных детекторов, фотоприемников и других полупроводниковых приборов и материалов.

Известный и используемый процесс газового центрифугирования в промышленных масштабах был разработан для разделения изотопов урана. Позднее, помимо разделения изотопов урана, центрифужную технологию развили в приложении к разделению стабильных изотопов других химических элементов - железа, вольфрама, ксенона, серы, молибдена и др. Главным условием применимости метода является наличие у элемента летучего химического соединения с достаточной упругостью паров. Принцип работы газовой центрифуги заключается в разделении газовой смеси в центробежном поле быстровращающегося ротора и в умножении этого эффекта по высоте ротора. При этом разделительный эффект определяется разностью молекулярных масс компонент разделяемой смеси. Для разделения стабильных изотопов используются специально разработанные газовые центрифуги (см. Изотопы: свойства, получение, применение. / Под ред. В.Ю.Баранова. - М.: ИздАТ, 2000. 704 с).

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.

Известен способ обогащения изотопов германия, включающий подачу летучего соединения германия, в качестве которого используют тетрафторид германия, в разделительную установку с газовым центрифугированием. Использование фторидов для разделения изотопов - общепринятая практика в центрифугировании (см. Изотопы: свойства, получение, применение. / Под ред. В.Ю.Баранова. - М.: ИздАТ, 2000. 704 с).

Недостатком способа является то, что тетрафторид германия является крайне химически активным фторсодержащим веществом. В результате взаимодействия тетрафторида германия с конструкционными материалами разделительного оборудования и парами воды, поступающими в разделительные каскады газовых центрифуг, вследствие их неабсолютной герметичности коэффициент извлечения целевого изотопа на каждом этапе обогащения не превышает в среднем 95%. Кроме того, при переводе обогащенного тетрафторида германия в нелетучие формы, а именно в двуокись германия, и восстановление двуокиси германия до элементарного германия в водороде при температуре 600-700°С требуется специализированное оборудование и персонал.

Известен способ обогащения изотопов германия, включающий подачу летучего соединения германия, в качестве которого используют тетрахлорид германия, в разделительную установку с газовым центрифугированием (см. патент на изобретение РФ №2152349 Cl).

Недостатком этого способа является наличие в тетрахлориде германия так называемых изотопных перекрытий вследствие того, что хлор не является моноизотопным и имеет два стабильных изотопа ³⁵Cl, ³⁷Cl. Это при разделении изотопов на газовых центрифугах обуславливает, во-первых, низкий коэффициент извлечения целевого изотопа, во-вторых, предельную величину обогащения изотопов ⁷²Ge, ⁷⁴Ge - 50,8% и 63%, соответственно. Это видно из таблицы 1, где приведено распределение молекулярных масс в тетрахлориде германия и изотопов германия по молекулярным массам.

Таблица 1
Распределение молекулярных масс в тетрахлориде германия и изотопов германия по молекулярным массам
Мол. масса, а.е.м.	210	212	213	214	215	216	217	218	219	220	221	222	224
С,%	6,68	17,58	2,53	27,66	3,27	24,46	1,59	12,05	0,34	3,31	0,03	0,47	0,03
Доля ⁷⁰Ge, %	100	49,2	0	15,2	0	3,7	0	0,6	0	0	0	0	0
Доля ⁷²Ge, %	0	50,8	0	41,8	0	23	0	10,1	0	3	0	0	0
Доля ⁷³Ge, %	0	0	100	0	100	0	100	0	100	0	100	0	0
Доля ⁷⁴Ge, %	0	0	0	43	0	63	0	62,2	0	48,9	0	27,6	0
Доля ⁷⁶Ge, %	0	0	0	0	0	10,3	0	27,2	0	48,1	0	72,4	100
Примечания: 1. Природный изотопный состав хлора: ³⁵Cl - 75,77% ат, ³⁷Cl - 24,33% ат. 2. Природный изотопный состав германия: ⁷⁰Ge - 20,5% ат, ⁷²Ge - 27,4% ат, ⁷³Ge - 7,8% ат, ⁷⁴Ge - 36,55% ат, ⁷⁶Ge - 7,8% ат.

С целью повышения содержания целевого изотопа германия и коэффициента его извлечения можно при получении исходного тетрахлорида германия использовать концентрированную соляную кислоту с изотопно-обогащенным хлором, но это значительно повысит стоимость конечного продукта.

Известен способ обогащения изотопов германия, в котором сначала осуществляют газовое центрифугирование тетрахлорида германия, а затем переводят тетрахлорид в другое летучее соединение, не обладающее другой изотопией, кроме германия (фторид), или с малым мешающим влиянием изотопии водорода (герман). (см. патент на изобретение РФ №2270715 С1). Упомянутый способ выбран в качестве прототипа.

Недостатком прототипа является необходимость дополнительных операций по переводу тетрахлорида германия в другое летучее соединение (тетрафторид германия или герман) и по повторному обогащению полученного летучего соединения с целью повышения степени обогащения целевого изотопа до требуемой величины, что значительно повышает стоимость конечного продукта.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, являются повышение производительности разделительной установки по целевому изотопу и коэффициента извлечения целевого изотопа, упрощение схемы получения элементарного изотопно-обогащенного германия, повышение безопасности производства и снижение стоимости конечного продукта.

Эта задача решается за счет того, что в способе получения изотопов германия газовым центрифугированием летучего химического соединения германия, согласно изобретению, в качестве летучего соединения германия на газовое центрифугирование подают моногерман (GeH₄) и извлекают это соединение, обогащенное по целевому изотопу германия до требуемой величины.

Обогащенный по целевому изотопу германия моногерман может быть направлен на выделение из него элементарного германия известными методами.

Водород практически моноизотопен (содержание изотопа Н в природном водороде составляет 99,985% ат), поэтому его наличие не мешает разделению изотопов германия. Для моногермана разработана и применяется более простая технология получения высокочистого элементарного германия - термическое разложение. Именно по этой технологии получен германий с самым низким содержанием примесей (см. Девятых Г.Г., Карпов Ю.А., Осипова Л.И. Выставка-коллекция веществ особой чистоты. - М.: Наука, 2003. 236 с.).

Процентное содержание германия в одном и том же количестве вещества в моногермане значительно выше, чем в тетрафториде и тетрахлориде германия: 95% против 49% и 34%, соответственно. Это при работе разделительной установки на моногермане обеспечивает ее более высокую производительность по целевому изотопу, чем при работе на тетрафториде или тетрахлориде германия.

Заявляемое техническое решение расширяет технологические возможности центрифужного метода разделения изотопов, обеспечивая возможность разделения изотопов германия с меньшими затратами и меньшими потерями целевого изотопа. Изобретение не требует сложных устройств и может быть реализовано на имеющемся оборудовании. Промышленная осуществимость предлагаемого технического решения вытекает из разработанности и практического осуществления разделения изотопов различных элементов (см. Изотопы: свойства, получение, применение. / Под ред. В.Ю.Баранова. - М.: ИздАТ, 2000. 704 с.).

Настоящее техническое решение имеет в числе своих преимуществ то, что его практическое применение не нуждается в изменении производств, предшествующих предлагаемому способу разделения изотопов, и последующих методов изготовления полупроводниковых материалов.

С помощью заявляемого способа из моногермана с природным изотопным составом получена партия изотопно-модифицированного моногермана. Требовалось получить продукт с содержанием изотопа ⁷⁶Ge более 86% ат и содержанием изотопа ⁷⁰Ge менее 0,1% ат.

Пример

Разделение изотопов германия осуществляли на опытно-промышленной установке, представляющей собой разделительный каскад газовых центрифуг из К ступеней. Рабочее вещество моногерман. Питающий поток подавали в ступень K-N-каскада. Целевой изотоп ⁷⁶Ge с заданной концентрацией извлекали из потока тяжелой фракции. В таблице 2 приведен изотопный состав германия потока тяжелой фракции, содержащий целевой изотоп ⁷⁶Ge. Коэффициент извлечения целевого изотопа ⁷⁶Ge составил 99%.

Таблица 2
Изотопный состав германия в потоке тяжелой фракции разделительного каскада
Точка измерения	Содержание изотопов Ge, % ат
70	72	73	74	76
Поток тяжелой фракции	0,06	0,09	0,06	11,69	88,10

При получении продукта с аналогичным содержанием изотопов ⁷⁶Ge и ⁷⁰Ge в тетрафториде германия (по первому способу) коэффициент извлечения целевого изотопа ⁷⁶Ge ниже и составляет в среднем 95%. Это объясняется низкой активностью моногермана к конструкционным материалам разделительного оборудования и его практически инертностью к парам воды, поступающим в разделительный каскад вследствие его неабсолютной герметичности.

Способ разделения изотопов германия газовым центрифугированием летучего химического соединения германия, отличающийся тем, что в качестве летучего химического соединения германия на газовое центрифугирование подают моногерман (GeH₄) и извлекают это соединение, обогащенное по целевому изотопу германия до требуемой величины.

Изобретение относится к технологии разделения изотопов урана методом газового центрифугирования и может быть использовано для минимизации потерь разделительной мощности центрифужных каскадов изотопно-разделительных урановых заводов.

Способ изотопного восстановления регенерированного урана // 2399971

Изобретение относится к ядерному топливному циклу, к технологии изотопного восстановления регенерированного урана и может быть использовано при производстве низкообогащенного урана (НОУ) для топлива атомных станций.

Газовая центрифуга // 2394652

Изобретение относится к конструкции газовой центрифуги для разделения изотопных и газовых смесей, преимущественно для разделения газов с малым молекулярным весом.

Газовая центрифуга (варианты) // 2394636

Изобретение относится к надкритическим центрифугам для разделения газов и изотопных смесей. .

Способ переработки загрязненного уранового сырья // 2377674

Изобретение относится к ядерному топливному циклу, а именно к способам переработки на каскаде газовых центрифуг загрязненного вредными изотопами 232U, 234 U, 236U уранового сырья.

Промышленная группа газовых центрифуг // 2377073

Изобретение относится к газовым центрифугам для разделения смеси газов и изотопных смесей, и в частности к промышленным группам газовых центрифуг. .

Агрегат газовых центрифуг // 2372973

Изобретение относится к оборудованию для непрерывного разделения газовых смесей в поле центробежных сил, в частности к агрегатам центрифуг, используемых для компоновки из них разделительных каскадов, и касается особенностей конструкции и размещения запорных устройств в отдельном агрегате.

Агрегат газовых центрифуг // 2368415

Изобретение относится к устройствам для непрерывного разделения смесей газов с различными молекулярными массами, в том числе газообразных изотопных смесей, в поле центробежных сил, а именно к агрегатам газовых центрифуг, из которых формируются многоступенчатые каскады на разделительных предприятиях.

Способ изотопного восстановления регенерированного урана // 2361297

Изобретение относится к технологии рециклирования ядерных энергетических материалов. .

Газовая центрифуга // 2358793

Изобретение относится к газовым центрифугам для разделения газов и изотопных смесей и, в частности, к приводам ультрацентрифуг, используемых для разделения изотопов урана.

Способ разделения и обогащения изотопного материала, многоступенчатый ротор и устройство для разделения и обогащения изотопного материала // 2448763

Изобретение относится к способу разделения и обогащения изотопов с помощью процесса диффузии

Способ получения разбавителя для переработки оружейного высокообогащенного урана в низкообогащенный уран // 2479489

Изобретение относится к ядерному топливному циклу, а именно к технологии получения разбавителя для переработки гексафторида оружейного высокообогащенного урана (ВОУ) в гексафторид низкообогащенного урана (НОУ)

Способ изотопного восстановления регенерированного урана // 2497210

Изобретение относится к технологии рециклирования ядерных энергетических материалов и может быть использовано для возврата урана, выделенного из отработавшего ядерного топлива, в топливный цикл легководных реакторов. Способ изотопного восстановления регенерированного урана включает повышение в гексафториде регенерированного урана содержания изотопа U-235 до заданной в интервале 2,0÷5,0 мас.% величины, понижение относительной концентрации изотопа U-232 в смеси изотопов урана и прямое обогащение гексафторида регенерированного урана изотопом U-235 на двухкаскадной установке из разделительных ступеней газовых центрифуг. При этом в первом каскаде регенерированный уран обогащают изотопом U-235 до 5,0÷10,0 мас.% при поддержании соотношения массовых расходов потока отвала и потока отбора каскада в интервале (6,9÷18,4):1. Потоки отвала и отбора первого каскада направляют на питание второго каскада. Регенерированный уран отбирают из разделительной ступени центральной части второго каскада. Изобретение обеспечивает полную очистку выгоревшей смеси изотопов урана от наиболее радиационно-опасного нуклида U-232 и получение товарного низкообогащенного гексафторида урана при минимальной перестройке промышленных каскадов центрифуг. 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 7 табл.

Центрифуга для обогащения урана // 2520471

Изобретение относится к атомной энергетике, в частности к газовым центрифугам для обогащения урана. Центрифуга для обогащения урана содержит ротор центрифуги и электродвигатель. Ротор центрифуги соосно жестко соединен торцами с роторами электродвигателей. Статоры электродвигателей динамически сбалансированы, закреплены в подшипниковых опорах на фундаменте и приводятся во вращение с помощью приводных двигателей. Техническим результатом является увеличение скорости вращения ротора центрифуги и ее производительности. 1 ил.

Способ разделения газообразных смесей на фракции с различным удельным весом и газовая центрифуга для его осуществления // 2545286

Изобретение относится к разделению изотопных и газовых смесей, преимущественно газообразных соединений изотопов урана. Газовая центрифуга содержит герметичный неподвижный корпус в виде вертикального цилиндра, вращающийся ротор, соосно размещенный в корпусе, выполненный в виде вала и снабженный жестко закрепленной на нем лопаткой с выступающим элементом, отборные трубки разделенных фракций, каналы вывода разделенных фракций, выведенные наружу через вал ротора и имеющие расположенные на разной высоте горизонтальные участки с радиально удаленными от продольной оси корпуса входными отверстиями, при этом горизонтальные участки отборных трубок размещены внутри каждой лопатки, а входные отверстия отборных трубок расположены на выступающем элементе каждой лопатки в разных зонах турбулентности, и впускное отверстие, размещенное внизу корпуса, для подвода исходной газовой смеси. Способ разделения газообразных смесей включает вращение и ускорение газообразной смеси с помощью центрифуги, перемещение смеси в радиальном направлении, образование турбулентного потока у внешнего края центрифуги и отбор легкой и тяжелой фракций в разных зонах турбулентного потока. Изобретение обеспечивает повышение разделительной способности центрифуги и упрощение ее конструкции. 2 н. п. ф-лы, 8 ил.

Способ частичной экстренной эвакуации гексафторида урана из технологических секций каскада по разделению изотопов урана // 2556924

Изобретение относится к технологии разделения изотопов урана методом газового центрифугирования. Способ частичной экстренной эвакуации гексафторида урана из технологической секции каскада по разделению изотопов урана заключается в том, что осуществляют экстренную эвакуацию части газа из технологической секции по трубопроводу легкой фракции, при этом во время эксплуатации технологических секций каскада по разделению изотопов урана ручные клапаны на трубопроводах легкой фракции постоянно открыты, а ручные клапаны на трубопроводе тяжелой фракции и трубопроводе питания постоянно закрыты, а исполнительный элемент автоматически открывается при возникновении экстренной ситуации для удаления легких примесей и продуктов разрушения вместе с потоком гексафторида урана в дополнительную установку. Изобретение обеспечивает повышение коэффициента разделительной мощности центрифужных каскадов, снижение времени исключения из эксплуатации технологической секции, быстрое и эффективное удаление легких примесей и продуктов разрушения газовых центрифуг из разделительного каскада при возникновении аварийной ситуации, а также максимальную автоматизацию процесса заполнения газовых центрифуг после экстренной эвакуации. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Способ очистки загрязненного сырья для разделительного производства // 2613157

Изобретение относится к способам очистки загрязненного вредными изотопами сырья для использования его в дальнейшем для получении восстановленного урана для ядерного топлива. Способ очистки загрязненного сырья для разделительного производства от вредных изотопов заключается в снижении концентрации изотопов 232U, 234U, 236U путем переработки гексафторида урана загрязненного сырья в двойном каскаде газовых центрифуг. Гексафторид урана загрязненного сырья перерабатывают в двойном каскаде газовых центрифуг, предназначенных для получения низкообогащенного гексафторида 235U из чистого гексафторида урана, подаваемого на основное питание первого каскада, загрязненное сырье подают на дополнительное питание первого каскада. Очищенное сырье отбирают из первого или второго каскада. Изобретение позволяет получить качественное сырье с допустимым содержанием лимитирующих вредных изотопов. 5 з.п. ф-лы, 5 ил., 8 табл., 4 пр.

Способ обогащения газообразных изотопных смесей и газовая центрифуга для его осуществления // 2637017

Группа изобретений относится к области обогащения изотопных газообразных смесей, в частности смеси из изотопов U235 и U238, малоразличимых между собой по молекулярному весу, но имеющих отличия в уровне радиоактивности. Способ обогащения газообразных изотопных смесей включает вращение и ускорение смеси с помощью газовой центрифуги, перемещение смеси в радиальном направлении, образование турбулентного потока у внешнего бокового края центрифуги, отбор фракций из турбулентного потока в одной зоне турбулентного потока, выведение смеси фракций из центрифуги, определение концентрации изотопа в процессе перемещения смеси вне центрифуги, разделение смеси на обогащенную и обедненную фракции путем направления смеси с концентрацией изотопа, равной или выше заданного значения, по одному каналу, а смеси с концентрацией изотопа ниже заданного значения - по другому. Газовая центрифуга содержит герметичный неподвижный корпус в виде вертикального цилиндра, соосно размещенный в нем вращающийся ротор, выполненный в виде вала, снабженного жестко закрепленной на нем лопаткой, выступающий элемент для формирования турбулентного потока, закрепленный на внутренней боковой поверхности корпуса центрифуги, канал вывода смеси с входным отверстием, размещенным у внешнего бокового края центрифуги в зоне турбулентного потока за выступающим элементом по ходу движения газовой смеси, и впускное отверстие для подвода исходной смеси. При этом на части канала вывода, расположенной снаружи центрифуги, выполнено снабженное перепускным клапаном-переключателем разветвление на два канала, причем до разветвления размещен спектрометр, выход которого соединен с входом ЭВМ, выход которой подключен к входу электромеханического преобразователя перепускного клапана-переключателя. Группа изобретений обеспечивает повышение уровня обогащения газовой изотопной смеси и экономически выгодное обогащение изотопов за счет уменьшения количества центрифуг. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

Способ получения изотопов неодима // 2638858

Изобретение относится к разделению изотопов элементов, в частности к способу получения изотопов неодима. Способ заключается в применении метода центрифугирования, в котором разделительный эффект определяется разностью молекулярных масс изотопов, при этом в качестве рабочего газа выбирают неодимсодержащее газообразное соединение из класса соединений повышенной летучести, полученных обработкой бета-дикетонатов неодима полифторированными эфирами этиленгликоля, полифторированными эфирами диэтиленгликоля или полифторированными формалями, определяют технологические параметры рабочего газа: зависимость давления насыщенного пара выбранного вещества от соответствующей ему температуры и температуру его разложения, выбирают температуру эксплуатации разделительной установки, обеспечивающую давление насыщенного пара, выбранного вещества не ниже 4 мм рт.ст., но не выше 0,8 от температуры разложения, и осуществляют нагрев и поддержание выбранной температуры эксплуатации разделительной установки, включающей коммуникации, контрольные и регулирующие устройства и газовые центрифуги. Изобретение обеспечивает получение высокообогащенных изотопов неодима, изотопа 150Nd с концентрацией более 99,3%, изотопа 142Nd с концентрацией более 99,9%, изотопа 146Nd с концентрацией более 88,4%. 3 з.п. ф-лы, 2 ил., 2 табл.