激光法分离同位素(本科课程,2011)

《激光法分离同位素(本科课程,2011)》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、第四章激光法分离同位素一、概述二、原子蒸汽激光分离同位素三、分子法激光分离同位素相关参考书1.《同位素分离》，肖啸罨主编，原子能出版社，1999年4月第一版(675页)。2.《激光分离同位素理论及其应用》，王德武编，原子能出版社，1999年9月(473页)。同位素分离方法的分类利用同位素热力学性质上的差异利用扩散性质上的差异利用电磁场或电场中物理性质上的差异利用空气动力学性质上的差异利用吸收光谱上的差异利用生物效应上的差异利用化学反应速度的差异激光法一、概述基本原理激光分离三要素主要分离方法同位素分离过程中的竞争机制历史与现

2、状概述根据某元素的不同同位素或由其组成的分子在吸收光谱上的微小差别，应用线宽极窄的激光有选择性地将某一种同位素原子或分子激发到一个特定的激发态，再采用物理或化学将激发的同位素原子或分子与未激发的其它同位素原子或分子分开。1基本原理2激光分离三要素◆被分离的组分在吸收光谱上必须存在着某些差别，即同位素位移。它是由同位素原子或分子的激发能不同而产生。轻元素同位素位移核质量效应重元素分子振动能差别平动能差别核质量的差别折合质量不同核电荷分布不同核体积效应同位素位移相对值：△λ/λ=10-4-10-51H-2D(656.2nm):△

3、λ=0.1nm235U-238U(591.5nm)=0.01nm同位素位移随核子数的变化◆激光线宽必须小于吸收光谱中的同位素位移。同位素位移相对值：△λ/λ=10-4-10-5激光线宽相对值：△λL/λL=10-6-10-7激光良好的单色性足以选择性地激发同位素混合物中某一种同位素原子或分子而不激发另一种。◆采用合适的方法，根据激发态粒子与非激发态粒子在物理或化学性能的差别，将被选择激发的同位素粒子从混合物中分离出来。电磁场偏转分离易于电离激发态原子激发态分子化学反应速度明显加快通过化学反应分离3主要分离方法激光分离同位素同

4、位素原子同位素分子光分解红外多光子分解诱导光化学光化学反应光电离轨道偏转Wi/Wj=e△E/kT◆原子选择光电离同位素共振选择激发和电离的原理图(以铀为例)原子蒸汽激光分离铀同位素示意图一次分离精料丰度:235U(>3.5%)4同位素分离过程中的竞争机制同位素粒子之间因碰撞而发生的能量交换和电荷交换引起已分离同位素的再混合，从而影响分离效果，降低分离系数。能量交换：iA*+jAiA+jA*电荷交换：iA++jAiA+jA+二步选择光电离过程中的竞争机制应减少原子蒸汽密度，以减少碰撞5历史与现状◆1935年人们就利用Hg灯中同

5、位素所发射的光谱线去辐照化学反应容器中的汞原子，以激发相应的汞同位素，使HgO中198Hg的丰度从天然10%提高到15%，其反应方程式为：198Hg*+H2O198HgO+H2◆1960年激光被发现，1966年可调谐燃料激光器问世，人们提出利用单色性、方向性极好且光强度极大的激光来进行同位素分离。◆1970年Mayer等应用CW氟化氢激光选择激发H3COH，使D3COD与H3COH之比从50%提高到95%，实现了氘同位素的浓缩。◆1970年以后，先后采用激光成功地进行了Rb、U等同位素的分离，并进入工业应用时代。◆1992美

6、国利弗莫尔国家实验室（LLNL）花费12.7亿美元，建立了1MSWU/a的激光分离装置。在此期间，法国、日本也先后建立了功能不等的激光分离装置。目前，激光法不仅已成功地分离了235U、239Pu、D、T等重要同位素，还分离了C、O、Cl、Na、Ca、Ba、Os、S等许多元素的同位素，一些还进入了工业实际应用。由于其具有的一次分离系数高、投资少、耗电少、生产规模灵活等特点，激光法分离同位素将会得到日益发展与广泛应用。被认为是继扩散法、离心法后最有应用前景的同位素分离方式。我国核工业理化工程研究院（天津）、清华大学在这一领域做了

7、大量的研究工作。朱清时院士曾在青海盐湖所参与激光分离锂同位素的研究工作。二、原子蒸汽激光分离同位素（AtomicVaporLaserIsotopeSeparation,AVLIS）AVLIS分离同位素方法激光器系统分离器系统1分离基本理论◆特征参数提取率η:供料中所需同位素原子被选择电离并且被精料收集板收集的部分与供料中该同位素原子总量之比.过流Ф:供料中所需未经光照射电离而直接被精料板收集的部分与供料总量之比.Ф和η决定着AVLIS的主要物理参数，如激光功率、分离器尺寸、原子密度等。η=fa.fi.fcβmax=η1/η2

8、物料衡算图各种情况下的分离系数表达式物料衡算表(235U/238U)2激光器系统激光器系统铜蒸汽激光器染料激光器激光振荡放大系统3分离器系统◆分离器结构◆分离器中的物理过程铀金属的加热蒸发和原子束的形成激光选择激发与电离离子的取出离子和原子的收集和存取AVLIS不仅可用于U的同位素分离，也