離心法分離鍺同位素實驗研究

周明勝,徐燕博,程維娜

(清華大學工程物理系,北京 100084)

離心法是目前同位素分離的主要方法之一。該方法的分離效應取決于待分離氣體不同組分間的相對分子質量之差,而與氣體的平均相對分子質量無關。只要能找到合適的氣體分離介質,離心法是分離重同位素的一種經濟有效的方法。由于電能消耗少,濃縮系數大,離心法已逐漸取代氣體擴散法成為核燃料生產的主要方法。近年來,隨著科學的發展與技術的進步,穩定同位素的應用領域不斷擴大,為了滿足對穩定同位素日益增長的需求,俄羅斯和歐洲URENCO公司等都已經在進行離心法分離穩定同位素的研究和生產。

鍺有 5 種 天然同位 素,70Ge、72Ge、73Ge、74Ge、76Ge,其豐度分別為 20.5%、27.4%、7.8%、36.5%和7.8%,其中76Ge在探測器領域有著重要的應用[1],尤其在暗物質的尋找、中微子質量的測量[2]等尖端科學領域有著潛在的應用。為了獲得單一的、豐度較高的76Ge同位素,需要對天然鍺同位素進行分離。隨著與鍺同位素相關的科學研究的深入,其需求量也隨之增加,在意大利的Gran Sass國家實驗室(LNGS)進行的無中微子的雙β衰變實驗研究中,預計會有總計大約1噸的高豐度76Ge晶體將被投入使用[3]。我國近年來也利用鍺展開了相關研究,對鍺同位素也有了一定的需求,因此,鍺同位素的生產分離研究具有非常重要的意義。

分離同位素的主要方法有化學交換法、電磁法、氣體離心法等,由于氣體離心法具有耗能少、分離系數大等優點,本工作擬采用氣體離心法,利用國產離心機進行鍺同位素的分離實驗。

1 分離介質的選擇

實現鍺同位素離心分離的幾個關鍵因素為:實驗系統的真空度、離心機的轉速及氣體介質的物化性質,其中最重要的是必須選擇能滿足離心分離要求的氣體介質。通常情況下,利用氣體離心機進行同位素分離,工作氣體需要滿足以下要求[4]:1)具有熱穩定性(在570 K以下保持穩定);2)相對分子質量足夠大(≥70);3)常溫下飽和蒸氣壓＞665 Pa。

1.1 分離介質選擇

由于天然氟是單一同位素元素,離心分離的介質一般優先選擇氟化物。GeF4的主要物化參數如下:熔點為-36.5℃(升華),相對分子質量為148.6,-41.4℃下蒸氣壓為60.25 kPa,25℃下飽和蒸氣壓為850 k Pa。這符合離心分離的基本條件。同時由于氟的天然同位素唯一,便于對實驗中所取樣品進行質譜分析,故選用GeF4作為離心分離鍺同位素的分離介質。

1.2 GeF4的儲存和使用

GeF4的升華溫度是-37℃,-15℃時的飽和蒸氣壓是405.3 kPa,在常溫下是高壓氣體,且有很強的腐蝕性,因此儲存時必須采用帶不銹鋼閥門的高壓瓶。GeF4的強腐蝕性和常溫下的高壓特性,增加了實驗研究的難度,在分離研究過程中,供料需減壓到擴壓容器,在離心分離研究中得到的精貧料還要及時轉入高壓容器。

2 單機實驗

為了了解和掌握鍺同位素離心分離的單機性能,首先需要進行單機分離實驗,掌握分離規律,以判斷分離介質是否適合于國產離心機的分離要求。為此,利用圖1所示實驗系統,進行了單機分離實驗。

2.1 多元離心分離理論

由于天然鍺有5種穩定同位素,鍺同位素的分離是多元分離,根據多元分離理論,其分離系數應滿足以下關系式[5]:

圖1 鍺分離單機實驗原理示意圖

2.2 原料凈化

由于GeF4氣體中含有HF等雜質氣體,購買的GeF4的純度不符合離心分離實驗的要求,因此選擇在-50～-40℃的溫度區間里,采用精餾的方法對GeF4進行原料凈化,經過多次實驗,凈化后的GeF4的純度可以滿足離心分離實驗的要求。

2.3 單機分離及分離效果

單機實驗分別在相同供料壓強下改變分流比和分流比相同時改變供料壓強的工況下進行,達到定常態后取樣,用 MAT-281質譜儀對GeF4樣品進行豐度分析[6],并計算分流比及基本全分離系數。

根據單機實驗的質譜結果分別計算其他組分對第一種組分的基本全分離系數,對得到的結果進行線性擬合,擬合結果即為單機分離實驗的基本全分離系數γ0。單機分離實驗數據及擬合結果列于表1。由表1可以看出,通過改變供料壓強P F和分流比θ,對單機工況進行摸索,γ0不斷增大,說明分離性能不斷提高,P F=267 Pa,θ=0.44時,得到了較大的GeF4的基本全分離系數 γ0=1.43。

表1 單機分離GeF4實驗結果

3 級聯分離及分離效果

3.1 1-2-1級聯實驗

在通過單機分離實驗了解了鍺同位素的單機分離性能的基礎上,把4臺離心機全部調整到適合分離GeF4的物理參數,并以1-2-1的級聯方式進行分離實驗,其級聯方式示意圖示于圖2。同樣對實驗樣品進行質譜分析得到GeF4的豐度數據,然后計算其他組分對第一種組分的基本全分離系數,對得到的結果進行線性擬合,由此得到1-2-1短級聯分離實驗的基本全分離系數γ0。分離結果列于表2。由表2可以看出,通過改變供料壓強PF和分流比θ,γ0不斷增大,說明級聯的分離性能得到不斷優化,在 P F=267 Pa,θ=0.54時,基本全分離系數 γ0=2.01。

3.2 鍺同位素分離的級聯計算

了解了單機和小級聯的分離性能,考慮用一個矩形級聯進行76Ge豐度大于90%的產品的生產。根據上述1-2-1級聯實驗結果,如果級聯的分離系數為2.00,且濃化系數等于貧化系數,那么每級分離實際可達到的分離系數約為1.40。若取γ0=1.40,級聯供料流量與每級供料流量之比 F/G=0.1,級聯精料與供料流量之比P/F=0.93進行多元分離級聯的迭代計算[7],則通過一個在第8級供料的10級矩形級聯即可生產出76Ge豐度大于90%的GeF4產品,迭代計算的各級同位素豐度分布情況列于表3。

圖2 1-2-1級聯方式示意圖

表2 1-2-1級聯分離GeF4實驗結果

表3 用矩形級聯生產GeF4時各階段同位素豐度分布

若以1-2-1短級聯為基礎,以多次級聯分離[8]的方式進行76Ge豐度大于90%的GeF4產品的生產,則在F/G以及分流比θ保持不變的情況下(取 θ=0.55,γ0=2.00),經過 6次 1-2-1級聯的分離可以得到76Ge豐度大于90%的GeF4產品,迭代計算的各階段同位素豐度分布情況列于表4。

表4 用1-2-1級聯生產GeF4時各階段同位素豐度分布

表3和表4的關于矩形級聯和多次1-2-1級聯的形式對76GeF4產品的實際生產的模擬計算結果表明,76Ge的豐度均可大于90%,說明通過選擇合適的級聯形式,可以獲得76Ge豐度大于90%的GeF4產品。

4 結 論

采用氣體離心法,選擇GeF4作為分離介質,通過國產離心機的單機實驗成功分離了鍺同位素,初步掌握了不同供料流量、分流比下,GeF4離心分離的基本全分離系數,得到的基本全分離系數大于1.40;采用多次1-2-1級聯分離,可以獲得76Ge豐度大于90%的GeF4產品。

[1] Campbell DB,Vetter K,Henning R,et al.Evaluation of radioactive background rejection in Ge-76 neutrino-less double-beta decay experiments using a highly segmented HPGe detector[J].Nuclear Instruments&Methods in Physics Research,2008,587(1):35-43.

[2] Wu Huifang,Huang Tao.Half-life and the nuclear matrix element of the double-beta decay in76Ge[J].High Energy Physics and Nuclear Physics,2000,24(6):589-592.

[3] Nikolic M,Nikolic N,Liang YC,et al.The76Ge double-beta decay experiment GERDA at LNGS[J].Nuclear Physics,2006,37(7):195-203.

[4] Borisevich VD,Levin EV.Separation of multicomponent isotope mixtures by gas centrifuge[J].Separation science and technology,2001,36(8-9):1 697-1 735.

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[6] 王世俊.質譜學及其在核科學技術中的應用[M].北京:原子能出版社,1998:56-60.

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[8] 周明勝,梁雄文,張永剛.離心法生產氙同位素[J].同位素,2006,19(1):1-3.