硼同位素分離研究

摘要：高豐度的10B同位素可以廣泛地應用于核電及輻射防護等領域，具有穩定的市場需求，采用氣體動力學法進行高豐度同位素生產具有一定優勢。因此，為實現硼同位素的制備展開研究，首先通過對比三氟化硼，三氯化硼及三溴化硼3種工作介質的優劣，確定使用最容易分離且最具經濟價值的三氟化硼作為工作介質。為解決原有專用設備分離三氟化硼時供料流量低、分離能力差的問題，通過克努森設計法及相關的試驗經驗對原有專用設備的內部結構參數進行改進，設計出兩種適合三氟化硼分離的新方案。通過單機試驗裝置進行試驗并取樣分析，試驗結果表明方案a具有更低的上部結構溫度及單機功耗，而方案b具有更好的分離能力。且兩種方案都達到了提高三氟化硼單機供料流量及設備性能的研究目標。

關鍵詞：硼同位素；氣體動力學法；結構改進；設備性能

天然硼有兩種穩定的同位素10B和11B，豐度分別為19.8%和80.2%。10B對中子具有非常強的吸收能力，對151Eu的吸收截面為7.7×10-25 m2（7.7 kb），而11B通常只有5×10-31 m2（5 mb）。10B的這種優良特性使其具有廣泛的應用場景。在核電方面，濃縮10B以硼酸的形式制成控制箱，可控制核反應堆的速度，使核反應堆安全穩定運行［1］。10B與鋰、鉻等元素制成的控制棒，可以對反應堆起應急和保護作用，此外核廢物的處理，核安全的控制及中子源的安全防護都需要濃縮的10B，比如軍用材料中的核防護服、中子槍防護服、中子計數器、輻射屏蔽裝置、核探測器等，都是利用了10B對中子的高靈敏及高吸收特性。在醫療方面，10B同位素可用于癌癥的治療。用中子束照射濃縮10B后產生γ射線和7Li核，可以殺死癌細胞，且對正常組織傷害非常小。10B作為治療癌癥的主要成分已經在理論和應用上獲得了突破［2］。在地球化學方面，隨著硼同位素的分離和測量方法的建立，使同位素地球化學研究進入新的發展階段。目前，硼同位素已經成功地應用于判別沉淀積環境，示蹤環境污染，研究礦床成因，重建古海洋和古氣候條件，示蹤海水入侵和研究大陸化學風化等領域［3］。11B也可以作為中子反射材料添加在鋼材中，這種鋼材用于制造反應器，可使反應器的耐高溫、耐輻射能力大幅提高，而又不破壞反應區內中子的物理狀況。

由上述可見，硼同位素的分離有著巨大的前景和市場需求。開發生產硼同位素具有極高的經濟效益和社會價值。目前分離硼同位素有以下幾種方法：化學交換精餾法、離子交換法、激光分離法［4］、氣體動力學法［5］。其中氣體動力學法分離同位素是利用在力場的作用下，分子質量不同的流體壓強分布不同的原理進行分離的。我國在氣體動力學法的理論研究，設備設計，工藝研究以及試驗技術研究上取得了突破性進展，氣體動力學法技術已日益成熟。這為研究氣體動力學法分離硼同位素創造了契機。本文以氣體動力學法展開對硼同位素的分離研究。

1介質選擇

氣體動力學法生產同位素的關鍵是專用設備，整個生產過程對工作介質有著多種要求。除原料的合成，產品的裝換、儲存與運輸等工藝流程外，專用設備對工作介質的要求就有以下幾方面：蒸汽壓、分子質量、腐蝕性、熱穩定性。如何選擇合適的工作介質，使硼同位素的分離更加具有經濟性是首先要解決的問題。

硼的3種鹵化物三氟化硼、三氯化硼、三溴化硼。在25 ℃時蒸汽壓都遠高于700 Pa，滿足氣體動力學法生產供料要求，3種鹵化硼的熔沸點均遠高于液氮溫度，且在-195.8 ℃時蒸汽壓都可以忽略不計，故可以用液氮收料，滿足氣體動力學法生產收料要求。同時三種鹵化物都與設備及系統材料不發生反應，不會對系統設備產生較大破壞。且都具有良好的熱穩定性，不會在高溫下分解，保證了產品的純度。因此三種鹵化硼均可以作為氣體動力學法生產的工作介質?，F將三種物質的不同之處做表1如下，進一步對比其性能。

由表1可見，從生產工藝方面來看，按照目標元素硼的單位價格來評估，三溴化硼價格最為昂貴，三氟化硼價格最低。三氟化硼雖具有較高的毒性，但在實際的生產中系統處于高真空狀態，無突發狀況，工作介質不會外漏，且實驗室配備防毒面具及毒性氣體報警器以保證人員安全。

從分離技術方面來看，氟元素只有一種核素19F，因此選取三氟化硼作為分離工質不會引入新的同位素，且目標組分10B19F3的天然豐度最高，達到19.8％。而氯元素有兩種穩定同位素：35Cl和37Cl，天然豐度分別為75.77％和24.23％。溴元素也有兩種穩定同位素：79Br和81Br，天然豐度分別為50.69％和49.31％。同時，由于氣體動力學法的工作原理，需要確定一種目標組分進行分離，因此在這些組分中，將10B豐度含量最高的組分定為目標組分，分別為10B35Cl3和10B79Br3，其豐度也僅8.613％和2.579％，遠遠低于三氟化硼。綜上原因，若使用BCl3或BBr3作為工作介質，專用設備的部分分離能力將用來分離無效的非目標組分，大大降低分離效率。而且在生產同一豐度的硼同位素時，需要完成的豐度提升量更大，所需的成本（尤其是設備成本）也會提高。由此可見，就分離難度而言，三氟化硼要遠遠簡單于其他兩種工作介質，并且具有良好的經濟性。

但是三氟化硼存在的最大缺點是其分子質量太低，僅有67.81。較小的相對分子質量將會使設備抽氣裝置的密封性變差，導致設備功耗增加，過大的功耗使得設備無法獲得更高的供料流量，從而影響設備性能和產量。

先使用原設備對三氟化硼進行分離試驗，其結果如表2所示，其中分離系數在特定條件下能夠反映一個分離裝置分離能力的大?。?］。分離能力是一個分離裝置或一個分離級聯在單位時間內所能提供的分離能力的量度。這是衡量設備性能常用的兩個指標［7］。

從表2中的數據可以看出，使用原設備分離三氟化硼的效果并不理想，供料流量最多只能達到1 g/h，分離系數最高能達到1.100，分離能力最高也只能達到1 g SWU/a。

如果能夠對原有的專用設備做出改進，設計出一種適用于三氟化硼這種小分子質量的設備，那樣不僅能提高三氟化硼的供料流量，而且能提高其分離系數，這樣就使得分離能力大大提高。三氟化硼作為工作介質的經濟效益就能體現出來。

2設備改進

氣體動力學法分離同位素的基本原理是不同同位素的質子數相同，中子數不同而存在著質量差異，在高速旋轉的專用設備中，質量的差異導致不同同位素所受力不同，因而在設備內的徑向壓強分布產生差異。輕組分會在設備軸線附近相對富集，而重組分會在設備邊壁處相對富集［8］。再使用取料裝置將輕重組分分別取出，從而完成同位素的分離。氣體動力學法分離同位素的原理導致了不同摩爾質量的工作介質在設備中的徑向壓強分布會有所差異。如圖1所示是三氟化硼（M＝0.067 8 kg/mol）和六氟化鎢（M＝0.297 8 kg/mol）氣體壓強沿徑向的分布情況。可以看出六氟化鎢和三氟化硼在設備內的壓強分布曲線相差很大［9］。因此，原有的適用于六氟化鎢的設備已經無法滿足對于三氟化硼的分離需求，需要對原有的設備進行結構優化。

目前設備性能較低的主要原因有如下幾點：分流比過大、環流量過小、流型效率低。這些缺陷會導致設備出現功耗過高，內部工作介質流失過多，滯留量下降，軸向倍增效應［10］減弱，分離不充分等問題。為解決上述問題，首先通過克努森數設計法進行理論計算和設計，然后通過試驗加以驗證并選擇出最好的方案。

克努森數（Kn數）是描述氣體稀薄程度的無量綱量，根據Kn數可以將流動分為3大領域，即黏性流領域、過渡領域和自由分子流領域。專用設備內同時包含這三種流域，因此，Kn數是能同時衡量評價設備所有流動領域內氣體流動狀態的合適參量。

Kn數的定義式如下：Kn=λL（1）式中：λ為氣體分子的平均自由程，m；L為流動特征長度，m。一般將流動的特征長度取為設備的半徑，即L=ra。

一般認為設備內工作氣體滿足理想氣體狀態方程，這時運行中的設備內部氣體壓強沿徑向分布規律為：p（r）=PwallexpMΩ2r2a2RTr2r2a-1=Pwallexp［A*2（r2-1）］（2）式中：M為氣體的平均摩爾質量，kg/mol；P為氣體壓強，Pa；R為普適氣體常數，8.314 kg/（mol·K）；T為氣體溫度，K。Pwall——設備側壁處的氣體壓強，Pa；Ω為設備的角速度，rad；因此可得出設備內氣體Kn的表達式為Kn=mRT2πd2raMPwallexp［A*2（r2-1）］（3）式中：m為氣體分子質量，kg；d為氣體分子直徑，m。

現有專用設備的結構參數是在六氟化鎢（其相關物理量用下標“1”表示）流場環境下設計，為使改進后的設備結構參數在三氟化硼（其相關物理量用下標“2”表示）的流場條件下有同樣好的工作性能。則按照Kn數相等的設計方法，即Kn1=Kn2，得：m1d21M1Pwall1exp［A*21（r21-1）］=

m2d22M2Pwall2exp［A*22（r22-1）］（4）由此可以計算出專用設備內部結構的初步改動尺寸。同時，為減小設備分流比，降低設備功耗，并探究下部結構參數對設備性能的影響，設計出兩種方案。兩者的差別在于a方案的下部結構參數相比b方案更有利于輕流分的提取，因此應具有更高的天然分流比。

3性能試驗

使用兩種改進后的設備方案進行試驗，試驗系統如圖2所示。

三氟化硼原料從供料容器經電動調節閥和孔板供入試驗系統，輸出兩股流分：精料（輕流分）和貧料（重流分）。精料經過手動調節閥進入精料收料容器，貧料通過手動調節閥和孔板進入貧料收料容器。最后，剩余雜質氣體被真空泵抽入地線冷阱。電動調節閥可以調節供料流量。孔板安裝在供料管道和貧料管道上，通過孔板可以計算出流量和分流比。通過調節手調閥可以控制分流比。

利用上述試驗裝置調節相應工況，并且取樣分析，從試驗結果來看，在調節分流比為0.5時，兩種方案的最大供料流量均可達到2 g/h，達到了提高供料流量的目的。兩個方案的主要數據如圖3、表3所示。

圖3是兩種方案在相同工況下的功耗及上部構件溫度對比示意圖，其中橫坐標表示工況序號點，左邊縱軸是功耗信息，單位為W，右邊縱軸是溫度信息，單位為℃。星型圖示代表方案a數據點，菱形圖示代表方案b數據點。

從表3試驗數據可看出，兩種方案的設備性能相比原設備的設備性能都有大幅提高，分離系數均達到1.18左右，a方案平均分離能力約為原設備最高分離能力的3倍，b方案平均分離能力約為原設備最高分離能力的4倍。其中方案b在相同工況下的分離能力都高于a方案，具有更好的設備性能。但在相同的工況下，方案a的平均上部構件溫度低于b方案4 ℃，平均功耗低于b方案約2 W。因此a方案具有更好的流體參數特性，在考慮設備長期運行的安全性、穩定性、耗電量以及使用壽命的情況下，a方案是更好的選擇。

專用設備的上部構件溫度及功耗要求均是在考慮設備長期運行生產六氟化鎢時的安全性及壽命提出的技術要求，達到了核級標準。在生產分離三氟化硼時是否能夠根據實際的生產情況降低要求標準，采用設備性能更好的方案b所帶來的經濟效益是否超過犧牲機器壽命所帶來的經濟損失，這些都需要進一步的研究。

4結論

通過對比，選取了更易分離且具有經濟價值的三氟化硼作為硼同位素分離的工作介質，設計出了兩種適合三氟化硼分離的設備方案。試驗結果表明，兩種方案都使專用設備在分離三氟化硼時的供料流量達到2 g/h，分離能力也有大幅提高。其中方案b在相同工況下的分離能力都高于a方案，具有更好的設備性能。但在相同的工況下，方案a的上部構件溫度及功耗均小于方案b。如果考慮到長期運行的安全性及設備壽命，可以采用a方案。

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