[其他]連續(xù)三步共振激光激發(fā)光化學(xué)法分離鈾同位素

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 87101066
• 申請日: 1987-06-15
• 公開（公告）號: CN87101066A
• 公開（公告）日: 1988-12-28
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 徐葆裕;陳達(dá)明;王文基
• 申請（專利權(quán)）人: 復(fù)旦大學(xué)
• 主分類號: B01D59/34
• 分類號: B01D59/34
• 代理公司: 復(fù)旦大學(xué)專利事務(wù)所
• 代理人: 華以正

本發(fā)明屬于用共振激光激發(fā)誘導(dǎo)光化學(xué)反應(yīng)的領(lǐng)域;用連續(xù)三步共振激光激發(fā)誘導(dǎo)光化學(xué)反應(yīng)，在甲酸鈾酰固相體系中分離鈾同位素。

鈾同位素的分離（即濃縮鈾的生產(chǎn)）在核燃料工業(yè)中占據(jù)十分重要的地位。目前唯一能夠進行大規(guī)模生產(chǎn)的方法是氣體擴散法，該法的缺點是分離效率低，設(shè)備復(fù)雜、耗能大、成本高。因此，幾十年來人們一直致力于研究新的分離技術(shù)，諸如離心法、噴咀法、化學(xué)交換法等。最近迅速發(fā)展起來的激光分離鈾同位素是最有希望的一種分離方法，其中原子鈾蒸氣的光電離法〔J.I.Davis，etal.，Status and Prospects for Laser in lsotope Separation，Laser Focus，18（9），1982，49〕和六氟化鈾的分子解離法〔R.J，Jensen et al.，Laser isotope Separation，Sep.Sci.Technol，15，509（1980）〕已經(jīng)在實驗室中試驗成功，預(yù)計成本比擴散法低得多。但是前者需要2700K高溫的鈾蒸氣，對材料的腐蝕十分嚴(yán)重;后者要非常規(guī)的16μm大功率激光器，研制十分困難。此外，在激光分離中，它們都需采用多步的激光激發(fā)過程，如圖1（a）和圖1（b）分別為原子鈾蒸氣法和UF₆分子法。但激光的選擇性激發(fā)作用卻僅限于步驟1的激發(fā)，步驟2的激發(fā)對選擇性均無貢獻，其作用僅是提供足夠能量，使受激原子或分子進一步發(fā)生電離或離解。因此整個分離過程的分離效率受到了較大的限制。

激光分離同位素的基礎(chǔ)是光譜中存在的同位素位移效應(yīng)，見附圖1中的Δν，由于在氣相中物質(zhì)的吸收譜線較窄，同位素光譜較易分辨，因此激光分離同位素大多在氣相中進行。

但是，在低溫條件下，某些固體鈾化合物也具有較窄的吸收光譜線，因而其同位素光譜亦可分辨〔E.Rabinowitch，“Spectroscopy and photochemistry of uranyl compounds”New york 1964，P1-55〕例如本發(fā)明中所應(yīng)用的單結(jié)晶水甲酸鈾酰化合物晶體。圖2顯示了這類鈾酰化合物的電子振動光譜及其同位素位移效應(yīng)，ν_α，2ν_α，……為電子基態(tài)的各振動態(tài);ν_α′，2ν_α′……為電子激發(fā)態(tài)的振動激發(fā)態(tài);Δν為同位素位移;1為電子振動激發(fā)，2為振動激發(fā)。Porter在此基礎(chǔ)上提出了應(yīng)用二步激光激發(fā)甲酸鈾酰化合物所引起的光化學(xué)反應(yīng)分離鈾同位素〔J.T.Porter，“Separation of uranium Isotoper”U.S.Patent 4439404（1984）〕如圖3所示，曲線A為UO²⁺₂的電子基態(tài)。曲線B為UO²⁺₂的第一激發(fā)態(tài)，1為染料激光激發(fā)，2為紅外激光激發(fā)，ν_α和ν_α′分別為UO²⁺₂的電子基態(tài)和第一激發(fā)態(tài)的振動基態(tài)。

首先使用可見光波段的染料激光使²³⁵UO²⁺₂選擇性地激發(fā)到最低電子激發(fā)態(tài)的第一振動能級（在此能級上的同位素位移約為0.5cm^-1），然后再用一紅外波段的激光使受激的²³⁵UO²⁺₂進一步激發(fā)到更高能態(tài)，在此能態(tài)上²³⁵UO²⁺₂能夠在自身還原劑甲酸根離子的作用下發(fā)生光化還原反應(yīng)，生成四價鈾（Ⅳ）化合物，它很容易與原來的六價鈾（Ⅵ）化合物分離開來，這樣，在光化還原產(chǎn)物，即四價鈾化合物中U-235同位素獲得濃集。

如前所述，此分離過程的選擇性僅決定于第一步激光激發(fā)的選擇性。發(fā)明人在文獻〔徐葆裕，紅外激光對液-液相體系中鈾的萃取化學(xué)反應(yīng)的影響，《中國激光》，1983，10，354〕中提出了估算激光激發(fā)過程選擇性的方法：

S＝1/（1- (Δν)/(〔FWHM〕) ）

其中Δν為同位素位移，〔FWHM〕為同位素光譜吸收峰的半高全寬度，在此分離過程中，Δν≈0.5cm^-1，〔FWHM〕≈0.808cm^-1，因此若忽略其它選擇性損失因素，此分離過程的選擇性最大可達(dá)S_max～2.6。