Обогащение урана - Беккер Е.
Скачать (прямая ссылка):
реакции
Химическая реакция из колебательно - возбужденного состояния
: и-лвс+х
Порог
химической
реакции
U ¦ А ВС
Основное состояние
Рис. 6.6. Процессы селективного возбуждения некоторого прототипа молекулы,
содержащей уран ;
268
6.4.1. Приготовление исходного продукта
Выбор подходящей молекулы, которая содержит атом урана, является первым важным шагом в разработке процесса ЛРИ. Этот выбор влияет на все последующие этапы. Большинство работ по ЛРИ урана посвящено химическим процессам, происходя-им в газовой фазе, поскольку изотопические эффекты в конденсированной среде выражены значительно слабее. Естественно, что рабочий газ должен обладать достаточно высоким давлением паров, иначе производительность будет низкой. Гексафторид урана (UFe) имеет наивысшее по сравнению с другими урансодержащими соединениями давление паров. Для нужд традиционных производств получение UF6 налажено в промышленных масштабах. Свойства UF6 изучены достаточно подробно, поэтому молекула UF6 явилась объектом многочисленных работ по ЛРИ урана. Поскольку давление паров низших фторидов урана много ниже давления паров UF6, продукты лазерно-индуцированной диссоциации UF6 достаточно легко можно отделить от исходного рабочего газа.
Сложности в подборе подходящего лазера для возбуждения UF6 инициировали работы по синтезу новых молекулярных соединений урана. Весьма перспективными могут оказаться попытки синтезировать молекулу с полосой поглощения в районе 10 мкм, попадающую в зону генерации мощных С02-лазеров. Другое возможное направление развития проблемы — это синтез слабосвязанных молекул урана, с тем чтобы лазерная энергия, идущая на химическое превращение молекулы, была меньше, чем для UF6. Эти новые направления оживили работы по синтезу молекулярных соединений урана.
6.4.2. Спектроскопия
Изотопическое расщепление в спектрах поглощения молекул, содержащих уран, известно давно. Эффект особенно заметен для переходов между колебательными уровнями. Изотопическое смещение может превышать 0,0001 длины волны. Другие возможности появления изотопического расщепления для электронно-возбужденных состояний связаны с различными электрон-ядерными взаимодействиями, такими как расщепление по спину, квадру-польное расщепление или расщепление при воздействии внешнего поля. Большие изотопические эффекты характерны для проникающих электронных орбит, но, к сожалению, эти состояния обычно не участвуют в формировании молекулярных связей.
Таким образом, наиболее перспективны для ЛРИ чисто колебательные и смешанные колебательно-электронные состояния, для которых колебательные эффекты проявляются на электронных переходах.
Обычно линии поглощения молекул широки и размыты и не соответствуют узким линиям излучения лазеров. Из-за размытости и возникает перекрытие спектров поглощения двух изотопов,
269
поэтому при возбуждении одного изотопа моЖет происходить паразитное возбуждение другого. Степень, в которой удается отстроиться от нежелательного возбуждения балластного изотопа, определяет чистоту продукта и энергетические затраты на процесс. Отсюда ясно, как важно создать условия, при которых спектры поглощения молекул были бы изотопически разрешены: это позволило бы селективно воздействовать лазерным излучени-
ем на молекулы, содержащие лишь выделяемый изотоп урана [6.64, 6.65]. Причиной первоначального пессимизма по поводу возможностей ЛРИ урана в молекулярном варианте послужило отсутствие каких-либо данных о наличии изотопически разрешенных спектров поглощения молекулярных соединений урана.
Все летучие соединения урана многоатомны и поэтому обладают большим числом колебательных степеней свободы, которые возбуждаются уже при комнатных температурах. Таким образом, в исходном состоянии молекулы заселены в соответствии с распределением Максвелла — Больцмана по многим колебательным уровням, а не находятся в нижнем энергетическом состоянии, как изображено на рис. 6.6. На рис. 6.7 представлено реальное распределение заселенности уровней молекулы UF6 при комнатной температуре. Результирующий спектр поглощения возникает при суперпозиции переходов из всех начальных состояний. Поэтому полосы поглощения имеют вид квазиконтинуума и носят название «горячих полос» (рис. 6.8).
В последние годы были разработаны эффективные методы, позволяющие устранить горячие полосы в спектрах поглощения UF6 и других многоатомных молекул. Если UF6 смешать с дру-.
Спектр поглощения полосы v3 молекулы UF6 при 300 К
—I------------------1- -1-i-1— т-
1000 2000 3000 W00
Колебательная 2Н5ргия,см~1
Рис. 6.7. Относительная заселенность колебательных уровней молекулы UF6 при комнатной температуре
Рис. 6.8. Инфракрасные спектры поглощения молекулы UF6 при 300 и 50 К
270
гим газом (инертным Не или N2) и охладить смесь, позволив ей расшириться после истечения из сверхзвукового сопла, то спектры поглощения значительно упростятся и в них появятся отдельные линии [14]. На рис. 6.8 представлен образец такого спектра для молекул UF6, охлажденных до 50 К при истечении из сверхзвукового сопла. Первоначально широкое распределение отрелаксиро-вало почти до одного нижнего состояния и являет собой образец
