Обогащение урана - Беккер Е.
Скачать (прямая ссылка):
Рис. 6.9. Спектр высокого разрешения, полученный с помощью полупроводникового лазера при просвечивании Q-ветви UF6, охлажденного при истечении
из сверхзвукового сопла
классического распределения Р-, Q- и /?-линий, отвечающих переходам между вращательными уровнями 0—1 колебательного перехода V3. Область Q-ветви этого спектра, записанная со сверхвысоким разрешением с помощью полупроводникового лазера, показана на рис. 6.9. Хорошо видно, что линии поглощения моле* кул, содержащих изотопы 235U и 238U, практически полностью разрешены.
6.4.3. Химические процессы, стимулированные лазерным излучением
Фотодиссоциация молекул является простейшим химическим процессом, который индуцируется светом. Однофотонное возбуждение электронного состояния, лежащего выше порога диссоциации, создает предпосылки для осуществления изотопно-селективных реакций. Квантовая эффективность такого однофотонного процесса предиссоциации может быть значительно выше, чем для процессов, идущих через поглощение двух или более фотонов.
Последовательное поглощение молекулой нескольких фотонов также может привести к селективной диссоциации молекулы как из дискретных электронных возбужденных состояний, так и при возбуждении в континуум. Селективность в этом процессе должна быть обеспечена на первых ступенях возбуждения, а длина волны последнего (добивающего) излучения решающего значе-
271
ния не имеет. Это особенно существенно, если промежуточными состояниями являются колебательные уровни, возбуждаемые инфракрасными лазерами, а кванты второго излучения (сообщающего молекуле основную часть энергии диссоциации) принадлежат видимому или УФ-диапазону спектра.
В работе [6.40] сообщалось об успешных экспериментах (выполненных в 1976 г.) по получению миллиграммовых количеств урана, обогащенного изотопом 235U, путем селективной фотодиссоциации молекул UFB с помощью инфракрасного (16 мкм) и УФ-лазеров.
Недавно был открыт замечательный процесс селективной диссоциации многоатомных молекул под действием одного только инфракрасного излучения. Этот процесс получил название многофотонной диссоциации молекул. И хотя большинство опубликованных работ выполнено с молекулами, не содержащими уран, явление многофотонной диссоциации молекул имеет достаточно общий характер и поэтому представляет интерес для проблемы ЛРИ урана.
При оценке практической приемлемости метода следует принимать во внимание и эффективное сечение индуцированного лазером процесса, и стоимость фотонов с выбранной длиной волны.
В общем случае сечение перехода в континуум меньше, чем сечение перехода между резонансными уровнями. Для преодоления диссоциационного барьера в многофотонном процессе молекула должна поглотить довольно большое количество инфракрасных квантов, при этом полное эффективное сечение диссоциации оказывается на несколько порядков ниже, чем сечение однофотонного резонансного перехода.
Молекулы, находящиеся в высоковозбужденных колебательных или электронных состояниях, очень часто проявляют повышенную (в сравнении с исходным состоянием) химическую активность. Преимущественное возбуждение молекул одного сорта может привести к существенному увеличению содержания выбранного изотопа в продуктах реакции. И снова, к сожалению, большинство исследовательских работ в этом направлении выполнено для молекул, не содержащих уран.
Весьма существенными моментами, определяющими эффективность процесса, являются скорости релаксации и передачи возбуждения при столкновениях молекул. Столкновения между возбужденными и невозбужденными молекулами, содержащими различные изотопы урана, приводят к значительному снижению селективности из-за весьма вероятного при столкновениях процесса резонансной передачи энергии возбуждения от одной молекулы к другой. Чтобы уменьшить деселектирующее действие этого процесса, рабочую смесь разбавляют достаточным количеством какого-либо газа, не содержащего уран. Как уже говорилось, другим нежелательным процессом является релаксация (сброс) энергии возбуждения при столкновениях с молекулами рабочей смеси. Отношение скоростей полезного (приводящего к хцмнче-
272
ской реакции) и вредного (релаксация) процессов определяет эффективность использования излучения и производительность предполагаемого процесса ЛРИ.
6.4.4. Сбор продукта
Подчеркнем, что реальный процесс разделения изотопов в молекулярном методе основан на различиях физических или химических свойств исходного вещества и продуктов реакции. При этом обычно не используют какие-либо внешние поля, что дает определенные гарантии при масштабировании процесса. Наиболее удобно отделять продукты реакции от исходного вещества, если они находятся в различных агрегатных состояниях или имеют резко различающиеся упругости паров.
Иногда может оказаться целесообразным добавление какого-либо не содержащего уран реагента для связывания нежелательных продуктов лазерно-стимулированной химической реакции, например активных радикалов, которые могут вступать в реакцию с исходным веществом.
6 4.5. Требования к лазерам
Детальные требования к характеристикам используемых лазеров могут быть сформулированы лишь после того, как выбран сам процесс лазерного разделения изотопов. Остановимся только на некоторых моментах, имеюшпх общий характер.
