6.4.5. Лазерный метод
Метод основан на эффекте изотермического смещения спектральных линий в атомах урана. Частичный сдвиг между спектрами U235 и U238 составляет около 8 ГГц, а сдвиг по энергиям между соответствующими уровнями изотопов составляют ~ 3∙10-5 эВ. Частота лазерного излучения для селективного возбуждения должна выдерживаться очень точно, погрешность не должна превышать ~ 10-5 при ориентировочной энергии фотона ~ 1 эВ.
Если настроить излучение лазера на нужную полосу длины волны, можно возбудить уровень только нужного изотопа и осуществить его фотоионизацию.
Различают два способа разделения с использованием лазерного излучения в зависимости от того, в каком состоянии находятся изотопы урана: в виде атомарного пара (метод AVLIS) или в виде газообразных молекул (MLIS – Molecular Laser Isotopic Separation).
Молекулярный метод является очень сложным из-за того, что молекулы UF6 имеют много уровней энергии, соответствующих колебательным состоянием атомов в молекуле, и сложно найти подобрать переход, обеспечивающий селективность и фотоионизацию U235F6.
Метод AVLIS отработан на демонстрационной установке и суть его заключается в следующем.
Уран испаряется при температуре ~ 2600 К под действием электронно-лучевой бомбардировки. При такой температуре скорость испарения урана может достигать несколько сот граммов в секунду. Взаимодействие лазерного излучения с парами атомарного U235 приводит к их ионизации (рис. 5.18).
Рис. 5.18. Схема лазерного разделения изотопов урана в атомарном паре
Принципиальная схема установки, разработанная в Ливерморской лаборатории им. Лоуренса, приведена на рис. 5.19. Установка состоит из трех частей: лазерной системы, системы усиления лазерного пучка и системы разделения ионизированного U235. Используются два лазера: первый (на парах меди, мощностью 150 Вт) приводит в действие второй (на красителях), генерирующий свет с необходимой длиной волны.
Рис. 5.19. Схема технологической установки AVLIS для лазерного разделения изотопов урана
Для получения высокого коэффициента разделения плотность паров урана должна быть малой, так как с увеличением плотности увеличивается обмен зарядами между ионами изотопов U235 и U238, что снижает селективность процесса.
Важным достоинством метода AVLIS является исключение из технологии UF6, так как химический концентрат U3O8 непосредственно превращается в металлический уран. На завод, изготавливающий ТВЭЛы, поступает обогащенный металлический U или окись урана UO2.
Метод AVLIS может быть использован для выделения Pu239 из отработавшего на АЭС ядерного топлива. В этом случае на установке одинаковой мощности Pu239 может быть получено на порядок больше, чем U235. Следует заметить, что температура испарения атомарного плутониевого пара ~ 3500 К. Технология извлечения Pu239 будет значительно сложнее технологии с применением атомарного урана.
Вопросы для повторения
1. Производства, входящие в топливно-ядерный цикл.
2. Урановые руды, их распространение в природе.
3. Основные методы добычи урановых руд.
4. Добыча урана из морской воды.
5. Механическое обогащение урановых руд. Образуемые отходы. Влияние на
окружающую среду.
6. Аффинаж. Его необходимость.
7. Понятие о радиоизотопном обогащении урана. Различия в радиоизотопном
обогащении для реакторов на тепловых и на быстрых нейтронах.
8. Газодиффузионный метод обогащения.
9. Центробежный метод обогащения.
10. Метод разделительного сопла.
11. Электромагнитный, лазерный и другие методы радиоизотопного обогащения урана.
12. Облучения персонала при добыче и обогащении урановых руд.