Трудная задача.

Трудная задача. Если мы имеем смесь каких-нибудь веществ, то химики с помощью ряда операций легко мо­гут разделить эти вещества. Но для разделения изото­пов химические реакции бесполезны. По своим химиче­ским свойствам изотопы не отличаются друг от друга. Получение отдельных изотопов в чистом виде имеет осо­бое значение сейчас, когда становится ясной их роль в получении и использовании атомной энергии.

Разделение изотопов оказалось очень трудной зада­чей. Здесь можно использовать только различие масс их атомов и ядер. Но это различие заметно только у изото­пов самых легких элементов; у тяжелых изотопов это отличие незначительно.

Так, например, у водорода разница в массах тяжелого (дейтерия) и легкого изотопов составляет 100 процентов, а у урана — всего 1,3 процента. И все-таки во всех из­вестных в настоящее время методах разделения изотопов урана используют это различие в массах.

Предположим, что требуется разделить газ, состоя­щий из двух сортов молекул. Если температура во всех точках пространства, заполненного газом, будет одина­кова, то средняя энергия хаотически движущихся моле­кул обоих сортов будет также одинакова, то есть (m1v1v1)/2=(m2v2v2)/2 . Отсюда получается, что v1/v2=sqrt(m2/m1) , то есть средние скорости молекул обратно пропорциональны кор­ням квадратным из их масс.

Если это соотношение применить к атомам урана, то получим, что скорость атома урана235 будет в 1,0065 больше скорости атомов урана238.

Различие в скоростях весьма мало, но все же его можно использовать для разделения изотопов урана в ме­тоде газовой диффузии. Принцип этого метода не сложен.

Представим себе сосуд, разделенный перегородкой с мельчайшими порами. Если в одну часть этого сосуда впустить газообразный шестифтористый уран (есть такая соль урана), то молекулы, содержащие уран235, будут быстрее проникать через пористую перегородку и во второй половине сосуда газ будет содержать несколько большее количество легкого изотопа.

Наиболее простая диффузионная ячейка такого рода изображена на рис. 12. Ячейка состоит из трубки с по­ристыми стенками, помещенной внутри широкого сосуда, в котором с помощью насосов поддержи­вается вакуум. Газ, состоящий из двух сортов молекул раз­личной массы, вте­кает в ячейку. Часть этого газа, прошед­шая через пористую перегородку, имеет немного увеличенное содержание легких молекул. В конец ячейки поступает газ с большим содержа­нием тяжелых моле­кул.

Благодаря малому различию атомных весов изотопов урана изменения изотопного состава газа в обоих сосу­дах очень малы. Поэтому для получения почти чистого урана235 и полного извлечения его из природного урана нужны тысячи таких ступеней разделения.

Другой способ основан на явлении так называемой термодиффузии газов. Если в сосуде, наполненном шести- фтористым ураном, создать большой перепад темпера­туры, то благодаря различию скоростей частиц газ, со­держащий тяжелый изотоп, будет скопляться в холодной, а легкий — в горячей части сосуда. Здесь для достаточно эффективного разделения изотопов урана тоже необхо­димо очень много ступеней очистки.

clip_image002

Рис. 12. Схема диффузионной ячейки для разделения изотопов урана. В от­верстия А поступает шестифтористый уран. Через В откачивают продиффундированный газ с увеличенным содер­жанием легкого изотопа. Из Д выходит газ, содержащий тяжелый изотоп урана

На совершенно другом принципе основан электромаг­нитный способ разделения. В основе этого метода лежит принцип масспектрографа, с помощью которого произво­дились измерения масс различных изотопов. Смесь ионов различных изотопов ускоряют в электрическом поле и на­правляют между полюсами сильного электромагнита. Как известно, движущиеся таким образом ионы будут описы­вать круговые линии в плоскости, параллельной поверх­ности полюсов магнита. Кривизна этих круговых линий при прочих равных условиях зависит от массы иона. Бо­лее легкий ион описывает окружность меньшего радиуса. Таким образом, выпущенные из масспектрографа ионы различных изотопов могут улавливаться в разных местах. Движение иона по правильной круговой орбите возможно лишь при условии, что на всем пути ион не столкнется с какой-либо молекулой газа. Поэтому из камеры при­бора тщательно откачивают воздух.

В одном аппарате такого рода можно сразу получить довольно чистые продукты разделения. Однако произво­дительность установки очень мала. Поэтому опять-таки нужно много ячеек для получения достаточного количе­ства урана235.

Все известные в промышленности способы разделения изотопов очень сложны. Но, несмотря на это, чистые изо­топы урана получают в довольно больших количествах.