同位素分离

化学领域术语

同位素分离是研究同一元素的不同同位素之间的分离，被分离的同位素应属同一原子序数的同一元素，例如235U和238U的分离，1H、2D、和3T间的分离。

简介

同位素分离isotope separation 不论该同位素是稳定的还是放射性的，是天然的还是人工制造的，只要被分离的同位素属同一元素，这种分离过程都属于同位素分离的范畴。

同一元素的各种同位素有相同的核内质子数和核外电子数，故其化学性质极为相似，分离难度很大。但它们的核内中子数不同，因而其原子量不同，这就引起同位素或其分子在热力学性质上的差异，利用同位素间在物理性质和化学性质上的细微差别，可以达到分离的目的。

同位素分离方法可分为四类：

(1)直接利用同位素质量差别，如电磁分离，离心分离；

(2)利用平衡分子传递性质的差别；如扩散、热扩散、离子迁移，分子蒸馏；

(3)利用热力学性质上的差别(化学平衡和相平衡)，如精馏、化学交换、萃取、吸收、吸附、离子交换、结晶；

(4)利用同位素化学反应动力学性质上的差别，如电解、光化学分离(包括激光分离)。

实践表明，前两类适用于重元素分离，后两类对轻元素的同位素分离比较有效。

将某元素的一种或多种同位素与该元素的其他同位素分离或富集的过程。同位素的发现依赖于同位素分离的实现。直至20世纪30年代初，同位素分离的目的主要是为了分析、研究元素的同位素组成。1931年发现重氢后，建立了重水生产工厂。在H.C.尤里提出同位素化学交换的理论后，建立了各种化学交换法分离同位素的装置。40年代以来，由于核工业的需要，同位素分离技术得以长足发展。铀235、重水、锂 6、硼 10以吨量级生产，并建立了大规模分离同位素过程的级联理论。碳13、氮 15、氧18、硫34等以千克量生产，主要作示踪原子。

方法分类

各种分离混合物的方法均可用来分离同位素，根据分离原理可以分为五大类：①根据分子或离子的质量差而进行分离的电磁法、离心法等；②根据分子或离子的运动速度不同而进行分离的扩散、热扩散、分子蒸馏、电泳法等；③根据热力学同位素效应而进行分离的精馏法、化学交换法、气相色谱法、超流动性法等；④根据动力学同位素效应而进行分离的电解、光化学法、激光法等；⑤根据生物学同位素效应而进行的分离。

根据分离过程，各种方法可分类如下：

对于统计的分离过程,单级分离系数α0偏离1的程度是衡量分离效率的标准。对于二元同位素混合物，要分离的同位素浓度为N（摩尔分数）,一次单元分离操作后分离为两部分（1和2）后，分离系数定义为：

几种元素同位素的各种分离方法的α0值见表。

同位素分离

为使同位素有效分离，须将单级分离操作串联，以实现多级过程。为缩短平衡时间，降低能耗，建立了同位素分离的级联理论。

分离方法

气体扩散法

又称孔膜扩散法。根据同位素分子通过孔膜（孔径约0.01～0.03微米）扩散速度的不同来分离同位素。结果，轻同位素富集在隔膜一侧，重组分富集在隔膜的另一侧。扩散法是分离铀 235的主要方法，以六氟化铀为原料，分离系数α=1.0043,由几千个级组成级联以生产浓缩铀。（见铀同位素分离）

电磁分离法

它的工作原理与质谱法相类似。经第一次分离即可得到高富集的同位素，但产量很小，早期曾用于生产浓缩铀，后来主要用于生产克量级的重同位素，供科研使用。

热扩散法

当组成均匀的气体或液体混合物中有温度梯度时，轻组分将富集在热区而重组分将富集在冷区，这就是热扩散效应。热扩散法就是根据这一效应发展起来的。常用的装置为热扩散柱，其工作原理如图所示。将欲分离的同位素混合物放在两个垂直的同心圆管中间，内管加热，外壁冷却。由于热扩散效应，轻组分在热壁表面附近富集，重组分在冷壁表面富集，同时内壁附近气体受热上升，外管内壁附近气体因冷却下降。由于热对流的结果，富集了的轻组分气体和重组分气体经多次逆流接触，使得简单热扩散效应效果倍增。热扩散柱结构简单,操作方便,应用范围广泛，是实验室中分离轻同位素的主要手段。

质量扩散法

根据同位素混合物的不同组分在第三种气体（称为分离剂）中扩散速度的不同来分离同位素。单级分离效率甚低。为得到高效分离，必须采用级联式质量扩散柱。此法适用于小规模的中等原子量元素的同位素分离。

离心法

根据质量不同的气体分子在离心场中的平衡分布不同来分离同位素。离心法的分离系数与绝对质量差有关,因此该法对分离重同位素（特别是铀235）有利。离心法单级分离系数高，最高可达1.5～2,因此,生产浓缩铀 235需要级数少。台离心机处理物料量小，需要大量离心机并联工作。由于超速离心技术的发展，离心法分离铀同位素可与扩散法竞争，并已建立了中间工厂。

精馏法

元素各同位素及其化合物的蒸气压有差别，可以用精馏法分离同位素。精馏的分离系数等于被分离二组分纯蒸气压之比，并且随温度的降低和分子量的减少而增加。由于精馏法的工艺成熟、方法简单可靠，一些轻同位素多用此法来生产，如用低温精馏一氧化碳、一氧化氮、三氯化硼来生产碳13、氧18、氮15、硼10等同位素。工业上也曾用水的精馏来生产吨量级的重水。精馏法已用于将双温法生产的浓度约15%的重水富集到高于99.8%。

化学交换法

同位素化学交换法是分离轻同位素的一种特殊方法。它是基于在同位素化学交换反应中，同位素在各反应分子间的分布不是等几率的。工业上大量生产重水，就是利用硫化氢和水之间的同位素交换反应。由于轻元素同位素分子间的零点能相差大，交换反应的分离系数大,而且交换过程在热力学平衡条件下进行,能量消耗小。因此，化学交换法在轻同位素生产中占重要地位。一些重要的同位素如氘、氮15、硼10、锂 6都用此法生产。

电解法

根据一元素的各同位素在电极上析出速度的不同来分离同位素。电解水时，氢同位素氕和氘的分离系数在 3～12之间。电解分离系数受电极材料、电极表面状况、电流密度和温度等因素的影响。工业上最初生产重水就是用电解法。氢以外其他元素的同位素在电解时分离系数都接近1,因此用电解法生产的实用价值不大。

光化学法

由于同位素核质量的不同，使原子或分子的能级发生变化，从而引起原子或分子光谱的谱线位移。光化学法就是利用同位素分子在吸收光谱上的这种差异，用一定频率的光去激发同位素混合物中的一个组分，而不激发其他组分，然后利用处于激发态的组分和未激发组分在物理或化学性质上的不同，在激发态原子或分子能量未转移之前，采用适当的方法把它们分离出来。在激光出现以前，人们就利用光化学法分离汞同位素。60年代激光出现以后，由于激光具有单色性、强度高和连续可调等特点，使激光同位素分离成为激光应用的一个重要领域，已在实验室范围内成功地分离了十几种同位素。铀235的激光分离很受重视,无论原子法或分子法在实验室都已取得结果。原子法是在高温下得到铀蒸气，再通过两步光激发使235U电离成235U+，然后用负电场将235U+和未电离的238U分离。分子法是用惰性气体将气态UF6稀释后,经过超声绝热膨胀,使UF6的温度降至30～50K,从而得到良好的同位素谱线位移,再用激光将235UF6激发和电离,而与238UF6分离。

其它方法

此外，同位素分离还有喷嘴分离法、等离子体法、电泳法、分子蒸馏法、离子交换法、溶剂萃取法、气相色谱法、生物法等。

参考书目

H.London, ed.,Separation of Isotopes, George Newnes, London, 1961. 　S.维拉尼著，陈聿恕等译：《同位素分离》，原子能出版社,北京,1983。(S.Villani,Isotope Separation,American Nuclear Society, Hinsdale, 1976.)

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