[其他]連續三步共振激光激發光化學法分離鈾同位素

無效

• 申請號: 87101066
• 申請日: 1987-06-15
• 公開（公告）號: CN87101066A
• 公開（公告）日: 1988-12-28
• 發明（設計）人: 徐葆裕;陳達明;王文基
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: B01D59/34
• 分類號: B01D59/34
• 代理公司: 復旦大學專利事務所
• 代理人: 華以正

本發明屬于用共振激光激發誘導光化學反應的領域;用連續三步共振激光激發誘導光化學反應，在甲酸鈾酰固相體系中分離鈾同位素。

鈾同位素的分離（即濃縮鈾的生產）在核燃料工業中占據十分重要的地位。目前唯一能夠進行大規模生產的方法是氣體擴散法，該法的缺點是分離效率低，設備復雜、耗能大、成本高。因此，幾十年來人們一直致力于研究新的分離技術，諸如離心法、噴咀法、化學交換法等。最近迅速發展起來的激光分離鈾同位素是最有希望的一種分離方法，其中原子鈾蒸氣的光電離法〔J.I.Davis，etal.，Status and Prospects for Laser in lsotope Separation，Laser Focus，18（9），1982，49〕和六氟化鈾的分子解離法〔R.J，Jensen et al.，Laser isotope Separation，Sep.Sci.Technol，15，509（1980）〕已經在實驗室中試驗成功，預計成本比擴散法低得多。但是前者需要2700K高溫的鈾蒸氣，對材料的腐蝕十分嚴重;后者要非常規的16μm大功率激光器，研制十分困難。此外，在激光分離中，它們都需采用多步的激光激發過程，如圖1（a）和圖1（b）分別為原子鈾蒸氣法和UF₆分子法。但激光的選擇性激發作用卻僅限于步驟1的激發，步驟2的激發對選擇性均無貢獻，其作用僅是提供足夠能量，使受激原子或分子進一步發生電離或離解。因此整個分離過程的分離效率受到了較大的限制。

激光分離同位素的基礎是光譜中存在的同位素位移效應，見附圖1中的Δν，由于在氣相中物質的吸收譜線較窄，同位素光譜較易分辨，因此激光分離同位素大多在氣相中進行。

但是，在低溫條件下，某些固體鈾化合物也具有較窄的吸收光譜線，因而其同位素光譜亦可分辨〔E.Rabinowitch，“Spectroscopy and photochemistry of uranyl compounds”New york 1964，P1-55〕例如本發明中所應用的單結晶水甲酸鈾酰化合物晶體。圖2顯示了這類鈾酰化合物的電子振動光譜及其同位素位移效應，ν_α，2ν_α，……為電子基態的各振動態;ν_α′，2ν_α′……為電子激發態的振動激發態;Δν為同位素位移;1為電子振動激發，2為振動激發。Porter在此基礎上提出了應用二步激光激發甲酸鈾酰化合物所引起的光化學反應分離鈾同位素〔J.T.Porter，“Separation of uranium Isotoper”U.S.Patent 4439404（1984）〕如圖3所示，曲線A為UO²⁺₂的電子基態。曲線B為UO²⁺₂的第一激發態，1為染料激光激發，2為紅外激光激發，ν_α和ν_α′分別為UO²⁺₂的電子基態和第一激發態的振動基態。

首先使用可見光波段的染料激光使²³⁵UO²⁺₂選擇性地激發到最低電子激發態的第一振動能級（在此能級上的同位素位移約為0.5cm^-1），然后再用一紅外波段的激光使受激的²³⁵UO²⁺₂進一步激發到更高能態，在此能態上²³⁵UO²⁺₂能夠在自身還原劑甲酸根離子的作用下發生光化還原反應，生成四價鈾（Ⅳ）化合物，它很容易與原來的六價鈾（Ⅵ）化合物分離開來，這樣，在光化還原產物，即四價鈾化合物中U-235同位素獲得濃集。

如前所述，此分離過程的選擇性僅決定于第一步激光激發的選擇性。發明人在文獻〔徐葆裕，紅外激光對液-液相體系中鈾的萃取化學反應的影響，《中國激光》，1983，10，354〕中提出了估算激光激發過程選擇性的方法：

S＝1/（1- (Δν)/(〔FWHM〕) ）

其中Δν為同位素位移，〔FWHM〕為同位素光譜吸收峰的半高全寬度，在此分離過程中，Δν≈0.5cm^-1，〔FWHM〕≈0.808cm^-1，因此若忽略其它選擇性損失因素，此分離過程的選擇性最大可達S_max～2.6。