离心法分离锗同位素实验研究

周明胜,徐燕博,程维娜

(清华大学工程物理系,北京 100084)

离心法是目前同位素分离的主要方法之一。该方法的分离效应取决于待分离气体不同组分间的相对分子质量之差,而与气体的平均相对分子质量无关。只要能找到合适的气体分离介质,离心法是分离重同位素的一种经济有效的方法。由于电能消耗少,浓缩系数大,离心法已逐渐取代气体扩散法成为核燃料生产的主要方法。近年来,随着科学的发展与技术的进步,稳定同位素的应用领域不断扩大,为了满足对稳定同位素日益增长的需求,俄罗斯和欧洲URENCO公司等都已经在进行离心法分离稳定同位素的研究和生产。

锗有 5 种 天然同位 素,70Ge、72Ge、73Ge、74Ge、76Ge,其丰度分别为 20.5%、27.4%、7.8%、36.5%和7.8%,其中76Ge在探测器领域有着重要的应用[1],尤其在暗物质的寻找、中微子质量的测量[2]等尖端科学领域有着潜在的应用。为了获得单一的、丰度较高的76Ge同位素,需要对天然锗同位素进行分离。随着与锗同位素相关的科学研究的深入,其需求量也随之增加,在意大利的Gran Sass国家实验室(LNGS)进行的无中微子的双β衰变实验研究中,预计会有总计大约1吨的高丰度76Ge晶体将被投入使用[3]。我国近年来也利用锗展开了相关研究,对锗同位素也有了一定的需求,因此,锗同位素的生产分离研究具有非常重要的意义。

分离同位素的主要方法有化学交换法、电磁法、气体离心法等,由于气体离心法具有耗能少、分离系数大等优点,本工作拟采用气体离心法,利用国产离心机进行锗同位素的分离实验。

1 分离介质的选择

实现锗同位素离心分离的几个关键因素为:实验系统的真空度、离心机的转速及气体介质的物化性质,其中最重要的是必须选择能满足离心分离要求的气体介质。通常情况下,利用气体离心机进行同位素分离,工作气体需要满足以下要求[4]:1)具有热稳定性(在570 K以下保持稳定);2)相对分子质量足够大(≥70);3)常温下饱和蒸气压＞665 Pa。

1.1 分离介质选择

由于天然氟是单一同位素元素,离心分离的介质一般优先选择氟化物。GeF4的主要物化参数如下:熔点为-36.5℃(升华),相对分子质量为148.6,-41.4℃下蒸气压为60.25 kPa,25℃下饱和蒸气压为850 k Pa。这符合离心分离的基本条件。同时由于氟的天然同位素唯一,便于对实验中所取样品进行质谱分析,故选用GeF4作为离心分离锗同位素的分离介质。

1.2 GeF4的储存和使用

GeF4的升华温度是-37℃,-15℃时的饱和蒸气压是405.3 kPa,在常温下是高压气体,且有很强的腐蚀性,因此储存时必须采用带不锈钢阀门的高压瓶。GeF4的强腐蚀性和常温下的高压特性,增加了实验研究的难度,在分离研究过程中,供料需减压到扩压容器,在离心分离研究中得到的精贫料还要及时转入高压容器。

2 单机实验

为了了解和掌握锗同位素离心分离的单机性能,首先需要进行单机分离实验,掌握分离规律,以判断分离介质是否适合于国产离心机的分离要求。为此,利用图1所示实验系统,进行了单机分离实验。

2.1 多元离心分离理论

由于天然锗有5种稳定同位素,锗同位素的分离是多元分离,根据多元分离理论,其分离系数应满足以下关系式[5]:

图1 锗分离单机实验原理示意图

2.2 原料净化

由于GeF4气体中含有HF等杂质气体,购买的GeF4的纯度不符合离心分离实验的要求,因此选择在-50～-40℃的温度区间里,采用精馏的方法对GeF4进行原料净化,经过多次实验,净化后的GeF4的纯度可以满足离心分离实验的要求。

2.3 单机分离及分离效果

单机实验分别在相同供料压强下改变分流比和分流比相同时改变供料压强的工况下进行,达到定常态后取样,用 MAT-281质谱仪对GeF4样品进行丰度分析[6],并计算分流比及基本全分离系数。

根据单机实验的质谱结果分别计算其他组分对第一种组分的基本全分离系数,对得到的结果进行线性拟合,拟合结果即为单机分离实验的基本全分离系数γ0。单机分离实验数据及拟合结果列于表1。由表1可以看出,通过改变供料压强P F和分流比θ,对单机工况进行摸索,γ0不断增大,说明分离性能不断提高,P F=267 Pa,θ=0.44时,得到了较大的GeF4的基本全分离系数 γ0=1.43。

表1 单机分离GeF4实验结果

3 级联分离及分离效果

3.1 1-2-1级联实验

在通过单机分离实验了解了锗同位素的单机分离性能的基础上,把4台离心机全部调整到适合分离GeF4的物理参数,并以1-2-1的级联方式进行分离实验,其级联方式示意图示于图2。同样对实验样品进行质谱分析得到GeF4的丰度数据,然后计算其他组分对第一种组分的基本全分离系数,对得到的结果进行线性拟合,由此得到1-2-1短级联分离实验的基本全分离系数γ0。分离结果列于表2。由表2可以看出,通过改变供料压强PF和分流比θ,γ0不断增大,说明级联的分离性能得到不断优化,在 P F=267 Pa,θ=0.54时,基本全分离系数 γ0=2.01。

3.2 锗同位素分离的级联计算

了解了单机和小级联的分离性能,考虑用一个矩形级联进行76Ge丰度大于90%的产品的生产。根据上述1-2-1级联实验结果,如果级联的分离系数为2.00,且浓化系数等于贫化系数,那么每级分离实际可达到的分离系数约为1.40。若取γ0=1.40,级联供料流量与每级供料流量之比 F/G=0.1,级联精料与供料流量之比P/F=0.93进行多元分离级联的迭代计算[7],则通过一个在第8级供料的10级矩形级联即可生产出76Ge丰度大于90%的GeF4产品,迭代计算的各级同位素丰度分布情况列于表3。

图2 1-2-1级联方式示意图

表2 1-2-1级联分离GeF4实验结果

表3 用矩形级联生产GeF4时各阶段同位素丰度分布

若以1-2-1短级联为基础,以多次级联分离[8]的方式进行76Ge丰度大于90%的GeF4产品的生产,则在F/G以及分流比θ保持不变的情况下(取 θ=0.55,γ0=2.00),经过 6次 1-2-1级联的分离可以得到76Ge丰度大于90%的GeF4产品,迭代计算的各阶段同位素丰度分布情况列于表4。

表4 用1-2-1级联生产GeF4时各阶段同位素丰度分布

表3和表4的关于矩形级联和多次1-2-1级联的形式对76GeF4产品的实际生产的模拟计算结果表明,76Ge的丰度均可大于90%,说明通过选择合适的级联形式,可以获得76Ge丰度大于90%的GeF4产品。

4 结 论

采用气体离心法,选择GeF4作为分离介质,通过国产离心机的单机实验成功分离了锗同位素,初步掌握了不同供料流量、分流比下,GeF4离心分离的基本全分离系数,得到的基本全分离系数大于1.40;采用多次1-2-1级联分离,可以获得76Ge丰度大于90%的GeF4产品。

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[2] Wu Huifang,Huang Tao.Half-life and the nuclear matrix element of the double-beta decay in76Ge[J].High Energy Physics and Nuclear Physics,2000,24(6):589-592.

[3] Nikolic M,Nikolic N,Liang YC,et al.The76Ge double-beta decay experiment GERDA at LNGS[J].Nuclear Physics,2006,37(7):195-203.

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[5] 郭志雄,应纯同.多组份同位素离心分离的简化计算[J].清华大学学报:自然科学版,1995,35(3):71-77.

[6] 王世俊.质谱学及其在核科学技术中的应用[M].北京:原子能出版社,1998:56-60.

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[8] 周明胜,梁雄文,张永刚.离心法生产氙同位素[J].同位素,2006,19(1):1-3.