Лазерное разделение изотопов на атомных парах

разделение изотопов на атомных парах , или AVLIS , представляет собой метод, с помощью которого специально настроенные лазеры используются для разделения изотопов урана Лазерное с использованием селективной ионизации сверхтонких переходов. ^[1]^[2] Похожая технология, использующая молекулы вместо атомов, — это молекулярное лазерное разделение изотопов (MLIS).

Природный уран состоит из большой массы ²³⁸U и гораздо меньшая масса делящегося ²³⁵У. Традиционно ²³⁵U отделяют от массы путем растворения его в кислоте с получением гексафторида урана , а затем с помощью газовых центрифуг для разделения изотопов. Каждый проход через центрифугу «обогащает» количество ²³⁵U и оставляет после себя обедненный уран . Напротив, AVLIS обеспечивает гораздо более высокое обогащение за один этап без необходимости смешивания с кислотой. В принципе, эту технологию можно также использовать для разделения изотопов других элементов, что нерентабельно за пределами специализированных приложений при существующих нелазерных технологиях для большинства элементов.

Поскольку этот процесс не требует химической обработки сырья перед обогащением, он также пригоден для использования с отработанным ядерным топливом из легководных реакторов и другими ядерными отходами . В настоящее время добывается ²³⁵
U из этих источников экономичен лишь до некоторой степени, оставляя тонны ²³⁵
U все еще содержится в отходах. AVLIS может предложить экономичный способ переработки даже топлива, прошедшего один цикл переработки, с использованием существующих методов. ^[3]

Из-за возможности достижения гораздо более высокого обогащения при гораздо меньших затратах энергии, чем традиционные методы обогащения урана на основе центрифугирования, AVLIS вызывает озабоченность по поводу ядерного распространения . На сегодняшний день неизвестно, используется ли какая-либо производственная линия AVLIS в промышленном масштабе.

Принцип

Основная концепция системы AVLIS заключается в избирательной ионизации нужных атомов в испаренном исходном материале. Поскольку на энергетические уровни электронов влияет структура ядра, вызывая сверхтонкую структуру , разные изотопы имеют разные энергетические уровни. Разработчики выбирают определенную энергию электронов, при которой разница между изотопами максимальна, и уровень энергии практически можно получить с помощью лазера . Лазерный свет вызывает фотовозбуждение выбранного электрона и , таким образом, ионизацию атома, оставляя его электрически заряженным. Затем ионом можно манипулировать с помощью электростатических или магнитных полей. Другие изотопы, имеющие слегка разные энергетические уровни, не будут ионизированы и останутся в исходной смеси.

Выбор целевого электрона изменился во время разработки AVLIS по мере разработки новых лазерных технологий. Ранние работы в основном были сосредоточены на электронах в диапазоне 16 микрон, которые можно было эффективно производить с помощью CO ₂ -лазеров , появившихся в конце 1960-х годов. Однако переходы в этой области были расположены близко друг к другу, что затрудняло выбор из-за доплеровского уширения , требующего охлаждения пара с помощью сложной системы расширения. Внедрение лазеров, работающих на перестраиваемых частотах , обычно лазеров на красителях , позволило выбрать более удобные источники возбуждения. Современные системы обычно используют ²³⁸Пик поглощения U 502,74 нм смещается до 502,73 нм в ²³⁵В.

Система AVLIS состоит из испарителя и коллектора, образующих систему разделения, и лазерной системы. Испаритель производит поток чистого газообразного урана.

Лазерное возбуждение

Обычно используемый лазер представляет собой двухступенчатый перестраиваемый импульсный лазер на красителе, обычно накачиваемый лазером на парах меди ; ^[4]^[5] Задающий генератор является настраиваемым, имеет узкую линию, малошумный и высокоточный. ^[6] Его мощность значительно увеличивается за счет усилителя лазера на красителе, действующего как оптический усилитель . Для полной ионизации урана-235 используются три частоты («цвета») лазеров. ^[7]

Для AVLIS в других элементах, таких как литий перестраиваемые диодные лазеры с узкой шириной линии. , используются ^[8]

Коммерциализация и международное значение

В результате крупнейшей передачи технологий в истории правительства США в 1994 году процесс AVLIS был передан Корпорации США по обогащению для коммерциализации. Однако 9 июня 1999 года после инвестиций в размере 100 миллионов долларов USEC отменила свою программу AVLIS.

AVLIS продолжает разрабатываться в некоторых странах и представляет собой определенные проблемы для международного мониторинга. ^[9] Теперь известно, что у Ирана была секретная программа AVLIS. Однако, поскольку он был обнаружен в 2003 году, Иран заявил, что демонтировал его. ^[10]^[11]

Краткая история

История AVLIS, зафиксированная в открытой рецензируемой литературе, началась в начале-середине 1970-х годов в бывшем Советском Союзе и США. ^[12] В США исследования AVLIS в основном проводились в Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса, хотя некоторые промышленные лаборатории были первыми участниками. О разработке перестраиваемого лазера для AVLIS, применимого к урану, также сообщалось из нескольких стран, включая Пакистан (1974 г.), Австралию (1982-1984 гг.), Францию (1984 г.), Индию (1994 г.) и Японию (1996 г.). ^[12]

См. также

Ссылки

^ Л. Дж. Радземски, Р. В. Соларц и Дж. А. Пайснер (ред.), Лазерная спектроскопия и ее приложения (Марсель Деккер, Нью-Йорк, 1987), Глава 3.
^ Petr A. Bokhan, Vladimir V. Buchanov, Nikolai V. Fateev, Mikhail M. Kalugin, Mishik A. Kazaryan, Alexander M. Prokhorov, Dmitrij E. Zakrevskii: Laser Isotope Separation in Atomic Vapor . Wiley-VCH, Berlin, August 2006, ISBN 3-527-40621-2
^ «Модернизация (переобогащение) хвостов обогащения урана» .
^ Ф. Дж. Дуарте и Л. В. Хиллман (ред.), Принципы лазера на красителях (Academic, Нью-Йорк, 1990), Глава 9.
^ CE Уэбб , Мощные лазеры на красителях с накачкой лазерами на парах меди, в книге High Power Dye Lasers , FJ Duarte (Ed.) (Springer, Berlin, 1991), Глава 5.
^ Ф. Дж. Дуарте и Дж. А. Пайпер , Генераторы на основе медного лазера на красителе с узкой шириной линии и высоким коэффициентом мощности, Appl. Опция 23 , 1391-1394 (1984).
^ « Приложение 3»: Список предметов, подлежащих сообщению в МАГАТЭ» . Ираквотч.орг. Архивировано из оригинала 14 мая 2011 г. Проверено 22 ноября 2010 г.
^ И.Е. Оливарес, А.Е. Дуарте, Э.А. Саравиа и Ф.Дж. Дуарте, Разделение изотопов лития с помощью перестраиваемых диодных лазеров, Appl. Опция 41 , 2973-2977 (2002).
^ Фергюсон, Чарльз Д.; Бурестон, Джек (март – апрель 2005 г.). «Лазерное обогащение: тревога разлуки» . Совет по международным отношениям . Архивировано из оригинала 22 декабря 2010 г. Проверено 22 ноября 2010 г.
^ Фергюсон, Чарльз Д.; Бурестон, Джек (17 июня 2004 г.). «В центре внимания иранская программа лазерного обогащения» (PDF) . FirstWatch International . Проверено 22 ноября 2010 г.
^ Пол Роджерс (март 2006 г.). «Ядерная деятельность Ирана» . Оксфордская исследовательская группа. Архивировано из оригинала 6 февраля 2007 г. Проверено 22 ноября 2010 г. {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )
^ Jump up to: ^а ^б Ф. Дж. Дуарте (2016). «Перестраиваемый лазер на атомных парах, лазерное разделение изотопов». В Ф. Дж. Дуарте (ред.). Приложения настраиваемого лазера (3-е изд.). Бока-Ратон: CRC Press . стр. 371–384. ISBN 9781482261066 .

Внешние ссылки

[1] Л. Дж. Радземски, Р. В. Соларц и Дж. А. Пайснер (ред.), Лазерная спектроскопия и ее приложения (Марсель Деккер, Нью-Йорк, 1987), Глава 3.

[2] Petr A. Bokhan, Vladimir V. Buchanov, Nikolai V. Fateev, Mikhail M. Kalugin, Mishik A. Kazaryan, Alexander M. Prokhorov, Dmitrij E. Zakrevskii: Laser Isotope Separation in Atomic Vapor . Wiley-VCH, Berlin, August 2006, ISBN 3-527-40621-2

[3] «Модернизация (переобогащение) хвостов обогащения урана» .

[4] Ф. Дж. Дуарте и Л. В. Хиллман (ред.), Принципы лазера на красителях (Academic, Нью-Йорк, 1990), Глава 9.

[5] CE Уэбб , Мощные лазеры на красителях с накачкой лазерами на парах меди, в книге High Power Dye Lasers , FJ Duarte (Ed.) (Springer, Berlin, 1991), Глава 5.

[6] Ф. Дж. Дуарте и Дж. А. Пайпер , Генераторы на основе медного лазера на красителе с узкой шириной линии и высоким коэффициентом мощности, Appl. Опция 23 , 1391-1394 (1984).

[7] « Приложение 3»: Список предметов, подлежащих сообщению в МАГАТЭ» . Ираквотч.орг. Архивировано из оригинала 14 мая 2011 г. Проверено 22 ноября 2010 г.

[8] И.Е. Оливарес, А.Е. Дуарте, Э.А. Саравиа и Ф.Дж. Дуарте, Разделение изотопов лития с помощью перестраиваемых диодных лазеров, Appl. Опция 41 , 2973-2977 (2002).

[9] Фергюсон, Чарльз Д.; Бурестон, Джек (март – апрель 2005 г.). «Лазерное обогащение: тревога разлуки» . Совет по международным отношениям . Архивировано из оригинала 22 декабря 2010 г. Проверено 22 ноября 2010 г.

[10] Фергюсон, Чарльз Д.; Бурестон, Джек (17 июня 2004 г.). «В центре внимания иранская программа лазерного обогащения» (PDF) . FirstWatch International . Проверено 22 ноября 2010 г.

[11] Пол Роджерс (март 2006 г.). «Ядерная деятельность Ирана» . Оксфордская исследовательская группа. Архивировано из оригинала 6 февраля 2007 г. Проверено 22 ноября 2010 г. {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )

[TLA-12] Jump up to: ^а ^б Ф. Дж. Дуарте (2016). «Перестраиваемый лазер на атомных парах, лазерное разделение изотопов». В Ф. Дж. Дуарте (ред.). Приложения настраиваемого лазера (3-е изд.). Бока-Ратон: CRC Press . стр. 371–384. ISBN 9781482261066 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]