Сборник тезисов докладов VIII Международной молодежной научной конференции

Полярное сияние 2005

Ядерное будущее: безопасность, экономика и право

Секция «Перспективные приложения ядерных технологий»

Сравнительная оценка физико-химических способов концентрирования изотопа кремния

Анчихров А.В., Фёдорова С.Н., Чередниченко С.А., Хорошилов А.В.

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева

В последние годы наблюдается повышенный интерес к высококонцентрированному изотопу кремния ²⁸Si, что обусловлено обнаружением его повышенной теплопроводности по сравнению с кремнием природного изотопного состава [1-3]. В этой связи стала актуальной задача совершенствования известных и разработки новых технологий разделения изотопов кремния.

Из физико-химических способов для разделения изотопов кремния предложены: ректификация силана SiH₄ [4], тетрахлорида кремния SiCl₄ [5], тетрафторида кремния SiF₄ [6] и химический изотопный обмен между SiF₄ и его комплексами с алифатическими спиртами в системе SiF₄·2ROH – SiF₄, где R – алкильный радикал [7-8].

Разделение изотопов ректификацией и химобменом реализуется в противоточных колонных аппаратах, заполненных мелкой высокоэффективной насадкой. Объём разделительной аппаратуры определяется величиной коэффициента разделения изотопов ? (от ? зависит число теоретических ступеней разделения ЧТСР, необходимых для достижения заданной концентрации изотопа в продукте, величина потока в колонне) и кинетикой изотопного обмена (кинетика изотопного обмена определяет высоту, эквивалентную теоретической ступени ВЭТС). Значения ? и ВЭТС, использовавшиеся в расчётах, взяты для процессов ректификации из работ [4-6], для процесса химического обмена – из экспериментальных данных авторов [8] (расчёты выполнены с использованием коэффициента разделения для изотопов ²⁸Si – ²⁹Si).

Проведена сравнительная оценка размеров разделительной аппаратуры, эксплуатационных затрат и себестоимости продукции для каждой из указанных четырёх рабочих систем при производительности установки 10 кг ²⁸Si в год (концентрирование ²⁸Si производится от природного уровня 92,23% ат. до концентрации 99,9% ат). Предполагалось, что процесс разделения осуществляется на спирально-призматической насадке с размером элемента 2?2?0,2 мм и в процессе химического изотопного обмена в качестве комплексообразователя используется н-бутанол.

Расчеты выполнены по описанной в литературе методике [9]. Результаты расчётов (в относительных единицах) приведены в табл. 1-2 и представлены на рис. 1. За способ сравнения принят химический обмен в системе SiF₄·2ROH _(ж) – SiF_{4 (г)}.

Таблица 1. Условия проведения процесса разделения и основные параметры установки для разделения изотопов кремния физико-химическими способами.

Рабочая система	Условия проведения процесса		Коэфф. разделения	Поток кремния L, отн. ед./ед. вр.	ЧТСР N, отн. ед.	Необходимая высота H, отн. ед.	Условный объём (L * N), отн. ед.	Реальный объём V, отн. ед.
Рабочая система	Темпе-ратура, Т, К	Давление P, атм.	Коэфф. разделения	Поток кремния L, отн. ед./ед. вр.	ЧТСР N, отн. ед.	Необходимая высота H, отн. ед.	Условный объём (L * N), отн. ед.	Реальный объём V, отн. ед.
SiH_{4 (ж)} – SiH_{4 (п)}	156	0,74	1,00035	31,2	31,3	13,9	973,4	14,18
SiF_{4 (ж)} – SiF_{4 (п)}	199	3,73	1,00103	10,6	10,7	2,3	112,5	0,44
SiCl_{4 (ж)} – SiCl_{4 (п)}	330,5	1	1,00017	64,3	64,5	16,0	4125,1	72,40
SiF₄·2ROH _(ж) – SiF_{4 (г)}	296	1	1,011	1	1	1	1	1

Таблица 2. Капитальные и эксплуатационные затраты на концентрирование изотопа ²⁸Si физико-химическими способами

Рабочая система	Капитальные затраты C_V , отн. ед.	Затраты на электроэнергию, отн. ед./ед. вр.	Затраты на охлаждающую воду, отн. ед./ед. вр.	Затраты на жидкий азот**, отн. ед./ед. вр.	Эксплуатацион-ные затраты C_L, отн. ед./ед. вр.
SiH_{4 (ж)} – SiH_{4 (п)}	14,18	10,9	-	2,7	315,3
SiF_{4 (ж)} – SiF_{4 (п)}	0,44	4,1	-	1	116,7
SiCl_{4 (ж)} – SiCl_{4 (п)}	72,40	50,9	50,9	-	50,9
SiF₄·2ROH _(ж) – SiF_{4 (г)}	1	1	1	-	1

** - за единицу затрат на жидкий азот приняты затраты в процессе низкотемпературной ректификации SiF₄, т.к. в процессе химобмена жидкий азот не требуется.

Рис. 1. Затраты на получение 1 кг ²⁸Si физико-химическими способами в зависимости от времени амортизации основных фондов: - ректификация SiH₄; - ректификация SiF₄; - ректификация SiCl₄; - химический изотопный обмен в системе SiF₄·2ROH (ж) – SiF₄ (г)

По данным табл.1 объем разделительной аппаратуры минимален для процесса низкотемпературной ректификации SiF₄, а наименьшая высота характерна для процесса химического изотопного обмена. Сравнительная экономическая оценка (см. табл. 2 и рис.1) показывает, что химический изотопный обмен в системе SiF₄·2ROH (ж) – SiF₄ (г) наиболее экономичен: затраты на получение ²⁸Si в этом способе более чем на порядок ниже, по сравнению с затратами в процессах ректификации. Как видно из рис.1, на затраты по получению ²⁸Si методом низкотемпературной ректификации крайне слабо влияет период амортизации основных фондов, что обусловлено преобладанием эксплуатационных расходов, связанных прежде всего с затратами на жидкий азот. Затратная по капитальным вложениям ректификация SiCl₄ по себестоимости продукции фактически не уступает низкотемпературной ректификации тетрафторида кремния.

В результате выполнения работы можно отметить, что способ химического обмена является наиболее экономичным среди рассмотренных физико-химических способов разделения изотопов кремния.

Литература:

1. Capinski W. S., Maris H. J., Bauser E. et al. Thermal conductivity of isotopically enriched silicon // Appl. Phys. Lett..– 1997.– 71.– № 15.– p. 2109.

2. Ruf T., Henn R.W., Asen-Palmer M., Gmelin E., Cardona M., Pohl H.-J., Devyatych G. G., Sennikov P.G. Thermal conductivity of isotopically enriched silicon // Solid State Communications.– 2000.– 115.– № 5.– p. 243-247.

3. Komarov P.I., Burzo M.G., Kaytaz G., Raad P.E. Transient thermo-reflectance measurements of the thermal conductivity and interface resistance of metallized natural and isotopically silicon // Microelectronics Journal.– 2003.– 34.– № ?.– p. 1115-1118.

4. Девятых Г. Г.,Борисов Г.К., Павлов А.М. О разделении изотопов кремния ректификацией моносилана // Докл. Акад. Наук СССР.– 1961.– 138.– № 2.– с.402-404.

5. Brunken R., Lentz. H., Schneider G., Wagner H.Gg. Anreicherung der schweren siliziumisotope durch destillation von siliziumtetrachlorid // Z. Phys. Chem. Neue Folge.– 1966.– 48.– № 1 – 2.– s. 120-122.

6. Thomas R. Mills Silicon isotope separation by distillation of silicon tetrafluoride // Separ. Sci. and Technol.– 1990.– 25.– № 3.– p. 335-345.

7. Egiazarov A., Abzianidze T., Razmadze A. Separation of silicon isotopes by chemical isotopic exchange method // Int. symp. “The synth. and appl. of isotopes and isotopically labelled compounds”, 2001.

8. Пономарёва И.Ю., Пономарёв А. В., Чередниченко С.А., Хорошилов А.В. Изотопные эффекты при разделении изотопов кремния в системе SiF₄ – SiF₄·ROH // Успехи в химии и хим. технол.: Сб. науч. тр. Том XVIII, № 8. М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2004, с. 17 – 21.

9. Хорошилов А.В., Катальников С.Г. Разделение стабильных изотопов азота: современный уровень производства, анализ экономической эффективности и перспективы развития способов концентрирования //Труды МХТИ им. Д.И. Менделеева, вып. 130, 1984, с. 18-35.