Сборник тезисов докладов X Международной молодежной научной конференции

Полярное сияние 2007

Ядерное будущее: безопасность, экономика и право

Секция «Перспективные приложения ядерных технологий»

ФАЗОВОЕ И ИЗОТОПНОЕ РАВНОВЕСИЕ В ХИМОБМЕННЫХ СИСТЕМАХ ДЛЯ РАЗДЛЕНИЯ ИЗОТОПОВ БОРА

Андреева О.Ю., Бирюкова А.О., Лизунов А.В., Хорошилов А.В.

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

Бор и его соединения с измененным относительно природного изотопным составом широко используются в различных областях науки, техники и медицины. Широкий спектр их применения основан на резком различии в ядерно-физических свойствах изотопов бора – сечение захвата тепловых нейтронов для изотопов ¹⁰B и ¹¹B отличаются примерно в 80 000 раз (3850 и 0,05 барн соответственно). Главная область применения изотопа ¹⁰B — ядерная энергетика, где он используется для регулирования реактивности промышленных ядерных реакторов в качестве составной части стержней аварийной защиты или регулирующих стержней реакторов на тепловых и быстрых нейтронах. Другой важной областью использования изотопа ¹⁰B в ядерной энергетике является его применение как основы для антиактивационных покрытий, предотвращающих нейтронную активацию конструкционных материалов реакторов и вспомогательного оборудования; транспортных средств, используемых при транспортировке ядерных отходов.

Для разделения изотопов бора с целью получения ¹⁰В преимущественно используется метод химического изотопного обмена между газообразным BF₃ и его жидким комплексным соединением с органическим веществом — комплексообразователем (D). Комплексные соединения способны обмениваться с BF₃ по реакции изотопного обмена (1):

(1)

В качестве комплексообразователя наибольшее практическое применение получили простые эфиры (диметиловый, диэтиловый) и сложный метил-фениловый эфир или анизол, при этом, рабочая система на основе последнего характеризуется коэффициентом разделения изотопов бора близким к значению =1,03 при комнатной температуре. С использованием этих комплексообразователей произведено основное количество изотопнообогащенной продукции в мире. В настоящее время производство стабильных изотопов бора в России отсутствует.

Поиск новых, более эффективных с производственной и экономической точек зрения комплексообразователей остается практически значимой задачей. В работе в качестве перспективных соединений исследованы триалкилфосфаты нормального строения с числом атомов в углеводородном радикале от 1 до 4, а также первый член гомологического ряда алифатических нитросоединений — нитрометан. Изучена комплексообразующая способность вышеуказанных соединений; определены коэффициенты разделения изотопов бора, численно равные константе равновесия реакции (1). Полученные данные по фазовому равновесию представлены в таблицах 1 и 2, по изотопному равновесию – в таблице 3.

Таблица 1. Мольное отношение для исследованных комплексообразователей при температуре 293К.

Комплексообразователь	ТМФ	ТЭФ	ТПФ	ТБФ	MeNO₂
r, моль BF₃/моль к.о.	1,08 ± 0,03	1,29 ± 0,04	1,33 ± 0,02	1,32 ± 0,02	0,148 ± 0,004

Пояснения к табл.1: здесь и далее ТМФ – триметилфосфат, ТЭФ – триэтилфосфат, ТПФ –три-н-пропилфосфат, ТБФ – три-н-бутилфосфат.

Таблица 2. Мольное отношение для нитрометана в зависимости от температуры.

T, K	308	293	273	257	253
r, моль BF₃/моль MeNO₂	0,073 ± 0,004	0,148 ± 0,004	0,384 ± 0,005	0,720 ± 0,004	0,760 ± 0,005

Таблица 3. Коэффициент разделения изотопов бора () в системах состава BF₃ (г)-D^. BF₃(ж) при температуре 293К.

Комплексо-образователь	ТМФ*	ТПФ	ТБФ	MeNO₂
	1,046 ± 0,009	1,036 ± 0,005	1,035 ± 0,005	1,045 ± 0,004

Анализируя полученные данные, можно отметить, что измеренные величины коэффициента обогащения ( = -1, где — коэффициент разделения) превышают аналогичные значения для таких комплексообразователей, как анизол и диэтиловый эфир, на (15–70)%. В гомологическом ряду триалкилфосфатов наблюдается снижение коэффициента разделения с ростом длины углеводородного радикала, для ТБФ величина коэффициента обогащения становится соизмеримой с аналогичной величиной для анизола. Полученные данные свидетельствуют о перспективности применения исследованных комплексообразователей в качестве рабочего вещества при разделении изотопов бора в лабораторном и промышленном масштабах.