[其他]连续三步共振激光激发光化学法分离铀同位素

说明书

本发明属于用共振激光激发诱导光化学反应的领域;用连续三步共振激光激发诱导光化学反应，在甲酸铀酰固相体系中分离铀同位素。

铀同位素的分离（即浓缩铀的生产）在核燃料工业中占据十分重要的地位。目前唯一能够进行大规模生产的方法是气体扩散法，该法的缺点是分离效率低，设备复杂、耗能大、成本高。因此，几十年来人们一直致力于研究新的分离技术，诸如离心法、喷咀法、化学交换法等。最近迅速发展起来的激光分离铀同位素是最有希望的一种分离方法，其中原子铀蒸气的光电离法〔J.I.Davis，etal.，Status and Prospects for Laser in lsotope Separation，Laser Focus，18（9），1982，49〕和六氟化铀的分子解离法〔R.J，Jensen et al.，Laser isotope Separation，Sep.Sci.Technol，15，509（1980）〕已经在实验室中试验成功，预计成本比扩散法低得多。但是前者需要2700K高温的铀蒸气，对材料的腐蚀十分严重;后者要非常规的16μm大功率激光器，研制十分困难。此外，在激光分离中，它们都需采用多步的激光激发过程，如图1（a）和图1（b）分别为原子铀蒸气法和UF₆分子法。但激光的选择性激发作用却仅限于步骤1的激发，步骤2的激发对选择性均无贡献，其作用仅是提供足够能量，使受激原子或分子进一步发生电离或离解。因此整个分离过程的分离效率受到了较大的限制。

激光分离同位素的基础是光谱中存在的同位素位移效应，见附图1中的Δν，由于在气相中物质的吸收谱线较窄，同位素光谱较易分辨，因此激光分离同位素大多在气相中进行。

但是，在低温条件下，某些固体铀化合物也具有较窄的吸收光谱线，因而其同位素光谱亦可分辨〔E.Rabinowitch，“Spectroscopy and photochemistry of uranyl compounds”New york 1964，P1-55〕例如本发明中所应用的单结晶水甲酸铀酰化合物晶体。图2显示了这类铀酰化合物的电子振动光谱及其同位素位移效应，ν_α，2ν_α，……为电子基态的各振动态;ν_α′，2ν_α′……为电子激发态的振动激发态;Δν为同位素位移;1为电子振动激发，2为振动激发。Porter在此基础上提出了应用二步激光激发甲酸铀酰化合物所引起的光化学反应分离铀同位素〔J.T.Porter，“Separation of uranium Isotoper”U.S.Patent 4439404（1984）〕如图3所示，曲线A为UO²⁺₂的电子基态。曲线B为UO²⁺₂的第一激发态，1为染料激光激发，2为红外激光激发，ν_α和ν_α′分别为UO²⁺₂的电子基态和第一激发态的振动基态。

首先使用可见光波段的染料激光使²³⁵UO²⁺₂选择性地激发到最低电子激发态的第一振动能级（在此能级上的同位素位移约为0.5cm^-1），然后再用一红外波段的激光使受激的²³⁵UO²⁺₂进一步激发到更高能态，在此能态上²³⁵UO²⁺₂能够在自身还原剂甲酸根离子的作用下发生光化还原反应，生成四价铀（Ⅳ）化合物，它很容易与原来的六价铀（Ⅵ）化合物分离开来，这样，在光化还原产物，即四价铀化合物中U-235同位素获得浓集。

如前所述，此分离过程的选择性仅决定于第一步激光激发的选择性。发明人在文献〔徐葆裕，红外激光对液-液相体系中铀的萃取化学反应的影响，《中国激光》，1983，10，354〕中提出了估算激光激发过程选择性的方法：

S＝1/（1- (Δν)/(〔FWHM〕) ）

其中Δν为同位素位移，〔FWHM〕为同位素光谱吸收峰的半高全宽度，在此分离过程中，Δν≈0.5cm^-1，〔FWHM〕≈0.808cm^-1，因此若忽略其它选择性损失因素，此分离过程的选择性最大可达S_max～2.6。