气体离心机单纯轴向流型下的基本全分离系数

通过推导并求解双组分同位素单位摩尔质量差任意丰度的气体离心机平均径向法丰度方程,得到任意丰度下基本全分离系数的表示式。假设流场为单纯轴向流型,求解出流场解析解,该解适合任意量纲一参量A2值。算例给出了任意A2值下的单纯轴向流型流场的一些流动特性,如速度、轴向质量通量及流型效率的分布。并在此流场模型下讨论了一些参量对基本全分离系数γ0的影响,γ0随供料量F增加而减小,随气体密度和扩散系数的乘积的增加而增大,在A2为5～6时存在最大值。

以SiH_(4)为介质扩散法生产^(28)Si技术研究

^(28)Si同位素主要应用于半导体领域,在量子计算、计量学领域也有一定应用。采用99%以上丰度^(28)Si制备硅晶体,可以降低声子散射、提高热导率,并且降低门电压、提高开关速度、提高芯片频率,可用于制造高速CPU、大功率器件、高性能传感器等。在室温下,99.85%以上丰度^(28)Si半导体元件的热导率比天然丰度Si材料增加10%~60%。高丰度^(28)Si可用于制备量子信息长自旋相干时间器件,去除29Si干扰。本研究采用气体扩散法,以SiH_(4)为介质,开展^(28)Si同位素的分离研究。目前廉价优质的高分子有机膜已得到大规模工业应用。用于负压条件下的高速磁悬浮压缩机可以有效压缩SiH_(4)气体。通过4级扩散级联实验测得SiH_(4)的基本全分离系数可达1.010。采用多元分离理论进行级联分析计算,以天然SiH_(4)为原料,通过一次不超过300级的相对丰度匹配级联,可将轻馏分中的^(28)Si同位素丰度浓缩到99%以上。本研究验证了以SiH_(4)为介质扩散分离^(28)Si同位素可行。

以正辛烷为介质离心分离碳同位素

以正辛烷(C8H18)为分离介质,利用离心机进行了一系列单机分离实验,研究了其单机分离性能。通过质谱分析,得到了不同供料压强、滞留量下的基本全分离系数、分流比等单机参数:基本全分离系数接近或大于1.10,最高可达1.13。在单机实验数据的基础上,采用相对丰度匹配级联(MARC)的计算模型,对正辛烷离心分离级联的参数进行了初步估算,估算结果显示,采用联级分离可将13 C浓缩至约11%。

离心法分离锗同位素实验研究

采用气体离心法,以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,并且通过1-2-1级联实验及相关计算,对高丰度76GeF4产品的生产进行了模拟。实验证明,以GeF4为工作介质,采用国产离心机分离锗同位素可以获得高丰度的76GeF4产品。

以二氧化碳为介质扩散分离碳同位素的可行性研究

为进一步提高气体扩散法分离^(13)C同位素的效率,在前期初步实验的基础上,开展单级扩散分离参数优化实验研究,并进行高丰度^(13)C同位素制备的级联方案初步设计。在相对优化的实验参数条件下,气体扩散分离二氧化碳的基本全分离系数可以达到1.01以上。对单级分离实验数据进行计算,初步拟合出供料流量与膜前后压强的函数关系。采用多元分离理论对扩散分离二氧化碳进行级联分析计算,以天然二氧化碳为原料,可通过两次级联分离获得高丰度^(13)C同位素。第一次阶梯级联分离的重馏分^(13)C同位素丰度大于42%,并将其作为第二次阶梯级联分离的供料,第二次阶梯级联分离的轻馏分^(13)C同位素丰度大于90%。

以乙醇为介质气体扩散法分离碳同位素的可行性研究

碳-13作为同位素示踪技术的标记物,应用广泛,市场需求呈上升趋势。为探索碳-13同位素的分离方法,开展以乙醇为介质的气体扩散分离实验,并在单级实验的基础上进行级联计算。单级分离实验的结果表明,在现有的实验条件下,气体扩散法分离乙醇的基本全分离系数可达1.0089,以乙醇为介质扩散分离碳同位素可行。通过级联计算可知,以天然乙醇为原料,结合分离的可行性和经济性,经过一次矩形级联或相对丰度匹配级联分离,能够得到碳-13同位素丰度大于25%的重组分。如能将碳-13同位素丰度大于25%的乙醇转化为合适形态的碳化合物,可再进一步分离得到更高丰度的碳-13同位素。

以三氯化硼为介质离心分离硼同位素

为了实现硼同位素的分离制备,采用气体离心法,以三氯化硼为工作介质进行离心分离研究。通过单机分离实验,对三氯化硼样品进行质谱分析,得到不同供料流量、分流比条件下的基本全分离系数,并在此基础上进行富集硼-10的离心分离级联计算。结果表明,以三氯化硼为工作介质离心分离硼同位素可行;三氯化硼的基本全分离系数可达1.08;使用30级矩形级联或60级相对丰度匹配级联一次分离可以获得丰度大于60%的硼-10同位素产品,二次分离可以获得丰度大于90%的硼-10同位素产品。该研究的开展可为离心法生产高丰度硼同位素产品提供参考。

离心机分离功率的影响因素

根据分离功率的定义,导出了分离功率与全分离系数、分流比及供料丰度3个参数的一般关系式,并分析了这3个参数的变化对分离功率的影响。结果显示,分离功率随全分离系数的增大而增大;分离功率在分流比约为0.5时取得最大值;分离功率在高供料丰度和低供料丰度的情况下都比较低,在供料丰度约为0.5时最大。

单机运行工况对多组分同位素分离级联结构参数的影响

大分离系数情况下的多组分同位素级联的设计和优化可以准理想级联为模型。已知目标组分的精料、贫料丰度及基本参量,可确定准理想级联的结构。除级联本身的参数外,组成级联的单机运行工况也是影响级联分离性能的重要因素。通过利用基本全分离系数作为中间量,理论推导了在分离多组分同位素时,单机运行工况对级联结构及分离性能的影响。同时针对Xe中间组分的分离,采用单纯形法对其优化,研究了单机运行工况对最佳级联的结构参数及最小装机量的影响,进而确定了级联分离Xe中间组分的最佳单机运行工况。