Поиск и разработка перспективных технологий разделения изотопов бора

Интерес к бору в реакторостроении обусловлен ядернофизическими свойствами его изотопов и его способностью образовывать ряд химических соединений с высокой жаропрочностью и коррозионной стойкостью.

В природе бор существует в виде смеси двух изотопов ¹⁰B и ¹¹B, содержание которых в природной изотопной смеси составляет соответственно 19,8 %ат. и 80,2 %ат. Изотопный состав бора в различном природном сырье иногда отличается на ±2% что является следствием процессов растворения, химических превращений соединений бора и перекристаллизации, при которых может происходить фракционирование [1].

Изотопы бора обладают близкими физико-химическими свойствами и совершенно различны по своим ядернофизическим свойствам. Так, сечение захвата тепловых нейтронов легким изотопом бора составляет 3820,5 барн, а для тяжелого изотопа эта величина составляет всего 0,05 барн. Таким образом, легкий изотоп бора ¹⁰B является эффективным поглотителем, а тяжелый изотоп ¹¹B – очень хорошим отражателем и замедлителем нейтронов. В атомной технологии находят применение оба изотопа.

Материалы на основе бора, обогащенного легким изотопом, находят широкое применение и производятся в больших количествах для нужд ядерной энергетики [2]. Основные области применения ¹⁰В приведены в таблице 1.

На сегодняшний день в промышленности для разделения изотопов бора с целью получения ¹⁰В применяется технология химического изотопного обмена между газообразным трифторидом бора (BF₃) и его жидким комплексным соединением с органическим веществом — комплексообразователем (анизолом).

В России, в связи с ренессансом атомной энергетики и планами ее ускоренного развития, назрела необходимость создания собственного производства ¹⁰В. Вместе с тем, выполненная на ОАО «СХК» технико-экономическая оценка показала, что создание производства ¹⁰В по традиционной анизольной технологии не позволяет получить конкурентоспособный продукт по ценовым характеристикам.
Таблица 1 - Основные области применения изотопа ¹⁰В

Ядерная энергетика	Техника и приборостроение	Медицина
Реакторостроение (СУЗы реакторов на тепловых нейтронах; СУЗы реакторов на быстрых нейтронах; нейтронная защита транспортных ЯЭУ; антиактивационные покрытия)	Высокоэффективные датчики и счетчики нейтронов	Нейтронозахватная терапия для лечения злокачественных образований
Контейнеростроение (материалы для сухих хранилищ и контейнеров для транспортировки отработавшего ядерного топлива)
	Источники ионизирующих излучений
Эксплуатация реакторов (поддержание водно-химического режима; теплоноситель первого контура реакторов на тепловых нейтронах; системы аварийного охлаждения; выгорающие добавки; жидкостные системы регулирования мощности и аварийной защиты)

Для того, чтобы производство ¹⁰B было рентабельным, необходимо либо улучшить традиционную анизольную технологию, либо разработать другую, более дешевую технологию разделения изотопов бора.

С целью поиска экономически эффективной технологии (способа) разделения изотопов бора на ОАО «СХК» совместно с РХТУ им. Д.И. Менделеева по опубликованным данным проведена количественная оценка технико-экономических показателей основных способов разделения изотопов бора, относящихся к физико-химическим методам разделения изотопов.

Для сравнительной технико-экономической оценки выбраны способы разделения изотопов бора, относящиеся к методам ректификации, химобменной ректификации и химическому обмену. А именно:

способ 7 химический изотопный обмен для системы BF₃- CH₃NO₂∙BF₃

Кратко итоги выполненной оценки можно сформулировать в следующей редакции:

• 
  криогенные способы разделения изотопов бора (способы 1-4) характеризуются относительно высокими значениями затрат на оборудование и хладоагент;
  
• 
  удельные суммарные затраты на производство ¹⁰В криогенными способами уменьшаются в ряду: способ 1 – способ 3 – способ 4 – способ 2;
  
• 
  из рассматриваемых криогенных способов наилучшие экономические показатели присущи химическому изотопному обмену между BF₃ и его комплексом с диоксидом серы (способ 2);
  
• 
  наибольшие удельные затраты из всех способов разделения соответствуют химическому обмену в системе жидкость-жидкость с использование центробежных экстракторов (способ 6);
  
• 
  наименьшие удельные затраты присущи способу 7 – химическому обмену в системе «BF₃- CH₃NO₂ *BF₃»;
  
• 
  очень близкими к вышеуказанному способу экономическими показателями обладает анизольный способ разделения изотопов бора (способ 8);
  
• 
  экономические показатели ректификации BСl₃ при атмосферном давлении (способ 5) близки к значения характеристик для химобменной ректификации BF₃ с фторметаном (способ 4) за исключением затрат на охлаждение;
  
• 
  вариант ректификации трихлорида бора при повышенном давлении (способ 9) входит в число трех наиболее экономичных процессов концентрирования ¹⁰В наряду со способами 7 и 8.
  

1. 
   ректификация трихлорида бора
   
2. 
   химический изотопный обмен для системы BF₃- CH₃NO₂∙BF₃
   
3. 
   химический изотопный обмен для системы BF₃- C₆H₅OCH₃∙BF₃
   

На ОАО «СХК» проведена исследовательская работа по раздемению изотопов бора методом ректификации BCl₃ с целью последующего обоснованного технико-экономического расчета. В ходе проведения работы разработана и создана пилотная установка предназначенная для определения характеристик процесса ректификации трихлорида бора при избыточном давлении, а также демонстрации процесса разделения изотопов бора с наработкой опытной партии ¹⁰В.

Принцип разделения изотопов бора методом ректификации основан на том, что более легкая молекула, содержащая ¹⁰В, менее летуча и концентрируется в жидкой фазе, т.е. имеет место обратный изотопный эффект.

Исходя из поставленной задачи наработки опытной партии, и, учитывая малые значение коэффициента разделения (обогащения) изотопов бора в процессе ректификации BCl₃, принят периодический безотборный режим работы установки. Такой способ ведения процесса разделения изотопов позволил избежать использования высокоточных технических средств для дозирования потоков жидкости и пара. С точки зрения имеющихся ограничений высоты производственного помещения принято решение разделить колонну на две части с высотой насадочного слоя в каждой колонне не менее 12 м (суммарная высота колонны составила 24 м).

Для увеличения доли концентрирующей части ректификационных колонн (уменьшения доли исчерпывающей части) использован режим работы установки с увеличенным содержанием рабочего вещества в головной части первой ректификационной колонны.

В результате проведения экспериментальных работ в настоящее время на созданном оборудовании за 30 суток получен образец трихлорида бора с концентрацией изотопа ¹⁰В 40 %ат. Также в ходе проведенных исследований получены необходимые экспериментальные данные для проведения технико-экономической оценки создания производства ¹⁰В в промышленных масштабах.

1 Полевой А.С. Разделение и использование стабильных изотопов бора // Итоги науки и техники. Серия: Радиохимия. Ядерная технология. – М.:ВИНИТИ, 1990.–с. 192