Методы разделения изотопов цинка¶

Разделение изотопов цинка — совокупность физико-химических процессов, направленных на изменение изотопного состава природного цинка с целью получения обогащённых (или обеднённых) по определённым нуклидам продуктов. Природный цинк представляет собой смесь пяти стабильных изотопов: ⁶⁴Zn (48,63 %), ⁶⁶Zn (27,90 %), ⁶⁷Zn (4,10 %), ⁶⁸Zn (18,75 %) и ⁷⁰Zn (0,62 %). Разделение изотопов цинка используется в атомной промышленности, ядерной медицине, радиохимии и фундаментальных исследованиях.

¶Физические основы

Изотопы цинка обладают одинаковым зарядом ядра (Z = 30) и различаются массовыми числами, что приводит к различиям в физико-химических свойствах: плотности, температуре кипения, скорости диффузии, константах равновесия химических реакций. Относительная разница масс между лёгким ⁶⁴Zn и тяжёлым ⁷⁰Zn составляет около 9 %, что делает разделение возможным, но энергетически затратным. Основные методы основаны на кинетическом изотопном эффекте, термодинамическом изотопном эффекте или различиях в поведении ионов в электромагнитных полях.

¶Основные методы разделения

¶Газовое центрифугирование

Наиболее распространённый промышленный метод. Цинк переводится в летучее соединение — диэтилцинк (Zn(C₂H₅)₂) или гексафторцинкат калия (K₂ZnF₆) с последующей возгонкой. В роторах газовых центрифуг, вращающихся со скоростью до 90 000 об/мин, молекулы с разной массой испытывают различное центробежное ускорение. Лёгкие изотопы концентрируются у оси ротора, тяжёлые — у периферии. Каскад из сотен центрифуг позволяет достичь обогащения по ⁶⁴Zn до 99 % и выше. Метод характеризуется высокой производительностью и относительно низким энергопотреблением по сравнению с электромагнитным разделением.

¶Электромагнитное разделение (калютрон)

Метод, основанный на отклонении ионов в магнитном поле. Ионизированный цинк (обычно Zn⁺) ускоряется в электрическом поле и проходит через секторный магнит. Ионы разной массы движутся по разным траекториям и собираются в приёмники-ловушки. Этот метод позволяет получать изотопы очень высокой чистоты (до 99,9 %), однако производительность крайне мала — миллиграммы в сутки. Применяется для получения ⁷⁰Zn, который в природе содержится в минимальных количествах и трудно концентрируется другими способами. Использовался в СССР и США для наработки изотопов для исследовательских целей.

¶Химический изотопный обмен

Основан на разнице в константах равновесия изотопного обмена между двумя химическими формами цинка, например, между комплексным ионом [ZnCl₄]²⁻ в водном растворе и металлическим цинком в амальгаме. В противоточных колоннах с чередованием фаз достигается многократное обогащение. Коэффициент разделения для системы цинк-амальгама / водный раствор хлорида цинка составляет около 1,002–1,003 на одну теоретическую тарелку, что требует колонн большой высоты. Метод экономичен, но медленен и пригоден для получения небольших количеств обогащённых продуктов.

¶Дистилляция (ректификация)

Использует разницу в давлении насыщенных паров изотопных разновидностей металлического цинка. Поскольку температура кипения цинка составляет 907 °C, процесс ведут в вакууме или в атмосфере инертного газа. Лёгкие изотопы обладают более высокой летучестью и переходят в паровую фазу в большем количестве. В насадочных ректификационных колоннах с числом теоретических тарелок до 100 достигается умеренное обогащение. Метод применяется для предварительного обогащения перед финишной очисткой в центрифугах.

¶Лазерное разделение

Экспериментальный метод, основанный на селективной фотоионизации атомов определённого изотопа излучением перестраиваемого лазера. Атомы ⁶⁴Zn или ⁶⁸Zn возбуждаются на резонансном переходе, затем ионизируются и извлекаются электрическим полем. Метод обладает потенциально высоким коэффициентом разделения, но находится на стадии лабораторных разработок из-за низкой производительности и сложности аппаратуры.

¶Применение обогащённых изотопов цинка

• ⁶⁴Zn используется в качестве мишени в циклотронах для наработки медицинского изотопа галлия-67 (⁶⁷Ga) по реакции ⁶⁴Zn(α,p)⁶⁷Ga, применяемого в позитронно-эмиссионной томографии.
• ⁶⁸Zn служит мишенью для получения ⁶⁸Ga (позитронный излучатель) и ⁶⁸Ge (источник для генераторов ⁶⁸Ge/⁶⁸Ga).
• ⁷⁰Zn применяется в исследованиях по синтезу сверхтяжёлых элементов (реакции с ⁴⁸Ca) и в нейтронной физике.
• Обеднённый по ⁶⁴Zn цинк используется в качестве теплоносителя и конструкционного материала в ядерных реакторах для снижения активации (образования ⁶⁵Zn) под действием нейтронного облучения.

¶Производители

Основными производителями обогащённых изотопов цинка являются предприятия Росатома (Россия), а также компании в Китае, США и Германии. В России разделение ведётся на Уральском электрохимическом комбинате (Новоуральск) и Сибирском химическом комбинате (Северск) с использованием центробежной технологии.

¶Источники

• Изотопы: свойства, получение, применение. Под ред. В. Ю. Баранова. — М.: Энергоатомиздат, 2000.
• Атомная и ядерная физика: разделение изотопов. — М.: МИФИ, 2015.
• Химия изотопов цинка. — Новосибирск: Наука, 1988.