СПОСОБ ОБОГАЩЕНИЯ ИЗОТОПА ЛИТИЯ-7
LITHIUM-7 ISOTOPE ENRICHMENT METHOD

Изобретение относится к физической химии, в частности к массообменным процессам и методам разделения изотопов лития, и предназначено для использования в атомной энергетике.
Изотоп лития-7 (Li-7) находит все большее применение в ядерной технологии благодаря малому сечению поглощения нейтронов (0,033 барна), в частности, для регулирования водно-щелочного баланса теплоносителя при генерации электроэнергии на АЭС. Сопутствующий изотоп лития имеет значение сечение поглощения нейтронов 945 барн. Поэтому для применения Li-7 в качестве добавки в теплоноситель АЭС необходимо, чтобы содержание в нем легкого изотопа, имеющего на четыре порядка большее сечение поглощения нейтронов, было минимальным.
Из существующих способов разделения изотопов лития наиболее эффективным, позволяющим получать тяжелый изотоп лития в промышленных масштабах, является амальгамно-обменный. Данный способ основан на эффекте перераспределения изотопов лития между фазами амальгамы лития и водного или органического раствора соединения лития при их контакте.
Известны способ и установка для разделения изотопов лития (см. патент США №3463606, МКИ С01D 11/02, В01D 59/30, 1969), согласно которым процесс обогащения изотопов лития осуществляют в обменной колонне с обратным контуром на верхнем конце и обратным контуром на нижнем, в которой амальгама лития взаимодействует с литиевой солью, растворенной в органическом растворителе. Недостатком данных установки и способа, основанного на химическом обмене между амальгамой лития и литием, растворенном в органическом растворителе, являются сложные и трудоемкие превращения, ведущие к ухудшению технико-экономических показателей.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому способу является способ обогащения изотопа Li-7 (см. патент РФ №2216391 - прототип). Согласно данному способу обогащение осуществляют посредством контакта двух жидких фаз - амальгамы лития, с одной стороны, и водного раствора соединения лития, с другой стороны, которые циркулируют в противотоке в контактной системе в условиях поддержания высоких значений отношения между скоростью химического обмена лития между фазами и скоростью разложения амальгамы, причем литий амальгамы, покидающий контактную систему, переводят в водный раствор путем пропускания амальгамы в контакте с водой через наполнитель, который катализирует реакцию разложения амальгамы, после чего раствор частично или полностью вновь вводят в контактную систему, а литий из водного раствора, который покидает контактную систему, переводят в амальгаму лития путем испарения воды из водного раствора и поддержания приблизительно постоянной концентрации раствора в электролизере и электролиза концентрированного раствора, а амальгаму лития вводят в контактную систему. Процесс проводят в периодическом режиме путем разовой начальной загрузки исходного сырья природного изотопного состава с последовательным повышением концентрации Li-7 в первой колонне контактной системы, путем непрерывного вывода в отвал сопутствующего изотопа с противоположного конца контактной системы и выгрузки обогащенного изотопа Li-7.
Данный способ реализуют на установке, содержащей контактную систему, узел обращения водного раствора соединения лития в амальгаму лития, включающего один или несколько электролизеров, выпарной узел, емкость первоначального запаса сырья - системную емкость, узел обращения амальгамы лития в водный раствор соединения лития.
Контактная система образована из нескольких колонн, заполненных насадкой. Первая колонна контактной системы соединена с электролизерами. Электролизеры сообщаются с выпарной системой и системной емкостью. Последняя колонна контактной системы соединена с колонной, содержащей наполнитель, катализирующий разложение амальгамы лития.
При работе установки системная емкость и контактная система заполняются водным раствором соединения лития природного изотопного состава. Разделение изотопов лития реализуется в массообменных колоннах контактной системы, в которых нисходящий поток амальгамы лития контактирует с восходящим потоком водного раствора соединения лития. Амальгаму лития получают электролизом водного раствора соединения лития на одном или нескольких электролизерах с проточным ртутным катодом. Разбавленный по соединению лития раствор после электролизеров подают в выпарную систему, после чего он поступает в системную емкость, где смешивается с раствором данной емкости, а также раствором, поступающим из первой колонны контактной системы, и вновь подается в электролизеры для образования амальгамы. Амальгама из основания последней колонны контактной системы поступает в колонну, содержащую наполнитель, катализирующим процесс ее разложения, туда же противотоком подается вода. В результате в колонне, содержащей наполнитель, происходит разложение амальгамы лития с образованием ртути и водного раствора соединения лития. Ртуть подается в электролизеры, а водный раствор соединения лития противотоком амальгаме - в основание последней колонны контактной системы. Питание процесса осуществляется путем первоначальной загрузки сырья - раствора соединения лития с исходным (природным) изотопным составом - в системную емкость в количестве, превышающем получаемое количество обогащенного продукта на величину, выводимую с отбором и, в случае необходимости, в любую из колонн контактной системы.
На выходе амальгамы лития из контактной системы извлекается фракция, обогащенная сопутствующим изотопом лития, за счет этого в системной емкости происходит постоянное обогащение изотопа Li-7. Процесс ведется до достижения в ней требуемой концентрации изотопа Li-7, после чего полученный продукт - раствор соединения лития, обогащенный по изотопу Li-7, выгружается из системной емкости 3.
Таким образом, согласно прототипу получение изотопа Li-7 реализуется двумя путями: работой установки в режиме с отбором без питания, а также в режиме с отбором и питанием исходным сырьем, то есть раствором соединения лития исходного изотопного состава.
Способ, предложенный в прототипе, имеет следующие недостатки.
Расчеты показывают, что при получении одинакового количества обогащенного продукта режим работы установки с питанием более экономичен по времени, чем режим без питания. При этом экономия затрат электроэнергии при обогащении Li-7 на установке, работающей с питанием, к моменту прекращения питания на единицу продукта составляет 9,6%.
Однако питание установки раствором соединения лития природного изотопного состава согласно прототипу возможно лишь до определенного момента времени ее работы. По мере вывода из обогащаемого раствора соединения лития сопутствующего изотопа лития концентрация изотопа Li-7 растет не только в системной емкости, но и по всей длине контактной системы.
Изменения профилей концентраций Li-7 по длине контактной системы в последовательные моменты времени таковы, что в некоторый момент времени между t=1 и t=2 концентрация изотопа Li-7 на всех ступенях разделения контактной системы становится больше природного значения. С этого момента питание раствором соединения лития природного изотопного состава необходимо прекратить во избежание изотопного разбавления и, как следствие, снижения эффективности контактной системы. Таким образом, реализовать работу каскада в режиме с питанием согласно прототипу можно только на определенном временном интервале, доля которого уменьшается с получением изотопа Li-7 все более высокой концентрации.
Технической задачей предлагаемого решения является повышение эффективности процесса обогащения изотопа Li-7, особенно при более высоком обогащении, и одновременное снижение удельных затрат.
Поставленная задача решается тем, что в способе обогащения изотопа Li-7, осуществляемом посредством контакта двух жидких фаз - амальгамы лития, с одной стороны, и водного раствора соединения лития, с другой стороны, которые циркулируют в противотоке в контактной системе в условиях поддержания высоких значений отношения между скоростью химического обмена лития между фазами и скоростью разложения амальгамы, причем литий амальгамы, покидающий контактную систему, переводят в водный раствор путем пропускания амальгамы в контакте с водой через наполнитель, который катализирует реакцию разложения амальгамы, после чего раствор частично или полностью вновь вводят в контактную систему, причем литий из водного раствора, который покидает контактную систему, переводят в амальгаму лития путем испарения воды из водного раствора и поддержания приблизительно постоянной концентрации раствора в электролизере и электролиза концентрированного раствора, а амальгаму лития вводят в контактную систему, процесс ведут в периодическом режиме с питанием путем разовой первоначальной загрузки сырья исходного изотопного состава с последовательным повышением концентрации Li-7 в первой колонне контактной системы, путем непрерывного вывода в отвал сопутствующего изотопа с противоположного конца контактной системы и периодической выгрузки обогащенного изотопа Li-7, при этом первоначально создают запас сырья исходного изотопного состава, согласно изобретению процесс обогащения осуществляют с питанием контактной системы в два этапа: на начальном этапе работы установки питание ведут исходным сырьем исходного изотопного состава вплоть до момента достижения в амальгаме лития, покидающей контактную систему, концентрации изотопа Li-7, равной его концентрации в исходном сырье; на втором этапе, когда питание установки сырьем исходного изотопного состава становится недопустимым, питание осуществляют раствором с концентрацией изотопа Li-7 выше исходного значения, полученного путем изъятия части раствора из системной емкости на начальной стадии обогащения по достижении в ней повышенной концентрации изотопа Li-7, требуемой для такого питания, а также путем сбора фракций отбора (отвала) с концентрацией изотопа Li-7 выше его концентрации в исходном сырье, накопленных на предыдущих пусках установки. Одновременно с этим с момента достижения на выходе амальгамы лития из контактной системы концентрации изотопа Li-7, равной его концентрации в исходном сырье, начинают сбор и накопление фракций отвала в свободную дополнительную емкость для следующего пуска установки. Питание на обоих этапах обогащения подают на вход раствора в колонну, ближайшую к началу контактной системы, где концентрация изотопа Li-7 ниже, чем в питающем растворе.
Обогащение ведут на установке, содержащей контактную систему, состоящую из нескольких насадочных колонн, объединенных в каскад, узел обращения водного раствора соединения лития в амальгаму лития, включающий, по меньшей мере, один электролизер, системную емкость для первоначального запаса сырья, вход которой соединен с выходом водного раствора соединения лития первой насадочной колонны контактной системы, а выход - с входом электролизера, и узел обращения амальгамы лития в водный раствор соединения лития, включающий колонну разлагателя с наполнителем, катализирующим разложение амальгамы лития, снабженной дополнительно двумя емкостями, входы которых поочередно могут быть подключены к выходу системной емкости и к выходу раствора отвала из разлагателя, а выходы - ко входу раствора в одну из колонн контактной системы.
Сущность изобретения поясняется графическими материалами.
На фиг. 1 представлена установка для обогащения изотопа Li-7.
На фиг. 2 представлена диаграмма динамики обогащения целевого продукта до концентрации 0,9995 а.д. по предлагаемому способу и прототипу.
На фиг. 3 представлена диаграмма динамики обогащения целевого продукта до концентрации 0,99995 а.д. по предлагаемому способу и прототипу.
Установка для обогащения изотопа Li-7 содержит контактную систему 1, узел обращения водного раствора соединения лития в амальгаму лития, включающий электролизер (электролизеры) 2, системную емкость 3 первоначального запаса сырья, выпарную систему 4, узел обращения амальгамы лития в водный раствор соединения, включающий колонну разлагателя 5 с наполнителем, дополнительные емкости 6, 7 для раствора лития с изотопной концентрацией Li-7 выше его концентрации в исходном сырье.
Способ обогащения изотопа Li-7 осуществляется следующим образом.
Системная емкость 3 и контактная система 1 заполняются водным раствором соединения лития исходного изотопного состава. В массообменных колоннах контактной системы 1 нисходящий поток амальгамы лития контактирует с восходящим потоком водного раствора соединения лития. Происходит разделение изотопов лития. Амальгаму лития получают электролизом водного раствора соединения лития на одном или нескольких электролизерах 2 с проточным ртутным катодом.
После электролизеров 2 разбавленный по соединению лития раствор подают в выпарную систему 4, после чего он поступает в системную емкость 3, где смешивается с раствором данной емкости, а также с раствором, поступающим из первой колонны контактной системы 1, и концентрированный раствор приблизительно постоянной концентрации вновь подается в электролизеры 2 для образования амальгамы. Амальгама из основания последней колонны контактной системы поступает в колонну разлагателя 5 с наполнителем, катализирующим процесс ее разложения, туда же противотоком подается вода. В результате в колонне разлагателя 5 происходит разложение амальгамы лития с образованием ртути и водного раствора соединения лития. Ртуть подается в электролизеры 2, а водный раствор соединения лития противотоком амальгаме - в основание последней колонны контактной системы 1.
Питание установки до момента достижения на выходе амальгамы лития из контактной системы 1 значения изотопной концентрации изотопа Li-7, равного его концентрации в исходном сырье, осуществляется исходным сырьем. Далее питание осуществляется из емкостей 6 или 7, содержащих раствор соединения лития с повышенной концентрацией изотопа Li-7, полученный путем изъятия части раствора из системной емкости 3 по достижении в ней требуемой для питания концентрации изотопа Li-7, или, если осуществляется серия последовательных пусков или эксплуатируются две и более установок, - путем сбора отвала с изотопной концентрацией Li-7 выше его концентрации в исходном сырье, накопленного при предыдущем пуске данной или другой установки. Раствор отвала текущего пуска (с концентрацией Li-7 выше исходного значения) собирается в свободную емкость 6 или 7 и может быть использован для питания при других пусках.
На выходе амальгамы лития из контактной системы 1 извлекается фракция, обогащенная сопутствующим изотопом лития, за счет этого в системной емкости 3 происходит постоянное обогащение изотопа Li-7. Процесс ведется до достижения в ней требуемой концентрации изотопа Li-7, после чего полученный продукт - раствор соединения лития, обогащенный по изотопу Li-7, выгружается из системной емкости 3.
Примеры конкретного осуществления способа.
Пример 1. Получение Li-7 с концентрацией 0,9995.
Первоначально в системную емкость 3 загружается 1150 у.е. сырья с природным содержанием изотопа Li-7 (0,925 а.д.). Далее процесс ведется в режиме с отбором 0,128 у.е./час и равным ему по величине питанием исходным сырьем природного изотопного состава. Когда концентрация Li-7 в системной емкости 3 достигнет значения 0,99 а.д., 150 у.е. данного раствора соединения лития перекачивается в емкость 6, а процесс обогащения изотопа Li-7 с тем же по величине отбором и равным ему питанием исходным сырьем природного изотопного состава продолжается. После достижения в амальгаме лития, покидающей контактную систему, концентрации изотопа Li-7, равной его концентрации в исходном сырье (0,925 а.д.), питание установки исходным сырьем природного изотопного состава прекращается, а далее питание в прежнем количестве 0,128 у.е./час осуществляется из емкости 6 раствором с повышенной до 0,99 а.д. концентрацией изотопа Li-7.
Пример 2. Получение Li-7 с концентрацией 0,99995 а.д.
Процесс осуществляется аналогично. Отличие состоит в том, что первоначальный запас исходного сырья природного изотопного состава в системной емкости 3 составляет 1300 у.е., а количество изъятого из системной емкости вещества с повышенной до 0,99 а.д. концентрацией изотопа Li-7 и перемещаемого в емкость 6 или 7 для питания на втором этапе составляет 300 у.е.
Сравнение показателей изменения затрат электроэнергии на единицу продукта при получении изотопа Li-7 необходимой концентрации по предлагаемому способу относительно вариантов прототипа без питания и с питанием приведено в таблице.
Из приведенных в таблице численных значений изменения удельных энергозатрат видно, что эффект от использования предлагаемого способа по сравнению со способом-прототипом растет с повышением конечной концентрации обогащаемого изотопа Li-7.
Для сравнения эффективности обогащения изотопа Li-7 с концентрациями 0,9995 а.д. и 0,99995 а.д. по предлагаемому способу и способу-прототипу примем эффективность контактной системы равной 120 ступеней разделения. Начальные и конечные потоки амальгамы лития примем постоянными, величины потоков питания и отбора одинаковыми, а количество раствора соединения лития на момент получения целевого продукта - 1000 условных единиц.
Динамика накопления целевого продукта на конечной стадии обогащения по предлагаемому способу и способу-прототипу при получении изотопа Li-7 с концентрациями 0,9995 а.д. и 0,99995 а.д. показана на диаграммах (фиг. 3, 4).
Как видно из диаграмм, предлагаемый способ приводит к сокращению времени и затрат электроэнергии для достижения требуемой концентрации при получении одинакового количества обогащенного продукта. При этом видно, что более высокий выигрыш достигается при более высоком конечном обогащении: при достигаемой концентрации изотопа Li-7 0,99995 а.д.
Таким образом, совокупность заявленных признаков позволяет достичь необходимого технического результата и решить поставленную техническую задачу повышения эффективности процесса обогащения изотопа Li-7, особенно при более высоком обогащении, и одновременного снижения удельных затрат.