Разделение изотопов методом лазерного атомного пара ( AVLIS ) — это метод, при котором специально настроенные лазеры используются для разделения изотопов урана с использованием селективной ионизации сверхтонких переходов. [1] [2] Похожая технология, использующая молекулы вместо атомов, — это молекулярное лазерное разделение изотопов (MLIS).
Природный уран состоит из большой массы 238 U и гораздо меньшей массы делящегося 235 U. Традиционно 235 U отделяется от массы путем растворения его в кислоте для получения гексафторида урана , а затем с помощью газовых центрифуг для разделения изотопов. Каждое прохождение через центрифугу «обогащает» количество 235 U и оставляет после себя обедненный уран . Напротив, AVLIS производит гораздо более высокое обогащение за один шаг без необходимости смешивать его с кислотой. Технология, в принципе, может также использоваться для разделения изотопов других элементов, что неэкономично вне специальных приложений с текущими нелазерными технологиями для большинства элементов.
Поскольку процесс не требует химической обработки сырья перед обогащением, он также подходит для использования с отработанным ядерным топливом из легководных реакторов и другими ядерными отходами . В настоящее время извлечение235
U из этих источников экономичен только до определенной степени, оставляя тонны235
U все еще содержится в отходах. AVLIS может предложить экономичный способ переработки даже топлива, которое прошло один цикл переработки с использованием существующих методов. [3]
Из-за возможности достижения гораздо более высокого обогащения при гораздо меньших энергетических затратах, чем традиционные методы обогащения урана на основе центрифуг, AVLIS вызывает беспокойство с точки зрения ядерного распространения . На сегодняшний день не известно ни об одной коммерческой производственной линии AVLIS, которая используется.
Основная концепция системы AVLIS заключается в избирательной ионизации желаемых атомов в испаренном исходном материале. Поскольку энергетические уровни электронов зависят от ядерной структуры, вызывая сверхтонкую структуру , различные изотопы имеют различные энергетические уровни. Разработчики выбирают определенную энергию электронов, при которой разница между изотопами максимальна, и уровень энергии может быть практически получен с помощью лазера . Лазерный свет вызывает фотовозбуждение выбранного электрона и , таким образом, ионизацию атома, оставляя его электрически заряженным. Затем ион можно манипулировать с помощью электростатических или магнитных полей. Другие изотопы, которые имеют слегка отличающиеся энергетические уровни, не будут ионизированы и останутся в исходной смеси.
Выбор целевого электрона изменился в ходе разработки AVLIS, поскольку были разработаны новые лазерные технологии. Ранние работы в основном были сосредоточены на электронах в диапазоне 16 микрон, которые могли эффективно производиться с помощью CO2 - лазеров , которые появились в конце 1960-х годов. Однако переходы в этой области были близко расположены, что затрудняло выбор из-за доплеровского уширения , требуя охлаждения пара с помощью сложной системы расширения. Внедрение лазеров, работающих на перестраиваемых частотах , как правило, лазеров на красителях , позволило выбирать более удобные возбуждения. Современные системы обычно используют пик поглощения 238 U 502,74 нм , который смещается до 502,73 нм в 235 U.
Система AVLIS состоит из испарителя и коллектора, образующих систему разделения, и лазерной системы. Испаритель производит поток чистого газообразного урана.
Обычно используемый лазер представляет собой двухступенчатый перестраиваемый импульсный лазер на красителе , обычно накачиваемый лазером на парах меди ; [4] [5] задающий генератор является перестраиваемым, узколинейным, малошумящим и высокоточным. [6] Его мощность значительно увеличивается за счет усилителя лазера на красителе, действующего как оптический усилитель . Три частоты («цвета») лазеров используются для полной ионизации урана-235. [7]
Для AVLIS в других элементах, таких как литий , используются перестраиваемые диодные лазеры с узкой шириной линии. [8]
В ходе крупнейшей передачи технологий в истории правительства США в 1994 году процесс AVLIS был передан в United States Enrichment Corporation для коммерциализации. Однако 9 июня 1999 года после инвестиций в размере 100 миллионов долларов USEC отменила свою программу AVLIS.
AVLIS продолжает разрабатываться некоторыми странами, и это создает определенные проблемы для международного мониторинга. [9] Сейчас известно, что у Ирана была секретная программа AVLIS. Однако с тех пор, как она была раскрыта в 2003 году, Иран заявил, что демонтировал ее. [10] [11]
История AVLIS, как зафиксировано в открытой реферируемой литературе, началась в начале-середине 1970-х годов в бывшем Советском Союзе и Соединенных Штатах. [12] В США исследования AVLIS в основном проводились в Национальной лаборатории Лоуренса в Ливерморе, хотя некоторые промышленные лаборатории были ранними игроками. Разработка перестраиваемого лазера для AVLIS, применимого к урану, также была зарегистрирована в нескольких странах, включая Пакистан (1974), Австралию (1982-1984), Францию (1984), Индию (1994) и Японию (1996). [12]
{{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )