[科普中國]-同位素分離系數(shù)

概念

同位素分離的效率用分離系數(shù)或濃縮系數(shù)來表示。設(shè)分離前后鈾235的豐度分別為CF和CP，則分離系數(shù)α定義公式為，濃縮系數(shù)則定義為α-1。理論上，級分離系數(shù)的最大值（α0）等于兩種組分的分子量比值的平方根。實際的分離系數(shù)遠低于理論值，具體數(shù)值決定于設(shè)備結(jié)構(gòu)、膜的特性及其它工藝條件。由于單級分離效果不大，為了得到5%的濃縮鈾，便需要把近千個擴散級串聯(lián)起來。

SPE水電解進行氫同位素分離電解法是國外正在應(yīng)用的處理含氚廢水較為有效的方法之一。主要有堿性電解槽和固體聚合物電解質(zhì)(SPE)電解槽。人們對堿性電解槽分離氫同位素進行了較多的研究。而SPE水電解槽較傳統(tǒng)的堿性電解槽具有體積更小、電流密度與電解效率更高、氣體純度更高、使用壽命更長、系統(tǒng)工藝也更簡單等優(yōu)點，已用于氫同位素分離的電解裝置中。Masaaki等1研制了SPE自動停機氚濃集裝置，達到12倍氚濃縮的時間由堿性電解池的8d縮短到3d。溫雪蓮等2根據(jù)前人工作開展了SPE氚自動電解濃集裝置的研制工作，將SPE電解技術(shù)用于氚水的濃集和監(jiān)測，得到較好的結(jié)果。Cristescu等3認為，CECE(Combined Electrolysis Catalytic Exchange，CECE)工藝是ITER除氚系統(tǒng)的最合適方式，他們在CECE氚回收系統(tǒng)中選用SPE電解池，體積較KOH電解池縮小3倍。Ivanchuk等4研究了Nation膜兩側(cè)均沉積Pt載量為2.0×10-3g/cm2的膜電極電解技術(shù)。

電極對氫同位素分離系數(shù)的影響電解法氫同位素分離是在直流電的作用下，利用氫同位素在氣、液兩相中的分布不同，首先將水中氕(H)和氘(D)分離出來，當(dāng)氚(T)達到一定濃度時，開始電解出氚氣，分離效果通常用兩相中(liquid和gaseous)同位素的分配比率來表征。相關(guān)研究中，H、D分布在氣相、Nation膜和電極材料中，這里電化學(xué)平衡包括Nation膜與電極材料、電極材料與氣相間的H、D分配平衡，電解時它們的電解電位不同。電位較低的被優(yōu)先析出進入氣相，最后達到溶液電解濃集的分離效果。不同的電極材料H、D平衡常數(shù)不同，故而具有不同的分離系數(shù)。因此，對電解法分離氫同位素而言，在選擇電催化劑時，要兼顧催化活性和分離效應(yīng)。

電流密度對氫同位素分離系數(shù)的影響不同溫度下PbAg陰極的2條關(guān)系曲線均表明，H/D同位素分離系數(shù)隨電流密度的升高而增大。這可能是因為電流密度的增大減小了電極的極化情況，使得電極的同位素效應(yīng)增強，如右圖所示。

溫度對氫同位素分離系數(shù)的影響理論上，溫度對分離系數(shù)呈負面影響。在40一70℃范圍內(nèi)反應(yīng)的活化能約為6778 J/mol。IrRu/Nafion117/PbAg電極的H/D同位素分離系數(shù)隨溫度的升高而減小，在40、60、70℃時分離系數(shù)分別約為4.49、3.76、3.53。因此，在進行電解分離時，應(yīng)將溫度控制在適當(dāng)范圍內(nèi)。

質(zhì)子在Nation膜中傳輸?shù)臍渫凰匦?yīng)SPE電解法進行氫同位素分離很好的利用了質(zhì)子在Nation膜中傳輸?shù)耐凰匦?yīng)。由于H+在Nation膜中的電遷移速率比D+更快，更容易傳輸?shù)疥帢O。提高陰極區(qū)H+的相對濃度，這將有助于加快H+在這里的得電子反應(yīng)，進而加快H析出。而相對來說，D+遷移擴散的速度較慢，到達陰極區(qū)的量相對較少。這樣在陰極區(qū)D+的百分含量相對于陽極側(cè)體相的比例會更小，故而，Nation膜的同位素效應(yīng)在電極本身的同位素效應(yīng)基礎(chǔ)上再次減緩D+的得電子反應(yīng)，降低了D2的析出速率。因此，相對于傳統(tǒng)的堿性電解槽的堿性電解質(zhì)溶液，SPE電解槽的固體聚合物電解質(zhì)(Nation)更有利于電解液氘和氚的濃集。5