بخشی از مقاله
جداسازی ایزوتوپ ها با لیزر
چکیده
یکی از چالش های علمی امروز جداسازی ایزوتوپ مورد نیاز از یک عنصر برای استفاده در مصارف گوناگون اعم از داروسازی و راکتورهای هسته ای میباشد. به طور سنتی جداسازی ایزوتوپ ها از طریق سانتریفیوژهای گازی انجام میشود اما اخیرأ از روش متفاوت وموثر LIS استفاده می کنند، این تکنیک بر اساس این واقعیت استوار است که مولکولها واتمهای تبخیر شده یک عنصر طول موجهای مختلفی از نور لیزر را جذب میکنند که باعث تفاوت در بین طیفهای ایزوتوپها میشود. این تفاوت ما را سوق میدهد به اینکه فرایند هایی چون یونش برای اتمها یا تفکیک برای مولکولهای یکی از ایزوتوپهای مدنظر در مخلوط را طراحی و در نهایت ایزوتوپ موردنظر را با تکنیک های مناسبی مثل استخراج توسط میدان الکتریکی برای اتمها یا جداسازی شیمیایی برای مولکولها جمع آوری کنیم.
واژههای کلیدی: جداسازی، ایزوتوپ، سانتریفیوژ، اورانیوم
-1 مقدمه
ابتدا در آمریکا در خلال جنگ جهانی دوم تلاشهایی برای غنی سازی اورانیوم برای ساخت سلاح هسته ای صورت گرفت. پروژه LIS در دهه 70 میلادی به عنوان پروژه ای کم هزینه سازگار با محیط زیست و موثر ارائه شد تا اورانیوم غنی شده مورد نیاز راکتور های هسته ای و مصارف نظامی آمریکا تامین گردد. توسعه این تکنولوژی برای غنی سازی اورانیوم در طی سالهای اخیر منجر به کاربرد آن در جداسازی انواع گوناگون ایزوتوپهایی به مانند نیتروژن15 کربن12 سولفور33 در مصارف پزشکی و زیست محیطی شده است
-2 جداسازی ایزوتوپی مولکول ها و اتمها
جابجایی هایی در طیف اتمی ومولکولی ایزوتوپهای یک عنصر دیده میشود که به تفاوت جرم ایزوتوپها و اسپین هسته بستگی دارد، این جابجایی های طیفی پایه روش های فتوشیمی را برای جداسازی ایزوتوپها تشکیل میدهند.
جابجایی های طیفی ایزوتوپهای اورانیوم در شکلهای اتمی ومولکولی شناسایی شده واین جابجایی ها اساس روش جداسازی با لیزر را تشکیل میدهد. دو فرایند مختلف برای جداسازی ایزوتوپی با لیزر توسعه پیدا کرده است:-1 جداسازی اتمی -2 جداسازی مولکولی لیزرهای با فرکانس قابل تنظیم برای تمام مناطق طیف اورانیوم وجود دارد. در منطقه طول موج های مرئی
لیزر رنگی به طور پیوسته قابل تنظیم است و پایداری زیاد و قدرت لازم را دارد، قطر پرتو این لیزر را میتوان تا 100 فمتومتر کاهش داد. همچنین یونش اورانیوم باید در چند مرحله صورت گیرد زیرا لیزرهای قابل تنظیم با بازده ای خوب تنها 2 الکترون ولت انرژی تامین میکنند، در صورتیکه انرژی لازم برای یونش 6,2 الکترون ولت است. لیزر های رنگی برای 2 الکترون ولت مناسب هستند ولی بازدهی آنها برای انرژی بالاتر به تدریج کم میشود. اولین مراحل به دلیل پدیده رزونانس دارای بازده خوبی هستند و آخرین مرحله گذار بین حالت پیوندی وحالت آزاد الکترون است که سطح مقطع آن پایین است. برای این منظور از لیزر با قدرت بالا استفاده میشود، همچنین کلکتورهایی برای جمع آوری اورانیوم یونیده شده طراحی شده است که پس از جمع آوری باید با روشهای مناسب اورانیوم235 را از صفحات کلکتور جدا کرد.
-2-1 طرز کار سیستم LIS
این فناوری بر اساس این واقعیت است که با وجود اینکه ایزوتوپهای مختلف یک عنصر از نظر شیمیایی یک خاصیت دارند ولی انرژی های الکتریکی متفاوتی دارند و هر کدام طول موج خاصی از لیزر را جذب میکنند که میتوان ایزوتوپ های مختلف یک عنصر را با فرایندی لیزری از هم جدا کرد.
بهترین ماده برای این فرایند اورانیوم است زیرا اورانیوم 235 تنها ایزوتوپی میباشد که شکافت پذیر است و میتواند زنجیره مورد نیاز برای غنی سازی را تامین کند. فرایند غنی سازی به این منظور صورت میگیرد که غلظت اورانیوم 235 را که به طور طبیعی %0,4 میباشد به حدود %4 برساند تا جوابگوی نیاز نیروگاه باشد. در مرحله اول فلز اورانیوم در یک واحد جدا کننده که در یک محفظه خلا قرار دارد تبخیر میشود سپس نور لیزر با طول موج مشخص که در آن طول موج فقط اورانیوم 235 انرژی جذب میکند به بخار فلز اورانیوم تابانده میشود، این لیزر اول از یک دیود لیزری حالت جامد که طول موج کوتاهی با شدت بالا تولید میکند منتشر میشود، رنگ نور لیزری در ابتدا سبز است ولی با عبور از المنت های اپتیکی (که از فیبر های تولید میشوند) رنگ آن تغییر میکند. در غنی سازی اورانیوم این نور به سه طول موج از طیف قرمز– نارنجی تبدیل میشود که فقط توسط اورانیوم235جذب میشود. هر کدام از طول موج ها انرژی لازم را جهت یونیزه کردن یا کندن یک الکترون خاص تامین میکند ودر عین حال ایزوتوپ مادر را تحت تاثیر قرار نمیدهد، حال چون اتمهای یونیزه شده دارای بار الکتریکی مثبت شده اند به راحتی میتوان آنها را توسط یک سطح جمع آوری کننده با بار الکتریکی منفی جمع آوری کرد، ایزوتوپهای اضافی نیز چون نور لیزر بر آنها اثر نمیکند از طرف دیگر محفظه به عنوان ضایعات خارج میشوند.
-2-2 مزایای تکنولوژی LIS
یکی از مزایای استفاده از این تکنولوژی داشتن کمترین میزان ضایعات ممکن است. دیگر مزیت این طرح این است که ضایعات ایجاد شده در واقع همان سوخت مورد نیاز نیروگاه های هسته ای قدیمی است که تقریبا 60 درصد این ضایعات توانایی تولید تقریبا 40گیگا وات برق است که این 8درصد میزان برق مورد نیازآمریکا است.
-3 یونش و برانگیختگی ایزوتوپ انتخابی
در حالت بخار اتمهای اورانیم مخلوطی از دو ایزوتوپ قرار دارد. تبخیر در دمایی صورت گرفته که اتمها در حالت پایه قرار دارند، با توجه به اینکه هر ایزوتوپ فرکانس جذب مخصوص خود را دارد و با در نظر گرفتن این نکته که باید جابجایی های ایزوتوپی بسیار بزرگتر از پهن شدگی دوپلری وتغییرات ساختار ریز باشد، لیزر مناسبی را بر اتمها می تابانیم به گونه ای که فقط اتمهای مورد نظر به حالت برانگیخته منتقل شوند و همچنین باید دقت شود که پهنای باند لیزر نیز بزرگتر از جابجایی ایزوتوپی باشد. اتم های برانگیخته به دلیل گسیل خود به خودی در مقیاس زمانی نانوثانیه به حالت پایه بر میگردند، لذا قبل از وقوع این اتفاق ایزوتوپ برانگیخته با لیزر ثانویه ای یونیده میشود که چنین فرایند یونشی فوتویونیزاسیون دومرحله ای نامیده میشود زیرا شامل دو مرحله می باشد.
همچنین در فرایند سه مرحله ای ایزوتوپ برانگیخته توسط لیزر به تراز برانگیخته میرود وحالت برانگیخته ایجاد میشود سپس توسط لیزر سوم یونیزه می شود.
یونش اورانیوم باید در چند مرحله صورت گیرد، زیرا لیزر های قابل تنظیم با بازده ای خوب تنها 2الکترون ولت انرژی تامین میکنند، در صورتیکه انرژی لازم برای یونش 6,2 الکترون ولت است. لیزرهای رنگی برای 2الکترون ولت مناسب هستند(برای مرحله اول که ایزوتوپها را جدا میکنیم)، ولی بازدهی آنها برای انرژی بالاتر به تدریج کم میشود، لذا از لیزرهای بخارمس به علت کارایی بالا وسرعت تکرار پالس بالااستفاده میشود.
-3-1 استخراج فوتویونی
بعد از عمل برانگیختگی بخار اتمی به مخلوطی از یونها وایزوتوپهای بی اثر تبدیل میشوند که این مجموعه فوتو پلاسما نامیده میشود. عمل جداسازی یونهای از قبل از آنکه واکنشهایی صورت گیرد که یون مد نظر از دست رود، انجام میشود. استخراج یون فرایندی است که یونها از فوتوپلاسما با کاربردهای میدانهای مغناطیسی و الکتریکی مناسب در نزدیکی بخار انجام میگیرد. هر عنصر به تعداد ایزوتوپ های سازنده آن دارای خطوط طیفی می باشد که در طول موج از یکدیگر متمایز میشوند . این جابجایی های ایزوتوپی معمولا کوچک و تجزیه نشده هستند. به طور مشابه خطوط طیفی مولکول ها نیز جابجای
