光化学法87Rb同位素浓缩的关键问题研究

Isotope separation is an important method for obtaining nuclear fuel and military nuclear materials. It is playing an important role in the national economy and national defense. For some isotopes, exploring more economical separation methods has great significance. Photochemical separation is an important method of isotope separation. In this separation, for achieving higher separation efficiency, a key issue is to select the appropriate reagent gas. To solving this problem, the project is proposed to study photochemical reaction process of rubidium isotopes with several typical reagent gases. By combining reaction experiments with spectral measurement, the important physical parameters (the reaction rate of ground state atoms and the reaction rate of excited state atoms) affecting separation efficiency are studied in detail. Finally, rubidium isotope separation is evaluated. Theoretically, excitation dynamics model of photochemical reaction is established. The combination of theory and experiment will thoroughly reveal the separation mechanism. Based on this study, the photochemical separation method is further verified. This research work can provide the theoretical and experimental guidance and technical reserve for the new isotope separation units.

同位素分离是获取核燃料和军用核材料的重要方法，对国民经济和国防建设有重要作用。对某些同位素，探索更为经济性的分离方法意义重大。光化学法是同位素分离研究的重要方法，反应剂气体优选是光化学法同位素分离研究的关键，它对分离效率的提高至关重要。针对光化学法分离研究中所面临的重点和难点，本项目提出以Rb原子为研究对象，针对几种典型的反应剂气体，将光化学反应实验研究与光谱测量技术相结合，对影响分离效率和分离系数的重要物理参数 (基态反应速率和激发态反应速率) 进行全面、深入、细致地研究，进一步对光化学Rb同位素分离效果作出评价。理论上建立光化学反应激发动力学模型，采用实验与理论相结合的研究路线，将光化学法分离机理研究进一步推向深入。在本研究基础上，进一步检验该分离方法的可拓展性，为我国发展新型同位素分离装置提供必要的理论实验指导和技术储备。

激光同位素分离方法 (Laser Isotope Separation, LIS) 是一种特殊的核技术，该分离方法基于其低能耗、分离系数高、分离装置规模小等优点，对于获取军用核材料是一种具有潜在优势的同位素分离方法。但由于同位素分离相关核心技术非常敏感，世界上主要技术拥有国家对其严格保密。目前，化学性质活泼的碱金属元素Rb, Li，Cs等同位素，在核能工业以及科技科研发展领域的应用和需求也在不断增长，高丰度87Rb同位素在精密谱学测量以及卫星定标方面发挥着重要作用。而传统的同位素分离方法，如离心法，由于碱金属元素化学性质活泼，很难找到合适的稳定气态化合物，该分离方法无法胜任。本项目针对Rb同位素，采用光化学分离法对87Rb浓缩的关键问题进行了研究，对反应剂气体选择、“正分离法”和“负分离法”主要物理参数对分离效率的影响等进行了理论和实验研究。理论方面建立了光化学反应分离物理模型，考虑Rb同位素超精细结构下，分别讨论了“正分离”和“负分离”情况下物理参数对分离效果的影响规律，对实验研究给出了重要指导。实验方面设计并建立了光化学法铷同位素分离实验装置，对载体气体和反应剂气体流速流量控制、蒸发温度控制、以及光谱监测系统等对分离效果进行了实验研究。通过开展光化学法铷同位素分离研究相关工作，解决了分离中一些核心技术问题，我们作为国内首家对光化学分离方法进行研究的单位，对光化学分离原理和方法进行了初步探索，为未来发展具有潜在应用前景的同位素分离方法及完善目前还未成熟的同位素分离技术奠定了良好基础，对于提升我们自身研究水平，锻炼队伍，为国家分离事业培养人才等都有重要意义。

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