[科普中国]-同位素分离系数

概念

同位素分离的效率用分离系数或浓缩系数来表示。设分离前后铀235的丰度分别为CF和CP，则分离系数α定义公式为，浓缩系数则定义为α-1。理论上，级分离系数的最大值（α0）等于两种组分的分子量比值的平方根。实际的分离系数远低于理论值，具体数值决定于设备结构、膜的特性及其它工艺条件。由于单级分离效果不大，为了得到5%的浓缩铀，便需要把近千个扩散级串联起来。

SPE水电解进行氢同位素分离电解法是国外正在应用的处理含氚废水较为有效的方法之一。主要有碱性电解槽和固体聚合物电解质(SPE)电解槽。人们对碱性电解槽分离氢同位素进行了较多的研究。而SPE水电解槽较传统的碱性电解槽具有体积更小、电流密度与电解效率更高、气体纯度更高、使用寿命更长、系统工艺也更简单等优点，已用于氢同位素分离的电解装置中。Masaaki等1研制了SPE自动停机氚浓集装置，达到12倍氚浓缩的时间由碱性电解池的8d缩短到3d。温雪莲等2根据前人工作开展了SPE氚自动电解浓集装置的研制工作，将SPE电解技术用于氚水的浓集和监测，得到较好的结果。Cristescu等3认为，CECE(Combined Electrolysis Catalytic Exchange，CECE)工艺是ITER除氚系统的最合适方式，他们在CECE氚回收系统中选用SPE电解池，体积较KOH电解池缩小3倍。Ivanchuk等4研究了Nation膜两侧均沉积Pt载量为2.0×10-3g/cm2的膜电极电解技术。

电极对氢同位素分离系数的影响电解法氢同位素分离是在直流电的作用下，利用氢同位素在气、液两相中的分布不同，首先将水中氕(H)和氘(D)分离出来，当氚(T)达到一定浓度时，开始电解出氚气，分离效果通常用两相中(liquid和gaseous)同位素的分配比率来表征。相关研究中，H、D分布在气相、Nation膜和电极材料中，这里电化学平衡包括Nation膜与电极材料、电极材料与气相间的H、D分配平衡，电解时它们的电解电位不同。电位较低的被优先析出进入气相，最后达到溶液电解浓集的分离效果。不同的电极材料H、D平衡常数不同，故而具有不同的分离系数。因此，对电解法分离氢同位素而言，在选择电催化剂时，要兼顾催化活性和分离效应。

电流密度对氢同位素分离系数的影响不同温度下PbAg阴极的2条关系曲线均表明，H/D同位素分离系数随电流密度的升高而增大。这可能是因为电流密度的增大减小了电极的极化情况，使得电极的同位素效应增强，如右图所示。

温度对氢同位素分离系数的影响理论上，温度对分离系数呈负面影响。在40一70℃范围内反应的活化能约为6778 J/mol。IrRu/Nafion117/PbAg电极的H/D同位素分离系数随温度的升高而减小，在40、60、70℃时分离系数分别约为4.49、3.76、3.53。因此，在进行电解分离时，应将温度控制在适当范围内。

质子在Nation膜中传输的氢同位素效应SPE电解法进行氢同位素分离很好的利用了质子在Nation膜中传输的同位素效应。由于H+在Nation膜中的电迁移速率比D+更快，更容易传输到阴极。提高阴极区H+的相对浓度，这将有助于加快H+在这里的得电子反应，进而加快H析出。而相对来说，D+迁移扩散的速度较慢，到达阴极区的量相对较少。这样在阴极区D+的百分含量相对于阳极侧体相的比例会更小，故而，Nation膜的同位素效应在电极本身的同位素效应基础上再次减缓D+的得电子反应，降低了D2的析出速率。因此，相对于传统的碱性电解槽的碱性电解质溶液，SPE电解槽的固体聚合物电解质(Nation)更有利于电解液氘和氚的浓集。5