硼同位素开发进展与生产.docxVIP

李建平（中核建中核燃料元件有限公司，四川宜宾644000）摘要：采用化学交换法分离硼同位素，通过在三氟化硼—苯甲醚体系中进行了硼同位素分离生产性试验，使得硼-10同位素在液相富集，硼-11同位素在气相中富集，达到了硼同位素分离与生产目的。经过生产性试验表明：在三氟化硼—苯甲醚体系中通过级联装置可以实现硼同位素的分离，且操作稳定、连续、可靠，可用于工业化生产。硼同位素分离试生产获得了交换塔和络合塔正常运行参数；实现了在分解塔内将络合物成功分解的工艺技术；解决了物料精馏净化技术问题；验证了在交换塔内采用聚四氟乙烯丝网填料富集硼同位素可行性，试验了操作压力、流量等工艺参数对硼-10同位素富集的影响，研究了填料的性能，为实现工业化的投建打下了坚实的基础。关键词：化学交换法；三氟化硼—苯甲醚体系；硼同位素分离中图分类号：TQ028文献标识码：A文章编号：1005-8265（2013）04-0020-040前言硼有两种稳定的同位素，即硼-10和硼-11，天然丰度分别为19.3%和80.7%。由于硼-10和硼-11对中子吸收的性质的巨大差别：硼-10对热中子的吸收截面为3837靶，硼-11为0.05靶，天然丰度的硼对热中子的吸收截面仅为750靶。特别是随着现代工业、军事装备、核能和医学方面的发展，其应用日益广泛，使用量在不断增加。富集硼-10同位素的用途主要有：(1)在核电方面[1]，富集硼-10可以用作屏蔽材料。或者用于反应堆的防护材料，这些材料以元素硼、碳化硼、硼化锆等形式出现。(2)在现代工业方面，硼-10对具有强辐射能力的高周期元素形成的伽马射线具有良好的阻挡作用；硼-10还广泛应用核物理装置中，可制成中子计数器；（3）在医疗方面[2]，中国原子能科学研究院周永茂院士研制的世界首台医院中子照射器硼中子俘获疗法使硼-10同位素可用于癌症的治疗，以硼-10作为治疗癌症的主要成分已经在理论和应用上获得了突破。硼-11是一种潜在的热核反应材料；添加硼-11的钢材制成的反应器，可使反应器耐高温、耐辐射性能得到大幅提高；也可大大改善钢材的性能。另外硼-10与硼-11在特种硼钢和核磁共振技术的研究上均有所应用。目前，我国使用的富集硼同位素主要依靠进口，限制了我国高新技术的发展，随着现代科技的进步，世界范围内对高丰度硼-10、硼-11的需求量越来越大，因此，开发硼同位素具有极高的经济价值和社会价值。1硼同位素分离的方法硼同位素化学交换法分离硼-10同位素研究的的较多的共有三种：三氟化硼—乙醚减压交换蒸馏法；三氟化硼—甲醚减压交换蒸馏法和三氟化硼—苯甲醚络合物化学交换法。三氟化硼—乙醚络合物化学交换法富集硼10在60年代以后已被国外淘汰。1967年前苏联采取三氟化硼—甲醚络合物化学交换法二级精馏[3]进行硼-10同位素分离，但是，不久该法又被三氟化硼美国和格鲁吉亚等国家采用该种工艺生产硼-10同位素。由此可见，三氟化硼—苯甲醚络合物化学交换法工艺路线目前仍是生产硼同位素的主要方法。收稿日期：2013-07-122013Vol.23No.4过滤与分离JournalofFiltrationSeparation·21·硼—苯甲醚络合物与三氟化硼气液逆流循环级联的化学交换法。4硼同位素分离生产工艺流程4.1工艺生产的基本原理4.1.1硼同位素交换原理硼同位素分离生产工艺采用气液两相化学交换法分离富集硼同位素，气相为三氟化硼气体，液相为三氟化硼－苯甲醚络合物。在三氟化硼气流与苯甲醚－三氟化硼络合物液体之间的逆向交换结果，在液相中硼－10浓缩，气相中硼－11也得到了浓缩，其反应方程式为：2三氟化硼—苯甲醚络合物的化学交换反应采用化学交换法进行硼-10和硼-11的分离时，往往是借助于BF3的络合物进行的。苯甲醚与三氟化硼形成的液态络合物，可以与三氟化硼气体进行同位素交换反应如下：C6H5OCH3·11BF（3l）+10BF（3g）=C6H5OCH3·10BF（3l）+11BF（3g）（1）上述交换反应的分离能力，主要由供电基团的强弱、络合物分子结构及其它相关因素决定。定义分离系数α来描述进行一次交换的分离效果，以下式来表示：α=x/1-y（2）CHOCH·11BF（l）+10B（g）y/1-y6533C6H5OCH3·10BF（3l）+11BF（3g）4.1.2苯甲醚-三氟化硼络合物分解原理（5）式中：x为经过一个单元分离过程后，同位素富集部分的丰度；y为经过一个单元分离过程后，同位素贫化部分的丰度。当同位素交换分离系统全回流操作时，达到分离要求所需的理论塔板数N，按Fenske方程有：苯甲醚-三氟化硼络合物随着温度的升高，络合物逐渐分解。当温度达到苯甲醚的沸点155.5℃时，络合物就完全分解为三氟化硼和苯甲醚，其反应为：150℃~170℃C6H5OCH3·BF3