आइसोटोप जुदाई

आइसोटोप पृथक्करण अन्य समस्थानिकों को हटाकर एक रासायनिक तत्व के विशिष्ट समस्थानिकों को केंद्रित करने की प्रक्रिया है। उत्पादित न्यूक्लाइड्स का उपयोग विविध है। अनुसंधान में सबसे बड़ी विविधता का उपयोग किया जाता है (उदाहरण के लिए रसायन विज्ञान में जहां प्रतिक्रिया तंत्र का पता लगाने के लिए मार्कर न्यूक्लाइड के परमाणुओं का उपयोग किया जाता है)। टन भार से, प्राकृतिक यूरेनियम को समृद्ध यूरेनियम और घटिया यूरेनियम में अलग करना सबसे बड़ा अनुप्रयोग है। निम्नलिखित पाठ में मुख्यतः यूरेनियम संवर्धन पर विचार किया गया है। यह प्रक्रिया परमाणु ऊर्जा संयंत्रों के लिए यूरेनियम ईंधन के निर्माण में महत्वपूर्ण है, और यूरेनियम आधारित परमाणु हथियारों के निर्माण के लिए भी आवश्यक है। प्लूटोनियम-आधारित हथियार परमाणु रिएक्टर में उत्पादित प्लूटोनियम का उपयोग करते हैं, जिसे इस तरह से संचालित किया जाना चाहिए कि प्लूटोनियम पहले से ही उपयुक्त समस्थानिक मिश्रण या 'ग्रेड' का उत्पादन कर सके। जबकि रासायनिक प्रतिक्रिया के माध्यम से विभिन्न रासायनिक तत्वों को शुद्ध किया जा सकता है, एक ही तत्व के समस्थानिकों में लगभग समान रासायनिक गुण होते हैं, जो ड्यूटेरियम को अलग करने के अलावा इस प्रकार के पृथक्करण को अव्यावहारिक बनाता है।

पृथक्करण तकनीक

तीन प्रकार की आइसोटोप जुदाई तकनीकें हैं:

जो सीधे आइसोटोप के परमाणु भार पर आधारित होते हैं।
विभिन्न परमाणु भारों द्वारा उत्पादित रासायनिक प्रतिक्रिया दरों में छोटे अंतर के आधार पर।
उन गुणों पर आधारित जो सीधे परमाणु भार से नहीं जुड़े हैं, जैसे परमाणु चुंबकीय अनुनाद#रसायन विज्ञान।

तीसरे प्रकार का पृथक्करण अभी भी प्रायोगिक है; व्यावहारिक पृथक्करण तकनीकें सभी किसी न किसी रूप में परमाणु द्रव्यमान पर निर्भर करती हैं। इसलिए आम तौर पर समस्थानिकों को बड़े सापेक्ष द्रव्यमान अंतर के साथ अलग करना आसान होता है। उदाहरण के लिए, ड्यूटेरियम में सामान्य (प्रकाश) हाइड्रोजन के द्रव्यमान का दोगुना द्रव्यमान होता है और सामान्य यूरेनियम-238 से यूरेनियम-235 को अलग करने की तुलना में इसे शुद्ध करना आम तौर पर आसान होता है। अन्य चरम पर, सामान्य अशुद्धता [[प्लूटोनियम -240 -239]]-240 से विखंडनीय प्लूटोनियम-239 को अलग करना, जबकि इसमें वांछनीय है कि यह प्लूटोनियम से बंदूक-प्रकार के विखंडन हथियारों के निर्माण की अनुमति देगा, आम तौर पर अव्यावहारिक होने के लिए सहमत है।^[1]

संवर्धन कैस्केड

सभी बड़े पैमाने पर आइसोटोप जुदाई योजनाएं कई समान चरणों को नियोजित करती हैं जो वांछित आइसोटोप के क्रमिक उच्च सांद्रता का उत्पादन करती हैं। प्रत्येक चरण अगले चरण में भेजे जाने से पहले पिछले चरण के उत्पाद को और समृद्ध करता है। इसी तरह, आगे की प्रक्रिया के लिए प्रत्येक चरण के अवशेषों को पिछले चरण में वापस कर दिया जाता है। यह एक अनुक्रमिक समृद्ध प्रणाली बनाता है जिसे झरना (केमिकल इंजीनियरिंग) कहा जाता है।

कैस्केड के प्रदर्शन को प्रभावित करने वाले दो महत्वपूर्ण कारक हैं। पहला पृथक्करण कारक है, जो 1 से अधिक संख्या है। दूसरा वांछित शुद्धता प्राप्त करने के लिए आवश्यक चरणों की संख्या है।

वाणिज्यिक सामग्री

आज तक, केवल तीन तत्वों का बड़े पैमाने पर वाणिज्यिक आइसोटोप पृथक्करण हुआ है। प्रत्येक मामले में, एक तत्व के दो सबसे आम समस्थानिकों में से दुर्लभ को परमाणु प्रौद्योगिकी में उपयोग के लिए केंद्रित किया गया है:

परमाणु रिएक्टर ईंधन और परमाणु हथियारों में उपयोग के लिए समृद्ध यूरेनियम तैयार करने के लिए यूरेनियम समस्थानिकों को अलग किया गया है।
परमाणु रिएक्टरों में मंदक के रूप में उपयोग के लिए भारी पानी तैयार करने के लिए हाइड्रोजन समस्थानिकों को अलग किया गया है।
- ट्रिटियम जल-संचालित रिएक्टरों के शीतलक / मंदक दोनों में एक उपद्रव है और एक मूल्यवान उत्पाद है, इस प्रकार इसे कभी-कभी शीतलक से अलग किया जाता है
लिथियम-6 को थर्मोन्यूक्लियर हथियारों में इस्तेमाल के लिए केंद्रित किया गया है। ट्रिटियम का उत्पादन आमतौर पर लिथियम-6 से किया जाता है जिसे अक्सर इस उद्देश्य के लिए भी समृद्ध किया जाता है।

विशेष रूप से अर्धचालक उद्योग में विशेष रूप से अर्धचालक उद्योग में कुछ समस्थानिक रूप से शुद्ध तत्वों का उपयोग कम मात्रा में किया जाता है, जहां क्रिस्टल संरचना और तापीय चालकता में सुधार के लिए शुद्ध सिलिकॉन का उपयोग किया जाता है।^[2] और अधिक ऊष्मीय चालकता वाले हीरे बनाने के लिए अधिक समस्थानिक शुद्धता वाला कार्बन।

शांतिपूर्ण और सैन्य परमाणु प्रौद्योगिकी दोनों के लिए आइसोटोप पृथक्करण एक महत्वपूर्ण प्रक्रिया है, और इसलिए आइसोटोप अलगाव के लिए एक राष्ट्र की क्षमता खुफिया समुदाय के लिए अत्यधिक रुचि रखती है।

विकल्प

आइसोटोप पृथक्करण का एकमात्र विकल्प आवश्यक आइसोटोप को उसके शुद्ध रूप में बनाना है। यह एक उपयुक्त लक्ष्य के विकिरण द्वारा किया जा सकता है, लेकिन यह सुनिश्चित करने के लिए लक्ष्य चयन और अन्य कारकों में सावधानी की आवश्यकता है कि ब्याज के तत्व का केवल आवश्यक आइसोटोप ही उत्पादित होता है। अन्य तत्वों के समस्थानिक इतनी बड़ी समस्या नहीं हैं क्योंकि उन्हें रासायनिक तरीकों से हटाया जा सकता है।

यह हथियारों में इस्तेमाल के लिए उच्च श्रेणी के प्लूटोनियम-239 की तैयारी में विशेष रूप से प्रासंगिक है। Pu-239 को Pu-240 या Pu-241 से अलग करना व्यावहारिक नहीं है। यूरेनियम-238 द्वारा न्यूट्रॉन ग्रहण करने के बाद चीरने योग्य पु-239 का उत्पादन होता है, लेकिन आगे न्यूट्रॉन कैप्चर पु-240 का उत्पादन करेगा जो कम विखंडनीय और बदतर है, एक काफी मजबूत न्यूट्रॉन उत्सर्जक है, और पु-241 जो एम-241, एक मजबूत अल्फा एमिटर जो सेल्फ-हीटिंग और रेडियोटॉक्सिसिटी की समस्या पैदा करता है। इसलिए, इन अवांछित समस्थानिकों के उत्पादन को कम करने के लिए, सैन्य प्लूटोनियम का उत्पादन करने के लिए उपयोग किए जाने वाले यूरेनियम लक्ष्यों को केवल थोड़े समय के लिए विकिरणित किया जाना चाहिए। इसके विपरीत, प्लूटोनियम को Pu-240 के साथ मिलाने से यह परमाणु हथियारों के लिए कम उपयुक्त हो जाता है।

यदि वांछित लक्ष्य परमाणु बम नहीं है, लेकिन परमाणु ऊर्जा संयंत्र चलाना है, तो हल्का पानी रिएक्टर में उपयोग के लिए यूरेनियम के संवर्धन का विकल्प प्रोटियम (आइसोटोप) की तुलना में कम न्यूट्रॉन अवशोषण क्रॉस सेक्शन वाले न्यूट्रॉन मॉडरेटर का उपयोग है। विकल्पों में भारी पानी शामिल है जैसा कि कैंडू प्रकार के रिएक्टरों में इस्तेमाल किया जाता है या मैग्नॉक्स या आरबीएमके रिएक्टरों में उपयोग किए जाने वाले ग्रेफाइट नियंत्रित रिएक्टर हालांकि भारी पानी प्राप्त करने के लिए भी आइसोटोप जुदाई की आवश्यकता होती है, हाइड्रोजन समस्थानिकों के इस मामले में, जो परमाणु भार में बड़ी भिन्नता के कारण आसान है। प्राकृतिक यूरेनियम के साथ चलने पर मैग्नॉक्स और आरबीएमके दोनों रिएक्टरों में अवांछनीय गुण थे, जो अंततः इस ईंधन को कम समृद्ध यूरेनियम के साथ बदलने के लिए प्रेरित करते थे, जो पूर्वगामी संवर्धन के लाभ को नकारते थे। CANDU जैसे दबाव वाले भारी जल रिएक्टर अभी भी भारत में सक्रिय उपयोग और परमाणु ऊर्जा में हैं, जिसके पास घरेलू यूरेनियम संसाधन सीमित हैं और ऑपरेशन स्माइलिंग बुद्धा के बाद से आंशिक परमाणु प्रतिबंध के तहत विशेष रूप से अपनी परमाणु शक्ति के लिए भारी जल मॉडरेट रिएक्टरों पर निर्भर करता है। भारी पानी रिएक्टरों का एक बड़ा नुकसान भारी पानी की भारी अग्रिम लागत है।

पृथक्करण के व्यावहारिक तरीके

प्रसार

यूरेनियम को समृद्ध करने के लिए गैसीय प्रसार सूक्ष्म झिल्लियों का उपयोग करता है

अक्सर गैसों के साथ किया जाता है, लेकिन तरल पदार्थों के साथ भी, प्रसार विधि इस तथ्य पर निर्भर करती है कि थर्मल संतुलन में, समान ऊर्जा वाले दो समस्थानिकों के अलग-अलग औसत वेग होंगे। हल्के परमाणु (या उन्हें युक्त अणु) एक झिल्ली के माध्यम से अधिक तेज़ी से यात्रा करेंगे, जिनके छिद्र व्यास औसत मुक्त पथ लंबाई (मुक्त आणविक प्रवाह | नूडसेन प्रवाह) से बड़े नहीं होते हैं। गति अनुपात द्रव्यमान अनुपात के व्युत्क्रम वर्गमूल के बराबर है, इसलिए पृथक्करण की मात्रा छोटी है। उदाहरण के लिए ²³⁵यूएफ₆ बनाम ²³⁸यूएफ₆ यह 1.0043 है। इसलिए उच्च शुद्धता प्राप्त करने के लिए कई कैस्केड चरणों की आवश्यकता होती है। एक झिल्ली के माध्यम से गैस को धकेलने के लिए आवश्यक कार्य और आवश्यक कई चरणों के कारण यह विधि महंगी है, प्रत्येक में गैस के पुनर्संपीड़न की आवश्यकता होती है।

ओक रिज राष्ट्रीय प्रयोगशाला में बड़े गैसीय प्रसार पृथक्करण संयंत्रों में यूरेनियम समस्थानिकों का पहला बड़े पैमाने पर अलगाव संयुक्त राज्य अमेरिका द्वारा प्राप्त किया गया था, जो मैनहट्टन परियोजना के हिस्से के रूप में स्थापित किए गए थे। ये प्रक्रिया द्रव के रूप में यूरेनियम हेक्साफ्लोराइड गैस का इस्तेमाल करते हैं। एडवर्ड एडलर और एडवर्ड नॉरिस द्वारा निकल पाउडर और इलेक्ट्रो-जमा निकल जाल प्रसार बाधाओं का बीड़ा उठाया गया था।^[3] गैसीय प्रसार देखें। उच्च ऊर्जा खपत के कारण, प्रसार द्वारा यूरेनियम के संवर्धन को धीरे-धीरे गैस सेंट्रीफ्यूगेशन और लेजर संवर्धन जैसे अधिक कुशल तरीकों से बदल दिया गया। अंतिम प्रसार संयंत्र (पादुका, संयुक्त राज्य अमेरिका में) 2013 में बंद हुआ।^[4] पादुकाह गैसीय प्रसार संयंत्र, सैन्य रिएक्टरों को बिजली देने और परमाणु बम बनाने के लिए अत्यधिक समृद्ध यूरेनियम उत्पन्न करने का एक अमेरिकी सरकार का प्रयास था, जिसके कारण 1952 में सुविधा की स्थापना हुई। पादुका के संवर्धन को शुरू में निम्न स्तर पर रखा गया था, और यह सुविधा फ़ीड के रूप में संचालित थी। ओक रिज, टेनेसी और पिकेटन, ओहियो में समृद्ध यूरेनियम को संसाधित करने वाली अन्य रक्षा सुविधाओं के लिए सुविधा। 1960 के दशक में पिकेटन में पडुकाह और उसकी बहन सुविधा का लक्ष्य तब समायोजित हुआ जब उन्होंने ऊर्जा उत्पादन के लिए वाणिज्यिक परमाणु रिएक्टरों में उपयोग के लिए यूरेनियम को समृद्ध करना शुरू किया।^[5]

केन्द्रापसारक

अमेरिकी यूरेनियम संवर्धन संयंत्र में गैस सेंट्रीफ्यूज का झरना।

केन्द्रापसारक बल योजनाएँ तेजी से सामग्री को घुमाती हैं जिससे भारी आइसोटोप बाहरी रेडियल दीवार के करीब जा सकते हैं। यह अक्सर एक Zippe-type अपकेंद्रित्र का उपयोग करके गैसीय रूप में किया जाता है।

अपकेंद्रित्र प्लाज्मा (भौतिकी) रेडियोधर्मी अपशिष्ट में कमी, परमाणु पुनर्संसाधन और अन्य उद्देश्यों के लिए आइसोटोप को अलग करने के साथ-साथ तत्वों की श्रेणी को अलग कर सकता है। प्रक्रिया को प्लाज्मा द्रव्यमान पृथक्करण कहा जाता है; उपकरणों को प्लाज्मा मास फिल्टर या प्लाज्मा सेंट्रीफ्यूज (चिकित्सा के साथ भ्रमित नहीं होना) कहा जाता है।^[6] आइसोटोप के केन्द्रापसारक पृथक्करण का सुझाव सबसे पहले एस्टन और लिंडमैन ने दिया था^[7] 1919 में और बीम्स और हेन्स द्वारा पहले सफल प्रयोगों की सूचना दी गई^[8] 1936 में क्लोरीन के समस्थानिक पर। हालांकि मैनहट्टन परियोजना के दौरान प्रौद्योगिकी का उपयोग करने के प्रयास अनुत्पादक थे। आधुनिक समय में यह यूरेनियम को समृद्ध करने के लिए दुनिया भर में उपयोग की जाने वाली मुख्य विधि है और इसके परिणामस्वरूप एक काफी गुप्त प्रक्रिया बनी हुई है, जो प्रौद्योगिकी के अधिक व्यापक उपयोग में बाधा बनती है। आम तौर पर यूएफ की एक फ़ीड₆ गैस एक सिलेंडर से जुड़ी होती है जिसे तेज गति से घुमाया जाता है। सिलेंडर के बाहरी किनारे के पास U-238 वाले भारी गैस अणु एकत्र होते हैं, जबकि U-235 वाले अणु केंद्र में केंद्रित होते हैं और फिर दूसरे कैस्केड चरण में खिलाए जाते हैं।^[9] समस्थानिकों को समृद्ध करने के लिए गैसीय केन्द्रापसारक प्रौद्योगिकी का उपयोग वांछनीय है क्योंकि अधिक पारंपरिक तकनीकों जैसे प्रसार संयंत्रों की तुलना में बिजली की खपत बहुत कम हो जाती है क्योंकि अलगाव की समान डिग्री तक पहुंचने के लिए कम कैस्केड चरणों की आवश्यकता होती है। वास्तव में, यूरेनियम हेक्साफ्लोराइड का उपयोग करने वाले गैस अपकेंद्रित्र ने यूरेनियम संवर्धन के लिए बड़े पैमाने पर गैसीय प्रसार तकनीक को बदल दिया है।^{[citation needed]} समान पृथक्करण प्राप्त करने के लिए कम ऊर्जा की आवश्यकता के साथ-साथ, बहुत छोटे पैमाने के संयंत्र संभव हैं, जिससे उन्हें परमाणु हथियार बनाने का प्रयास करने वाले एक छोटे राष्ट्र के लिए आर्थिक संभावना बनती है। माना जाता है कि पाकिस्तान ने अपने परमाणु हथियार विकसित करने के लिए इस तरीके का इस्तेमाल किया था।

भंवर ट्यूबों का उपयोग दक्षिण अफ्रीका द्वारा उनके हेलिकॉन भंवर पृथक्करण प्रक्रिया में किया गया था। गैस को विशेष ज्यामिति वाले कक्ष में स्पर्शरेखीय रूप से इंजेक्ट किया जाता है जो इसके रोटेशन को बहुत उच्च दर तक बढ़ा देता है, जिससे आइसोटोप अलग हो जाते हैं। विधि सरल है क्योंकि भंवर ट्यूबों में कोई हिलने वाला भाग नहीं होता है, लेकिन ऊर्जा गहन होती है, जो गैस सेंट्रीफ्यूज से लगभग 50 गुना अधिक होती है। एक समान प्रक्रिया, जिसे जेट नोजल के रूप में जाना जाता है, जर्मनी में बनाया गया था, ब्राजील में एक प्रदर्शन संयंत्र बनाया गया था, और वे देश के परमाणु संयंत्रों को ईंधन देने के लिए एक साइट विकसित करने तक गए थे।

विद्युत चुम्बकीय

एक calutroon में यूरेनियम आइसोटोप पृथक्करण का योजनाबद्ध आरेख

विद्युत चुम्बकीय पृथक्करण बड़े पैमाने पर मास स्पेक्ट्रोमेट्री है, इसलिए इसे कभी-कभी मास स्पेक्ट्रोमेट्री भी कहा जाता है। यह इस तथ्य का उपयोग करता है कि आवेशित कण चुंबकीय क्षेत्र में विक्षेपित होते हैं और विक्षेपण की मात्रा कण के द्रव्यमान पर निर्भर करती है। उत्पादित मात्रा के हिसाब से यह बहुत महंगा है, क्योंकि इसमें बेहद कम प्रवाह क्षमता है, लेकिन यह बहुत अधिक शुद्धता हासिल करने की अनुमति दे सकता है। इस पद्धति का उपयोग अक्सर शोध या विशिष्ट उपयोग (जैसे समस्थानिक ट्रेसर) के लिए शुद्ध आइसोटोप की छोटी मात्रा को संसाधित करने के लिए किया जाता है, लेकिन औद्योगिक उपयोग के लिए यह अव्यावहारिक है।

ओक रिज, टेनेसी और कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, बर्कले में, अर्नेस्ट ओ. लॉरेंस ने पहले संयुक्त राज्य परमाणु बम (मैनहट्टन प्रोजेक्ट देखें) में उपयोग किए गए अधिकांश यूरेनियम के लिए विद्युत चुम्बकीय पृथक्करण विकसित किया। उनके सिद्धांत का उपयोग करने वाले उपकरणों को कैलुट्रॉन नाम दिया गया है। युद्ध के बाद इस पद्धति को काफी हद तक अव्यावहारिक के रूप में छोड़ दिया गया था। यह केवल (प्रसार और अन्य तकनीकों के साथ) यह गारंटी देने के लिए किया गया था कि उपयोग के लिए पर्याप्त सामग्री होगी, चाहे जो भी लागत हो। युद्ध के प्रयासों में इसका मुख्य अंतिम योगदान गैसीय प्रसार संयंत्रों से शुद्धता के उच्च स्तर तक सामग्री को और अधिक केंद्रित करना था।

लेजर

इस विधि में एक लेज़र को तरंगदैर्घ्य के साथ जोड़ा जाता है जो सामग्री के केवल एक समस्थानिक को उत्तेजित करता है और उन परमाणुओं को अधिमानतः आयनित करता है। परमाणुओं के लिए, समस्थानिक के लिए प्रकाश का गुंजयमान अवशोषण निर्भर करता है^[10]

परमाणु द्रव्यमान (मुख्य रूप से प्रकाश तत्वों के साथ ध्यान देने योग्य)
परमाणु आयतन (विद्युत संभावित ऊर्जा से विचलन के कारण, भारी तत्वों के लिए ध्यान देने योग्य)
अतिसूक्ष्म संरचना इलेक्ट्रॉनिक संक्रमणों का विभाजन, यदि नाभिक में एक स्पिन है,

सूक्ष्म रूप से ट्यून किए गए लेज़रों को केवल एक आइसोटोप के साथ इंटरैक्ट करने की अनुमति देता है। परमाणु के आयनित होने के बाद इसे विद्युत क्षेत्र लगाकर नमूने से हटाया जा सकता है। इस विधि को अक्सर AVLIS (परमाणु वाष्प लेजर आइसोटोप पृथक्करण) के रूप में संक्षिप्त किया जाता है। इस पद्धति को केवल विकसित किया गया है क्योंकि 1970 से 1980 के दशक में लेजर तकनीक में सुधार हुआ है। यूरेनियम संवर्धन के लिए इसे एक औद्योगिक पैमाने पर विकसित करने के प्रयास 1990 के दशक में तकनीकी कठिनाइयों को समाप्त करने के कारण क्रमिक रूप से छोड़ दिए गए थे और क्योंकि इस बीच सेंट्रीफ्यूज तकनीकी परिपक्वता तक पहुंच गए थे।^[11]^[12] हालांकि, यह परमाणु प्रसार के क्षेत्र में उन लोगों के लिए एक प्रमुख चिंता का विषय है, क्योंकि यह आइसोटोप पृथक्करण के अन्य तरीकों की तुलना में सस्ता और अधिक आसानी से छिपा हुआ हो सकता है। AVLIS में उपयोग किए जाने वाले ट्यून करने योग्य लेज़रों में डाई लेजर शामिल हैं^[13] और हाल ही में डायोड लेजर।^[14] लेज़र पृथक्करण की दूसरी विधि को आणविक लेज़र आइसोटोप पृथक्करण (MLIS) के रूप में जाना जाता है। इस विधि में, एक इन्फ्रारेड लेजर को यूरेनियम हेक्साफ्लोराइड गैस (यदि यूरेनियम का संवर्धन वांछित है) पर निर्देशित किया जाता है, रोमांचक अणु जिसमें यूरेनियम-235|यू-235 परमाणु होता है। एक दूसरा लेज़र, या तो IR (इन्फ्रारेड मल्टीफ़ोटो पृथक्करण) या यूवी में भी, एक एक अधातु तत्त्व परमाणु को मुक्त करता है, जिससे यूरेनियम पेंटाफ्लोराइड निकलता है जो तब गैस से बाहर निकल जाता है। MLIS चरणों को कैस्केडिंग करना अन्य तरीकों की तुलना में अधिक कठिन है क्योंकि UF₅ यूएफ में वापस फ्लोराइड किया जाना चाहिए₆ अगले एमएलआईएस चरण में पेश किए जाने से पहले। लेकिन हल्के तत्वों के साथ, आइसोटोप चयनात्मकता आमतौर पर इतनी अच्छी होती है कि कैस्केडिंग की आवश्यकता नहीं होती है।

कई वैकल्पिक एमएलआईएस योजनाएं विकसित की गई हैं। उदाहरण के लिए, कोई निकट-अवरक्त या दृश्य क्षेत्र में पहले लेज़र का उपयोग करता है, जहाँ एक चरण में 20:1 से अधिक की चयनात्मकता प्राप्त की जा सकती है। इस विधि को ओपी-आईआरएमपीडी (ओवरटोन प्री-एक्साइटेशन-इन्फ्रारेड मल्टीफोटोन हदबंदी) कहा जाता है। लेकिन ओवरटोन में छोटे अवशोषण की संभावना के कारण, बहुत से फोटॉन अप्रयुक्त रह जाते हैं, जिससे यह विधि औद्योगिक व्यवहार्यता तक नहीं पहुंच पाती है। साथ ही कुछ अन्य MLIS विधियाँ महंगे फोटॉनों की कमी से ग्रस्त हैं।

अंत में, ऑस्ट्रेलिया में Silex Systems द्वारा विकसित 'लेज़र उत्तेजना द्वारा आइसोटोप का पृथक्करण' (SILEX) प्रक्रिया को पायलट संवर्धन संयंत्र के विकास के लिए जनरल इलेक्ट्रिक को लाइसेंस दिया गया है। यूरेनियम के लिए, यह यूएफ के साथ एक ठंडे आणविक किरण का उपयोग करता है₆ एक वाहक गैस में, जिसमें ²³⁵यूएफ₆ 16 माइक्रोमीटर के पास एक इन्फ्रारेड लेज़र द्वारा चुनिंदा रूप से उत्तेजित होता है। उत्तेजित अणुओं के विपरीत, गैर-उत्तेजित भारी समस्थानिक अणु वाहक गैस के साथ गुच्छों का निर्माण करते हैं, और ये गुच्छे आणविक किरण के अक्ष के करीब रहते हैं, ताकि वे एक स्किमर को पार कर सकें और इस प्रकार उत्तेजित लाइटर समस्थानिक से अलग हो सकें। .

हाल ही में काफी^[when?] अभी तक एक अन्य योजना को गोलाकार ध्रुवीकृत विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र में ट्रोजन वेवपैकेट का उपयोग करके ड्यूटेरियम पृथक्करण के लिए प्रस्तावित किया गया है। एडियाबेटिक-रैपिड पैसेज द्वारा ट्रोजन वेव पैकेट के निर्माण की प्रक्रिया कम द्रव्यमान वाले इलेक्ट्रॉन और नाभिक द्रव्यमान पर अति-संवेदनशील तरीके से निर्भर करती है जो समान क्षेत्र आवृत्ति के साथ ट्रोजन या एंटी-ट्रोजन वेवपैकेट के उत्तेजना की ओर ले जाती है जो कि प्रकार पर निर्भर करता है। आइसोटोप। वे और उनके विशाल, घूर्णन विद्युत द्विध्रुवीय क्षण तब होते हैं $\pi$ चरण में शिफ्ट किया गया और ऐसे परमाणुओं की किरण स्टर्न-गेरलाच प्रयोग के अनुरूप विद्युत क्षेत्र के ढाल में विभाजित हो जाती है।^{[citation needed]}

रासायनिक तरीके

हालांकि एक ही तत्व के समस्थानिकों को सामान्य रूप से समान रासायनिक गुणों के रूप में वर्णित किया जाता है, यह पूरी तरह सच नहीं है। विशेष रूप से, प्रतिक्रिया दर परमाणु द्रव्यमान से बहुत कम प्रभावित होती है।

इसका उपयोग करने वाली तकनीकें हाइड्रोजन जैसे हल्के परमाणुओं के लिए सबसे प्रभावी होती हैं। हल्का समस्थानिक भारी समस्थानिकों की तुलना में अधिक तेज़ी से प्रतिक्रिया या वाष्पीकरण करते हैं, जिससे उन्हें अलग होने की अनुमति मिलती है। व्यावसायिक रूप से भारी पानी का उत्पादन इस प्रकार होता है, विवरण के लिए गर्डलर सल्फाइड प्रक्रिया देखें। हल्के समस्थानिक भी एक विद्युत क्षेत्र के तहत अधिक तेजी से अलग हो जाते हैं। रजुकन में भारी जल उत्पादन संयंत्र में एक बड़े झरने (रासायनिक अभियांत्रिकी) में इस प्रक्रिया का उपयोग किया गया था।

कमरे के तापमान, 305 पर मापे गए अब तक के सबसे बड़े गतिज समस्थानिक प्रभाव के लिए एक उम्मीदवार का अंततः ट्रिटियम (T) के पृथक्करण के लिए उपयोग किया जा सकता है। एचटीओ को ट्रिटिएटेड प्रारूप आयनों के ऑक्सीकरण के प्रभावों को इस प्रकार मापा गया:

k(HCO₂₋) = 9.54 M⁻¹s⁻¹	k(H)/k(D) = 38
k(DCO₂₋) = 9.54 M⁻¹s⁻¹	k(D)/k(T) = 8.1
k(TCO₂₋) = 9.54 M⁻¹s⁻¹	k(H)/k(T) = 305

आसवन

हाइड्रोजन, कार्बन, ऑक्सीजन और नाइट्रोजन के समस्थानिकों को लंबे खंडित स्तंभ पर उपयुक्त प्रकाश यौगिकों को डिस्टिल करके समृद्ध किया जा सकता है। पृथक्करण कारक दो समस्थानिक अणुओं के वाष्प दबावों का अनुपात है। संतुलन में इस तरह के अलगाव का परिणाम स्तंभ के प्रत्येक सैद्धांतिक प्लेट पर होता है और अगले चरण में (अगली प्लेट पर) उसी कारक से गुणा किया जाता है। प्राथमिक पृथक्करण कारक छोटा होने के कारण बड़ी संख्या में ऐसी प्लेटों की आवश्यकता होती है। इसके लिए 20 से 300 मीटर की कुल स्तंभ ऊंचाई की आवश्यकता होती है।

भारी अणु का कम वाष्प दबाव इसकी उच्च वाष्पीकरण ऊर्जा के कारण होता है, जो अंतः आणविक क्षमता में शून्य-बिंदु कंपन की कम ऊर्जा के परिणामस्वरूप होता है। जैसा कि वाष्प दबाव के सूत्रों से अपेक्षा की जाती है, निम्न तापमान (कम दबाव) पर अनुपात अधिक अनुकूल हो जाता है। एच के लिए वाष्प दबाव अनुपात₂डी₂O 50 °C (123 mbar) पर 1.055 और 100 °C (1013 mbar) पर 1.026 है। के लिए ¹²यह क्या है ¹³CO यह सामान्य क्वथनांक (81.6 के) के पास 1.007 है, और 1.003 के लिए ¹²सीएच₄ को ¹³सीएच₄ 111.7 K (क्वथनांक) के करीब।^[15]

^up>13C संवर्धन (क्रायोजेनिक आसवन) आसवन द्वारा 1960 के दशक के अंत में लॉस एलामोस नेशनल लेबोरेटरी के वैज्ञानिकों द्वारा विकसित किया गया था।^[16]^[17] के लिए यह अभी भी पसंदीदा तरीका है¹³सी संवर्धन। पानी के आसवन द्वारा ड्यूटेरियम संवर्धन केवल तभी किया जाता है, जब इसे कम ऊर्जा की मांग वाली प्रक्रिया (रासायनिक विनिमय) द्वारा समृद्ध किया गया हो।^[18] कम प्राकृतिक प्रचुरता (0.015% D) से शुरुआत करने के लिए बहुत अधिक मात्रा में पानी के वाष्पीकरण की आवश्यकता होगी।

एसडब्ल्यूयू (विभाजक कार्य इकाई)

सेपरेटिव वर्क यूनिट (SWU) एक जटिल इकाई है जो संसाधित यूरेनियम की मात्रा और इसके समृद्ध होने की डिग्री का एक कार्य है, अर्थात U-235 समस्थानिक की सांद्रता में वृद्धि की सीमा के सापेक्ष शेष।

इकाई सख्ती से है: किलोग्राम विभाजक कार्य इकाई, और यह विभाजक कार्य की मात्रा को मापती है (संवर्धन में उपयोग की जाने वाली ऊर्जा का संकेत) जब फ़ीड और उत्पाद की मात्रा किलोग्राम में व्यक्त की जाती है। परख xf की फ़ीड के द्रव्यमान F को उत्पाद परख xp के द्रव्यमान P और द्रव्यमान W और परख xw के अपशिष्ट को अलग करने में किया गया प्रयास है अभिव्यक्ति SWU = WV(xw) + PV(xp) - FV( xf), जहां V(x) वैल्यू फंक्शन है, जिसे V(x) = (1 - 2x) के रूप में परिभाषित किया गया है एलएन ((1 - एक्स) /एक्स)।

पृथक्करण कार्य SWUs, kg SW, या kg UTA (जर्मन Urantrennarbeit से) में व्यक्त किया गया है।

1 एसडब्ल्यूयू = 1 किलो एसडब्ल्यू = 1 किलो यूटीए
1 kSWU = 1.0 t SW = 1 t UTA
1 MSWU = 1 kt SW = 1 kt UTA

यदि, उदाहरण के लिए, आप 100 किलोग्राम (220 पाउंड) प्राकृतिक यूरेनियम के साथ शुरू करते हैं, तो U-235 सामग्री में 4.5% समृद्ध यूरेनियम के 10 किलोग्राम (22 पाउंड) का उत्पादन करने में लगभग 60 SWU लगते हैं।

अनुसंधान के लिए आइसोटोप विभाजक

प्रायोगिक भौतिकी, जीव विज्ञान और सामग्री विज्ञान के क्षेत्र में विशिष्ट आइसोटोप के रेडियोधर्मी बीम का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। अध्ययन के लिए एक आयनिक बीम में इन रेडियोधर्मी परमाणुओं का उत्पादन और निर्माण दुनिया भर में कई प्रयोगशालाओं में किए गए शोध का एक संपूर्ण क्षेत्र है। पहला आइसोटोप विभाजक कोपेनहेगन साइक्लोट्रॉन में बोह्र और सहकर्मियों द्वारा विद्युत चुम्बकीय पृथक्करण के सिद्धांत का उपयोग करके विकसित किया गया था। आज, दुनिया भर में ऐसी कई प्रयोगशालाएँ हैं जो उपयोग के लिए रेडियोधर्मी आयनों के बीम की आपूर्ति करती हैं। तर्कसंगत रूप से प्रमुख आइसोटोप सेपरेटर ऑन लाइन (आईएसओएल) सीईआरएन में आईएसओएलडीई है,^[19] जो एक संयुक्त यूरोपीय सुविधा है जो जिनेवा शहर के पास फ्रेंको-स्विस सीमा पर फैली हुई है। यह प्रयोगशाला मुख्य रूप से पृथ्वी पर प्राकृतिक रूप से नहीं पाए जाने वाले रेडियोधर्मी विखंडन के टुकड़ों की एक विस्तृत श्रृंखला का उत्पादन करने के लिए यूरेनियम कार्बाइड लक्ष्य के प्रोटॉन स्पैलेशन का उपयोग करती है। स्पैलेशन (उच्च ऊर्जा प्रोटॉन के साथ बमबारी) के दौरान, एक यूरेनियम कार्बाइड लक्ष्य को कई हजार डिग्री तक गर्म किया जाता है ताकि परमाणु प्रतिक्रिया में उत्पन्न रेडियोधर्मी परमाणु निकल सकें। एक बार लक्ष्य से बाहर होने के बाद, रेडियोधर्मी परमाणुओं का वाष्प एक आयोनिज़र गुहा में जाता है। यह आयोनिज़र कैविटी एक उच्च समारोह का कार्य के साथ एक दुर्दम्य धातु से बनी एक पतली ट्यूब होती है, जो एक मुक्त परमाणु (सतह आयनीकरण प्रभाव) से एक एकल इलेक्ट्रॉन को मुक्त करने के लिए दीवारों के साथ टकराव की अनुमति देती है। एक बार आयनित होने के बाद, रेडियोधर्मी प्रजातियों को एक इलेक्ट्रोस्टैटिक क्षेत्र द्वारा त्वरित किया जाता है और एक विद्युत चुम्बकीय विभाजक में इंजेक्ट किया जाता है। चूंकि विभाजक में प्रवेश करने वाले आयन लगभग समान ऊर्जा वाले होते हैं, इसलिए छोटे द्रव्यमान वाले आयन भारी द्रव्यमान वाले आयनों की तुलना में अधिक मात्रा में चुंबकीय क्षेत्र द्वारा विक्षेपित होंगे। वक्रता की यह भिन्न त्रिज्या समदाब रेखीय शुद्धिकरण की अनुमति देती है। एक बार आइसोबारिक रूप से शुद्ध होने के बाद, आयन बीम को व्यक्तिगत प्रयोगों के लिए भेजा जाता है। आइसोबैरिक बीम की शुद्धता को बढ़ाने के लिए, आयनकार गुहा के अंदर लेजर आयनीकरण ब्याज की एकल तत्व श्रृंखला को चुनिंदा रूप से आयनित करने के लिए हो सकता है। CERN में, इस उपकरण को Resonance Ionization Laser Ion Source (RILIS) कहा जाता है।^[20] वर्तमान में 60% से अधिक प्रयोग रेडियोधर्मी बीम की शुद्धता बढ़ाने के लिए RILIS का उपयोग करने का विकल्प चुनते हैं।

आईएसओएल सुविधाओं की बीम उत्पादन क्षमता

जैसा कि आईएसओएल तकनीक द्वारा रेडियोधर्मी परमाणुओं का उत्पादन अध्ययन किए जाने वाले तत्व के मुक्त परमाणु रसायन पर निर्भर करता है, कुछ ऐसे बीम हैं जो मोटे एक्टिनाइड लक्ष्य के सरल प्रोटॉन बमबारी द्वारा उत्पादित नहीं किए जा सकते हैं। आग रोक धातु जैसे टंगस्टन और रेनियम अपने कम वाष्प दबाव के कारण उच्च तापमान पर भी लक्ष्य से नहीं निकलते हैं। इस प्रकार के बीम बनाने के लिए एक पतले लक्ष्य की आवश्यकता होती है। आयन गाइड आइसोटोप सेपरेटर ऑन लाइन (आईजीआईएसओएल) तकनीक 1981 में फिनलैंड में जैवस्कीला साइक्लोट्रॉन प्रयोगशाला विश्वविद्यालय में विकसित की गई थी।^[21] इस तकनीक में, एक पतले यूरेनियम लक्ष्य पर प्रोटॉन के साथ बमबारी की जाती है और परमाणु प्रतिक्रिया उत्पाद आवेशित अवस्था में लक्ष्य से पीछे हट जाते हैं। रीकॉइल गैस सेल में बंद हो जाते हैं और फिर सेल के किनारे एक छोटे से छेद से बाहर निकल जाते हैं जहां उन्हें इलेक्ट्रोस्टैटिक रूप से त्वरित किया जाता है और मास सेपरेटर में इंजेक्ट किया जाता है। उत्पादन और निष्कर्षण की यह विधि मानक आईएसओएल तकनीक की तुलना में कम समय के पैमाने पर होती है और आईजीआईएसओएल का उपयोग करके कम आधा जीवन (उप मिलीसेकंड) वाले आइसोटोप का अध्ययन किया जा सकता है। एक IGISOL को बेल्जियम में ल्यूवेन आइसोटोप सेपरेटर ऑन लाइन (LISOL) में एक लेजर आयन स्रोत के साथ जोड़ा गया है।^[22] पतले लक्ष्य स्रोत आमतौर पर मोटे लक्ष्य स्रोतों की तुलना में काफी कम मात्रा में रेडियोधर्मी आयन प्रदान करते हैं और यह उनका मुख्य दोष है।

जैसे-जैसे प्रयोगात्मक परमाणु भौतिकी आगे बढ़ रही है, रेडियोधर्मी नाभिकों के सबसे अनोखे अध्ययन के लिए यह अधिक से अधिक महत्वपूर्ण होता जा रहा है। ऐसा करने के लिए, अत्यधिक प्रोटॉन/न्यूट्रॉन अनुपात के साथ नाभिक बनाने के लिए अधिक आविष्कारशील तकनीकों की आवश्यकता होती है। यहां वर्णित आईएसओएल तकनीक का एक विकल्प विखंडन बीम है, जहां रेडियोधर्मी आयन एक पतले लक्ष्य (आमतौर पर बेरिलियम परमाणुओं) पर स्थिर आयनों के तेज बीम पर विखंडन प्रतिक्रियाओं द्वारा उत्पन्न होते हैं। इस तकनीक का उपयोग, उदाहरण के लिए, मिशिगन स्टेट यूनिवर्सिटी में नेशनल सुपरकंडक्टिंग साइक्लोट्रॉन लेबोरेटरी (NSCL) और जापान में RIKEN में रेडियोधर्मी आइसोटोप बीम फैक्टरी (RIBF) में किया जाता है।

संदर्भ

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बाहरी संबंध

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