Акимов Д.В., Егоров Н.Б., Жерин И.И.

Томский политехнический университет

Очистка изотопнообогащенного свинца

зонной перекристаллизацией

В настоящее время возрос интерес к изотопночистым материалам свойства которых отличаются от свойств материалов, имеющих природный изотопный состав. Так, например, максимальные значения теплопроводности кристаллов кремния, германия и алмаза существенно возрастают с уменьшением изотопического беспорядка [1, 2]. Это существенно увеличивает стабильность работы микропроцессоров, а также плотность элементов в микросхемах за счет более быстрого отвода тепла.

В ядерной энергетике интерес представляют стабильные изотопы свинца, имеющие возможность использования в качестве теплоносителя в нейтронных полях [3]. На процессы массопереноса в контурах с жидким свинцом, на свойства последнего и на работоспособность реактора в целом могут оказывать примеси. Для успешной эксплуатации необходимо регулировать качество теплоносителя, т.е. поддерживать оптимальное количество примесей в изотопах свинца (генетических - Cu, Te, Bi, Ag, Au, Sn, As, Sb, Zn; из конструкционных материалов - оксиды Fe, Cr, Ni, Mn и др.). Поэтому наряду с высокой изотопной чистотой, к стабильным изотопам свинца предъявляются требования по высокой химической чистоте.

Среди методов очистки металлов от примесей наиболее распространены электролитическое рафинирование с использованием электролитов, а также методы пирометаллургического рафинирования с введением присадок кальция, магния и других элементов [4].

В данной работе для очистки изотопнообогащенного свинца использовался метод многократной зонной перекристаллизации (ЗП). Эксперименты проводились на изотопнообогащенном свинце ²⁰⁸Pb производства ОАО “Сибирский химический комбинат”. Предварительно свинец помещался в кварцевую трубку с внутренним диаметром 1 мм. Длина слитка составляла 100 мм. Исследования проводились на установке, имеющей пять зон нагрева и охлаждения. Движение кварцевой трубки осуществлялось со скоростью 3 см/ч. Температура нагревателей поддерживалась 400±5°C, что обеспечивало расплавление участка металла на 5-6 мм. Температура зоны охлаждения составляла 60±5°C.

В ходе проведения эксперимента был получен образец с 30 ступенями перекристаллизации. После проведения экспериментов слиток свинца разрезался на части длиной 10 мм, которые отправлялись на элементный анализ. Элементный анализ осуществляется на атомно-эмиссионном спектрометре с индуктивно-связанной плазмой серии iCAP6300 Duo. Содержание примесей в исходном образце свинца и после ЗП представлено в таблице.

Таблица. Содержание примесей в изотопнообогащенном свинце до и после ЗП в верхней зоне (ВЗ) и нижней зоне (НЗ).

Элемент		Ca	Si	Fe	Ni	Al	Mg	Mn	Ag	Cr	Sn	Sb	Cu
До ЗП, ppm		7	40	40	20	7	10	2	30	40	10	40	52
После ЗП, ppm	НЗ	34	47	38	8	9	4	10	124	43	<0,1	138	202
	ВЗ	<0,1	36	35	11	6	5	<0,1	<0,1	38	25	<0,1	<0,1

Как видно из данных таблицы ЗП эффективна для очистки изотопного свинца от Ca, Mn, Ag, Sn, Sb, Cu и менее эффективна для Si, Fe, Ni, Al, Mg, Cr.

Для оценки эффективности очистки использовали формулу [5]:

K_{очистки} = C₁/C₂

где С₁ и C₂ – содержание примеси в исходном свинце и содержание примеси после очистки свинца соответственно. Найденные коэффициенты очистки: K_{очистки}(Ca) = 70; K_{очистки} (Cu) = 520; K_{очистки} (Mn) = 20; K_{очистки} (Ag) = 300; K_{очистки} (Sn) = 100; K_{очистки} (Sb) = 400.

На рисунке представлены зависимости распределения некоторых примесей по длине слитка после процесса ЗП. Из приведенных графиков видно, что примесь Sn имеет в свинце коэффициент распределения K>1, а Ca, Mn, Ag,

Рис. Распределение примесей по длине слитка изотопнообогащенного свинца после ЗП: а – олово; б – кальций; в – сурьма; г – марганец; д – серебро; е – медь.

Sb и Cu имеют K<1. Кроме этого следует отметить, что примеси концентрируются на участке, составляющем примерно ½ от длины слитка.

Результаты проведенных в данной работе исследований свидетельствуют о практической возможности использования многократной зонной перекристаллизации для очистки изотопнообогащенного свинца от Ca, Mn, Ag, Sn, Sb, Cu.

Литература:

1. Steger M., Yang A. // Physical review. B. 2009. V. 79. P. 205210.

2. Zhang J. M., Giehler M. // Physical review. B. 2006. V. 73. P. 233202.

3. Хорасанов Г.Л., Иванов А.П., Блохин А.И. и др. // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Ядерные константы. 2001. № 2. С. 80 – 85.

4. Девятых Г.Г., Еллиев Ю.Е. // Введение в теорию глубокой очистки веществ. М: Химия,1981. 320 с

5. Вигдорович В. Н. // Очистка металлов и полупроводников кристаллизацией. М: Металлургия, 1969. 296с.