一种离心分离硼同位素的方法与流程

本发明属于同位素分离制备技术领域，特别涉及一种离心分离硼同位素的方法。具体是利用国产气体离心机，以三氯化硼为工作介质，采用气体离心法实现硼同位素分离的一种方法。

背景技术：

稳定同位素已经广泛应用于医疗卫生、农业生态、生物制药、基础物理研究等方面，相应地，对稳定同位素产品的制备方法也提出了更高要求。自然界中的硼元素有¹⁰b和¹¹b两种稳定同位素，其天然丰度分别为19.9％，80.1％。由于¹⁰b很容易与热中子产生(n,α)反应，对热中子的吸收截面高达3837barn，是良好的中子吸收剂，因而在核工业中有重要应用，比如高硼钢和碳化硼可用于反应堆的控制棒制造，气态的三氟化硼、固态的氧化硼或碳化硼可用于制造中子探测器等。另外，¹⁰b可以用于硼中子俘获治疗(boronneutroncapturetherapy,bnct)技术从而治疗癌症。¹¹b由于中子吸收截面极小，仅为5×10^-3barn，因而可以用作半导体器件的掺杂剂，有效提升特定环境下电子设备的抗辐射抗干扰能力。

气体离心法作为现阶段工业化生产铀同位素的主要方法，也被广泛应用于稳定同位素分离。其原理是利用工作介质在气体离心机的强离心力场中，不同相对分子质量的组分在径向上压强分布不同，从而实现同位素组分之间的相对分离。目前硼同位素的分离制备方法有低温蒸馏法、低温交换法、离子交换法等，但实现工业化生产的只有三氟化硼络合物的化学交换精馏法。而对于气体离心法分离硼同位素，则未见相关公开资料。三氟化硼络合物的化学交换精馏法存在一定的约束性，比如能耗较高、防护要求严等。开发一种离心分离硼同位素的方法具有很好的实用价值。

技术实现要素：

本发明提出了一种离心分离硼同位素的方法，本方法利用国产气体离心机，以三氯化硼为离心分离介质，调整合适的工艺参数，从而实现硼同位素分离。即采用分馏法净化天然三氯化硼原料中的轻杂质；通过调节供料孔板，将净化后的气态三氯化硼以一定的供料流量通入国产气体离心机，并通过供取料系统的阀门调节离心机供料管口压强以及精、贫料管口压强参数，同时分别在精、贫料端使用液氮冷阱收料，并使用真空泵维持供取料系统泵口真空在3pa以内；各项流体参数均达到稳定状态后，系统须连续稳定运行，一段时间后使用液氮冷阱取精、贫料样品；使用气体质谱仪进行样品分析，基于多元分离理论对分析结果进行计算，最终实现硼同位素的分离，并且单机基本全分离系数达到1.08。该方法能耗低，分离系数较大，适用于级联形式的规模化生产，原料易获取且分离后的贫料可以回收继续作为化工试剂使用，因此该方法是具有较好市场应用价值的硼同位素分离制备方法。

本发明特征在于：

1.三氯化硼原料采用分馏法净化后，化学纯度达到99.99％以上。

2.三氯化硼单机供料流量在15g/h左右，离心机供料管口压强在160pa左右，精、贫料管口压强在665pa左右。

3.各项流体参数均达到稳定状态后，系统须连续稳定运行2小时以上。

4.样品分析时调节气体质谱仪的离子源参数，使bcl3打掉一个电子成为(bcl3)⁺离子团。

该方法实现了硼同位素的分离以及分离效果的评价，结合气体离心法的特点，将该方法用于硼同位素的生产，具备技术可行性以及一定的经济性。

附图说明

图1为本发明方法的分离原理示意图。

图2为本发明方法中单机分离三氯化硼的质谱分析结果。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进一步详细说明。

对于气体离心法，分离介质一般应满足以下三个要求：1)在低于570k的温度下保持稳定，不分解；2)相对分子质量不小于70；3)常温下，饱和蒸气压不小于665pa。三氯化硼相对分子质量为117.11，化学性质稳定，不易分解，室温下，饱和蒸气压为150kpa左右，满足气体离心法对分离介质的要求。同时，三氯化硼作为p型掺杂剂和等离子体刻蚀气体，广泛应用于半导体行业，原料易获取，生产成本较低。对于天然三氯化硼原料，以液氮和“液氮-无水乙醇”混合物为冷却剂，利用三氯化硼与轻杂质饱和蒸气压的差异进行净化，使其化学纯度达到99.99％以上。

在常温下，将净化后的气态三氯化硼通入国产气体离心机，通过调节供料孔板控制单机供料流量在15g/h左右，通过调节供取料系统阀门，控制供料管口压强在160pa左右，精、贫料管口压强在665pa左右。同时分别在精、贫料端利用液氮冷阱进行收料。并使用真空泵维持供取料系统泵口真空在3pa以内；在各项参数均达到稳定状态后，系统须连续稳定运行2小时以上，对气体离心机精、贫料取样。

使用气体质谱仪对精、贫料样品进行丰度分析，目的是评估分离效果，计算基本全分离系数。针对三氯化硼的分子组成，天然硼元素含有¹⁰b和¹¹b两种稳定同位素，其天然丰度分别为19.9％，80.1％。天然氯元素含有³⁵cl和³⁷cl两种稳定同位素，其天然丰度分别为75.76％，24.24％。三氯化硼分子的同位素组成及其天然丰度见表1。由于氯同位素的存在，使得分离介质bcl3的同位素组分有8种，属于同位素分离中的多元分离。

表1三氯化硼分子的同位素组成及其天然丰度

调节气体质谱仪的离子源参数，使bcl3分子被打掉一个电子成为(bcl3)⁺离子团，测得精、贫样品中不同相对分子质量组分的摩尔百分数。单机分离实验的质谱分析结果如图2所示。

在多元离心分离中，通常使用基本全分离系数衡量分离效果。在本发明所述的工况下，根据离心分离多元分离理论，根据质谱分析结果可计算出三氯化硼单机基本全分离系数为1.08。表明了该方法分离硼同位素的有效性。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种离心分离硼同位素的方法。具体是利用国产气体离心机，以三氯化硼为工作介质，采用气体离心法实现硼同位素分离的一种方法。其特征在于将净化后的气态三氯化硼，以一定的供料流量通入国产气体离心机，并调节离心机供料管口压强以及精、贫料管口压强参数，同时分别在精、贫料端收料，在各项参数均达到稳定状态后，取样并使用气体质谱仪进行分析，从而实现硼同位素的分离以及分离效果的评价。该方法能耗低，分离系数较大，适用于级联形式的规模化生产，原料易获取，且分离后的贫料可以回收继续作为化工试剂使用，因此该方法是具有较好的市场应用价值的硼同位素分离制备方法。

技术研发人员：周明胜;裴根;潘建雄
受保护的技术使用者：清华大学
技术研发日：2017.08.09
技术公布日：2018.02.13