Введение
Атомное паровое лазерное разделение изотопов, или AVLIS, – это метод, при котором специально настроенные лазеры используются для разделения изотопов урана посредством селективной ионизации гиперфинных переходов. Аналогичная технология, использующая молекулы вместо атомов, – это молекулярное лазерное разделение изотопов (MLIS). Природный уран состоит из большой массы 238U и значительно меньшей массы делящегося 235U. Традиционно 235U отделяют от основной массы путем растворения его в кислоте для получения гексафторида урана, а затем используют газовые центрифуги для разделения изотопов. Каждый проход через центрифугу "обогащает" содержание 235U и оставляет обедненный уран. В отличие от этого, AVLIS обеспечивает гораздо более высокую степень обогащения за один этап, без необходимости смешивания с кислотой. В принципе, эта технология может также применяться для разделения изотопов других элементов, однако это нерентабельно вне специализированных областей применения, учитывая современные нелазерные технологии для большинства элементов. Поскольку процесс не требует химической обработки исходного сырья перед обогащением, он также пригоден для использования с отработавшим ядерным топливом из водо-водяных реакторов и других ядерных отходов. В настоящее время извлечение из этих источников экономически целесообразно лишь в определенной степени, оставляя тонны в отходах. AVLIS может предложить экономичный способ переработки даже топлива, которое уже прошло один цикл переработки с использованием существующих методов. Благодаря возможности достижения значительно более высокой степени обогащения при гораздо меньших энергозатратах, чем при традиционных методах обогащения урана на основе центрифуг, AVLIS вызывает опасения в отношении распространения ядерного оружия. На сегодняшний день не известно о существовании коммерческих производственных линий AVLIS.
Принцип
Основная концепция системы AVLIS заключается в селективной ионизации желаемых атомов в испаренном исходном материале. Поскольку энергетические уровни электронов зависят от ядерной структуры, что вызывает гиперфинную структуру, различные изотопы имеют различные энергетические уровни. Разработчики выбирают определенную энергию электрона, при которой разница между изотопами максимальна, и энергетический уровень может быть практически достигнут с помощью лазера. Лазерный свет вызывает фотовозбуждение выбранного электрона и, таким образом, ионизирует атом, оставляя его электрически заряженным. Затем ионом можно управлять с помощью электростатических или магнитных полей. Другие изотопы, имеющие незначительно отличающиеся энергетические уровни, не ионизируются и остаются в исходной смеси. Выбор целевого электрона менялся в процессе разработки AVLIS по мере появления новых лазерных технологий. Ранние работы в основном были сосредоточены на электронах в диапазоне 16 микрон, которые можно было эффективно генерировать с помощью CO2-лазеров, появившихся в конце 1960-х годов. Однако переходы в этой области были расположены близко друг к другу, что затрудняло их выбор из-за уширения Доплера, требуя охлаждения пара с помощью сложной системы расширения. Внедрение лазеров, работающих на настраиваемых частотах, обычно красильных лазеров, позволило выбрать более удобные возбуждения. Современные системы обычно используют пик поглощения 238U на длине волны 502,74 нанометра, который смещается до 502,73 нм для 235U. Система AVLIS состоит из испарителя и коллектора, формирующих систему разделения, и лазерной системы. Испаритель производит поток чистого газообразного урана.
Лазерное возбуждение
Обычно используемый лазер представляет собой двухкаскадный перестраиваемый импульсный лазер на красителе, как правило, накачиваемый лазером на парах меди; генератор основной частоты перестраиваемый, с узкой шириной линии, низким уровнем шума и высокой точностью. Его мощность значительно увеличивается с помощью усилителя лазера на красителе, выполняющего функцию оптического усилителя. Для полной ионизации урана-235 используются три частоты ("цвета") лазеров. Для AVLIS в других элементах, таких как литий, используются перестраиваемые диодные лазеры с узкой шириной линии.
Коммерциализация и международное значение
В 1994 году, в рамках крупнейшей передачи технологий в истории правительства США, процесс AVLIS был передан Корпорации обогащения Соединенных Штатов (USEC) для коммерциализации. Однако 9 июня 1999 года, после инвестиций в размере 100 миллионов долларов, USEC отменила свою программу AVLIS. Разработка AVLIS продолжается в некоторых странах, и это представляет собой определенные проблемы для международного контроля. В настоящее время известно, что Иран имел секретную программу AVLIS. Однако, после ее раскрытия в 2003 году, Иран заявил о ее демонтаже.
Краткая история
История AVLIS, как следует из открытой научной литературы, началась в начале-середине 1970-х годов в бывшем Советском Союзе и Соединенных Штатах. В США исследования в области AVLIS в основном проводились в Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора, хотя некоторые промышленные лаборатории также принимали участие на ранних этапах. Разработка перестраиваемых лазеров для AVLIS, применимых к обогащению урана, также была заявлена в ряде стран, включая Пакистан (1974), Австралию (1982–1984), Францию (1984), Индию (1994) и Японию (1996).