ISSN: 2949-401X

Аэрокосмическая техника и технологии

Регистрационный номер: Эл № ФС77-85225 от 25 апреля 2023 г.; ISSN: 2949-401X

О возможности однофотонного возбуждения молекул UF6 излучением СО лазера с длиной волны 5,3 мкм для получения топлива АЭС

Июл 20, 2026

Баранов И. Я., Коптев А. В.

PDF

Аннотация. В России накоплено более 1 млн тонн обедненных молекул UF6, содержащих еще до 0,3 % молекул 235UF6 (отвалов). Отвалы – высокочистый и высокозатратный продукт, из которого сегодня по экономическим причинам невыгодно извлечение 0,3 % молекул 235UF6. Отвалы можно использовать для производства топлива АЭС, получить большую прибыль и решить проблему с их хранением. Однако разделение обедненных молекул UF6 с помощью центрифуг увеличивает стоимость топлива АЭС в два раза, поэтому они практически не используются. Малозатратный метод лазерного разделения со сдерживанием образования димеров в свободной струе с многофотонным возбуждением легких и средних молекул хорошо изучен и используется. Но малозатратное лазерное разделение тяжелых молекул все еще не реализовано. Лазерный метод с многофотонной диссоциацией для отделения одной молекулы UF6 требует более 45 фотонов с длиной волны 16 мкм при КПД лазера 0,5 % и интенсивности импульса 108 Вт/см2. Экспериментальная реализация возбуждения молекул UF6 сильно усложняется отсутствием лазеров, у которых линия генерации совпадает с центром полосы поглощения колебания молекулы 235UF6. Использование лазеров УФ-диапазона сдерживается высокой стоимостью и низким КПД. Что касается ИК-излучения, его можно получить либо с КПД, не превышающим 0,5 %, либо с помощью параводородных рамановских лазеров, обеспечивающих среднюю мощность 100 Вт при КПД 2 %, однако этот подход сопряжен с большими техническими сложностями. Предложена возможность улучшения лазерного метода со сдерживанием образования ван-дер-вальсовых димеров в свободной струе для разделения обедненных молекул UF6 при их размещении внутри резонатора СО лазера с синхронизацией мод, мощностью менее 1 кВт, КПД 30 % для получения топлива АЭС. Энергия связи димера в десятки раз меньше энергии диссоциации молекулы UF6, а для возбуждения молекулы достаточно интенсивности излучения СО лазера порядка 105 Вт/см2 и не требуется большой мощности. В данной работе предложена возможность использования одного фотона на отделение одной молекулы 235UF6, что позволит эффективно переработать накопленные отвалы в топливо АЭС с помощью СО лазера с синхронизацией мод более эффективно, чем с помощью центрифуг. Это принесет высокий доход, будет полезно для окружающей среды, так как отпадают процессы с добычей природного урана, его доставкой, переработкой, фторированием и решится проблема с хранением отвалов. 

Ключевые слова: СО лазер, длина волны 5,3 мкм, наносекундные импульсы, КПД 30 %, обедненный UF6, внутрирезонаторное возбуждение, сдерживание димеров, эффективность разделения 

Для цитирования: Баранов И. Я., Коптев А. В. О возможности однофотонного возбуждения молекул UF6 излучением СО лазера с длиной волны 5,3 мкм для получения топлива АЭС // Аэрокосмическая техника и технологии. 2026. Т. 4, № 2. С. 325–345. https://doi.org/10.52467/2949-401X-2026-4-1-325-345; https://elibrary.ru/omzrfd

 Библиографический список

  1. Изотопы. Свойства, получение, применение / под ред. В. Ю. Баранова. М.: ИздАт, 2000, 703 с.
  2. Лохман В. Н., Макаров Г. Н., Петин А. Н., Пойдашев Д. Г., Рябов Е. А. Индуцированная ИК-лазером изотопно-селективная диссоциация молекулярных ван-дер-вальсовых кластеров (SF6)mArn // Журнал экспериментальной и теоретической физики. 2019. Т. 155, № 2. С. 216–227. https://doi.org/10.1134/S0044451019020032
  3. Bagratashvili V. N., Letokhov V. S., Makarov A. A., Rybov E. A. Multiple Photon Infrared Laser Photophysics and Photochemistry. Chur [Switzerland], New York: Harwood Academic Publishers, Routledge, 1985. 512 p.
  4. Lyman J. L., Quigley G. P., Judd O.P. Single-Infrared-Frequency Studies of Multiple-Photon Excitation and Dissociation of Polyatomic Molecules // Multiple-Photon Excitation and Dissociation of Polyatomic Molecules, Springer, Berlin. 1986. Vol. 35, pp 9–94. https://doi.org/10.1007/978-3-642-82292-6_2
  5. Okada Y., Tanimura S., Okamura H., Suda A., Tashiro H., Takeuchi K. Vibrational spectroscopy and predissociation of UF6 clusters in a supersonic Laval nozzle // Journal of Molecular Structure. 1997. Vol. 410–411. Pp. 299–304. https://doi.org/10.1016/S0022-2860(96)09567-1
  6. Janda K. C. Predissociation of Polyatomic Van Der Waals Molecules // Advances in Chemical Physics: Photodissociation and Photoionization. John Wiley & Sons, Inc., 1985. Vol. 60, pp. 201–244. https://doi.org/10.1002/9780470142844.ch5
  7. Miller R. E. Infrared laser photodissociation and spectroscopy of van der Waals molecules. Journal of Physical Chemistry C. Vol. 90, no.15. pp. 3301–3313. https://doi.org/10.1021/j100406a003
  8. Patent US 4,032,306. Lee Y. T. Isotope Separation by Photodissociation of Van der Waals Molecules, 1977.
  9. Kim J., Eerkens J. W., Yang M.-H., Rhee Ch.-K., Kim W. W. Current Status of the MLIS Uranium Enrichment Process // Transactions of the Korean Nuclear Society Spring Meeting, JeJu, Korea, May 22, 2009.
  10. Eerkens J. W., Kim J. Isotope separation by selective laser-assisted repression of condensation in supersonic free jets // AIChE Journal. 2010. Vol. 56, no. 9, pp 2331–237. https://doi.org/10.1002/aic.12212
  11. Макаров Г. Н.Низкоэнергетические методы молекулярного лазерного разделения изотопов // Успехи физических наук. 2015. Т. 185, № 7. C. 717–751. https://doi.org/10.3367/UFNr.0185.201507b.0717
  12. Макаров Г. Н. Новые подходы к молекулярному лазерному разделению изотопов урана // Успехи физических наук. Т.194, № 1. C. 48–59. https://doi.org/10.3367/UFNr.2023.02.039325
  13. Макаров Г. Н. О возможности резонасного трехфотонного изотопно-селективного возбуждения излучением двух импульсных ИК лазеров колебательных состояний с ν = 3 моды ν3 молекул UF6 в газодинамически охлажденном молекулярном потоке // Квантовая электроника. 2021. Т. 51, № С. 643–648.
  14. Летохов В. С., Мур С. Б. Лазерное разделение изотопов (обзор) Ч. I // Квантовая электроника. 1976. Т. 3, № 2. C. 248–287.
  15. Апатин В. М., Лохман В. Н., Макаров Г. Н., Огурок Н.-Д. Д., Рябов Е. А. Селективное по изотопам брома управление кл астеризацией молекул CF3Br лазерным ИК излучением при газодинамическом расширении смеси CF3Br–Ar // Квантовая электроника. 2018. Т. 48, № 2. С. 157–164. https://elibrary.ru/YWSQAV
  16. Ляхов К. А., Печень А. Н. Критерий условной оптимизации для разделения изотопов циркония при помощи метода лазерного торможения конднсации // Труды математического института им. В. А. Стеклова. 2021. Т. 313, С.143–153. https://doi.org/10.4213/tm4172
  17. Макаров Г. Н. На пути к молекулярному лазерному разделению изотопов урана // Успехи физических наук. 2022. Т. 192, № 6. 596–608. https://doi.org/10.3367/UFNr.2021.02.038942
  18. Макаров Г. Н. Лазерная ИК-фрагментация молекулярных кластеров: роль каналов ввода и релаксации энергии, влияние окружения, динамика фрагментации // Успехи физических наук. 2017. Т. 187, № 3. С. 241–276. https://doi.org/3367/UFNr.2016.06.037821
  19. Kim J., Eerkens J. W., Miller W. H. Isotope Separation Using Condensation Repression of the Laser Excited Gaseous CHCl3 Molecules Colliding with a Cold Wall // Nuclear Science and Engineering. 2007. Vol. 156, no. 2. Pp. 219–228. https://doi.org/10.13182/NSE07-A2698
  20. Mathi P., Parthasarathy V., Nayak A. K., Mittal J. P., Sarkar S. K. Laser Isotope Separation: Science and Technology // Proceedings of the National Academy of Sciences, India Section A: Physical Sciences. 2015, pp. 1–16. https://doi.org/10.1007/s40010-015-0249-6
  21. Romander E., Strydom H. J. Botha R. L. High-pressure continuously tunable CO2 lasers and molecular laser isotope separation // Pramana – Journal of Physics. 2014. Vol. 82, no. 1, pp. 49–58. https://doi.org/10.1007/s12043-013-0642-0
  22. Ferguson С.D., Boureston J. Focus on Iran’s laser enrichment efforts // Iran Watch. URL: https://www.iranwatch.org/sites/default/files/perspex-fwi-laser.pdf (дата обращения: 22.05.2026)
  23. Li Y., Zhang Y., Kuang Y., Liu W., Zhang X., Qiu Y., Xu Y., Chen M., Liu J. Study of uranium isotope separation using CO2 laser and CO laser // Optics Communications. 2010. Vol. 283, no. 12. Pp. 2575–2579. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2010.02.017
  24. Aldridge J. P., Brock E. G., Filip H., Flicker H., Fox K., Galbraith H. W., Holland R. F., Kim K. C., Krohn B. J., Magnuson D. W., Maier W. B. II, McDowell R. S., Patterson C.W., Person W. B., Smith D. F., Werner G. K. Measurement and analysis of the infrared‐active stretching fundamental (ν3) of UF6 // The Journal of Chemical Physics. 1985. Vol. 83, no. 34. Pp. 34–48. https://doi.org/10.1063/1.449777
  25. Krohn B. J., McDowell R. S., Patterson C. W., Nereson N. G., Reisfeld M. J., Kim K. C. Analysis of the Q branch of the 3ν3 overtone of UF6: The implied structure of the nν3 ladder // Journal of Molecular Spectroscopy. 1988. Vol. 132, no. 2. Pp. 285–309. https://doi.org/10.1016/0022-2852(88)90327-X
  26. Eerkens J. W., Griot R. P., Hardin J. H., Smith R. G. Intracavity CO laser-induced photochemistry of the UF6 + HCl reaction // Conference on Lasers and Electro-Optics (San Francisco, California United States 9–13 June 1986), OSA Technical Digest (Optica Publishing Group, 1986), paper TUI4. https://doi.org/10.1364/CLEO.1986.TUI4
  27. Xu Bao-yu, Liu Yong, Dong Wen-bo, Zheng Cheng-fa, Zhao Youyuan, Wang Guo-yhi, Qian Hong-sheng. CO laser-induced chemical reaction of UF6 with HCl and its application to uranium isotope separation // 199. national meeting of the American Chemical Society, Boston, MA (USA)., 22-27 Apr 1990. p. 21, Paper NUCL 68. https://inis.iaea.org/records/n7rd8-bam63
  28. Сучков А. Ф. Линейная структура спектров генерация ОКГ с неоднородно уширенной линией усиления: Препринт № 126. М.: Физический ин-т АН. 1970. 14 с. https://preprints.lebedev.ru/?p=748
  29. Гершензон Ю. М., Лившиц Б. Л. Использование свойств лазера для повышения чувствительности лазерных спектрометров магнитного резонанса // Квантовая электроника. 1979. Т. 6, № 5. С. 933–941.
  30. Ionin A. A., Klimatchev Y. M., Kotkov A. A., Kozlov A. Yu., Seleznev L. V., Sinitsyn D. V. Carbon monoxide laser emitting nanosecond pulses with 10 MHz repetition rate // Optics Communications. 2009. Vol. 282, no. 2. pp. 294–299. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2008.09.089
  31. Budilova O. V., Ionin A. A., Kinyaevskiy I. O., Klimachev Yu. M., Kotkov A. A., Kozlov A. Yu. Mode-locked and Q-switched carbon monoxide laser system // Optics Communications. 2015. Vol. 345, 163-167. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2015.02.009
  32. Звелто О. Принципы лазеров: пер с. англ. М.: Мир,1984. 400 с.
  33. Cravens D., Shields F. D., Bass H. E., Breshears W. D. Vibrational relaxation of UF6: Ultrasonic measurements in mixtures with Ar and N2 // The Journal of Chemical Physics. 1979. Vol.71, no. 7, pp. 2797–2802. https://doi.org/10.1063/1.438685
  34. Mann M. M. CO electric discharge lasers // AIAA Journal. 1976. Vol. 14, no. 5, pp. 549. https://doi.org/10.2514/3.61398
  35. Bass H. E., Shields F. D., Breshears W. D., Asprey L. B. Vibrational relaxation of uranium hexafluoride: Ultrasonic measurements // The Journal of Chemical Physics. 1977. Vol. 67, no.3, pp. 1136–1138. https://doi.org/10.1063/1.434964
  36. Алейников В. С., Масычев В. И. Лазеры на окиси углерода. М.: Радио и связь, 1990, 312 с.
  37. Баранов И. Я., Коптев А. В. Условия получения кпд 20 % СО-лазера с одной длиной волны для внутрирезонаторного облучения // Оптика и спектроскопия. 2017. Т. 122, № 4. С. 701–704. https://doi.org/10.7868/S0030403417040055
  38. Макаров Н. Г. Лазерное разделение изотопов бора: результаты исследований и варианты технологической реализации // Успехи физических наук. 2025. Т. 195, №  С. 478–518. https://doi.org/10.3367/UFNr.2024.11.039808
  39. Letokhov V. S. Laser Spectroscopy of Highly Vibrationally Excited Molecules (Adam Hilger, Bristol, 1989).
  40. Lehmann K. K., Scoles G., Pate B. H. Intramolecular dynamics from eigenstate-resolved infrared spectra // Annual Review of Physical Chemistry. 1994. Vol.45, no.  Pp. 241–274. https://doi.org/10.1146/annurev.pc.45.100194.001325
  41. Nesbitt D. J., Field R. W. J. Vibrational energy flow in highly excited molecules: role of intramolecular vibrational redistribution // The Journal of Physical Chemistry. 1996. Vol. 100, no. 31, pp. 12735–12756. https://doi.org/10.1021/jp960698w
  42. Макаров А. А., Малиновский А. Л., Рябов Е. А. Внутримолекулярное перераспределение колебательной энергии: от спектров высокого разрешения к динамике в реальном времени // Успехи физических наук. 2012. Т. 182, № 10. С. 1047–1080. https://doi.org/10.3367/UFNr.0182.201210e.1047
  43. Меньшиков П. Л., Меньшиков Л. И., Максимычев А. В., Григорьев Г. Ю., Набиев Ш. Ш. О механизмах разделения изотопов в сверхзвуковых потоках // Труды Московского физико-технического института. 2016. Т. 8, № 3. С. 142–156. https://elibrary.ru/WWMDDR
  44. Гордиец Б. Ф., Осипов А. И., Шелепин Л. А. Кинетические процессы в газах и молекулярные лазеры. М.: Наука, 1980, 512 с.
  45. Летохов В. С., Рябов Е. А., Макаров А. А. Лазерная спектроскопия колебательно-возбужденных молекул. М.: Наука, 1990, 278 с.
  46. Баранов И. Я., Коптев А. В. Слаботочный ВЧ-разряд с фотоэмиссией в слое и выходом электронов слоя в столб // Физика плазмы. 2007. Т. 33, № С.1134–1152. EDN: IBJVHN
  47. Nakamura K., Ando M., Sugai H. Photon-enhanced secondary electron emission at target in plasma immersion ion implantation // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. 2003. Vol. 206. Pp. 798–802. https://doi.org/10.1016/S0168-583X(03)00852-8
  48. Radu I., Bartnikas R., Wertheimer M. R. Positive and negative polarity current pulse characteristics of a helium glow discharge in a cylinder-plane electrode gap at atmospheric pressure // Journal of Applied Physics. 2004. Vol. 95, 11, pp. 5994–6006. https://doi.org/10.1063/1.1707202
  49. Баранов И. Я., Коптев А.В. Модель расчета слаботочного ВЧ-разряда среднего давления с образованием фотонов в слое и фотоэмиссией электронов // Физика плазмы. 2007. Т.33, № С. 59–67. https://elibrary.ru/HYROZH
  50. Кобзева В.С. Кинетические эффекты в поперечном наносекундном разряде с щелевым катодом в инертных газах. Автореферат дисс…канд. физ.-мат. наук. Махачкала, 2008. 18 с. https://elibrary.ru/NQERBD
  51. Baranov I. Ya., Koptev A. V., Low-current medium-pressure RF discharge with electron photoemission in the electrode sheath and penetration of the sheath electrons into the discharge column // Plasma Physics Reports. 2007. Vol. 33, 12, pp. 1038–1056. https://doi.org/10.1134/S1063780X07120094
  52. Baranov I. Ya. Koptev A. V. Mode-locked CO laser for isotope separation of uranium employing condensation repression // High Energy/Average Power Lasers and Intense Beam Applications V: Proceedings SPIE (23 and 25 January 2011, San Francisco, California, United States). SPIE, Bellingham, Wash, 2011. Vol. 7915, https://doi.org/10.1117/12.871578
  53. Baranov I. Ya., Koptev A. V. Pulsed CO laser for isotope separation of uranium // American Institute of Physics Conference Proceedings. 2012. Vol. 1464, no. 1, 689–707. https://doi.org/10.1063/1.4739921
  54. Baranov I. Ya., Koptev A.V. High-power CO laser with RF discharge for isotope separation employing condensation repression // XVII International Symposium on Gas Flow, Chemical Lasers, and High-Power Lasers: Proc. SPIE, Bellingham, Wash, 2009. Vol. 7131, р71310G-1–1310G-13. https://doi.org/10.1117/12.816600
  55. Baranov I. Ya. Multipurpose high-power electrogasdynamic CO laser // Quantum Electronics. 1994. Vol. 24, no. 6, pp. 536–539. https://doi.org/10.1070/QE1994v024n06ABEH000133
  56. Baranov I. Ya. Koptev A. V. Mode-Locked CO Laser for Isotope Separation of Uranium Employing Condensation Repression // Advances in Optical Technologies. 2010. Vol. 7915. Pp. 101–106 https://doi.org/10.1155/2010/693530
  57. Baranov I. Ya. The conception for creation of industrial CO laser for dismantlement of reactors and hardening of rails //. High Energy/Average Power Lasers and Intense Beam Applications: Proceedings SPIE. (22-24 January, 2007, San Jose, California, USA). SPIE, Bellingham WA, 2007. Vol. 6454. https://doi.org/10.1117/12.699020
Мы используем cookie-файлы для наилучшего представления нашего сайта. Продолжая использовать этот сайт, вы соглашаетесь с использованием cookie-файлов.
Принять
Политика конфиденциальности