[发明专利]使用光纤激光器分离碳和氧同位素的方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及使用激光分离碳和氧同位素的方法，更具体来说，涉及使用具有高能量效率和容易维护的特点的光纤激光器来有效分离和产生在商业上有用的碳和氧同位素的方法和装置。

背景技术

在其天然状态下，碳(C)具有两种类型的稳定同位素¹²C和¹³C，其分别具有98.85％和1.11％的丰度比。此外，氧(O)具有三种类型的稳定同位素¹⁶O、¹⁷O和¹⁸O，其分别具有99.759％、0.037％和0.204％的丰度比。在这些碳和氧同位素中，¹³C、¹⁷O和¹⁸O同位素在商业上是非常有用的。

¹³C被用作示踪剂，在化学、生物化学和环境科学中具有有用的应用，并且其中将化合物例如尿素、葡萄糖和果糖中的碳原子用¹³C同位素替代的标记的化合物，被有用地用于医学研究和人体的医学诊断中。因此，全世界对¹³C的需求在每年几百千克的水平上，并且其市场规模达到数千万美元。其中富集有99％或更多¹²C同位素的碳，被用于制造具有提高的导热性的钻石。

同时，其用途在癌症的早期诊断中已极大增加的正电子发射断层扫描(PET)，大多使用氟代脱氧葡萄糖(¹⁸FDG)作为诊断试剂，¹⁸FDG是¹⁸F放射活性同位素标记的化合物。¹⁸F放射活性同位素通过使用其中富集有96％或更多¹⁸O同位素的富集¹⁸O的水作为原材料，在回旋加速器中生产。全世界对富集¹⁸O的水的需求在每年几吨的水平上，产生了几亿美元的市场规模，并且年市场增长率为10％或更高。

此外，在核反应堆中用作冷却剂和结构材料的材料也可以包含¹⁷O、¹⁵N和¹³C。这些稳定同位素与反应器中子反应，产生¹⁴C放射活性同位素。由于在核反应堆中产生的¹⁴C在其从核反应堆或放射活性废料处理设施泄漏的情况下非常有害，因此对分离和安全储存¹⁴C的需求变得明显。目前，世界上储存的核石墨废料的量约为300,000吨，并且预期该量在未来将极大增加。因此，通过¹⁴C的分离和处理来减少核废料的量并安全管理核废料的技术是非常重要的。

目前，用作分离碳同位素的方法的最常用的过程，是通过低温蒸馏来分离液相一氧化碳中存在的碳同位素的方法。这种方法使用了其中在约1个大气压和接近68K的一氧化碳冷凝温度的温度下，液相¹²CO和¹³CO的蒸汽压之差约为1％的过程。美国专利号5,286,468提出了一种通过一氧化碳的低温蒸发来分离¹⁴C放射活性同位素的方法。

分离氧同位素的最普遍的方法也是蒸馏方法。当在1个大气压和90K的温度下对液态氧进行低温蒸馏时，氧分子的同位素富集因子、即¹⁶O₂和¹⁶O¹⁸O的富集因子(α)约为1.012。

水蒸馏法也是一种通过利用其中蒸汽压随着构成水(H₂O)的同位素而不同的过程来分离氧同位素的方法。也就是说，H₂¹⁶O₂和H₂¹⁸O在320K下的富集因子(α)约为1.007。美国专利号6,321,565和7,493,447提出了通过低温蒸馏和水蒸馏法的组合来分离氧同位素的方法。

在使用蒸馏法的同位素分离设施中，最终产物的富集程度与蒸馏塔的高度有关，并且产量与其直径有关。对于水蒸馏法来说，由于最佳蒸馏填料的每米理论级数(NTSM)约为5，因此为了将0.2％的¹⁸O富集到95％的¹⁸O，蒸馏塔的高度必须为至少500米。