Актуальность проекта обусловлена возрастающим спросом изотопно-чистых форм материалов на мировом рынке. С момента открытия изотопии, осознания свойств и возможностей изотопов, потребность в применении изотопной продукции для нужд электроники, ядерной энергетики (топливо, конструкционные материалы, автономные источники энергии), медицины (диагностика, лечение), экологии (контроль за состоянием окружающей среды), а также для контроля инженерных и строительных сооружений возрастает с каждым годом. В настоящее время, по оценкам специалистов, мировой оборот только стабильных изотопов составляет несколько десятков (более 60) миллиардов долларов в год.

Однако разделение изотопов очень энергоемкий и дорогостоящий процесс. При этом используется сложное, дорогое и технически небезопасное оборудование.

Целью данного проекта является разработка дешевого и простого метода разделения изотопов легких и средних масс, в частности, изотопов бора, углерода и кремния, в условиях вынужденной фотоадсорбции - десорбции.

Пилотная установка для разделения изотопов бора, углерода и кремния. Данные физико – химических исследований разделения изотопов бора, углерода и кремния в условиях вынужденной фотоадсорбции - десорбции.

В настоящее время имеется патент на изобретение № 2192918 «Способ разделения и очистки изотопов и устройство для его осуществления». Патент принадлежит концерну «ТВЭЛ» согласно условиям договора на выполнение НИР. В настоящее время нами получены новые данные и новые, более эффективные подходы в решении этой проблемы, которые составляют коммерческую тайну и позволяют защитить новый объект интеллектуальной собственности патентом.

Области применения изотопов бора, углерода и кремния – это атомная энергетика электронная и микроэлектронная техника, аэрокосмическая техника, медицина, атомная промышленность, сельское хозяйство и биология.

В техническом направлении к настоящему времени по проекту «Исследование процессов селекции изотопов кремния, бора и углерода в процессах адсорбции-десорбции при селективном возбуждении колебательных состояний и вопросов организации опытно-промышленного производства» получены следующие результаты:
- создан стенд для разделения изотопов на границе раздела фаз в термодинамически неравновесных условиях;
- проведено предварительное исследование процесса разделения изотопов бора, получен продукт B¹⁰ с коэффициентом разделения 1,4 после одного цикла разделения.

1. Изготовление лабораторной и пилотной установок по разделению изотопов на границе раздела.
2. Исследование процессов сорбции и десорбции соединений бора, углерода и кремния на различных сорбентах при масштабировании на больших объемах.
3. Исследование зависимости эффективности селекции изотопов от давления и температуры процесса, а так же конструкционных факторов в больших объемах.
4. Патентование объекта промышленной собственности в РФ.
5. Разработка бизнес-плана опытно-промышленного производства моноизотопов.

3 года.

Ожидаемые объемы реализации на начальном этапе производства (через 3 года) – около 300 кг моноизотопов бора, углерода и кремния в год, что в денежном выражении составит около 30 млн. руб. Предполагается последующее постепенное развитие производства в 10 – 20 раз.

Разработан и изготовлен лабораторный стенд, позволяющий разделять изотопы бора в условиях фазового перехода. Получены физико – химические характеристики для разделения изотопов B¹⁰ и B¹¹. Наработаны аналитические количества обоих изотопов. При соответствующей модернизации оборудование может быть использовано для получения изотопов кремния и углерода.

Данная работа поддерживалась ранее Томской областной администрацией, Сибирским химическим комбинатом, Томским политехническим университетом и Министерством образования РФ.

Среди опубликованных работ, касающихся разработки разделения изотопов кремния, бора и углерода, следует отметить:
1. Андриенко О.С., Бойко В.И., Жерин И.И., Забелин Ю.В., Климкин В.М., Мухин В.В., Рожков В.В., Сачков В.И., Чернышов В.М. Способ разделения и очистки изотопов и устройство для его осуществления // Патент РФ № 2192918 от 20.11.2002 г.
2. Андриенко О.С., Сачков В.И., Казарян М.А., Жерин И.И. Разделение изотопов в условиях формирования границы раздела фаз // VIII Всероссийская (международная) научная конференция «Физико – химические процессы селекции атомов и молекул», г. Звенигород, 2003. С.152 – 155.
3. Андриенко О.С., Бойко В.И., Жерин И.И., Димаки В.А., Забелин Ю.В., Мухин В.В., Рожков В.В., Соковиков В.Г., Егоров Н.Б. Селекция изотопов бора в условиях фазового перехода // Международная научно-практическая конференция «Физико-технические проблемы атомной энергетики и промышленности (производство, наука, образование)», г. Томск, 2004. С. 71.
4. Климкин В.М., Петрова Т.М., Поплавский Ю.А., Синица Л.Н., Соковиков В.Г. Внутрирезонаторный лазерный спектрометр для изучения радикалов// Оптика атмосферы и океана. Т.13. №12. 2000. С. 1142 – 1145.
5. Андриенко О.С., Сачков В.И., Казарян М.А., Жерин И.И. Разделение изотопов в условиях формирования границы раздела фаз // Инженерная физика. №2. 2004. С.64 – 84.

В настоящее время существует большая потребность в изотопах легких и средних масс, в частности в изотопах бора, углерода и кремния. Стабильные изотопы этих элементов широко используются в качестве меток в химии, биологии, физиологии, медицине, для изучения механизма образования химических соединений, в полупроводниковой промышленности, в ракетостроении, в качестве конструкционных материалов и т.п.

Кремний является материалом наиболее широко используемым в современной полупроводниковой промышленности. Более 90% выпускаемых полупроводниковых приборов изготавливаются на основе кремния. Развитие электроники требует дальнейшей миниатюризации элементов микросхем и повышения тактовой частоты их работы, а также улучшения характеристик силовых полупроводниковых приборов. Решению этих задач препятствуют ряд фундаментальных и технических проблем, среди которых проблемы отвода тепла от микросхемы.

Одним из возможных путей решения проблемы теплоотвода с микросхем является использование изотопно – чистого кремния. Теплопроводность ²⁸Si лучше природного кремния на 40% при комнатной температуре, и на 60% при 100С (W.S. Capinski et al. // Appl. Phys. Lett. 1997. V. 71). Такое уменьшение теплопроводности кроме производства элементов микросхем размером менее 0,18 мкм, также позволит существенно повысить эксплутационные и радиационные характеристики кремниевых микросхем, используемых как на Земле, так и в космосе.

В настоящее время компания Isonics проводит полупромышленные поставки изотопно – чистого кремния для производителя микропроцессоров AMD. Первые партии процессоров семейства Hammer (процессоры восьмого поколения) уже появились на рынке продаж.

Широкого практического применения данного изотопа в электронике пока нет. В настоящее время проводятся широкомасштабные исследования, которые указывают на перспективность использования моноизотопного кремния в полупроводниковой промышленности.

По видимому, основным производителем кремния ²⁸Si в настоящее время является Россия. По данным с сайта http//www.pereplet.ru производство моноизотопного кремния налажено в г. Сарове (Федеральный ядерный центр ВНИИЭФ) с объемом поставок до сотни килограммов в год.

В то же время если использование моноизотопного кремния в электронике примет промышленные масштабы, то полупроводниковая промышленность будет нуждаться уже в тысячах тонн изотопно-чистого кремния ²⁸Si, что приведет к острому дефициту этого материала на мировом рынке (данные таблицы, с сайта www.transgasindustry.com).

Материал	Массовое содержание в земной коре, %	Мировое производство, млн. т/год	Цена, долл. США/кг
Кремний (металлургический)	29,5	0,72	1,3
Кремний (полупроводниковый)	-	0,007	40-100
Кремний (моноизотопный 28Si)	-	-	30 000

В связи с этим проблема получения изотопно-чистого кремния ²⁸Si является весьма актуальной и перспективной.

Изотоп ¹³С – находит разнообразное применение в различных областях деятельности человека – в медицине, фармакологии, биологии, экологии, сельском хозяйстве. В настоящее время основным потребителем изотопа ¹³С является медицина. Исследования, использующие изотопные углеродные метки и применявшиеся ранее, в основном, для решения научных биомедицинских задач, с недавнего времени используются в повседневной клинической практике. Внедрение нового неинвазивного диагностического метода - дыхательного теста, основанного на анализе изотопного состава углекислого газа в выдыхаемом воздухе при применении различных препаратов, позволяет получать информацию о путях и скоростях метаболических превращений и делать выводы о состоянии исследуемых органов. Наибольшее распространение получил так называемый уреазный тест, призванный определить наличие в желудочно-кишечном тракте helicobacter pylori - бактерии, ответственной за возникновение наиболее распространенных заболеваний желудочно-кишечного тракта (язвенных болезней и гастритов).

Характерные для тестов дыхания простота, надежность, неинвазивность, быстрота проведения и безопасность для пациентов позволяют делать оптимистический прогноз относительно растущей популярности этой диагностики. (http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2003/126.pdf).

Определенным ориентиром здесь могут служить США, где ежегодно производится около 5-7 миллионов тестов с использованием препаратов, меченных изотопами углерода. Ориентировочная цена только этих тестов порядка 800 млн. долларов.

Однако спрос на медицинские изотопы, в общем, и на изотоп ¹³С, в частности, будет зависеть от социальной политики государств, т.е. от общественной поддержки расходов на здравоохранение. В настоящее время международные организации, такие как МАГАТЭ и ОЭСР поддерживают исследования, проводимые в области здоровья и питания с использованием ядерных и изотопных методов (Бюллетень МАГАТЭ, 43/3/2001). Особое внимание уделено использованию стабильных изотопных индикаторов, в частности углероду ¹³С.

В России углерод ¹³С производят в г. Сарове. В форме углекислого газа со степенью обогащения не менее 99%. Возможный объем поставок – тысяча литров в год.

В 1997 г. при сотрудничестве РНЦ «Курчатовский институт», ГНЦ ТРИНИТИ и Акционерного общества «Газ-Ойл» впервые в России было создано производство изотопов углерода лазерным методом с 30% обогащением. Дальнейшее обогащение 30% ¹³СO₂ центрифужным методом позволило получать ¹³С с 99% обогащением. Данное сочетание методов позволяет нарабатывать до 15 кг/год изотопов ¹³С и до 150 кг/год изотопов ¹²С.

Из зарубежных фирм в России известна фирма ISOTEC Inc. A Matheson, USA Company, которая поставляет на мировой рынок медицинские препараты, с обогащением по изотопу ¹³С. Промышленные установки для получения высоко концентрированного изотопа ¹³С методом низкотемпературной ректификации CO имеются в США и Англии.

Основным потребителем изотопов бора в настоящее время является атомная энергетика. Интерес к B¹⁰ в значительной степени связан как с его ядерно - физическими и радиационными характеристиками, так и с его способностью образовывать ряд химических соединений, характеризующихся высокой жаропрочностью и коррозионной стойкостью. В настоящее время B¹⁰ используется в основном как составная часть стержней, регулирующих скорость ядерных процессов в реакторе. В процессе эксплуатации реакторов ~7% B¹⁰ в регулирующих стержнях «выгорает», в связи с чем возникает насущная потребность в B¹⁰, обусловленная необходимостью замены стержней на новые.

Потребность в моноизотопе B¹⁰ в последние годы возросла в связи с рассмотрением перспектив, а также принятием в ряде промышленно развитых стран (США, Германия, Франция, Япония) национальных программ по использованию в атомной энергетике так называемого МОХ – топлива, изготавливаемого на основе оружейного плутония.

Аналитические работы проводятся и в России, в частности на Сибирском химическом комбинате. Использование такого топлива сопровождается более жестким энергетическим спектром нейтронов в активной зоне реактора, что при фиксированных размерах этой зоны требует повышения концентрации B¹⁰, как в регулирующих стержнях, выполняемых из карбида бора, так и в теплоносителе первого контура, где B¹⁰ используется в форме раствора борной кислоты.

В свою очередь изотоп B¹¹ используется для создания жаростойких и нейтронопрозрачных конструкционных материалов, таких, например, как бориды циркония, иттрия, титана, а также их сплавов (карбид бора, обогащенный бором – 11, также как и кристаллический бор – 11, известны в качестве превосходных отражателей нейтронов) (Изотопы: свойства, получение, применение.// Под редакцией В.Ю. Баранова. М., ИздАТ, 2000).

В последнее время B¹⁰ нашел применение в медицине - в так называемом методе бор-захватной нейтронной терапии, в которой используются нейтронные пучки низких энергий, не повреждающие здоровых тканей на пути к опухоли. Предварительно больному вводятся специальные препараты, содержащие атомы бора, способные накапливаться в опухоли и повышать концентрацию ядер B¹⁰ в ней. Эти ядра обладают способностью взрываться, захватывая медленные нейтроны, выделяя энергию, достаточную для уничтожения клетки, в которую внедрилось такое ядро. Таким образом, микроскопические ядерные взрывы уничтожают только клетки опухоли, насыщенные ядрами бора. Здоровые ткани не угнетаются, так как кинетическая энергия предварительно замедленных в этой методике нейтронов мала (Брегадзе В. Бор против рака//11 Международная конференция по химии бора, Москва, 2002).

Несмотря на высокую потребность в настоящее время в России промышленного производства изотопов бора и конструкционных материалов на их основе нет. До распада Советского Союза материалы на основе бора изготавливались на единственном предприятии Минсредмаша – в Институте стабильных изотопов. До сих пор это производство не восстановлено, и материалы на основе моноизотопов бора B¹⁰ и B¹¹ закупаются за рубежом.

Одним из наиболее важных ключевых моментов в разделении изотопов является выбор способа разделения. Для промышленной реализации процесса обогащения природного сырья принципиально возможно использование химической, лазерной и центробежной технологий получения изотопов бора, углерода и кремния. Как показывает анализ, большинство специалистов склоняется к лазерному разделению изотопов, как более эффективному. Такая эффективность обусловлена исключительно высокой селективностью лазерного возбуждения молекул. Различия между теми или иными конкретными методами лазерного разделения изотопов состоят в том, какой именно применен процесс физического или химического взаимодействия возбужденных частиц для их пространственного разделения.

Анализ показывает, что в настоящее время в России создана ситуация когда продукция предприятий, производящих стабильные и радиоактивные изотопы, практически между собой не пересекается. Такая ситуация связана с тем, что регулирующие правила и нормы устанавливают государственные органы. Возможно, в недалеком будущем политика в области производства и использования изотопов подвергнется переоценке в связи с отказом от регулирования в экономике и приватизацией отраслей промышленности, традиционно находившихся под контролем государства. При этих изменениях следует учитывать конкуренцию, которая, несомненно, возникнет как на Российском, так и на мировом рынках стабильных и радиоактивных изотопов.

При такой ситуации перед каждым крупным предприятием, занимающимся разделением изотопов станет проблема поиска дешевых и высокоэкономичных способов разделения изотопов, и в первую очередь, изотопов, пользующихся постоянным спросом на мировом рынке, т.е. изотопов бора, углерода и кремния.

В настоящее время, если не брать в расчет производства по выпуску изотопов урана и плутония, использующихся в ядерной энергетике, в России можно насчитать 17 крупных производителей стабильных и радиоактивных изотопов. В их числе РНЦ «Курчатовский институт», «Медрадиопрепарат», Институт молекулярной генетики РАН (г. Москва), Физико – энергетический институт (г. Обнинск), Радиевый институт им. Хлопина (г. Санкт – Петербург), Институт атомных реакторов (г.Димитровград), Федеральный ядерный центр ВНИИЭФ (г. Саров), ПО «Маяк» (г. Челябинск), СХК (г. Томск).