本发明涉及一种以氮气为介质制备高丰度氮-15同位素的方法和气体扩散级联装置，属于同位素分离。
背景技术：
1、稳定同位素应用广泛，目前在医疗、生物、农业、环境、工业制造、科研等多个领域都发挥着重要作用。氮元素在自然界中有两种稳定性同位素，分别为氮-14(99.636％)、氮-15(0.364％)。氮-15同位素可以应用在医学领域、农业研究、化学研究、环境及食品安全等多个方面。氮-15同位素可以通过标记药物，用于研究相应药物的作用机理，帮助开展病理诊断以及研究人体氮平衡和代谢过程等。氮-15同位素还可用于标记dna中的含氮碱基，在基因工程研究中发挥关键作用。同时，氮-15同位素还可以标记各种化合物，用于研究植物对氮的吸收，土壤中氮的流失，氮肥的施用效果、吸收与利用情况等。氮-15同位素还广泛应用于化学研究中的反应机理、催化理论和分子结构研究，可以作为示踪原子帮助了解化学反应的过程与机理，推动化学科学的发展。氮-15同位素还可以应用于大气颗粒物来源分析、食品农产品产地溯源等。
2、氮-15同位素在实际应用过程中有着较高的丰度要求，但氮-15同位素的天然丰度较低(0.364％)，这为氮-15同位素的制备带来了很大困难。目前，氮-15同位素制备的主要方法是化学交换法(no/hno3体系)和no低温精馏法。化学交换法生产氮-15的生产产量较低，而no低温精馏法受限于no剧毒、氮氧化物体系极易爆炸等缺点。气体扩散法通过膜分离的方式分离同位素，具有流量大、可靠性高等优点，早期金属多孔膜广泛应用于铀同位素扩散分离，但具有较高的成本；而使用有机高分子膜进行分离具有性能优良、成本极低等优点，在工业制造中得到了大规模应用，但在高丰度的氮-15同位素制造中的应用还缺少研究。
3、另外，由于针对不同气体介质和/或不同目标同位素，气体扩散级联的设计与运行有很大的区别，因此，不能理所当然地认为可以将针对某一种气体介质和/或某一种目标同位素的气体扩散级联应用于另一种气体介质和/或另一种目标同位素。
技术实现思路
1、发明要解决的问题
2、针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种以天然氮气为介质(原料)制备高丰度氮-15同位素的方法，该方法的分离系数大、流量大，适于工业化应用。
3、本发明的目的还在于提供一种用于以天然氮气为介质(原料)制备高丰度氮-15同位素的气体扩散级联装置，该气体扩散级联的分离系数大、流量大，适于工业化应用。
4、用于解决问题的方案
5、根据本发明发明人的潜心研究，发现通过以下技术方案的实施，能够解决上述技术问题：
6、[1]一种以氮气为介质制备高丰度氮-15同位素的方法，其包括以下步骤：将天然丰度的氮气原料供入第一气体扩散级联，然后将在第一气体扩散级联重馏分端得到的15n14n摩尔百分比高于90％的氮气供入光催化/电催化装置进行重整，得到15n15n摩尔百分比高于55％的氮气后供入第二气体扩散级联，在第二气体扩散级联重馏分端得到15n15n摩尔百分比高于90％的氮气，用作原料制备高丰度氮-15同位素；其中，所述第一气体扩散级联和第二气体扩散级联均为阶梯级联，各自包含多个气体扩散分离装置；使用高速磁悬浮气体压缩机对每个所述气体扩散级联中进入所述气体扩散分离装置前的氮气气体进行压缩。
7、[2]根据[1]所述的方法，其中，所述第一气体扩散级联和第二气体扩散级联各自是由多个气体扩散分离装置串联和/或并联构成；优选地，将多个气体扩散分离装置并联构成分离级，再将多个分离级串联，以构成气体扩散级联。
8、[3]根据[1]或[2]所述的方法，其中，所述气体扩散分离装置为通过四级全回流扩散级联实验测量得到的氮气基本全分离系数为1.011～1.017的气体扩散分离装置。
9、[4]根据[1]～[3]中任一项所述的方法，其中，所述气体扩散分离装置为通过四级全回流扩散级联实验测量得到的氮气基本全分离系数为1.014～1.017的气体扩散分离装置。
10、[5]根据[1]～[4]中任一项所述的方法，其中，所述第一气体扩散级联总级数为800～900级，优选830～860级，其中供料级位于距离重馏分端700～800级的位置，优选740～770级的位置；第一气体扩散级联重馏分流量为供料流量的0.00005～0.1倍，优选0.0001～0.001倍。
11、[6]根据[1]～[5]中任一项所述的方法，其中，所述第二气体扩散级联总级数为90～200级，优选90～130级，其中供料级位于距离重馏分端90～130级的位置，优选90～110级的位置；第二气体扩散级联重馏分流量为供料流量的0.005～1倍，优选0.005～0.1倍。
12、[7]根据[1]～[6]中任一项所述的方法，其中，经过所述高速磁悬浮气体压缩机压缩之后，氮气气体经过所述气体扩散分离装置前后的单级压比不小于3.5，优选不小于5.0。
13、[8]根据[1]～[7]中任一项所述的方法，其中，所述天然丰度的氮气的纯度高于99.9％。
14、[9]一种用于以氮气为介质制备高丰度氮-15同位素的气体扩散级联装置，其特征在于，包括：
15、第一气体扩散级联、第二气体扩散级联、光催化/电催化装置和高速磁悬浮气体压缩机；
16、所述第一气体扩散级联和第二气体扩散级联均为阶梯级联，各自包含多个气体扩散分离装置；
17、所述光催化/电催化装置位于第一气体扩散级联和第二气体扩散级联之间；
18、所述高速磁悬浮气体压缩机位于氮气流动方向上每个所述气体扩散分离装置之前；
19、从所述第二气体扩散级联的重馏分端得到以氮气为介质制备的高丰度氮-15同位素。
20、发明的效果
21、本发明中，可以在气体扩散级联上利用气体扩散法以氮气为介质分离氮-15同位素，分离系数高，流量大，适于工业化应用。
22、具体地，作为分离介质的氮气，相对分子质量小，气体扩散分离系数相对大。氮气价格低廉，容易获取，物理化学性质稳定。气体扩散分离过程为物理分离过程，不引入其它杂质。而且，高速磁悬浮压缩机能够有效压缩轻气体。因此，本发明的方法由于采用气体扩散级联、使用高速磁悬浮压缩机有效压缩轻气体，并采用分离系数相对大的氮气作为分离介质，所以具有流量大、效率高、制备出的氮-15同位素丰度高(可达到90％以上)等优点。
23、在上述的基础上，本发明能够通过灵活调整气体扩散级联的长度(级数)和流量(重馏分流量、总流量等)来调整目标同位素丰度。
1.一种以氮气为介质制备高丰度氮-15同位素的方法，其特征在于，包括以下步骤：将天然丰度的氮气原料供入第一气体扩散级联，然后将在第一气体扩散级联重馏分端得到的15n14n摩尔百分比高于90％的氮气供入光催化/电催化装置进行重整，得到15n15n摩尔百分比高于55％的氮气后供入第二气体扩散级联，在第二气体扩散级联重馏分端得到15n15n摩尔百分比高于90％的氮气，用作原料制备高丰度氮-15同位素；其中，所述第一气体扩散级联和第二气体扩散级联均为阶梯级联，各自包含多个气体扩散分离装置；使用高速磁悬浮气体压缩机对每个所述气体扩散级联中进入所述气体扩散分离装置前的氮气气体进行压缩。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一气体扩散级联和第二气体扩散级联各自是由多个气体扩散分离装置串联和/或并联构成；优选地，将多个气体扩散分离装置并联构成分离级，再将多个分离级串联，以构成气体扩散级联。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述气体扩散分离装置为通过四级全回流扩散级联实验测量得到的氮气基本全分离系数为1.011～1.017的气体扩散分离装置。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的方法，其特征在于，所述气体扩散分离装置为通过四级全回流扩散级联实验测量得到的氮气基本全分离系数为1.014～1.017的气体扩散分离装置。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一气体扩散级联总级数为800～900级，优选830～860级，其中供料级位于距离重馏分端700～800级的位置，优选740～770级的位置；第一气体扩散级联重馏分流量为供料流量的0.00005～0.1倍，优选0.0001～0.001倍。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的方法，其特征在于，所述第二气体扩散级联总级数为90～200级，优选90～130级，其中供料级位于距离重馏分端90～130级的位置，优选90～110级的位置；第二气体扩散级联重馏分流量为供料流量的0.005～1倍，优选0.005～0.1倍。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的方法，其特征在于，经过所述高速磁悬浮气体压缩机压缩之后，氮气气体经过所述气体扩散分离装置前后的单级压比不小于3.5，优选不小于5.0。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的方法，其特征在于，所述天然丰度的氮气的纯度高于99.9％。
9.一种用于以氮气为介质制备高丰度氮-15同位素的气体扩散级联装置，其特征在于，包括：
