Способ разделения изотопов и устройство для его осуществления

Способ разделения изотопов и устройство для его осуществления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к способам и устройствам для электромагнитного плазменного разделения изотопов и получения ядерно-чистых веществ и может быть использовано при производстве стабильных и радиоактивных изотопов химических элементов. Основными областями применения изотопов являются ядерная энергетика - топливо для атомных электростанций, конструкционные материалы в реакторостроении, замедлители и поглотители нейтронов, использование изотопов в квантовых стандартах частоты и длины, исследование структуры и свойств веществ методами ядерного магнитного резонанса, терапевтическая ядерная медицина, радиационная стерилизация, разведение растений с помощью радиационно-индуцированных мутаций, изотопные индикаторы - изучение распределения и путей перемещения вещества в разнообразных системах.

Для удовлетворения настоящих потребностей промышленности и медицины в изотопах используются многоступенчатый центрифужный и одностадийный электромагнитный методы. Причем области их применения сейчас не пересекаются: первый дает в промышленных количествах изотопы и химически чистые вещества, выделяемые из химических соединений с высокой упругостью пара при комнатной температуре, второй - используется для получения любых изотопов, из-за своей низкой производительности, в малых (диагностических) количествах.

Будущие потребности ставят перед исследователями задачу нахождения и промышленного использования универсального высокопроизводительного способа выделения ядерно-чистых веществ, изотопов. Среди рассматриваемых «кандидатов» наиболее привлекательными являются методы выделения изотопов из вещества, находящегося в состоянии плазмы. Электромагнитные плазменные сепараторы строятся по принципу извлечения нужных частиц из плазмы рабочего вещества. Плазма же создается по-разному: или в процессе ионизации рабочего вещества во вспомогательной плазме, или в качестве источника плазмы рабочего вещества используют плазменный ускоритель.

Известен способ разделения изотопов и устройство для его осуществления [Бондаренко Л.А., Лымарь А.Г., Папкович В.Г., Попов В.А. О возможности разделения изотопов в аксиально-симметричных магнитных полях с реверсами поля // Вопросы атомной науки и техники. - 2008. - №4. - С.308-311].

Данный способ предлагает создание в аксиально-симметричном рабочем объеме сепаратора (вакуумной камере) магнитного поля, знак которого изменяется по длине 2 раза, формируя, таким образом, области с разными знаками изменяющегося по величине, в том числе и нулевого, магнитного поля. На одном из торцов камеры располагают точечный или кольцевой источник моноэнергетичных ионов, вектор скорости которых направлен вдоль оси установки. Первый реверс поля инициирует спиральное движение ионов, в процессе которого происходит пространственное разделение различных изотопов вдоль продольной оси и по азимутальному углу. При прохождении второго реверса происходит изменение величин радиусов вращения ионов и направления вращения. При этом разделение изотопов по длине камеры, и углу существенно возрастает и проявляется еще и разделение по радиусу. В расчетных местах устанавливаются приемники изотопов.

Признаками известного способа, совпадающими с существенными признаками заявляемого способа являются:

- создание в аксиально-симметричном рабочем объеме сепаратора (вакуумной камере) магнитного поля;

- на одном из торцов камеры располагают кольцевой источник ионов.

Недостатком данного способа является низкая производительность разделения изотопов из-за ограничения тока ионов «законом 3/2»

большая (J≥3,17·10⁶ А/м²) величина плотности тока, необходимого для создания разделяющего магнитного поля, и жесткие требования на величину радиальной составляющей скорости иона в точке старта (на тепловой разброс).

Признаками известного устройства, совпадающими с существенными признаками заявляемого устройства, являются:

- аксиально-симметричный рабочий объем сепаратора (вакуумная камера);

- кольцевой источник ионов;

- катушки для создания магнитного поля;

- приемники изотопов.

Недостатком данного устройства является большая (L≥7 м) длина рабочего объема, в котором необходимо создавать магнитное поле большой магнитуды (сверхпроводящий магнит), и, как следствие, большой вес установки и большая (сотни кВт) потребляемая электрическая мощность.

Известен способ и устройство для разделения изотопов по патенту США №4167668 [G.Mourier. Process and apparatus for separating isotopes. Зaявл. 06.09.1977].

Данный способ определяет последовательность действий по выделению изотопов из плазмы. Один из этих изотопов (m₁), который необходимо выделить, имеет низкую концентрацию в смеси, второй (m₂) - доминирующую. Плазма формируется в области цилиндрического рабочего вакуумного объема с постоянным продольным однородным магнитным полем и радиальным (ортогональным к магнитному полю) высокочастотным электрическим полем. Частота электрического поля близка к ионной циклотронной частоте изотопа массой m₁ - метод ионно-циклотронного нагрева - ИЦР. Из-за сканирования внешнего переменного электрического поля в результате поляризации плазмы эффективность ИЦР падает, поэтому в плазму смеси двух изотопов добавляют третий изотоп с массой m₃=2m₁-m₂. При этом суммарная поляризация существенно падает, что облегчает проникновение электрического поля в плазму и ИЦР для выделяемых ионов. Ионы массой m₁ оседают на периферийном приемнике (внутренняя цилиндрическая поверхность рабочего объема), а массами m₂ и m₃ - на торцевом приемнике («отвал»).

Признаками известного способа, совпадающими с существенными признаками заявляемого способа, являются:

- создание постоянного продольного магнитного поля;

- осаждение ионов изотопов на периферийном и торцевом приемниках.

Недостатком данного способа является необходимость подбора для каждого из вновь выделяемых изотопов соответствующего «иона компенсации поляризации», высокая (1/10000) требуемая точность частоты электрического поля и возможность выделения только одного изотопа.

Известное устройство включает источник ионов изотопов трех масс, рабочий вакуумный объем, в котором создается плазма, соленоид для создания магнитного поля, внешний источник электрического поля и периферийный и торцевой приемники ионов изотопов.

Признаками известного устройства, совпадающими с существенными признаками заявляемого устройства являются:

- источник ионов нескольких масс;

- соленоид для создания магнитного поля;

- периферийный и торцевой приемники ионов изотопов.

Недостатком известного устройства является, если его делать универсальным, для разделения любых изотопов, что наиболее практично, необходимость создания магнитных полей индукцией 4-6 Тл, что потребует установки большого сверхпроводящего соленоида, потребляющего мощность порядка 1 МВт [Долголенко Д.А., Муромкин Ю.А. Разделение изотопов в плазме на основе ионного циклотронного резонанса // Успехи физических наук. - 2009. - Т.179, №4. - С.369-382].

Прототипом заявляемого способа и устройства является способ и устройство плазмооптической масс-сепарации квазинейтральных пучков [Морозов А.И., Семашко Н.Н. О сепарации по массам квазинейтральных пучков // Письма в ЖТФ. - 2002. - Т.28, вып.24. - С.63-66].

Способ масс-сепарации (ПОМС-Е) по прототипу включает получение квазинейтрального аксиально-симметричного потока плазмы с помощью плазменного ускорителя (стационарного плазменного двигателя или двигателя с анодным слоем), транспортировку потока через азимутатор, в котором в поперечном радиальном магнитном поле ионы получают импульс в азимутальном направлении - разделяются по массам, транспортировку потока через сепарирующий объем, в котором создается стационарное радиальное электрическое поле и который помещается в область однородного постоянного магнитного поля, замагничивающего электроны, но практически не влияющего на динамику ионов, собирание ионов на кольцевые приемники ионов, расположенные в расчетных по длине и радиусу сепарирующего объема положениях.

Признаками известного способа, совпадающими с существенными признаками заявляемого способа являются:

- получение квазинейтрального аксиально-симметричного потока плазмы с помощью плазменного ускорителя (стационарного плазменного двигателя или двигателя с анодным слоем);

- транспортировку потока через азимутатор, в котором в поперечном радиальном магнитном поле ионы получают импульс в азимутальном направлении - разделяются по массам;

- транспортировку потока через сепарирующий объем, в котором создается стационарное радиальное электрическое поле и который помещается в область однородного постоянного магнитного поля, замагничивающего электроны, но практически не влияющего на динамику ионов;

- собирание ионов на приемники ионов, расположенные в расчетных по длине и радиусу сепарирующего объема положениях.

Недостатком способа по прототипу являются жесткие условия на моноэнергетичность пучка ионов и угловой разброс потока на выходе из ускорителя, которые ограничивают возможности использования способа по прототипу в практических целях. Расчеты в перечисленных выше работах сделаны для случая одинаковых энергий ионов различных масс на выходе из источника и малых (не более ±5°) угловых разбросов. Практическое использование ПОМС-Е предполагает совершенствование, оптимизацию существующих плазменных ускорителей к уровню требований прототипа. Наиболее приближенный к этим требованиям стационарный плазменный ускоритель-двигатель АТОН [Морозов А.И., Бугрова А.И., Десятсков А.В., Ермаков Ю.А., Козинцева М.В., Липатов А.С., Пушкин А.А., Харчевников В.К., Чурбанов Д.В. Стационарный плазменный ускоритель-двигатель АТОН // Физика плазмы. - 1997. - Т.23, №7. - С.635-645] генерирует ионы (ксенон) с энергиями от нескольких потенциалов ионизации до eU_p, где U_p - напряжение между катодом и анодом, со средней энергией около Е_ср=0,75U_p. Девяносто процентов тока пучка ионов лежит внутри конуса с углом расходимости около 11°. В большинстве плазменных источников разброс по продольным скоростям ΔV_z~V_z.

Устройство по прототипу [Морозов А.И., Семашко Н.Н. О сепарации по массам квазинейтральных пучков // Письма в ЖТФ. - 2002. - Т.28, вып.24. - С.63-66] включает азимутатор, магнитные катушки, магнитный сердечник, газораспределитель, анод, катод (электронную пушку сопровождения), систему создания продольного магнитного поля в сепарирующем объеме, систему создания радиального электрического поля в сепарирующем объеме и кольцевые приемники разделенных компонентов пучка, расположенные в расчетных по длине и радиусу сепарирующего объема положениях.

Признаками известного устройства, совпадающими с существенными признаками заявляемого устройства, являются:

- азимутатор;

- магнитные катушки;

- магнитный сердечник;

- газораспределитель;

- анод;

- катод (электронная пушка сопровождения);

- система создания продольного магнитного поля в сепарирующем объеме;

- система создания радиального электрического поля в сепарирующем объеме;

- приемники разделенных компонентов пучка, расположенные в расчетных по длине и радиусу сепарирующего объема положениях.

Недостатком устройства по прототипу является возможность попадания ионов разных масс на каждый из приемников при использовании существующих плазменных ускорителей в качестве источников ионов.

При создании способа разделения изотопов и устройства для его осуществления, объединенных единым изобретательским замыслом, ставилась задача создать в результате такие способ и устройство, в которых остались бы все положительные качества способа и устройства по прототипу и была обеспечена возможность практического использования стационарных плазменных двигателей или двигателей с анодным слоем, производство которых уже хорошо освоено.

Технический результат заявляемых способа разделения изотопов и устройства для его осуществления заключается в расширении возможностей плазмооптических масс-сепараторов с точки зрения их практического использования за счет минимизации негативного влияния углового и энергетического разбросов ионов изотопов в потоке плазмы.

Технический результат достигается тем, что, учитывая практические возможности плазмооптической масс-сепарации с учетом разброса ионов разных масс по радиальным и продольным скоростям, найдены условия для масс-сепарации в ПОМС-Е ионов трех и более масс вне зависимости от их продольной скорости при «мягком» условии на угловой разброс в пучке ионов. Технический результат достигается тем, что собирание ионов массами M₁ и М₂ производят на приемники ионов, расположенные на цилиндрических поверхностях длиной L_Zmax≈(4-6)R и радиусами r₁ и r₂, ионы изотопов центральной массы M₀=(M₁+M₂)/2 собирают на торцевой приемник, что обеспечивают выполнением условий на радиальные скорости ионов изотопов V_r1≤V_rкр; V_r2≤V_rкp, где

м/с;

где

- ларморовская частота, 1/с;

е - заряд электрона, Кл;

Δ - ширина азимутатора, м;

δМ=(М₁-М₂)/2, кг;

М₀ - масса центрального иона изотопа, кг;

B_R - величина магнитной индукции в азимутаторе, Тл;

с - скорость света, м/с;

и угловой разброс а на входе в азимутатор

,

где

V_φA0 - азимутальная скорость иона изотопа после азимутатора,

V_max - максимальная скорость иона до азимутатора,

катод плазменного ускорителя совмещен с полюсом азимутатора, два приемника разделенных компонентов пучка ионов изотопов выполнены в виде цилиндров радиусами r₁ и r₂ и длиной L_zmax≈(4-6)R, а третий приемник - в виде кольца, расположенного на торце сепарирующего объема.

Преимуществом предлагаемого варианта ПОМС-Е по сравнению с прототипом является возможность практической реализации предложенного способа с использованием в качестве источников ионов уже разработанных и изготавливаемых серийно плазменных ускорителей.

Заявляемый способ разделения изотопов и устройство для его осуществления поясняются чертежом, где схематично приведено устройство и проиллюстрированы физические принципы, на которых основан способ.

Устройство содержит азимутатор 1, совмещенный с катодом плазменного ускорителя, магнитные катушки 2 для создания оптимального распределения магнитного поля по объему плазменного ускорителя (позиции 1-6) и обеспечения замкнутого дрейфа электронов в его объеме, магнитный сердечник 3, являющийся и полюсом азимутатора 1, газораспределитель 4 с буферным объемом, анод 5, электронную пушку сопровождения 6, систему создания продольного магнитного поля, замагничивающего электроны в сепарирующем объеме 7, систему создания радиального электрического поля в сепарирующем объеме, состоящую из двух цилиндрических электродов 8, 10, и приемники разделенных компонентов пучка 8, 9, 10.

Получим основные расчетные соотношения для устройства (ПОМС-Е) по данной заявке.

Как известно, движение иона массой М в области радиального магнитного поля азимутатора (А_φ - азимутальная компонента векторного потенциала; , z - координата вдоль направления магнитного поля) определяется его функцией Лагранжа:

где

е - заряд электрона,

с - скорость света,

V - скорость иона.

При осевой симметрии {∂L/∂φ=0), если до азимутатора момент у иона нулевой и А_φ0=0, движение иона описывается уравнением

где

R - средний радиус кольцевой щели азимуматора;

φА - указывает на значение параметра после прохождения азимутатора. Азимутальная скорость, приобретаемая ионом после прохождения азимутатора, определяется массой иона и равна:

В области сепарирующего объема, где есть радиальное электрическое поле, а магнитное поле на движение ионов практически не влияет, движение иона по радиусу будет происходить при сохранении момента под действием центробежной силы и силы радиального электрического поля E_r(r)=-E₀(R/r). Для иона изотопа центральной массы М₀, вылетевшего из точки r=R, можно определить параметрическую зависимость выделяемой массы от характерных размеров устройства и значения электромагнитных полей:

где

Δ - ширина щели азимутатора.

Отметим, что при фиксированном радиусе R, центральную массу М₀ можно выбирать, варьируя B_R, Δ и Е_0.

Анализ движения частиц в потенциальной яме - на языке изменения эффективной потенциальной энергии

где - приводит к выводу о том, что колебания ионов ангармонические, т.е. период колебаний зависит от скорости V_RA. При этом для центральной массы

где

,

ε=x/R; r=R+х; х - малое отклонение.

Частицы с разными полными энергиями Е не собираются одновременно в некоторых пространственно локализованных точках сепарирующего объема, а формируют «пятна», протяженные вдоль радиуса сепарирующего объема. Если еще существует и распределение ионов по продольным V_ZA скоростям (немоноэнергетичность), то пятно уширяется и вдоль продольной оси сепарирующего объема. Поэтому возникает вопрос, как осуществить сепарацию кольцевого плазменного потока, не закладываясь на моноэнергетичность для ионов разных масс и иметь при этом более «мягкое» условие на угловой (по r) разброс плазменного потока.

Результаты решения уравнений движения ионов разных масс и анализ их колебаний в потенциальных ямах дают возможность утверждать, что сбор частиц массой М₁ можно устраивать на цилиндрической поверхности с некоторым расчетным радиусом r₁. Частицы массой М₂ собираются на поверхности радиусом r₂. Причем на цилиндрах радиусами r₁ и r₂ соберутся ионы вне зависимости от величины скорости V_ZA. Радиусы r₁ и r₂ определяются соотношениями:

Пусть есть еще и ионы с массой М₀=(М₁+М₂)/2 - ионы с центральной массой. Важно, чтобы ионы М₀ не пересекали при своем движении цилиндрические поверхности, имеющие радиусы r₁ и r₂. Это достижимо, если будут выполнены следующие условия:

где

- ларморовская частота;

δМ=(М₁-М₂)/2.

Если максимальная энергия частиц E_max определяется ускоряющим потенциалом U_p, то

и V_rmax=αV_max (α - угол между вектором полной скорости иона и осью Z). Ионы центральной массы М₀ при учете соотношений (7) не будут пересекать цилиндры радиусами r₁ и r₂ при следующем условии на угловой разброс:

Ионы со скоростью V<V_φA не проходят через азимутатор, поэтому ионы с энергией Е₀, соответствующей максимуму энергетического распределения, должны иметь скорости V₀≥V_φA. Приняв V₀≈ξV_max, где ξ<1 (немного меньше), условие (8) можно записать в виде:

Определим длину сепарирующего объема.

Уравнение колебаний иона центральной массы в потенциальной яме имеет вид .

Частота колебаний

Период колебаний

Вдоль продольной оси ион будет иметь максимальную скорость . Тогда максимальная длина сепарирующего объема определится как:

Если ξ≈1/2÷1/3, то длина сепарирующего объема L определяется радиусом инжекции ионов R и составляет L_Zmax≈(4-6)R.

Таким образом, в ПОМС-Е получаем идеальную масс-сепарацию для ионов изотопов трех масс М₀, М₁ и М₂. Ионы массами М₁ и М₂ оседают на цилиндрах радиусами r₁ и r₂ и длиной L_Zmax, а ионы массой М₀ собираются на торцевом кольцевом приемнике, расположенном на расстоянии L_Zmax.

В случае если в исходной смеси изотопов присутствуют больше чем 3 компонента, то на цилиндрах радиусами r₁ и r₂ будут оседать целевые ионы изотопов соответственно с минимальной и максимальной массами - «продукт», а на торцевом приемнике - все остальные - «отвал». В этом варианте ПОМС-Е может успешно применяться в многоступенчатом режиме, когда каждое последующее разделение осуществляется для изотопов, еще оставшихся в «отвале». Кроме того, ПОМС-Е может использоваться как масс-сепаратор первой ступени переработки - обогащения основного количества исходного вещества для классического электромагнитного вакуумного ионно-пучкового масс-сепаратора (см. чертеж).

Заявляемый способ реализуется в устройстве для разделения изотопов, которое работает следующим образом.

С помощью плазменного ускорителя (стационарного плазменного двигателя или двигателя с анодным слоем), включающего катод, совмещенный с азимутатором 1, катушки 2 для создания оптимального распределения магнитного поля по объему плазменного ускорителя и обеспечения замкнутого дрейфа электронов в его объеме (поз.1-6), магнитный сердечник 3, являющийся и полюсом азимутатора 1, газораспределитель 4 с буферным объемом, анод 5, электронную пушку сопровождения 6, получают квазинейтральный аксиально-симметричный поток плазмы, который транспортируют через азимутатор 1, где создают поперечное к направлению движения потока (радиальное) магнитное поле. Угловой разброс α на входе в азимутатор ограничивают величиной

В поперечном радиальном магнитном поле ионам сообщают импульс в азимутальном направлении - разделяют по массам - и далее транспортируют в сепарирующий объем (поз.8-10), в котором создают стационарное радиальное электрическое поле с помощью системы цилиндрических электродов 8 и 10 и который помещают в область однородного постоянного магнитного поля системы создания продольного магнитного поля 7, замагничивающего электроны, но практически не влияющего на динамику ионов. Ионы массами М₀, М₁ и М₂ собирают на приемники ионов, на которых создают условия отсутствия распыления, расположенные соответственно на торце 9 сепарирующего объема и на цилиндрических поверхностях длиной L_Zmax≈(4-6)R и радиусами r₁ и r₂ такими, что ионы с массой М₀ не пересекают при своем движении цилиндрические поверхности радиусами r₁ и r₂, что обеспечивают выполнением условий V_r1≤V_rкр; V_r2≤V_rкр,

где

1. Способ разделения изотопов, включающий получение квазинейтрального аксиально-симметричного потока плазмы со средним радиусом R с помощью плазменного ускорителя, транспортировку потока через азимутатор с поперечным радиальным магнитным полем, проводку разделенного по массам потока плазмы через сепарирующий объем со стационарным радиальным электрическим полем и однородным постоянным продольным магнитным полем, замагничивающим электроны, но не влияющим на динамику ионов изотопов, собирание ионов изотопов на приемники, отличающийся тем, что собирание ионов массами М₁ и М₂ производят на приемники ионов, расположенные на цилиндрических поверхностях длиной L_Zmax≈(4-6)R, радиусами r₁ и r₂, ионы изотопов центральной массы M₀=(M₁+M₂)/2 собирают на торцевой приемник, что обеспечивают выполнением условий на радиальные скорости ионов изотопов V_r1≤V_rкp; V_r2≤V_rкp, где где - ларморовская частота, 1/с;е - заряд электрона, Кл;Δ - ширина азимутатора, м;δМ=(М₁-М₂)/2, кг;М₀ - масса центрального иона изотопа, кг;B_R - величина магнитной индукции в азимутаторе, Тл;с - скорость света, м/с;и угловой разброс α на входе в азимутатор где V_φA0 - азимутальная скорость иона изотопа после азимутатора, м/с;V_max - максимальная скорость иона до азимутатора, м/с.

2. Устройство для разделения изотопов, содержащее азимутатор, магнитные катушки, магнитный сердечник, газораспределитель с буферным объемом, анод, катод плазменного ускорителя, сепарирующий объем, систему создания продольного магнитного поля в сепарирующем объеме, систему создания радиального электрического поля в сепарирующем объеме, отличающееся тем, что катод плазменного ускорителя совмещен с полюсом азимутатора, два приемника разделенных компонентов пучка ионов изотопов выполнены в виде цилиндров радиусами r₁ и r₂, длиной L_Zmax≈(4-6)R, а третий приемник - в виде кольца, расположенного на торце сепарирующего объема.