ПЛАЗМЕННЫЙ МАСС-СЕПАРАТОР Российский патент 1997 года по МПК B01D59/44 H01J49/26 

Изобретение относится к физике плазмы, а именно к матодам и устройствам разделения изотопов в плазме. Оно может быть использовано в различных отраслях промышленности: электронной, химической, биотехнологической, а также в энергетике, медицине, сельском хозяйстве и других отраслях.

В настоящее время для разделения изотопов широко используют электромагнитный и центробежный методы [1, 2] Существующие промышленные установки обладают рядом недостатков, важнейшим из которых является низкая производительность (для электромагнитного метода), низкая степень разделения и отсутствие подходящих летучих соединений (для центробежного метода).

В стадии разработки находятся лазерный и плазменный методы разделения изотопов [3, 4] По-видимому, наиболее перспективным с точки зрения промышленного использования является разделение изотопов с помощью изотопически селективного нагрева ионов в плазме методом ионного циклотропного резонанса (ИЦР).

Известно предложение [5] использовать ИЦР для разделения по массам ионов плазмы в магнитном поле, основанное на предшествующих работах по нагреву плазмы высокочастотными (в.ч.) полями и на работах по излучению волн в замагниченной плазме. В дальнейшем было экспериментально показано, что в плазме можно создать условия, при которых такой тонкий эффект, как разделение изотопических ионных компонент, может быть доведен до практического использования.

Для разделения изотопов в плазме ИЦР-методом необходимо решить следующие основные задачи: ионизировать пары элемента, изотопы которого разделяются, и создать поток плазмы с замагниченными ионами вдоль постоянного магнитного поля, осуществить эффективный селективный нагрев нужной фракции ионов, отделить нагретую фракцию от холодной и осадить частицы на коллекторах. Возможность решения этих задач основана на известной из опыта устойчивости замагниченной и сравнительно холодной плазмы.

Необходимые условия реализации ИЦР-метода разделения изотопов сводятся к следующим [4, 5, 7] Требование однородности магнитного поля в области нагрева, являющееся одним из условий его селективности, имеет вид:

где ΔB/B относительное изменение магнитного поля в области ИЦР-нагрева, ΔM_i/M_i относительное разрешение по массе ( ΔM_i разность масс выделяемого и соседнего изотопа). Другим условием селективности нагрева является требование малости уширения линии циклотропного поглощения за счет столкновений нагретых ионов:

где ω -разностная частота.

При этом связь частоты ион-ионных столкновений n_ii с параметрами плазмы дается известным соотношением:

где n_i плотность нагретых ионов, θ_i их температура в электронвольтах, M_i масса изотопа в атомных единицах.

Отметим, что такое же отрицательное влияние на селективность ИЦР-нагрева, как столкновения ионов, оказывает перезарядка, и условие, накладываемое на ее частоту, аналогично (2).

Благодаря эффекту "убегания" ионов при нагреве нет необходимости усиливать неравенство (2).

Условия, накладываемые на среднюю продольную скорость ионов v_z, длину зоны нагрева L и среднее время пролета ионов через зону нагрева τ=L/v_z имеют вид:

причем верхняя граница означает, что в среднем за время нагрева происходит менее одного столкновения, а нижняя граница определяется условием селекетивности нагрева, связанным с ограничением амплитуды биений осцилляторов (ионов соседних по массе изотопов в магнитном поле), собственная частота которых близка к резонансной частоте приложенного ВЧ поля [4]
Наконец, условие малости доплеровского уширения линии циклотропного поглощения приводит к ограничению разброса продольных скоростей ионов:

где k волновое число циклотронной волны в плазме.

При выполнении (5) большая часть ионов вовлечена в процесс ускорения и коэффициент использования вещества максимален.

В работе [5] показано, что условие на относительную ширину полосы циклотронного поглощения с учетом соответствующего дисперсионного соотношения накладывают ограничение на плотность плазмы, а вместе с условием (4) позволяет оценить требуемую напряженность электрического поля Е волны в плазме. В наиболее интересных для практики случаях эти величины составляют n~10¹²-10¹³ см^-3, E~0,3-1 B/см, θ_i~5-15 эВ.
Поперечные размеры плазмы (и связанные с ним размеры магнитной системы) являются результатом компромисса между допустимыми затратами и производительностью установки, определяемой как
G=ξcMnv_zS (6)
где ξ коэффициент использования вещества, c -начальная концентрация выделяемого изотопа, M масса иона, n плотность плазмы, v_z - продольная скорость ионов, S площадь поперечного сечения плазменного потока. Ограничения на величину n, v_z и S являются ограничениями на производительность установки.

ИЦР-метод разделения изотопов в плазме может иметь модификации, отличающиеся способами создания плазмы, включая сопряжение магнитных полей источника плазмы и зоны нагрева, способами селективного нагрева ионов, способами разделения нагретой и холодной фракций, а также способами сбора целевого изотопа ("продукта") и остального вещества ("отвала").

Известны установки для разделения изотопов ИЦР-методом [6, 7, 8] созданные и исследованные тремя группами экспериментаторов в США, Франции и СССР. Каждая из этих установок имеет вакуумную камеру, источник плазмы, магнитную систему, ВЧ- антенну и коллектор ионов. Магнитная система выполнена в виде соленоида (обычного или сверхпроводящего), создающего однородное магнитное поле. ВЧ-антенна расположена в вакуумной камере и работает на частотах 80 100 кГц. В [6] она выполнена в виде соленоида, заключенного в охлаждаемый жидким азотом, алюминиевый кожух с щелью вдоль оси для создания азимутального электрического поля. В более поздних работах [7, 8] использовалась антенна в виде четырехзаходной винтовой обмотки, закороченной с одной стороны проводящим кольцом, а с другой стороны подсоединенной к вводам ВЧ мощности в вакуумную камеру. Снаружи к этим вводам присоединяется четырехфазный генератор. Последовательность фаз токов, возбуждаемых генератором, выбирается такой, чтобы индуцировать в плазменном столбе электрическое поле, вращающееся в направлении ларморовского вращения ионов.

В приведенных аналогах плазма в зоне нагрева имеет форму кругового цилиндра, радиус которого на порядок превышает ларморовский радиус нагретых ионов. Вследствие этого нагретая и холодная фракции ионов занимают один и тот же объем, а их разделение происходит непосредственно в области коллектора "продукта" (металлические пластины, параллельные магнитному полю). Основная часть холодных ионов, ларморовский радиус которых много меньше расстояния между пластинами "продукта", не попадает на эти пластины и собирается коллектором "отвала". Однако холодные ионы, движущиеся на расстояниях от пластин, меньших своего ларморовского радиуса, осаждаются на них, что существенно уменьшает степень разделения масс-сепаратора. Ослабление этого эффекта путем введения экранов и задерживающих потенциалов приводит к уменьшению коэффициента использования рабочего вещества. Положительный задерживающий потенциал может приводить также к разогреву коллекторных пластин электронным током и к испарению собранного изотопа. Уменьшение степени разделения вызывается еще попаданием на пластины нейтральных атомов всех изотопов, образующихся при рекомбинации.

Основное отличие рассмотренных аналогов связано с использованием различных способов создания плазмы, содержащей разделяемые изотопы. Для этой цели использовались ионизация на горячей поверхности тугоплавкого металла (например паров изотопов калия [6]), СВЧ ионизация на частоте электронного циклотронного резонанса паров изотопов кальция [7] а также разряд постоянного тока в парах изотопов лития [8]
Отмеченные выше недостатки аналогов могут быть преодолены в известном способе с описанием установки для разделения по массам [9] (прототип), позволяющем более, чем на порядок, повысить степень разделения изотопов. Способ основан на пространственном отделении предварительно нагретой ИЦР методом компоненты ионов определенного изотопа от всех прочих путем пропускания потока плазмы через неоднородное магнитное поле, параметры которого удовлетворяют условию:

где 1 длина области неоднородного магнитного поля, a диаметр потока плазмы, v_z скорость движения ионов вдоль магнитного поля, v_др -скорость дрейфа ионов выделяемого изотопа поперек силовых линий неоднородного магнитного поля. Скорость v_др пропорциональна поперечной энергии ионов, причем коэффициент пропорциональности зависит от величины поля и его градиента. Пространственное разделение двухтемпературной по ионной компоненте плазмы в неоднородном магнитном поле сопровождается разделением зарядов, поэтому для их нейтрализации должен дополнительно создаться компенсирующий поток электронов вдоль силовых линий магнитного поля.

Пространственное разделение ионов разных изотопов позволяет провести их рекомбинацию в достаточно удаленных и экранированных друг от друга частях установки, уменьшив возможность попадания одного изотопа на место сбора другого, и этим существенно повысить степень разделения.

Недостатком прототипа является наличие протяженного участка неоднородного магнитного поля, что увеличивает затраты на магнитную систему при той же производительности установки. Кроме того, в неоднородном поле одна и та же резонансная частота соответствует близким по массе изотопам (ω~H/M) поэтому, если области нагрева и разделения перекрываются, то селективность нагрева ухудшается и степень разделения падает. Для исключения перекрытия этих областей необходимо создание условий полного затухания циклотронной волны в области нагрева, что также увеличивает габариты установки.

Техническим результатом изобретения является повышение степени разделения по массам и производительности установки.

Технический результат достигается тем, что в плазменном масс-сепараторе, содержащем вакуумную камеру, магнитную систему, источник плазмы, коллекторы плазмы и ВЧ-антенну, источник и коллекторы плазмы выполнены кольцевыми, магнитная система выполнена в виде соленоида однородного магнитного поля (отсутствует участок неоднородного поля), а в.ч. антенна выполнена в виде системы изолированных кольцевых электронных эмиттеров, соединенных с ВЧ-генератором.

Различные реализации заявляемого устройства могут отличаться конструкцией вакуумной системы, включая вакуумную камеру, которая может содержать внутренний коаксиальный цилиндр с отверстиями для откачки рабочего объема и диагностики плазмы, конструкцией магнитной системы, которая может включать внутренний коаксиальный соленоид или сверхпроводящий цилиндр, если требуется ослабление или полная компенсация магнитного поля в приосевой области установки, конструкцией источников плазмы, которые могут иметь одну или несколько кольцевых щелей, а также деталями конструкций ВЧ-антенн и коллекторов плазмы.

Таким образом, в предлагаемом масс-сепараторе происходит пространственное отделение резонансных ионов заданного изотопа от остальной плазмы за счет увеличения их ларморовского радиуса. В прототипе такое отделение вызвано разностью скоростей дрейфа холодной и нагретой компонент в неоднородном магнитном поле. Отсутствие в заявляемом устройстве дополнительного участка неоднородного магнитного поля существенно упрощает и удешевляет его по сравнению с прототипом.

По сравнению с рассмотренными выше аналогами [6, 7, 8] площадь поперечного сечения создаваемой источником холодной плазмы (при тех же размерах магнитной системы) в заявляемом устройстве и в прототипе [9] примерно вдвое меньше, что является неизбежным следствием пространственного разделения на два потока, приводящего к повышению степени разделения. Однако производительность установки при этом должна возрасти за счет повышения эффективности нагрева, связанного с улучшением условий проникновения электрического поля в плазму и возможности повышения начальной плотности плазмы. По сравнению с прототипом степень разделения по массам возрастает вследствие повышения селективности нагрева благодаря отсутствию неоднородного магнитного поля.

Пример возможной реализации заявляемого устройства приведен на фиг. 1 и 2.

В устройство входят: вакуумная камера 1 с фланцем 2, присоединяемым к вакуумному насосу, источник плазмы 3, магнитная система 4, ВЧ- антенна с электронными эмиттерами 5, дополнительный цилиндр ВЧ-антенны 6, коллектор "продукта" 7, коллектор "отвала" 8.

В качестве источника плазмы может использоваться кольцевой источник любого из отмеченных выше типов (с термической ионизацией, СВЧ ионизацией или использующий разряд постоянного тока), предназначенный для работы в сильном магнитном поле установки.

Устройство работает следующим образом.

В вакуумной камере 1, подсоединенной к насосу фланцем 2, создается рабочий вакуум (10^-4 тор). Затем включается источник плазмы 3, магнитная система 4 и электронные эмиттеры 5 ВЧ-антенны. При этом формируются кольцевые потоки холодной плазмы 9 и электронов 10. Электроны, эмиттируемые кольцевыми эмиттерами 5, сильно замагничены и выполняют две функции: компенсацию пространственного заряда нагретых ионов и создание заданного распределения ВЧ потенциалов в плазме (потенциал каждой силовой линии равен потенциалу электрода, который она пересекает). После того, как потоки плазмы 9 и электронов 10 сформированы, включают ВЧ-генератор, создающий заданное распределение ВЧ потенциалов на эмиттерах антенны 5. Частота поля устанавливается равной циклотронной частоте ионов выделяемого изотопа. В результате резонансного взаимодействия с электромагнитным полем ионы выделяемого изотопа увеличивают энергию ларморовского вращения и свой ларморовский радиус, причем последний до размера в два-три раза превышающего ширину плазменного кольца. В результате резонансные ионы выходят из области холодной плазмы и попадают на коллекторы 7, которые могут располагаться в торцевой плоскости вакуумной камеры или на ее цилиндрической поверхности. "Отвал" выделяется на коллекторе 8.

Отметим, что величина однородного магнитного поля устанавливается, исходя из требований на ширину полосы циклотронного поглощения в плазме (2), (4), а допустимая неоднородность магнитного поля в области нагрева удовлетворяет условию (1).

Дополнительный цилиндр 6 ВЧ-антенны позволяет осуществлять ИЦР нагрев электрическим полем, приложенным к плазме извне, в то время как антенна из кольцевых электронных эмиттеров создает распределенное электрическое поде в плазме.

Ниже приведены характерные параметры плазменного масс-сепаратора:
Магнитное поле 1 Тл
Неоднородность (отн.) 0,01
Частота генератора 100 кГц
Полоса генератора 0,01
Электрическое поле 1 В/см
Концентрация плазмы 10¹² 10¹³см^-3
Температура ионов 5 15 эВ
Площадь поперечного сечения плазмы 0,1 0,5 м²
Длина установки 1 м
Продольная скорость плазмы (ср.) 10⁴ м/с
Производительность 10^-4 г/с
Коэффициент обогащ. 10⁴
Заявляемое устройство после проведения необходимой экспериментальной проверки может быть положено в основу создания параметрического ряда плазменных масс-сепараторов, каждый из которых предназначен для разделения изотопов одного химического элемента и работает при фиксированных величинах магнитного поля и частоты генератора, а также основу универсальных установок, допускающих настройку на изотопы различных элементов (при замене источника плазмы) путем изменения магнитного поля и частоты генератора.

Исследование и развитие новых технологий разделения изотопов весьма актуально и диктуется не только необходимостью расширения масштаба и ассортимента выпускаемого набора изотопически чистых материалов, стоимость которых на мировом рынке весьма высока, но и возросшими требованиями уменьшения энергозатрат, экологии среды и замены устаревших технологий на более эффективные и производительные.

Источники информации
1. Tracy J.G.//Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. 1989, A282, p.261.

2. Розен А. М. Техника разделения изотопов в колоннах, М. Атомиздат, 1970.

3. Peterson I. // Science News. 1982, 121, p. 327.

4. Итоги науки и техники. Сер. Физика плазмы. т. 12, М. ВИНИТИ, 1991, - 83.

5. Аскарьян Г. А. Намиот В.А. Рухадзе А.А.//Письма в ЖЭТФ, 1975, 1. с. 820.

6. Dawson J.M. Kim H.C. Arnush D. at all//Phys. Rev. Lett. 1976, -37, p. 1547.

7. La Fontaine A.C. Gil C. Louvet P.//Comp. Rend. 1989, -308, -p. 821.

8. Карчевский А. И. Лазько В.С. Муромкин Ю.А. и др.//Препринт ИАЭ, - 5239/7, М. ИАЭ, 1990, -16 с.

9. Белавин М. И. и др. Способ разделения изотопов в плазме, Заявка N 4770389/21 (152208), дата подачи 28.12.89.

Использование: техника разделения изотопов в плазме. Сущность изобретения: для повышения степени разделения изотопов по массам и повышения производительности плазменный масс-сепаратор содержит источник плазмы и коллектор плазмы, выполненные кольцеобразной формы. ВЧ-антенна масс-сепаратора включает систему соосно расположенных кольцевых электронных эмиттеров, установленных у торца соленоида однородного магнитного поля со стороны источника плазмы. 2 ил.

Плазменный масс-сепаратор, включающий вакуумную камеру, магнитную систему, содержащую соленоид однородного магнитного поля, источник плазмы, коллекторы плазмы, эмиттеры электронов, ВЧ-антенну, подключенную к ВЧ-генератору, отличающийся тем, что источник и коллекторы плазмы выполнены кольцеобразной формы, а ВЧ-антенна включает систему соосно расположенных кольцевых электронных эмиттеров, установленных у торца соленоида однородного магнитного поля со стороны источника плазмы.