УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ИЗОТОПОВ Российский патент 1997 года по МПК B01D59/44 H01J49/26 

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

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

В стадии разработки находятся лазерный и плазменный метод 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 циклотронного 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 изучению 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 относительное изменение магнитного поля в области ИЦР-нагрева,
относительное разрешение по массе ( ΔM_i разность масс выделяемого и соседнего изотопа).

Другим условием селективности нагрева является требование малости уширения линии циклотронного поглощения за счет столкновений нагретых ионов:

где ω резонансная 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 электрон-вольтах,
M_i масса изотопа в атомных единицах.

Отметим, что такое же отрицательное влияние на селективность ИЦР-нагрева, как столкновение 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 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 селективности нагрева, связанным с ограничением амплитуды биений осцилляторов (ионов соседних по массе изотопов в магнитном поле), собственная частота которых близка к резонансной частоте приложенного в.ч. поля [4]
Наконец, условие малости допплеровского уширения линии циклотронного 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 E волны в плазме. В наиболее интересных для практики случаях эти величины составляют n ≈ 10¹² 10¹³см^-3, E ≈ 0,3 1 В/см, θ_i ≈ 5-15 эВ.

Поперечные размеры плазмы и связанные с ними 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 величины 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 России. Каждая из этих установок имеет вакуумную камеру, источник плазмы, магнитную систему, в.ч. антенну и коллектор ионов. Магнитная система выполнена в виде соленоида (обычного или сверхпроводящего), создающего однородное магнитное поле. В.ч. 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 со 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 в. ч. 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 расстоянии от пластин, меньших своего ларморовского радиуса, осаждаются на них, что существенно уменьшает степень разделения масс-сепаратора. Ослабление 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 изотопов [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:
v_др:v_z>a:l,(7)
где l 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 создаваться 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.

Недостатками прототипа являются наличие протяженного участка неоднородного магнитного поля, увеличивающего затраты на магнитную систему при той же производительности установки, а также недостаточная эффективность ИЦР-нагрева, связанная с особенностями проникновения электрического поля в плазму.

Способ [9] может быть реализован в устройствах с различной конфигурацией неоднородного магнитного поля. Предмет предлагаемого изобретения устройство, реализующее способ разделения изотопов в плазме [9]
Техническим результатом изобретения является уменьшение размеров магнитной системы за счет уменьшения требуемого относительного смещения разделяемых плазменных потоков на участке дрейфа в тороидальном поле и повышение эффективности ИЦР-нагрева за счет уменьшения глубины проникновения в.ч.-поля в плазму.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для разделения изотопов, содержащем вакуумную камеру, источник плазмы, магнитную систему с участками однородного и неоднородного магнитного поля, в.ч. антенну и коллекторы плазмы, источник плазмы выполнен кольцевым, а в.ч.-антенна выполнена в виде системы кольцевых электронных эмиттеров, причем источник плазмы и система электронных эмиттеров расположены у торца соленоида однородного магнитного поля.

Таким образом, использование кольцевых плазменных потоков позволяет в несколько раз (отношение диаметра плазмы к толщине эквивалентного по площади кольца) уменьшить протяженность неоднородного магнитного поля, существенно упростив этим магнитную систему, и одновременно во столько же раз уменьшить необходимую глубину проникновения в.ч. поля в плазму, повысив этим эффективность ИЦР-нагрева. Усовершенствование технологий разделения изотопов весьма актуально связано с необходимостью расширения масштаба и ассортимента выпускаемого набора изотопически чистых материалов, стоимость которых не мировом рынке достаточно высока, так и с возросшими требованиями уменьшения энергозатрат, экологии среды и замены устаревших технологий на более эффективные и производительные.

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

В устройство входят вакуумная камера 1 с фланцем для вакуумного насоса 2, источник плазмы 3, соленоид однородного магнитного поля 4, в.ч. антенна с электронными эмиттерами 5, дополнительная в.ч.-антенна 6, соленоид тороидального магнитного поля 7, коллекторный блок 8.

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

Устройство работает следующим образом. В вакуумной камере 1 создается рабочий вакуум с помощью насоса, подсоединенного к фланцу 2 ( 10^-4 торр). Затем включаются источник плазмы 3 и эмиттеры электронов 5. При этом начинается ионизация рабочего вещества, состоящего из смеси различных изотопов. При включении соленоидов 4 и 7 формируются замагниченные потоки плазмы 9 и электронов 10, распространяющиеся вдоль магнитного поля. После формирования этих потоков включают в.ч.-генератор, соединенный с антеннами 5 и 6. Частота генератора устанавливается равной циклотронной частоте ионов выделяемого изотопа. В результате резонансного взаимодействия с электромагнитным полем ионы выделяемого изотопа увеличивают энергию ларморовкого вращения. В поле соленоида 7 происходит пространственное разделение плазмы на две фракции 11 и 12, отличающиеся температурами своих ионных компонент, связанное с разными скоростями дрейфа этих фракций в тороидальном поле соленоида 7 (скорость дрейфа перпендикулярна плоскости симметрии соленоида и пропорциональна поперечной энергии ионов). Чтобы разделение было полным, необходимо выполнение условия (7), где в качестве характерного размера в случае плазмы кольцевого сечения следует брать толщину кольца, а не диаметр плазмы, как в прототипе. Коллекторы 8, размещенные на выходе соленоида 7, служат для конденсации вещества обоих плазменных потоков.

Приведем характерные параметры предлагаемого устройства для разделения изотопов: магнитное поле до 1 Тл с неоднородностью в области нагрева около 1% частота в.ч. генератора до 1000 кГц при полосе около 1% величина электрического поля в плазме до 1 В/см, плотность плазмы 10¹² - 10¹³ см^-3 при температуре ионов в интервале (5 15) эВ, площадь поперечного сечения до 0,05 м², длина установки около 2 м, средняя продольная скорость плазмы 10 м/с, производительность установки до 10 г/с при коэффициенте обогащения до 10⁴.

Список литературы:
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,
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. Gill 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 4770389/21 (152208). Дата подачи 28.12.89.

Использование: техника разделения изотопов в плазме. Сущность изобретения: для уменьшения размеров магнитной системы и повышения эффективности ИЦР-нагрева плазмы устройство для разделения изотопов содержит источник плазмы кольцеобразной формы, магнитную систему в виде соленоида однородного магнитного поля с участком неоднородного поля и ВЧ-антенну, в состав которой входят соосно расположенные кольцевые электронные эмиттеры, установленные у торца соленоида однородного магнитного поля со стороны источника плазмы. 2 ил.

Устройство для разделения изотопов, включающее вакуумную камеру, магнитную систему, выполненную в виде соленоида, однородного магнитного поля и расположенного за ним участка неоднородного манитного поля, ВЧ-антенну, подключенную к ВЧ-генератору, источник плазмы, эмиттер электронов и коллекторы плазмы, отличающееся тем, что источник плазмы выполнен кольцеобразным, а ВЧ-антенна включает систему соосных кольцевых электронных эмиттеров, установленных у торца соленоида однородного магнитного поля со стороны источника плазмы.