СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ ИЗОТОПОВ САМАРИЯ В ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМ СЕПАРАТОРЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИСТОЧНИКА ИОНОВ Российский патент 2000 года по МПК B01D59/48 

Изобретение относится к технологии электромагнитного разделения изотопов химических элементов, а точнее к электромагнитному разделению изотопов самария.

Изобретение наиболее эффективно может быть использовано для промышленного электромагнитного разделения стабильных изотопов самария: самария-144, самария-147, самария-148, самария-149, самария-150, самария-152, самария-154.

Известен способ разделения изотопов химических элементов, применяемый для промышленного электромагнитного разделения изотопов, предусматривающий нагрев тигля с рабочим веществом и газоразрядной камеры тепловым излучением от нагревателей активного сопротивления до образования пара рабочего вещества, ионизацию молекул пара в газоразрядной камере, из которой ионы извлекаются и формируются в ионный пучок, разделяемый и фокусируемый магнитным полем в соответствии с массой изотопов и улавливаемый коробками приемника (Н.А. Кащеев., В.А. Дергачев, "Электромагнитное разделение изотопов и изотопный анализ", М., "Энергоатомиздат", 1989 г.).

Одним из недостатков указанного способа является то, что он недостаточно эффективен для разделения редкоземельных элементов, когда в качестве рабочего вещества используются их соединения с галогенами.

Недостаток известного способа разделения изотопов самария в электромагнитном сепараторе с использованием источника ионов заключается также в том, что технический результат неудовлетворителен ввиду низкой производительности способа и получения невысокого обогащения улавливаемых изотопов. Это вызвано длительным обезгаживанием рабочего вещества вследствие его гигроскопичности, а также нестабильностью работы источника, обусловленной следующими факторами:
1) наличием режимов с низкочастотными колебаниями тока и напряжения дугового разряда, вызывающими ухудшение фокусировки;
2) частыми пробоями и паразитными переменными токовыми утечками между электродами ионно-оптической системы или между электродами и корпусом оборудования;
3) необходимостью частой настройки на рабочие режимы из-за малого времени работы источников.

Другим недостатком известного способа является высокая химическая активность треххлористого самария, реагирующего с конструкционными материалами, требующая использования дополнительных мер их защиты.

Технический результат изобретения - улучшение фокусировки, увеличение обогащения разделяемых изотопов самария и повышение производительности электромагнитного метода разделения.

Поставленная цель достигается тем, что в качестве рабочего вещества используется металлический самарий. Данное рабочее вещество не гигроскопично, не реагирует с конструкционными материалами источника, образует давление паров, достаточное для поддержания устойчивого горения дуги разряда в диапазоне температур 900 - 1000^oC, и обеспечивает стабильную работу источника.

Проведенный анализ общедоступных источников информации об уровне техники не позволил выявить техническое решение, тождественное заявленному, на основании чего делается вывод о неизвестности последнего, т.е. соответствии представленного в настоящей заявке изобретения критерию "новизна".

Сопоставительный анализ заявленного решения с известными техническими решениями позволил выявить, что представленная совокупность отличительных признаков неизвестна для специалиста в данной области и не следует явным образом из известного уровня техники, на основании чего делается вывод о соответствии представленного в настоящей заявке изобретения критерию "изобретательский уровень".

Для пояснения изобретения ниже представлен пример осуществления способа разделения изотопов самария в электромагнитном сепараторе с использованием источника ионов. Для эксперимента использовалась одна из разделительных камер электромагнитного сепаратора "СУ-20" комбината "Электрохимприбор", г. Лесной, Свердловской области. Навеску металлического самария размещали в тигле источника ионов. После установки источника и семикоробочного приемника в разделительную камеру сепаратора производили откачку камеры вакуумными насосами до давления (0,7 - 1,5) • 10^-3 Па и высоковольтную тренировку источника до напряжения 31-32 кВ.

С целью получения электронного пучка в газоразрядной камере источника подавали напряжения на катодный блок, обеспечивающие: ток через нить накала - 65 - 70 А, напряжение между нитью и термокатодом - 0,8 - 1,0 кВ, ток эмиссии - 0,5 - 0,6 А. При токе дугового разряда 0,8 - 1,5 А и напряжении разряда 150 - 250 В осуществлялась ионизация паров рабочего вещества, образование которых происходило при мощности нагревателя 1300 - 1500 Вт.

Образующиеся ионы самария с помощью ионно-оптической системы вытягивались через щель газоразрядной камеры и формировались в ионный пучок, который под действием ускоряющего напряжения и постоянного магнитного поля 3000 Э в камере разделялся на семь ионных пучков изотопов в соответствии с массами ионов. Данные пучки изотопов фокусировались магнитным полем в фокальной плоскости, в которой помещались входы в коробки приемника.

После накопления приемники вынимали из разделительной камеры, методом анодного травления производили съем изотопов из коробок, полученный изотопно-обогащенный раствор анализировали на обогащение и перерабатывали до конечного продукта.

В процессе экспериментального и опытно-промышленного разделения на промышленном электромагнитном сепараторе "СУ-20" комбината "Электрохимприбор", г. Лесной, Свердловской области в общей сложности получено: изотопа Sm-144 с обогащением 93,7% - 40 г; изотопа Sm-147 с обогащением 96,0% - 230 г; изотопа Sm-148 с обогащением 93,6% - 150 г; изотопа Sm-149 с обогащением 96,6% - 180 г; изотопа Sm-150 с обогащением 95,0% - 100 г; изотопа Sm-152 с обогащением 98,6% - 390 г; изотопа Sm-154 с обогащением 98,9% - 340 г.

В таблице для сравнения приведены основные параметры существующего способа разделения изотопов самария по прототипу и по заявляемому техническому решению, а также обогащение по изотопам.

Предложенный способ разделения изотопов самария в электромагнитном сепараторе с использованием источника ионов по сравнению с существующими методами показал свою высокую эффективность в получении технико-экономического результата. Использование на практике заявляемого технического решения позволяет улучшить фокусировку и увеличить обогащение разделяемых изотопов самария.

Способ позволяет также поднять производительность электромагнитной установки. Это дает возможность эффективно использовать указанный способ для промышленного электромагнитного разделения изотопов самария и получения изотопов: Sm-144, Sm-147, Sm-148, Sm-149, Sm-150, Sm-152 и Sm-154 в большем количестве и с более высоким обогащением.

Реализация заявленного технического решения возможна на существующем оборудовании без дополнительного обучения персонала навыкам работы.

Изобретение может быть использовано для получения высокообогащенных изотопов самария в промышленных масштабах. Рабочее вещество - металлический самарий помещают в тигель источника ионов. Нагревают до парообразного состояния. Пары ионизируют в газоразрядной камере под действием электронной эмиссии с термокатода. Формируют ионные пучки электродами ионно-оптической системы, разделяют и фокусируют в магнитном поле. Ионы улавливают коробками приемника. По окончании процесса коробки снимают. Съем изотопов производят методом анодного травления. Обогащение по изотопам, %: Sm-144 - 3,7; Sm-147 - 96,0; Sm-148 - 93,6; Sm-149 - 96,6; Sm-150 - 95,0; Sm-152 - 98,6; Sm-154 - 98,9. Увеличивается производительность процесса. 1 табл.

Способ разделения изотопов самария в электромагнитном сепараторе с использованием источника ионов, включающий размещение рабочего вещества в тигле источника ионов, нагрев рабочего вещества до парообразного состояния, ионизацию паров рабочего вещества в газоразрядной камере источника под действием электронной эмиссии с термокатода, формирование ионного пучка электродами ионно-оптической системы, разделение и фокусирование ионных пучков изотопов в магнитном поле, улавливание ионов коробками приемника, отличающийся тем, что в качестве рабочего вещества используют металлический самарий.