СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ ИЗОТОПОВ ТИТАНА 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 титана.

Изобретение наиболее эффективно может быть использовано для промышленного электромагнитного разделения стабильных изотопов титана: титана-46, титана-47, титана-48, титана-49, титана-50.

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, ионизации 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.).

Недостатком указанного способа является то, что он не подходит или малоэффективен для разделения некоторых химических элементов, имеющих только слаболетучие или высоколетучие химические соединения, или которые сами испаряются при очень низких или высоких температурах.

Наиболее близким к заявленному изобретению является способ разделения изотопов титана, описанный в а.с. СССР N 136330 (кл. В 01 D 59/04, 1960). Недостатком этого способа является невысокое обогащение и низкая производительность процесса.

Технический результат изобретения - увеличение обогащения разделяемых изотопов титана, улучшение фокусировки и улавливания ионных пучков.

Поставленная цель достигается тем, что в качестве рабочего вещества используется смесь треххлористого титана (TiCl₃) и хлорида калия (KCl), а давление в разделительной камере поддерживают в пределах (1 - 2)•10^-3 Па. При этом смесь TiCl₃ и KCl берется в пропорции 1:(1,5 - 3) соответственно. Данное рабочее вещество обладает слабой гигроскопичностью (в отличие от чистого TiCl₃), образует давление паров, достаточное для поддержания устойчивого горения дуги разряда в диапазоне температур 400 - 500^oC, хотя частично разлагается при нагреве на TiCl₄ и TiCl₂. Снижение давления в разделительной камере до (1 - 2)•10^-3 Па в совокупности с применением в качестве рабочего вещества смеси треххлористого титана и хлорида калия позволило увеличить обогащение разделяемых изотопов титана, улучшить фокусировку и улавливание ионных пучков.

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 титана в электромагнитном сепараторе с использованием источника ионов. Для эксперимента использовался малый двухкамерный электромагнитный сепаратор "Е-7" комбината "Электрохимприбор", г. Лесной, Свердловской области. Навеску смеси треххлористого титана с хлоридом калия размещали в тигле из стали марки 12Х18Н10Т источника ионов. После установки источника и пятикоробочного приемника в разделительную камеру сепаратора производили откачку камеры вакуумными насосами до давления (1 - 2)•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 - 0,6А. При токе дугового разряда 1,5 - 2,5 А и напряжении разряда 150 - 250 В осуществлялась ионизация паров рабочего вещества, образование которых происходило при мощности нагревателя тигля 150 - 250 Вт.

Образующиеся ионы титана с помощью ионно-оптической системы вытягивались через щель газоразрядной камеры и формировались в ионный пучок, который под действием ускоряющего напряжения и постоянного магнитного поля 1700 Э в камере разделялся на пять 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 и выщелачивания графита производили съем изотопов из коробок, полученный изотопнообогащенный раствор анализировали на обогащение и перерабатывали до конечного продукта.

В процессе экспериментального и опытно-промышленного разделения на малом двухкамерном электромагнитном сепараторе "Е-7" и промышленном электромагнитном сепараторе "СУ-20" комбината "Электрохимприбор", г. Лесной. Свердловской области в общей сложности получено:
- изотопа Ti-46 с обогащением 86,8% - 52 г;
- изотопа Ti-47 с обогащением 83,7% - 51 г;
- изотопа Ti-48 с обогащением 99,2% - 360 г;
- изотопа Ti-49 с обогащением 83,9% - 35 г;
- изотопа Ti-50 с обогащением 86,8% - 38 г.

В таблице для сравнения приведены основные параметры существующего способа разделения изотопов титана с натеканием паров тетрахлорида титана и по заявляемому техническому решению, а также коэффициенты улавливания и обогащение по изотопом.

Предложенный способ разделения изотопов титана 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 увеличить обогащение разделяемых изотопов титана.

Способ позволяет также улучшить фокусировку и улавливание пучков. Это дает возможность эффективно использовать указанный способ для промышленного электромагнитного разделения изотопов титана и получения изотопов Ti-46, Ti-47, Ti-48, Ti-49 и Ti-50 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 при получении высокообогащенных изотопов титана в промышленных масштабах. Рабочее вещество - смесь TiCl₃ и KCl (соотношение 1 : (1,5-3) соответственно 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 их в магнитном поле. Ионы улавливают коробками приемника. По окончании процесса приемники снимают. Съем изотопов производят методом анодного травления. Обогащение по изотопам, %: Тi - 46-97,6; Тi - 47-96,1; Ti - 48-99,8; Тi - 49-96,7; Тi - 50-97,9; коэффициент улавливания по этим изотопам - 55-70%, увеличивается производительность процесса. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ разделения изотопов титана, отличающийся тем, что используют электромагнитный сепаратор с источником ионов, в тигле которого размещают рабочее вещество - смесь трихлорида титана и хлорида калия, нагревают его до парообразного состояния, ионизируют полученные пары в газоразрядной камере под действием электронной эмиссии с термокатода, формируют ионный пучок электродами ионно-оптической системы, разделяют, фокусируют ионные пучки изотопов в магнитном поле и улавливают ионы коробками приемника, причем давление в разделительной камере поддерживают в пределах (1 - 2) • 10^-3 Па. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что состав смеси TiCl₃ и KCl выбирают в соотношении 1 : (1,5 - 3) соответственно.