СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ ИЗОТОПОВ КАЛИЯ 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 калия.

Изобретение наиболее эффективно может быть использовано для промышленного электромагнитного разделения стабильных изотопов калия: калия - 39, калия - 40, калия - 41.

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).

Одним из недостатков указанного способа является то, что он недостаточно эффективен для разделения химических элементов, атомы которых обладают низким потенциалом ионизации.

Недостатком этого способа разделения изотопов калия также является то, что технический результат неудовлетворительный ввиду получения низкого обогащения улавливаемых изотопов. Это обусловлено нестабильностью работы источника и неудовлетворительной фокусировкой, вызванными частыми пробоями и паразитными переменными токовыми утечками между электродами ионно-оптической системы или между электродами и корпусом оборудования. Реакция K₃PO₄ и мелкодисперсного алюминия имеет пороговый характер, экзотермична и трудноуправляема. При достижении пороговой температуры начала реакции происходит дополнительный саморазогрев вещества, неравномерное парообразование калия, который в виде нейтральных молекул осаждается на деталях источника и внутрикамерного оборудования и, обладая низким потенциалом ионизации, активирует их, что приводит к пробоям высокого напряжения и токовым утечкам. Снижение мощности нагрева на незначительную величину приводит уже к прекращению реакции и погасанию дугового разряда. Изменение соотношения между компонентами исходной смеси не дает существенного положительного эффекта.

Технический результат изобретения - получение более высокого обогащения разделяемых изотопов калия.

Поставленная цель достигается тем, что в качестве рабочего вещества используется смесь мелкодисперсного железа и ортофосфата калия (K₃PO₄). При этом смесь мелкодисперсного железа и K₃PO₄ берется в пропорции 1:6-7 соответственно. При нагреве данного рабочего вещества реакция замещения атомов калия в тигле источника происходит значительно более плавно, без резких выбросов паров калия в газоразрядную камеру источника и в разделительную камеру сепаратора, что существенно облегчает регулирование процесса парообразования и режимов работы источника для обеспечения лучшей фокусировки.

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 калия 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 мелкодисперсного железа и K₃PO₄ размещали в горизонтально расположенном тигле из стали марки 12Х18Н10Т источника ионов, имеющего два нагревателя: для нагрева газоразрядной камеры и для нагрева тигля. После установки источника и трехкоробочного приемника в разделительную камеру сепаратора производили откачку камеры вакуумными насосами до давления (1 - 2)•10^-3 Па и высоковольтную тренировку источника до напряжения 32 - 33 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 0,6-1,0 А и напряжении разряда 200 - 300 В осуществлялась ионизация паров калия, образование которых происходило при мощности нагревателя газоразрядной камеры 500 - 600 Вт и при мощности нагревателя тигля 1200 - 1500 Вт.

Образующиеся ионы калия с помощью ионно-оптической системы вытягивались через щель газоразрядной камеры и формировались в ионный пучок, который под действием ускоряющего напряжения и постоянного магнитного поля 1750 Э в камере разделялся на три ионных пучка 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 изотопнообогащенный 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 (переработано до готового продукта):
изотопа К-39 с обогащением 99,96% - 650 г; изотопа К-40 с обогащением 5,8% - 2 г; изотопа К-41 с обогащением 98,3% - 46 г.

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

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

Это дает возможность эффективно использовать указанный способ для промышленного электромагнитного разделения изотопов калия и получения изотопов К-39, К-40, К-41 с более высоким обогащением без снижения производительности установки.

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

Изобретение может быть использовано для получения высокообогащенных изотопов калия в промышленных масштабах. Рабочее вещество - мелкодисперсное железо и K₃PO₄ (массовое соотношение 1 : 6-7 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, %: К - 39-99,97; К - 40-89; К - 41-99,0. Увеличивается производительность процесса. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ разделения изотопов калия в электромагнитном сепараторе с использованием источника ионов, включающий размещение рабочего вещества в тигле источника ионов, нагрев рабочего вещества до образования паров калия, ионизацию паров калия 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 смесь мелкодисперсного железа и ортофосфата калия K₃PO₄. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что состав смеси мелкодисперсного железа и K₃PO₄ выбирают в пропорции 1 : 6 - 7 соответственно.