СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ ИЗОТОПОВ ЦИРКОНИЯ 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 циркония.

Изобретение наиболее эффективно может быть использовано для промышленного электромагнитного разделения стабильных изотопов циркония: циркония-90, циркония-91, циркония-92, циркония-94, циркония-96.

Известен способ разделения изотопов циркония, 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, ионизация молекул пара в газоразрядной камере источника под действием электронной эмиссии с термокатода, формирование ионного пучка электродами ионно-оптической системы, разделение и фокусирование магнитным полем пучков изотопов в соответствии с массой изотопов и улавливание ионов коробками приемника (Н.А. Кащеев, В. А. Дергачев. Электромагнитное разделение изотопов и изотопный анализ.- М.: Энергоатомиздат, 1989).

Недостатком указанного способа является то, что он не подходит или малоэффективен для разделения химических элементов, когда в качестве рабочего вещества используют их слаболетучие или высоколетучие химические соединения, или которые сами испаряются при очень низких или высоких температурах.

Другим недостатком известного способа разделения изотопов циркония в электромагнитном сепараторе с использованием источника ионов является то, что технический результат не удовлетворителен ввиду получения низкого обогащения улавливаемых изотопов и низкого коэффициента улавливания по причине недостаточной степени фокусировки изотопных пучков, а также обратного вылета изотопов из коробок приемника ввиду их незначительной глубины. Одновременно высокое давление паров тетрахлорида циркония в разделительной камере (особенно из-за высокой температуры ее стенок вследствие их нагрева одно- и многозарядными ионными пушками не полностью ионизированных молекул рабочего вещества) приводит к попаданию ZrCl₄ в коробки приемника и, как следствие, - к изотопному загрязнению коробок.

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

Поставленная цель достигается тем, что в качестве рабочего вещества используют тетрафторид циркония (ZrF₄), а степень фокусировки, определяемую отношением тока на приемник к току на настроечный электрод, расположенный между коробками Zr-91 и Zr-92, поддерживают в пределах 150-200. При этом угол наклона фокальной плоскости пучка ионов к оси приемника устанавливают равным 39^o, а глубину коробок увеличивают в 1,5 раза.

Рабочее вещество-ZrF₄-имеет более низкое давление насыщенных паров, обладает невысокой гигроскопичностью, не разлагается в процессе нагрева, не реагирует с конструкционными материалами и образует давление паров, достаточное для поддержания устойчивого горения дуги разряда в диапазоне температур 550-650^oC. Использование в качестве рабочего вещества тетрафторида циркония и изменение глубины и угла установки коробок приемника позволили улучшить фокусировку, увеличить обогащение разделяемых изотопов циркония 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 циркония в электромагнитном сепараторе с использованием источника ионов. Для эксперимента использовался малый двухкамерный электромагнитный сепаратор "Е-7" комбината "Электрохимприбор", г.Лесной, Свердловской области. Навеску тетрафторида циркония размещали в тигле из стали марки 12Х18Н10Т источника ионов. После установки источника и пятикоробчного приемника в разделительную камеру сепаратора производили откачку камеры вакуумными насосами до давления (1-2,5)•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 - 70-75 А, напряжение между нитью и термокатодом - 0,8-1,0 кВ, ток эмиссии - 0,5-0,6 А. При токе дугового разряда 2,0-3,5 А и напряжении разряда 120-250 В осуществлялась ионизация паров рабочего вещества, образование которых происходило при мощности нагревателя газоразрядной камеры 450-500 Вт и мощности нагревателя тигля 250-350 Вт.

Образующиеся ионы циркония с помощью ионно-оптической системы вытягивались через щель газоразрядной камеры и формировались в ионный пучок, который под действием ускоряющего напряжения и постоянного магнитного поля 2400 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 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 Zr-90 с обогащением 99,2% - 325 г;
- изотопа Zr-91 с обогащением 95,3% - 80 г;
- изотопа Zr-92 с обогащением 97,2% - 138 г;
- изотопа Zr-94 с обогащением 98,2% - 138 г;
- изотопа Zr-96 с обогащением 86,2% - 21 г.

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

Сравнение данных, приведенных в таблице, показывает, что некоторое снижение производительности за счет ионного тока на приемник и коэффициента использования времени установки полностью компенсируется за счет увеличения коэффициентов улавливания ионных пучков изотопов.

Таким образом, предложенный способ разделения изотопов циркония 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 ионных пучков, увеличить обогащение и улавливание разделяемых изотопов циркония.

Это дает возможность эффективно использовать указанный способ для промышленного электромагнитного разделения изотопов циркония и получения изотопов: Zr-90, Zr-91, Zr-92, Zr-94, Zr-96 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 циркония в промышленных масштабах. Рабочее вещество - тетрафторид циркония - 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. Отношение тока на приемник к току на настроечный электрод, расположенный между коробками Zr-91 и Zr-92, поддерживают от 150 до 200. Угол для фокальной плоскости ионного пучка к оси приемника 39°, глубина коробок приемника увеличена в 1,5 раза. По окончании процесса приемники снимают. Съем изотопов производят методом анодного травления. Коэффициент улавливания по изотопам,%: Zr-90 55; Zr-91 62; Zr-92 70; Zr-94 69; Zr-96 59. Обогащение по этим изотопам 87-99,4%. 1 з. п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ разделения изотопов циркония 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 тетрафторид циркония, а отношение тока на приемник к току на настроечный электрод, расположенный между коробками Zr-91 и Zr-92, поддерживают в пределах 150 - 200. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что угол для фокальной плоскости пучка ионов к оси приемника устанавливают равным 39^oC, а глубину коробок приемника увеличивают до 160 мм.