СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ ИЗОТОПОВ НИЗКОЙ ПРИРОДНОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ В ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМ СЕПАРАТОРЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИСТОЧНИКА ИОНОВ Российский патент 2001 года по МПК B01D59/48 

Изобретение относится к технологии электромагнитного разделения химических элементов, а точнее, к электромагнитному разделению изотопов низкой природной концентрации. Изобретение наиболее эффективно может быть использовано для промышленного электромагнитного разделения стабильных изотопов низкой природной концентрации.

Известен способ разделения изотопов химических элементов, применяемый для промышленного электромагнитного разделения изотопов (Н.А.Кащеев, В.А.Дергачев. Электромагнитное разделение изотопов и изотопный анализ. - М.: Энергоатомиздат, 1989). Способ разделения изотопов химических элементов, описанный в указанном источнике информации, заключается в следующем. Рабочее вещество элемента загружается в тигель источника и нагревается до образования пара рабочего вещества. Пары рабочего вещества поступают в газоразрядную камеру источника, где ионизируются под действием электронной эмиссии с термокатода. Из газоразрядной камеры ионы извлекаются и формируются в ионный пучок электродами ионно-оптической системы. В процессе пролета через откачиваемую разделительную камеру ионные пучки изотопов химических элементов разделяются в постоянном магнитном поле в зависимости от массы изотопов, фокусируются этим полем и улавливаются соответствующими коробками приемника. Из коробок приемника изотопы извлекаются путем электрохимического травления внутренней поверхности приемника.

Недостаток известного способа разделения изотопов химических элементов в электромагнитном сепараторе с общей обработкой внутренней поверхности приемных карманов заключается в том, что технический результат неудовлетворительный ввиду снижения обогащения изотопов низкой природной концентрации. Это обусловлено неравномерным распределением улавливаемых изотопов на приемной поверхности кармана. Так как облучение внутренней поверхности приемника неравномерно, неодинакова и плотность отложения изотопного вещества. При этом участки с повышенной плотностью изотопного вещества обладают повышенным обогащением изотопов. Общая обработка зон разной плотности изотопного вещества приводит к снижению обогащения изотопов, извлекаемых с приемных карманов.

Технический результат изобретения - получение более высокого обогащения изотопов низкой природной концентрации.

Поставленная цель достигается тем, что коробки приемника подвергают рентгеноспектральному анализу, определяют зоны повышенной плотности изотопно-обогащенного вещества, фиксируют эти зоны и съем изотопно-обогащенного вещества первоначально ведут в этих зонах, оставшуюся часть поверхности коробок приемников обрабатывают отдельно.

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 представлены примеры осуществления способа разделения изотопов низкой природной концентрации в электромагнитном сепараторе. Для экспериментов использовались разделительные камеры электромагнитного сепаратора "СУ-20" комбината "Электрохимприбор", г. Лесной, Свердловской области. Навеску рабочего вещества кальция металлического помещают в горизонтально расположенном тигле источника ионов, имеющего два нагревателя: для нагрева газоразрядной камеры и для нагрева тигля. После установки источника и приемника в разделительную камеру сепаратора производят 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 подают напряжение на катодный блок, при этом осуществляется ионизация паров рабочего вещества. Образующиеся пары с помощью ионно-оптической системы вытягивают через щель газоразрядной камеры и формируют в ионный пучок, который под действием ускоряющего напряжения и постоянного магнитного поля разделяется на ионные пучки изотопов в соответствии с массами ионов. Данные пучки ионов фокусируют магнитным полем в фокальной плоскости, в которой помещают входы в коробки приемников. После накопления приемники вынимают из разделительной камеры и помещают в установку, представленную блок-схемой на чертеже:
1 - источник ионизирующего излучения
2 - коробка приемника
3 - полупроводниковый детектор БДРК-1
4 - спектрометрический тракт СЭС2-02
5 - многоамплитудный анализатор АИ-256-6.

В установке внутреннюю поверхность коробки приемника подвергают облучению, атомы вещества на поверхности приемника возбуждаются и излучают энергию. Это излучение через полупроводниковый детектор передается на спектрометрический тракт, который выходит на многоамплитудный анализатор. Многоамплитудный анализатор преобразует поступившие сигналы и отражает на своем экране величину энергии излучения элемента. Сигналом о наличии на приемнике изотопно-обогащенного вещества служит появление пика характеристического рентгеновского спектра определяемого элемента. Величина интенсивности излучения пропорцианальна количеству вещества в анализируемой точке. На коробке приемника фиксируют зону повышенной плотности изотопного вещества и проводят обработку этой зоны отдельно от зоны с пониженной плотностью изотопного вещества. Обработку зон приемника проводят путем электрохимического травления. В результате раздельной обработки коробки приемника получают два раствора, которые содержат разделенный продукт разной степени обогащения. Полученные растворы анализиуют на изотопный состав и перерабатывают до конечного продукта.

Аналогичным образом были проведены работы по экспериментальному разделению изотопов диспрозия. В качестве рабочего вещества был использован хлорид диспрозия.

В процессе экспериментального и опытно-промышленного разделения на промышленном электромагнитном сепараторе "СУ-20" комбината "Электрохимприбор", г. Лесной, Свердловской области в общей сложности было получено (переработано до готового продукта):
изотопа Ca⁴² с обогащением 92,6% - 0,909 г;
изотопа Ca⁴³ с обогащением 74,7% - 1,166 г;
изотопа Ca⁴⁸ с обогащением 91,8% - 1,583 г;
изотопа Dу¹⁵⁶ с обогащением 19,8% - 0,754 г;
изотопа Dу¹⁵⁸ с обогащением 23,7% - 0,650 г.

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

Предложенный способ разделения изотопов низкой природной концентрации в электромагнитном сепараторе с использованием зонного съема по сравнению с существующим методом показал свою высокую эффективность в получении технико-экономического результата. Использование на практике заявляемого технического решения позволяет получить конечный продукт наибольшего обогащения.

Это дает возможность эффективно использовать указанный способ для промышленного электромагнитного разделения изотопов и получения изотопов низкой природной концентрации более высокого обогащения без снижения производительности установки.

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

Изобретение может быть использовано при обогащении изотопов, содержание которых в природном химическом элементе мало. Рабочее вещество, например металлический кальций, помещают в горизонтально расположенный тигель источника ионов. Тигель, источник ионов и коробки приемника устанавливают в разделительную камеру. Рабочее вещество нагревают до образования паров. Пары ионизируют в газоразрядной камере под действием электронной эмиссии с термокатода. Формируют ионный пучок электродами ионно-оптической системы, разделяют под действием ускоряющего напряжения и постоянного магнитного поля в соответствии с массами ионов. Пучки фокусируют магнитным полем в фокальной плоскости, где помещают коробки приемников. После накопления коробки вынимают из разделительной камеры, подвергают рентгеноспектральному анализу, определяют зоны повышенной плотности изотопно-обогащенного вещества, фиксируют эти зоны. Обработку зон проводят электрохимическим травлением. Сначала обрабатывают зоны с повышенной плотностью, а оставшуюся часть поверхности коробок обрабатывают отдельно. Обогащение по изотопам ⁴²Са, ⁴³Са, ⁴⁶Са, ⁴⁸Са повышается не менее чем на 2%. 1 табл., 1 ил.

Способ разделения изотопов низкой природной концентрации в электромагнитном сепараторе с использованием источника ионов, включающий размещение рабочего вещества в тигле источника ионов, нагрев рабочего вещества до образования паров, ионизацию паров 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 коробки приемника подвергают рентгеноспектральному анализу, определяют зоны повышенной плотности изотопнообогащенного вещества, фиксируют эти зоны и съем изотопнообогащенного вещества первоначально ведут в этих зонах, оставшуюся часть поверхности коробок приемников обрабатывают отдельно.