СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКООБОГАЩЕННЫХ ИЗОТОПОВ С МАЛЫМ ПРИРОДНЫМ СОДЕРЖАНИЕМ ПРИ ИХ РАЗДЕЛЕНИИ В ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМ СЕПАРАТОРЕ Российский патент 2002 года по МПК B01D59/44 B01D59/48 

Изобретение относится к технологии электромагнитного разделения изотопов химических элементов.

Изобретение наиболее эффективно может быть использовано для промышленного электромагнитного разделения стабильных изотопов в случае, когда соседние изотопы значительно отличаются по своему природному содержанию.

Известен способ разделения изотопов химических элементов, применяемый для промышленного электромагнитного разделения изотопов (Н.А. Кащеев, В.А. Дергачев. "Электромагнитное разделение иэотопов и изотопный анализ". М., "Энергоатомиздат", 1989 г.).

Одним из недостатков указанного способа является то, что он недостаточно эффективен для разделения химических элементов, имеющих одновременно изотопы с высоким и низким природным содержанием, что определяется в том числе неудовлетворительной настройкой изотопных пучков по коробкам приемника.

Способ разделения изотопов с использованием приемника ионов (стр.29-36), описанный в указанном источнике информации, заключается в следующем. Рабочее вещество загружается в тигель источника и нагревается до получения необходимого давления пара, который поступает в газоразрядную камеру источника, где ионизируется 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 разделяются в постоянном магнитном поле в зависимости от массы изотопов, фокусируются этим полем и улавливаются соответствующими коробками приемника. Настройка изотопных пучков 1 по коробкам приемника 6 осуществляется с помощью системы настроечных электродов (см. фиг.1), где общее положение пучка определяется электродами - "легкий" репер 2 и "тяжелый" репер 5, а степень фокусировки - основным настроечным электродом 3.

Основной настроечный электрод может быть выполнен в виде диафрагмы, что в основном применяется для изотопов легких элементов, когда дисперсия (расстояние между соседними пучками изотопов) достаточно велика, или в виде стержня - для изотопов более тяжелых элементов при небольшой дисперсии изотопных пучков. Для малораспространенных изотопов, как правило, вводится еще контроль по дополнительному электроду 4 с целью определения степени фокусировки в данной области общего ионного пучка. Основной и дополнительный электроды устанавливаются над стенками коробок приемника, а степень фокусировки определяется как величины отношений ионного тока, приходящего на коробки приемника, к минимальным токам на основном и дополнительном настроечных электродах; чем выше эти отношения, тем лучше фокусировка.

На фиг.1,а представлена принципиальная схема установки настроечных электродов и коробок приемника, применяемая для большинства разделямых на изотопы химических элементов.

Как следует из фиг.1,а, технический результат при контроле захождения в свою коробку малораспространенного изотопа неудовлетворительный ввиду того, что его значительная часть оседает на дополнительном электроде при настройке по минимуму между данным изотопом и соседним изотопом значительно большей интенсивности. Размеры "S" (S₂, S₃, S₄, S₅), равные ширине настроечных электродов, характеризуют степень "зарезания" изотопных пучков этими электродами. Как следствие низкое обогащение изотопа с малым природным содержанием.

Технический результат изобретения - получение более высокого обогащения малораспространенных изотопов.

Поставленная цель достигается тем, что стенки коробок и расположенный над их торцами дополнительный электрод, определяющий степень фокусировки между малораспространенным и соседним более мощным изотопом, устанавливают таким образом, чтобы они были смещены относительно минимального сигнала между изотопами на половину ширины дополнительного электрода в сторону более мощного изотопа вдоль фокальной плоскости, а контроль степени фокусировки в данной области ионного пучка осуществляют по заданному отношению величины ионного тока на коробки приемника к минимальному ионному току на дополнительном электроде при периодическом смещении общего ионного пучка в сторону более мощного изотопа за счет изменения ускоряющего напряжения (см. фиг.1, б). Это обеспечивает более полное захождение малораспространенного изотопа в свою коробку и повышение его обогащения.

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 не известна 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 лютеция в электромагнитном сепараторе. Для эксперимента использовали разделительные камеры электромагнитного сепаратора "СУ-20" комбината "Электрохимприбор", г.Лесной, Свердловской области.

Навеску хлорида лютеция (LuCl₃) размещают 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 двухкоробочного приемника в разделительную камеру сепаратора производят откачку камеры вакуумными насосами до давления (0,5-2,5)•10^-3 Па и высоковольтную тренировку источника до напряжения 31-32 кВ. С целью получения электронного пучка в газоразрядной камере источника подают напряжения на катодный блок, обеспечивающие ток через нить накала - 60-70 А, напряжение между нитью и термокатодом - 0,8-1,0 кВ, ток эмиссии - 0,25-0,3 А. При токе дугового разряда 0,8-1,2 А и напряжении разряда 60-100 В осуществлялась ионизация паров хлорида лютеция, образование которых происходило при мощности нагревателя газоразрядной камеры 1500 Вт и при мощности нагревателя тигля 400-600 Вт.

Образующиеся ионы лютеция с помощью ионно-оптической системы вытягивались через щель газоразрядной камеры и формировались в ионный пучок, который под действием ускоряющего напряжения и постоянного магнитного поля 3300 Э в камере разделялся на два ионных пучка изотопов в соответствии с массами ионов. Данные пучки изотопов фокусировались магнитным полем в фокальной плоскости, в которой помещались входы в коробки приемника.

Контроль степени фокусировки и захождения пучков изотопов 1 в коробки приемника 7 первоначально осуществляли по схеме, представленной на фиг.2,а, где роль основного настроечного электрода выполняла диафрагма, состоящая из двух электродов: графитовой пластины 2 и молибденового стержня 3. Данная диафрагма контролировала захождение изотопа Lu-175 в свою коробку и его фокусировку по минимуму на измерительном приборе 5. Однако она не гарантировала наличия минимума между изотопными пучками.

Затем был введен дополнительный электрод 4 (см. фиг.2,б); также представляющий собой молибденовый стержень, устанавливаемый по краю стенки коробки для Lu-176, имеющего природное содержание 2,59%. Контроль степени фокусировки и захождения изотопов в коробки приемника осуществляли путем поддержания заданного соотношения по приборам 5 и 6, однако настройка происходила постоянно по минимальному сигналу на дополнительном электроде по измерительному прибору 6. Как видно из фиг.2,б, захождение в свою коробку изотопа Lu-176 неудовлетворительное вследствие оседания его значительной части на дополнительном электроде 4 и на торце стенки коробки, расположенном рядом с электродом 3. Таким образом, эта схема также не обеспечивала получение необходимого технического результата.

В предлагаемом варианте схема расположения электродов и захождения изотопных пучков представлена на фиг.2,в. При этом дополнительный электрод 4 и расположенная под ним "легкая" стенка коробки 176-го изотопа установлены таким образом, чтобы они были смещены относительно минимального сигнала между изотопами в сторону 175-го изотопа на половину диаметра дополнительного электрода. Постоянный общий контроль степени фокусировки осуществляют путем поддержания заданного соотношения на основном настроечном электроде (в виде диафрагмы) по минимальному сигналу на измерительном приборе 5, а заданное соотношение по минимальному сигналу между изотопами контролируют периодически с помощью дополнительного электрода на приборе 6 за счет уменьшения ускоряющего напряжения.

Периодический контроль проводили через 15 мин, а также при изменении режимов работы источника. В случае нарушения заданного отношения осуществляли корректировку технологических режимов.

После накопления приемники извлекают из разделительной камеры, методом анодного травления производят съем изотопов из коробок, полученный изотопно-обогащенный раствор анализируют на обогащение и перерабатывают до конечного продукта.

В процессе экспериментального и опытно-промышленного разделения на промышленном электромагнитном сепараторе "СУ-20" комбината "Электрохимприбор", г. Лесной, Свердловской области получены следующие результаты по среднему обогащению изотопа лютеция-176 согласно способам и схемам, представленных на фиг.2а,б,в:
- вариант "а"-56,3%;
- вариант "б"-62,8%;
- вариант "в"-75,7% (предлагаемый вариант).

В общей сложности по предлагаемому варианту получено изотопа лютеция-176 - 9,1 г.

Таким образом, предложенный способ получения высокообогащеных изотопов с малым природным содержанием при их разделении в электромагнитном сепараторе по сравнению с существующими методами показал свою высокую эффективность в получении технико-экономического результата. Использование на практике заявляемого технического решения позволяет улучшить захождение изотопов в коробки приемника и увеличить обогащение разделяемых изотопов.

Это дает возможность эффективно использовать указанный способ для промышленного электромагнитного разделения изотопов, в частности изотопов лютеция, и получения малораспространенных изотопов с более высоким обогащением без снижения производительности установки.

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

Изобретение предназначено для ядерной техники. Навеску LuCl₃ помещают в тигель источника ионов, который устанавливают в разделительную камеру. Производят откачку и осуществляют ионизацию паров LuCl₃. Образующиеся ионы вытягивают через щель газоразрядной камеры и формируют ионный пучок, который под действием ускоряющего напряжения и постоянного магнитного поля 3300 Э разделяют на два ионных пучка изотопов в соответствии с массами их ионов. Пучки изотопов фокусируют магнитным полем в фокальной плоскости, где помещены входы в коробки приемника. Контроль фокусировки проводят с помощью дополнительного электрода - молибденового стержня, расположенного над торцами стенок коробок приемника. Стенки коробок приемника и дополнительный электрод устанавливают так, чтобы они были смещены относительно минимального сигнала между изотопами на половину ширины дополнительного электрода в сторону более мощного изотопа вдоль фокальной плоскости. Степень фокусировки ионного пучка дополнительно контролируют по отношению величины ионного тока на коробки приемника к минимальному ионному току на дополнительном электроде при периодическом смещении ионного пучка малораспространенного изотопа в сторону более мощного изотопа за счет изменения ускоряющего напряжения. Получено 9,1 г изотопов лютеция-176 со степенью обогащения 75,7%. 2 ил.

Способ получения высокообогащенных изотопов с малым природным содержанием при их разделении в электромагнитном сепараторе, включающий размещение рабочего вещества в тигле источника ионов, нагрев рабочего вещества до парообразного состояния, 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 с помощью системы настроечных электродов, постоянный контроль степени фокусировки ионного пучка по заданному отношению величины ионного тока на коробки приемника к минимальному току на основном настроечном электроде, отличающийся тем, что стенки коробок и расположенный над их торцами дополнительный электрод, определяющий степень фокусировки между малораспространенным и соседним более мощным изотопами, устанавливают таким образом, чтобы они были смещены относительно минимального сигнала между изотопами на половину ширины дополнительного электрода в сторону более мощного изотопа вдоль фокальной плоскости, а степень фокусировки ионного пучка дополнительно контролируют по заданному отношению величины ионного тока на коробки приемника к минимальному ионному току на дополнительном электроде при периодическом смещении ионного пучка малораспространенного изотопа в сторону более мощного изотопа за счет изменения ускоряющего напряжения.