СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ ИЗОТОПОВ Российский патент 2002 года по МПК B01D59/48 

Изобретение относится к физике плазмы, а именно к методам разделения изотопов в плазме. Изотопы находят широкое применение, например, в медицине, биологии, сельском хозяйстве, физических исследованиях.

Известен способ разделения изотопов в газовых колоннах [1] (Розен A.M. Теория разделения изотопов в колоннах. М.: ИИЛ, 1960), например масс-диффузия, включающий перевод смеси изотопов в газовую фазу, частичное диффундирование газа в противоточную струю пара, обогащение легким изотопом увлекаемой паром части газа, вывод из колонны и последующее отделение от пара обогащенной части газа.

Этот способ, как и остальные способы разделения изотопов в газовых колоннах, характеризуется низким коэффициентом разделения изотопов. Недостатками этого способа являются также невозможность разделения изотопов химических элементов, не образующих устойчивые газообразные соединения, и необходимость значительного количества разделяемой смеси.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ разделения изотопов при помощи селективного ионно-циклотронного нагрева ионов одного из изотопов высокочастотным (ВЧ) полем [2] (Dawson J.M., Кim Н.С., Arnush D. et al. Isotope Separation in Plasmas by Use of ion Cyclotron Resonance // Phys. Rev. Lett. 1976. Vol. 37, 23. P. 1547), включающий перевод в плазменное состояние смеси изотопов, пространственную сепарацию изотопов по массам в однородном магнитном поле под воздействием ВЧ-поля с частотой, равной циклотронной частоте выделяемого изотопа и сбор необходимой фракции.

В результате воздействия ВЧ-поля происходит существенное увеличение поперечной энергии ионов целевого изотопа, в то время как прирост поперечной энергии ионов остальных изотопов является незначительным. Разделение изотопов происходит при помощи системы коллекторных пластин, параллельных направлению потока и магнитного поля, расположенной на выходе из зоны нагрева. На коллекторные пластины подается запирающий положительный потенциал такой величины, чтобы преодолеть его могли только высокоэнергетические ионы. Таким образом, коллекторными пластинами улавливаются преимущественно ионы выделяемого изотопа, в то время как ионы, не попавшие на пластины, собираются коллектором обедненного плазменного потока, расположенным за пластинами.

Недостатками этого способа являются необходимость создания достаточно сложных систем для осуществления ионно-циклотронного разогрева плазмы, а также необходимость точного подбора частоты внешнего поля для циклотронного разогрева ионов определенного вида. Это приводит к тому, что в большинстве случаев, для каждого разделения разных видов изотопов приходится создавать различные установки.

Задачей изобретения является создание способа разделения изотопов, не требующего создания сложных систем для циклотронного разогрева плазмы и способного осуществлять разделение различных типов изотопов.

Техническим результатом заявляемого способа является упрощение конструкции установок для разделения изотопов, а также обеспечение возможности использования одинаковых установок для разделения различных типов изотопов по сравнению с прототипом за счет изменения операции по пространственной сепарации изотопов.

Указанный технический результат достигается способом разделения изотопов, включающим перевод в плазменное состояние смеси изотопов, пространственную сепарацию изотопов по массам в наложенных друг на друга магнитном и электромагнитном полях и сбор необходимой фракции. При этом пространственную сепарацию изотопов осуществляют в магнитном поле с несимметрично гофрированным профилем величины продольной составляющей напряженности магнитного поля.

Преимущество заявляемого способа по сравнению с прототипом заключается в том, что данный способ не требует использования сложных систем для резонансного разогрева выбранной компоненты плазмы внешним ВЧ-полем, не требует точного подбора частоты внешнего электромагнитного поля и тем самым внесения существенных изменений в конструкцию установки по разделению изотопов.

Пространственная сепарация изотопов происходит следующим образом. Ионизованное рабочее вещество, состоящее из смеси различных изотопов, попадает в магнитную систему, формирующую магнитное поле с несимметрично гофрированным профилем величины продольной составляющей. Амплитуда гофрировки подбирается таким образом, что ионы оказываются запертыми в потенциальных ямах, образованных экстремумами напряженности магнитного поля. При включении внешнего переменного электромагнитного поля, направленного вдоль оси магнитной системы, частицы начинают совершать колебания в направлении, параллельном оси магнитной системы.

Если амплитуда внешнего электромагнитного поля не превышает значение

где ε - тепловая энергия, μ - магнитный момент частицы, е - заряд частицы, l - расстояние между электродами, B_max - значение магнитного поля гофры, то частицы будут совершать осцилляции внутри магнитных потенциальных ям. При превышении внешним электромагнитным полем данного значения, частицы начнут преодолевать потенциальные барьеры, связанные с гофрировкой магнитного поля. При этом возникнет направленное движение частиц в сторону более крутого склона гофра, движению в противоположную сторону будет препятствовать потенциальный барьер.

Рассмотрим ситуацию, когда частица с некоторой массой в момент подачи положительного напряжения на правый электрод оказывается в положении 1 (см. фиг. 1) и начинает двигаться с нулевой начальной скоростью в направлении 2. Очевидно, что частица с большей массой при определенной величине потенциального барьера сможет по инерции перескочить его и оказаться в следующей потенциальной яме. Для того чтобы потенциальный барьер преодолела частица с меньшей массой, требуется большее значение внешнего электромагнитного поля. Таким образом, при определенных значениях внешнего электромагнитного поля и высоты гофрировки возможна ситуация, когда ионы тяжелого изотопа будут дрейфовать только в сторону более крутого склона гофра магнитного поля, в то время как ионы легкого изотопа будут, в среднем, оставаться на одном месте. Коллекторы обедненного и обогащенного плазменных потоков располагаются в местах группирования ионов легкого и тяжелого изотопов в зависимости от того, каким изотопом производится обогащение вещества.

На фиг.1 изображена форма эффективного потенциала для электромагнитного поля, направленного справа налево.

На фиг.2 изображено устройство для реализации заявляемого способа разделения изотопов.

Рассмотрим пример осуществления заявляемого способа разделения изотопов в устройстве, изображенном на фиг.2, где даны следующие обозначения: 3 - вакуумная камера, 4 - электроды внешнего электромагнитного поля, 5 - коллектор обогащенного плазменного потока, 6 - ферромагнитный сердечник соленоида, 7 - соленоид, 8 - источник плазмы.

В указанном устройстве заявляемый способ разделения изотопов осуществляется следующим образом. Сначала производится ионизация вещества, состоящего из смеси различных изотопов. Это осуществляется, например, следующим способом. Ионизуемое вещество наносится на поверхность металла, температура плавления которого выше температуры ионизации данного вещества. При этом образуется сильноионизованная плазма с плотностью порядка 10¹¹ см^-3, состоящая из однократно ионизованных атомов и электронов, причем температуры ионов и электронов будут порядка температуры поверхности металла порядка 5•10³ К. Это вещество подается в магнитную систему со скоростью движения примерно 1,4•10³ м/с (для вещества атомной массой, равной 40 а.е.м.), выполненную, например, из соленоида 7 и сердечника 6, выполненного, например, из феррита. Магнитная система, создающая гофрированный профиль величины напряженности магнитного поля, может быть выполнена, например, в виде катушки с сердечником в форме цилиндра, внутренняя поверхность которого в продольном сечении имеет пилообразную форму, один из склонов которой более крутой. К электродам 4 прикладывается переменное электромагнитное поле с частотой выше критической и амплитудой, подобранной таким образом, чтобы при подаче отрицательного напряжения на правую пластину потенциальный барьер, связанный с гофрировкой магнитного поля, могли преодолеть только ионы тяжелого изотопа. Таким образом, ионы тяжелого изотопа будут дрейфовать влево и собираться коллектором 5, в то время как ионы легкого изотопа будут оставаться в объеме магнитной системы с последующим осаждением на стенки.

Таким образом, заявляемый способ не требует точного подбора частоты для резонансного разогрева плазмы и может быть использован для разделения различных видов изотопов на одних и тех же установках.

Изобретение предназначено для физики плазмы и может быть использовано в физических исследованиях, медицине, биологии, сельском хозяйстве. Смесь изотопов, подлежащую разделению, ионизируют. Сильно ионизированную плазму с плотностью 10¹¹ см^-3 и температурой 5•10³К подают со скоростью 1,4•10³ м/с в устройство для разделения изотопов, магнитная система которого состоит из соленоида 7 и сердечника 6, выполненного из феррита. Магнитная система создает магнитное поле с несимметрично гофрированным профилем величины продольной составляющей напряженности магнитного поля. Эта система, в частном случае, может быть выполнена в виде катушки с сердечником в форме цилиндра, внутренняя поверхность которого в продольном сечении имеет пилообразную форму, один из склонов которой более крутой. К электродам 4 прикладывают переменное электромагнитное поле с частотой, превышающей критическую. Амплитуду электромагнитного поля выбирают такой, чтобы при подаче отрицательного напряжения на правую пластину только ионы тяжелого изотопа могли бы преодолеть потенциальный барьер, связанный с гофрировкой магнитного поля. Ионы тяжелых изотопов дрейфуют влево и собираются на коллекторе 5, а ионы легких изотопов остаются в объеме магнитной системы и оседают на стенках вакуумной камеры 3. Изобретение позволяет разделять изотопы различного типа без применения сложных устройств для разогрева плазмы и настройки ее частоты. 2 ил.

Способ разделения изотопов, включающий перевод в плазменное состояние смеси изотопов, пространственную сепарацию изотопов по массам в наложенных друг на друга магнитном и электромагнитном полях и сбор необходимой фракции, отличающийся тем, что пространственную сепарацию изотопов осуществляют в магнитном поле с несимметрично гофрированным профилем величины продольной составляющей напряженности магнитного поля.