СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ ИЗОТОПОВ ТАЛЛИЯ В ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМ СЕПАРАТОРЕ Российский патент 2004 года по МПК B01D59/48 

Изобретение относится к технологии электромагнитного разделения изотопов химических элементов, а точнее к электромагнитному разделению изотопов таллия.

Изобретение наиболее эффективно может быть использовано для промышленного разделения стабильных изотопов: таллий-203, таллий-205.

Известен способ разделения изотопов различных химических элементов, применяемый для промышленного электромагнитного разделения изотопов и предусматривающий нагрев тигля с рабочим веществом и газоразрядной камеры тепловым излучением от нагревателей активного сопротивления до образования пара рабочего вещества, ионизацию молекул 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 ввиду своей низкой производительности, в частности для разделения изотопов таллия.

В качестве рабочего вещества в тигель загружается хлорид таллия (ТlСl). При нагреве пары его вещества попадают из тигля через парораспределительную пластину в газоразрядную камеру источника, где происходит их ионизация и последующее разделение изотопов, как описано выше.

Основными параметрами, определяющими эффективность способа электромагнитного разделения, являются его производительность и обогащение получаемых изотопов. Первый параметр определяется ионным током изотопов, приходящим на коробки приемника (Iбк), коэффициентом использования времени установки (Кивр) и коэффициентами улавливания изотопов (Ку).

Второй параметр определяется соотношением ионного тока изотопов, приходящего на коробки приемника (Iбк), к ионному току на основной настроечный электрод (Iонэ) и выражается формулой (Сонэ=Iбк/Iонэ). В частности, чем выше Сонэ, тем лучше фокусировка или выше степень фокусировки по основному настроечному электроду.

Эти два параметра не являются независимыми и в значительной мере влияют друг на друга. Указанная зависимость является неднозначной и для каждого химического элемента при разных диапазонах ионного тока изотопов может убывать или возрастать.

В то же время нелинейной является зависимость, связывающая данное соотношение и обогащение получаемых изотопов вследствие влияния дополнительных факторов: перезарядки ионов в процессе пролета через разделительную камеру сепаратора, их нейтрализацию в ионном пучке, рассеяние ионов на молекулах остаточных газов и др.

Например, объединенная зависимость - обогащение изотопа Т1-203 (С, %) от величины ионного тока изотопов на коробки приемника показывает (см. фиг.1 и таблицу), что для получения изотопов высокого обогащения не всегда требуется работа с малыми токами и высоким соотношением Сонэ.

В этом случае на первый план выходит производительность способа, определяемая в основном величиной ионного тока изотопов на коробки приемника. Однако увеличение ионного тока изотопов уменьшает время работы приемника за счет более быстрого накопления в его коробки изотопов и “прогорания” их стенок вследствие ионного распыления. Из-за этого приходится более часто менять приемники, даже в том случае, когда источники еще не выработали свой ресурс, что приводит к снижению коэффициента использования времени работы установки, а значит - и к ее производительности.

Указанная проблема обусловлена, в частности, тем, что при разделении изотопов таллия (см. фиг.2 - вид со стороны входа в коробки приемника) основной настроечный электрод (поз. 1) выполнен в виде молибденового прутка диаметром 3 мм, эффективной длиной 90 мм и установлен в нижней части между торцами сопряженных стенок коробок Т1-203 и Т1-205 (поз. 2, 3) приемника, имеющими вход по высоте 180 мм, а также между другими электродами - “легкий репер” (поз. 4) и “тяжелый репер” (поз. 5), установленными по краям этих коробок с целью предотвращения смещения пучков изотопов.

Такая конструкция приемника, в свою очередь, не гарантирует равномерное распределение плотности ионных пучков изотопов по высоте коробок, что вызывает повышенный износ стенок коробок приемника в местах их повышенной плотности. В то же время это заставляет ограничивать величину ионного тока пучков изотопов на коробки приемника, с одной стороны, поскольку неизвестна степень фокусировки и плотность этих пучков в неконтролируемой части коробок приемника - на тот случай, если плотность пучков там выше, а степень фокусировки меньше. С другой стороны, при максимальном ионном токе на основной настроечный электрод величина ионного тока изотопов на коробки приемника ограничена заданным соотношением Сонэ.

Установка цельного основного настроечного электрода по всей высоте между коробками приемника не устраняет указанную неравномерность и дополнительно приводит к его деформации, что способствует изотопному загрязнению соседних коробок.

Задачей изобретения является увеличение производительности электромагнитного способа разделения изотопов таллия и увеличение стойкости коробок приемника ионов.

Технический результат достигается за счет того, что ионный ток изотопов на коробки приемника поддерживают в пределах 35-50 мА, а соотношениие ионного тока изотопов, приходящего на коробки приемника, к ионному току на основной настроечный электрод поддерживают в пределах 170-200. В верхней части между коробками приемника устанавливают дополнительный электрод дф 1 (фиг.2, поз. 6) такого же диаметра и чуть меньшей длины, чем основной настроечный электрод, обеспечиваещей гарантированный тепловой зазор между ними (см. таблицу), причем соотношение ионного тока изотопов на коробки приемника к ионному току на дополнительный электрод (Сдф1=Iбк/Iдф1) поддерживают в тех же пределах, что и на основной настроечный электрод за счет регулировки параметров работы ионного источника.

В результате такого перераспределения обогащение изотопов практически не уменьшается, а стойкость стенок коробок приемного блока увеличивается, соответственно увеличивается накопление на них изотопов.

Проведенный анализ общедоступных источников информации об уровне техники не позволил выявить техническое решение, тождественное заявляемому, 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 указанного способа. Он был испытан при разделении изотопов таллия в электромагнитном сепараторе СУ-20 комбината “Электрохимприбор”, г. Лесной, Свердловской области.

Навеску хлорида таллия массой 300 г размещали в тигле источника ионов. После установки источника и приемника с двумя коробками с основным и дополнительным электродами (см. фиг.2) в разделительную камеру сепаратора производили откачку камеры вакуумными насосами до давления (1-2)·10^-3 Па и высоковольтную тренировку источника до напряжения 31-33 кВ.

После получения электронного пучка в газоразрядной камере источника подавали напряжения на нагреватели тигля и газоразрядной камеры, обеспечивающие испарение рабочего вещества, его ионизацию в газоразрядной камере и формирование с помощью ионно-оптической системы ионного пучка, состоящего из двух ионных пучков изотопов, которые под действием ускоряющего напряжения 31-33 кВ и постоянного магнитного поля в камере порядка 3533 Э разделялись, фокусировались в фокальной плоскости и улавливались коробками приемника. Накопление на коробки приемника составляло 6500-7500 мА·ч против 5000-6000 мА·ч по прототипу.

После накопления приемники извлекали из разделительной камеры, производили съем изотопов из коробок, изотопно-обогащенный раствор анализировали на обогащение и на содержание в нем таллия.

Результаты опытно-промышленного разделения изотопов таллия приведены в таблице на примере стабильного изотопа таллий-203.

Таким образом, предложенный способ электромагнитного разделения изотопов таллия по сравнению с существующим методом показал свою эффективность в получении технико-экономического результата. Использо

вание на практике заявляемого технического решения позволяет значительно (на 30%) увеличить его производительность практически без снижения обогащения разделяемых изотопов, а также увеличить стойкость коробок приемника ионов. Реализация заявленного технического решения возможна на существующем оборудовании без дополнительного обучения персонала навыкам работы.

Изобретение может быть использовано для промышленного разделения изотопов таллия. В тигле источника ионов размещают рабочее вещество - навеску хлорида таллия массой 300 г. Производят его нагрев до парообразного состояния. Пары ионизируют в газоразрядной камере источника под действием электронной эмиссии с термокатода. Формируют ионный пучок электродами ионно-оптической системы, разделяют и фокусируют ионные пучки изотопов в магнитном поле, улавливают их коробками приемника. Величину ионного тока на коробки приемника поддерживают в пределах 35-50 мА, накопление на коробки приемника увеличивают до 6500-7500 мА·ч. Отношение ионного тока изотопов, приходящего на коробки приемника, к ионному току на основной настроечный и на дополнительный электроды поддерживают в пределах 170-200. Изобретение позволяет увеличить производительность на 30% без снижения обогащения разделяемых изотопов, увеличить стойкость и срок службы коробок приемника. 2 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

1. Способ разделения изотопов таллия в электромагнитном сепараторе, 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 фокусировку ионных пучков изотопов в магнитном поле, улавливание этих пучков коробками приемника, отличающийся тем, что ионный ток изотопов на коробки приемника поддерживают в пределах 35-50 мА, а отношение ионного тока изотопов, приходящего на коробки приемника, к ионному току на основной настроечный электрод поддерживают в пределах 170-200.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что отношение ионного тока изотопов, приходящего на коробки приемника, к ионному току на дополнительный электрод устанавливают в тех же пределах, что и на основной настроечный электрод.3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что накопление на коробки приемника увеличивают до 6500-7500 мА·ч.