СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ ИЗОТОПОВ КАЛЬЦИЯ 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 кальция.

Изобретение наиболее эффективно может быть использовано для промышленного разделения стабильных изотопов кальция: кальций-40, кальций-42, кальций-43, кальций-44, кальций-46, кальций-48.

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 для разделения щелочноземельных элементов. В частности, недостаток известного способа разделения изотопов кальция в электромагнитном сепараторе заключается в том, что технический результат неудовлетворительный ввиду низкого обогащения улавливаемых изотопов.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ, описанный в патенте RU №2183985 (кл. В 01 D 59/48, 27.06.2002, всего 4 стр.)

При этом в качестве рабочего вещества в тигель загружается металлический кальций в виде бруска, покрытого вследствие высокой химической активности кальция толстой окисной пленкой. При нагреве давление паров рабочего вещества возрастает и разрывает окисную пленку с резким выбросом паров кальция в объем тигля и газоразрядной камеры, что приводит к оседанию его значительного количества на электродах ионно-оптической системы, других деталях источника и внутрикамерного оборудования. При вводе источника ионов в рабочий режим и при дальнейшей работе это вызывает частые электрические пробои и переменные токовые утечки, которые резко ухудшают фокусировку и снижают в конечном итоге обогащение изотопов.

Кроме того, между источником и приемником изотопов кальция устанавливается “экран” (см фиг. в описании изобретения RU №2183985, кл. В 01 D 59/48, 27.06.2002), что снижает производительность установки примерно в 2 раза.

Другой причиной снижения обогащения является широкое природное распространение кальция, что вызывает изотопное “загрязнение” в основном его малораспространенных изотопов из внешней среды вне разделительной камеры сепаратора.

Задачей изобретения является увеличение обогащения и производительности разделяемых изотопов кальция, а также уменьшение затрат производства.

Задача решается тем, что в качестве рабочего вещества используется металлический кальций в виде мелкой фракции: гранул, крупной стружки, крупки по ТУ 83.5.314-94 и т.п. с размером частиц от 1 до 10 мм. Покрытые разной но толщине окисной пленкой и распределенные по длине тигля, имеющего разную температуру вследствие неоднородности его нагрева, эти частицы в процессе разрыва окисной пленки обеспечивают более равномерное испарение металлического кальция. Увеличение производительности достигается тем, что высвобождается место для соседнего приемника. При этом накопление на блок коробок увеличивают с 20000 до 40000-60000 миллиамперчасов. Это уменьшает затраты на изготовление дополнительных приемников. Верхняя граница накопления на приемник ограничена “прогоранием” материала стенок в коробке Са-40 под действием мощного пучка этого изотопа.

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 кальция в электромагнитном сепараторе СУ-20 комбината “Электрохимприбор”, г. Лесной, Свердловской области.

Навеску металлического кальция 40-50 г в виде крупки с габаритными размерами от 1 до 10 мм размещали в тигле источника ионов. После установки источника и шестикоробочного приемника 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 шести ионных пучков изотопов, которые под действием ускоряющего напряжения и постоянного магнитного поля в камере порядка 1800 Э разделялись, фокусировались в фокальной плоскости и улавливались коробками приемника. Накопление на приемники составляло 40000-60000 миллиамперчасов против ≈20000 миллиамперчасов по прототипу.

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

Результаты опытно-промышленного разделения изотопов кальция по обогащению приведены в таблице.

Таким образом, предложенный способ электромагнитного разделения изотопов кальция по сравнению с существующим методом показал свою эффективность в получении технико-экономического результата. Использование на практике заявляемого технического решения позволяет уменьшить изотопное загрязнение изотопов кальция и увеличить стойкость приемников изотопов.

Это дает возможность получать изотопы кальция с более высоким обогащением и производительностью и уменьшить затраты производства на изготовление его приемников.

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

Изобретение предназначено для ядерной техники и может быть использовано при разделении широко распространенных природных изотопов. Навеску рабочего вещества - металлического кальция с размером частиц от 1 до 10 мм, размещают в тигле источника ионов. Нагревают 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 в магнитном поле с напряженностью 1800 Э. Улавливают коробками приемника. Накопление изотопов в коробки приемника ведут в пределах 40000-60000 миллиамперчасов. Коробки извлекают из разделительной камеры, производят съем изотопов методом анодного травления. Обогащение составляет: Са-40 99,95-99,97%; Са-42 91,4-97,9%; Са-43 78,2-84,7%; Са-44 98,3-98,8%; Са-46 14,0-20,4%; Са-48 91,0-97,6%. Изобретение позволяет повысить производительность, уменьшить изотопное загрязнение, увеличить стойкость коробок приемника. 1 табл.

Способ разделения изотопов кальция 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 в качестве рабочего вещества используют металлический кальций с размером частиц 1-10 мм, а накопление изотопов в коробки приемника ведут в пределах 40000-60000 миллиамперчасов.