устройство для разделения изотопов

Классы МПК:B01D59/44 разделение масс-спектрографией
H01J49/26 масс-спектрометры или разделительные трубки
Автор(ы):, , ,
Патентообладатель(и):Российский научный центр "Курчатовский институт"
Приоритеты:
подача заявки:
1992-12-30
публикация патента:

Использование: техника разделения изотопов в плазме. Сущность изобретения: для уменьшения размеров магнитной системы и повышения эффективности ИЦР-нагрева плазмы устройство для разделения изотопов содержит источник плазмы кольцеобразной формы, магнитную систему в виде соленоида однородного магнитного поля с участком неоднородного поля и ВЧ-антенну, в состав которой входят соосно расположенные кольцевые электронные эмиттеры, установленные у торца соленоида однородного магнитного поля со стороны источника плазмы. 2 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2

Формула изобретения

Устройство для разделения изотопов, включающее вакуумную камеру, магнитную систему, выполненную в виде соленоида, однородного магнитного поля и расположенного за ним участка неоднородного манитного поля, ВЧ-антенну, подключенную к ВЧ-генератору, источник плазмы, эмиттер электронов и коллекторы плазмы, отличающееся тем, что источник плазмы выполнен кольцеобразным, а ВЧ-антенна включает систему соосных кольцевых электронных эмиттеров, установленных у торца соленоида однородного магнитного поля со стороны источника плазмы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к физике плазмы, а именно к методам и устройствам разделения изотопов в плазме, и может быть использовано в различных отраслях промышленности, например электронной, химической, биотехнологической, а также в энергетике, медицине, сельском хозяйстве и других областях.

В настоящее время для разделения изотопов широко используются электромагнитный и центробежный методы [1, 2] Существующие промышленные установки обладают рядом недостатков, важнейшими из которых являются низкая производительность (для электромагнитного метода), низкая степень разделения и отсутствие подходящих летучих соединений (для центробежного метода).

В стадии разработки находятся лазерный и плазменный метод разделения изотопов [3, 4] По-видимому наиболее перспективным с точки зрения промышленного использования является разделение изотопов с помощью изотопически селективного нагрева ионов в плазме методом ионного циклотронного резонанса (ИЦР).

Известно предложение [5] использовать ИЦР для разделения по массам ионов плазмы в магнитном поле, основанное на предшествующих работах по нагреву плазмы высокочастотными (в. ч.) полями и на работах по изучению волн в замагниченной плазме. В дальнейшем было экспериментально показано, что в плазме можно создать условия, при которых такой тонкий эффект, как разделение изотопических ионных компонент, может быть доведен до практического использования.

Для разделения изотопов в плазме ИЦР-методом необходимо решить следующие основные задачи: ионизировать пары элемента, изотопы которого разделяются, и создать поток плазмы с замагниченными ионами вдоль постоянного магнитного поля, осуществить эффективный селективный нагрев нужной фракции ионов, отделить нагретую фракцию от холодной и осадить частицы на коллекторах. Возможность решения этих задач основана на известной из опыта устойчивости замагниченной и сравнительно холодной плазмы.

Необходимые условия реализации ИЦР-метода разделения изотопов сводятся к следующим [4, 5, 7] Требование однородности магнитного поля в области нагрева, являющееся одним из условий его селективности, имеет вид:

устройство для разделения изотопов, патент № 2089272

где устройство для разделения изотопов, патент № 2089272 относительное изменение магнитного поля в области ИЦР-нагрева,

устройство для разделения изотопов, патент № 2089272 относительное разрешение по массе ( устройство для разделения изотопов, патент № 2089272Mi разность масс выделяемого и соседнего изотопа).

Другим условием селективности нагрева является требование малости уширения линии циклотронного поглощения за счет столкновений нагретых ионов:

устройство для разделения изотопов, патент № 2089272

где устройство для разделения изотопов, патент № 2089272 резонансная частота.

При этом связь частоты ион-ионных столкновений nii с параметрами плазмы дается известным соотношением:

устройство для разделения изотопов, патент № 2089272

где ni плотность нагретых ионов,

устройство для разделения изотопов, патент № 2089272i их температура в электрон-вольтах,

Mi масса изотопа в атомных единицах.

Отметим, что такое же отрицательное влияние на селективность ИЦР-нагрева, как столкновение ионов, оказывает перезарядка, и условие, накладываемое на ее частоту, аналогично (2).

Благодаря эффекту " убегания" ионов при нагреве нет необходимости усиливать неравенство (2).

Условия, накладываемые на среднюю продольную скорость ионов vz, длину нагрева L и среднее время пролета ионов через зону нагрева устройство для разделения изотопов, патент № 2089272 = L/vz имеют вид:

устройство для разделения изотопов, патент № 2089272

причем верхняя граница означает, что в среднем за время нагрева происходит менее одного столкновения, а нижняя граница определяется условием селективности нагрева, связанным с ограничением амплитуды биений осцилляторов (ионов соседних по массе изотопов в магнитном поле), собственная частота которых близка к резонансной частоте приложенного в.ч. поля [4]

Наконец, условие малости допплеровского уширения линии циклотронного поглощения приводит к ограничению разброса продольных скоростей ионов:

устройство для разделения изотопов, патент № 2089272

где k волновое число циклотронной волны в плазме.

При выполнении (5) большая часть ионов вовлечена в процесс ускорения, и коэффициент использования вещества максимален.

В работе (5) показано, что условие на относительную ширину полосы циклотронного поглощения с учетом соответствующего дисперсионного соотношения накладывают ограничение на плотность плазмы, а вместе с условием (4) позволяет оценить требуемую напряженность электрического поля E волны в плазме. В наиболее интересных для практики случаях эти величины составляют n устройство для разделения изотопов, патент № 2089272 1012 1013см-3, E устройство для разделения изотопов, патент № 2089272 0,3 1 В/см, устройство для разделения изотопов, патент № 2089272i устройство для разделения изотопов, патент № 2089272 5-15 эВ.

Поперечные размеры плазмы и связанные с ними размеры магнитной системы являются результатом компромисса между допустимыми затратами и производительностью установки, определяемой как

G = устройство для разделения изотопов, патент № 2089272cMnvzS, (6)

где устройство для разделения изотопов, патент № 2089272 коэффициент использования вещества, c начальная концентрация выделяемого изотопа, M масса иона, n плотность плазмы, vz - продольная скорость ионов, S площадь поперечного сечения плазменного потока. Ограничения на величины n, vz и S являются ограничениями на производительность установки.

ИЦР-метод разделения изотопов в плазме может иметь модификации, отличающиеся способами создания плазмы, включая сопряжение магнитных полей источника плазмы и зоны нагрева, способами селективного нагрева ионов, способами разделения нагретой и холодной фракций, а также способами сбора целевого изотопа ("продукта") и остального вещества ("отвала").

Известны установки для разделения изотопов ИЦР-методом [6, 7, 8] созданные и исследованные тремя группами экспериментаторов в США, Франции и России. Каждая из этих установок имеет вакуумную камеру, источник плазмы, магнитную систему, в.ч. антенну и коллектор ионов. Магнитная система выполнена в виде соленоида (обычного или сверхпроводящего), создающего однородное магнитное поле. В.ч. антенна расположена в вакуумной камере и работает на частотах 80-100 кГц. В [6] она выполнена в виде соленоида, заключенного в охлаждаемый жидким азотом алюминиевый кожух со щелью вдоль оси для создания азимутального электрического поля. В более поздних работах [7, 8] использовалась антенна в виде четырехзаходной винтовой обмотки, закороченной, с одной стороны, проводящим кольцом, а с другой стороны, подсоединенной к вводам в. ч. мощности в вакуумную камеру. Снаружи к этим вводам присоединяется четырехфазный генератор. Последовательность фаз токов, возбуждаемых генератором, выбирается такой, чтобы индуцировать в плазменном столбе электрическое поле, вращающееся в направлении ларморовского вращения ионов.

В приведенных аналогах плазма в зоне нагрева имеет форму кругового цилиндра, радиус которого на порядок превышает ларморовский радиус нагретых ионов. Вследствие этого нагретая и холодная фракции ионов занимают один и тот же объем, а их разделение происходит непосредственно в области коллектора "продукта" (металлические пластины, параллельные магнитному полю). Основная часть холодных ионов, ларморовский радиус которых много меньше расстояния между пластинами "продукта", не попадает на эти пластины и собирается коллектором "отвала". Однако холодные ионы, движущиеся на расстоянии от пластин, меньших своего ларморовского радиуса, осаждаются на них, что существенно уменьшает степень разделения масс-сепаратора. Ослабление эффекта путем введения экранов и задерживающих потенциалов приводит к уменьшению коэффициента использования рабочего вещества. Положительный задерживающий потенциал может приводить также к разогреву коллекторных пластин электронным током и к испарению собранного изотопа. Уменьшение степени разделения вызывается еще попаданием на пластины нейтральных атомов всех изотопов, образующихся при рекомбинации.

Основное отличие рассмотренных аналогов связано с использованием различных способов создания плазмы, содержащей разделяемые изотопы. Для этой цели использовались ионизация на горячей поверхности тугоплавкого металла (например, паров изотопов калия [6]), СВЧ-ионизация на частоте электронного циклотронного резонанса паров изотопов кальция [7] а также разряд постоянного тока в парах изотопов лития [8]

Отмеченные выше недостатки аналогов могут быть преодолены в известном способе с описанием установки для разделения изотопов [9] (прототип), позволяющем более чем на порядок повысить степень разделения изотопов. Способ основан на пространственном отделении предварительно нагретой ИЦР-методом компоненты ионов определенного изотопа от всех прочих путем пропускания потока плазмы через неоднородное магнитное поле, параметры которого удовлетворяют условию:

vдр:vz>a:l,(7)

где l длина области неоднородного магнитного поля,

a -диаметр потока плазмы,

vz скорость движения ионов вдоль магнитного поля,

vдр скорость дрейфа ионов, выделяемого изотопа поперек силовых линий неоднородного магнитного поля.

Скорость Vдр пропорциональна поперечной энергии ионов, причем коэффициент пропорциональности зависит от величины поля и его градиента. Пространственное разделение двухтемпературной по ионной компоненте плазмы в неоднородном магнитном поле сопровождается разделением зарядов, поэтому для их нейтрализации должен дополнительно создаваться компенсирующий поток электронов вдоль силовых линий магнитного поля.

Пространственное разделение ионов разных изотопов позволяет провести их рекомбинацию в достаточно удаленных и экранированных друг от друга частях установки, уменьшив возможность попадания одного изотопа на место сбора другого, и этим существенно повысить степень разделения.

Недостатками прототипа являются наличие протяженного участка неоднородного магнитного поля, увеличивающего затраты на магнитную систему при той же производительности установки, а также недостаточная эффективность ИЦР-нагрева, связанная с особенностями проникновения электрического поля в плазму.

Способ [9] может быть реализован в устройствах с различной конфигурацией неоднородного магнитного поля. Предмет предлагаемого изобретения устройство, реализующее способ разделения изотопов в плазме [9]

Техническим результатом изобретения является уменьшение размеров магнитной системы за счет уменьшения требуемого относительного смещения разделяемых плазменных потоков на участке дрейфа в тороидальном поле и повышение эффективности ИЦР-нагрева за счет уменьшения глубины проникновения в.ч.-поля в плазму.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для разделения изотопов, содержащем вакуумную камеру, источник плазмы, магнитную систему с участками однородного и неоднородного магнитного поля, в.ч. антенну и коллекторы плазмы, источник плазмы выполнен кольцевым, а в.ч.-антенна выполнена в виде системы кольцевых электронных эмиттеров, причем источник плазмы и система электронных эмиттеров расположены у торца соленоида однородного магнитного поля.

Таким образом, использование кольцевых плазменных потоков позволяет в несколько раз (отношение диаметра плазмы к толщине эквивалентного по площади кольца) уменьшить протяженность неоднородного магнитного поля, существенно упростив этим магнитную систему, и одновременно во столько же раз уменьшить необходимую глубину проникновения в.ч. поля в плазму, повысив этим эффективность ИЦР-нагрева. Усовершенствование технологий разделения изотопов весьма актуально связано с необходимостью расширения масштаба и ассортимента выпускаемого набора изотопически чистых материалов, стоимость которых не мировом рынке достаточно высока, так и с возросшими требованиями уменьшения энергозатрат, экологии среды и замены устаревших технологий на более эффективные и производительные.

Пример конкретной реализации заявляемого устройства приведен на фиг.1 и 2.

В устройство входят вакуумная камера 1 с фланцем для вакуумного насоса 2, источник плазмы 3, соленоид однородного магнитного поля 4, в.ч. антенна с электронными эмиттерами 5, дополнительная в.ч.-антенна 6, соленоид тороидального магнитного поля 7, коллекторный блок 8.

В качестве источника плазмы может использоваться кольцевой источник любого из отмеченных выше типов (с термической ионизацией, с.в.ч. ионизацией или использующий разряд постоянного тока), предназначенный для работы в сильном магнитном поле установки.

Устройство работает следующим образом. В вакуумной камере 1 создается рабочий вакуум с помощью насоса, подсоединенного к фланцу 2 ( 10-4 торр). Затем включаются источник плазмы 3 и эмиттеры электронов 5. При этом начинается ионизация рабочего вещества, состоящего из смеси различных изотопов. При включении соленоидов 4 и 7 формируются замагниченные потоки плазмы 9 и электронов 10, распространяющиеся вдоль магнитного поля. После формирования этих потоков включают в.ч.-генератор, соединенный с антеннами 5 и 6. Частота генератора устанавливается равной циклотронной частоте ионов выделяемого изотопа. В результате резонансного взаимодействия с электромагнитным полем ионы выделяемого изотопа увеличивают энергию ларморовкого вращения. В поле соленоида 7 происходит пространственное разделение плазмы на две фракции 11 и 12, отличающиеся температурами своих ионных компонент, связанное с разными скоростями дрейфа этих фракций в тороидальном поле соленоида 7 (скорость дрейфа перпендикулярна плоскости симметрии соленоида и пропорциональна поперечной энергии ионов). Чтобы разделение было полным, необходимо выполнение условия (7), где в качестве характерного размера в случае плазмы кольцевого сечения следует брать толщину кольца, а не диаметр плазмы, как в прототипе. Коллекторы 8, размещенные на выходе соленоида 7, служат для конденсации вещества обоих плазменных потоков.

Приведем характерные параметры предлагаемого устройства для разделения изотопов: магнитное поле до 1 Тл с неоднородностью в области нагрева около 1% частота в.ч. генератора до 1000 кГц при полосе около 1% величина электрического поля в плазме до 1 В/см, плотность плазмы 1012 - 1013 см-3 при температуре ионов в интервале (5 15) эВ, площадь поперечного сечения до 0,05 м2, длина установки около 2 м, средняя продольная скорость плазмы 10 м/с, производительность установки до 10 г/с при коэффициенте обогащения до 104.

Список литературы:

1. Tracy J.G. // Nucl.Instr. and Meth. in Phys. Res. 1989. A282 P. 261

2. Розен А.М. Техника разделения изотопов в колоннах. М. Атомиздат,

3. Peterson I. // Science News. 1982. 121. P. 327.

4. Итоги науки и техники. Сер. Физика плазмы. Т. 12 М. ВИНИТИ, 1991. - 83

5. Аскарьян Г.А. Намиот В.А. Рухадзе А.А. // Письма в ЖЭТФ. 1975. - 1. с. 820

6. Dawson J.M. Kim H.c. Arnush D. at all // Phys. Rev. Lett. 1976. - 37. P. 1547

7. La Fontaine A. C. Gill C. Louvet P. // Comp. Rend. 1989. 308. - P. 821.

8. Карчевский А. И. Лазько В.С. Муромкин Ю.А. и др. // Препринт ИАЭ. - 5239/7. М. ИАЭ, 1990. 16 с.

9. Белавин М. И. и др. Способ разделения изотопов в плазме. Заявка 4770389/21 (152208). Дата подачи 28.12.89.

Класс B01D59/44 разделение масс-спектрографией

способ определения изотопного состава метана -  патент 2461909 (20.09.2012)
меченые неорганические добавки -  патент 2430128 (27.09.2011)
устройство концентрирования примесей в гексафториде урана -  патент 2305586 (10.09.2007)
способ определения содержания примесей в ксеноне -  патент 2227291 (20.04.2004)
способ получения высокообогащенных изотопов с малым природным содержанием при их разделении в электромагнитном сепараторе -  патент 2193914 (10.12.2002)
способ определения изотопного состава трифторида бора -  патент 2166983 (20.05.2001)
масс-спектрометр ишкова -  патент 2143110 (20.12.1999)
плазменный масс-сепаратор -  патент 2080161 (27.05.1997)
устройство для конверсии кислорода -  патент 2056352 (20.03.1996)

Класс H01J49/26 масс-спектрометры или разделительные трубки

трубка для измерения подвижности ионов -  патент 2518055 (10.06.2014)
способ определения концентрации ванадия в атмосферном воздухе методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (варианты) -  патент 2466096 (10.11.2012)
способ определения изотопного состава метана -  патент 2461909 (20.09.2012)
статический масс-анализатор ионов -  патент 2456700 (20.07.2012)
способ определения изотопного состава гексафторида урана с помощью многоколлекторного масс-спектрометра -  патент 2337428 (27.10.2008)
способ определения эффекта "дискриминации" изотопного состава вещества в узлах многоколлекторного масс-спектрометра -  патент 2337427 (27.10.2008)
способ масс-спектрометрического анализа различных химических соединений -  патент 2321850 (10.04.2008)
способ масс-спектрометрического анализа твердого вещества -  патент 2315388 (20.01.2008)
блок коллектора спектрометра дрейфовой подвижности ионов -  патент 2293978 (20.02.2007)
спектрометр ионной подвижности -  патент 2293977 (20.02.2007)
Наверх