RU2108141C1

RU2108141C1 - Isotope separation plant

Info

Publication number: RU2108141C1
Application number: RU96115678/25A
Authority: RU
Inventors: В.И. Волосов; И.Н. Чуркин; А.В. Тимофеев
Original assignee: Институт ядерной физики СО РАН
Priority date: 1996-07-29
Filing date: 1996-07-29
Publication date: 1998-04-10

Abstract

FIELD: electrophysics, in particular, systems used for separation of isotopes, for instance, for separation of heavy isotopes. SUBSTANCE: plant uses an ion source based on a magnetic trap with rotating plasma, which allows to obtain a plasma flux of a small radial size (plasma size of the order of ion Larmor radius), ion-cyclotron resonance heating system with a solenoidal-type antenna providing for an effective heating of isotopic ions within the whose scope of plasma flux, and a system for collection of isotope fluxes on magnetic field curvilinear element making it possible to spatially separate heated and cold ions at employment of plasma flux of small radial size. EFFECT: enhanced capacity, reduced overall dimensions, separation of isotopes of different elements and enhanced degree of isotope separation. 1 dwg

Description

Изобретение относится к электрофизике, в частности к системам, служащим для разделения изотопов, например для разделения тяжелых изотопов (масса m>>1). The invention relates to electrophysics, in particular to systems serving for the separation of isotopes, for example for the separation of heavy isotopes (mass m >> 1).

Известно устройство, предназначенное для исследования разделения изотопов лития в плазме с помощью метода ионно-циклотронного резонансного (ИЦР)-нагрева искомого изотопа, состоящее из плазменного источника ионов, системы ВЧ (ИЦР)-нагрева ионов выделяемого изотопа, системы сбора нагретой ионной (изотопной) компоненты [1]. A device is known for studying the separation of lithium isotopes in plasma using the ion-cyclotron resonance (ICR) -heating method for the desired isotope, consisting of a plasma ion source, an RF (ICR) -heating system for the ions of the emitted isotope, and a collection system for heated ionic (isotope) components [1].

Однако известное устройство обладает рядом недостатков. В известном устройстве используется источник плазмы на основе дугового разряда в продольном магнитном поле, не обеспечивающий получение высокой плотности плазмы. Используемая винтовая антенна создает электрическое поле, зависящееся от продольной координаты, что снижает эффективность нагрева резонансных ионов [2]. Используемая система сбора изотопов состоит из открытых проводящих пластин, ориентированных параллельно направлению распространения плазмы, что не позволяет получать высокую степень разделения изотопов и соответственно снижает эффективность использования рабочего материала. However, the known device has several disadvantages. The known device uses a plasma source based on an arc discharge in a longitudinal magnetic field, which does not provide a high plasma density. The used helical antenna creates an electric field, depending on the longitudinal coordinate, which reduces the heating efficiency of resonant ions [2]. The used isotope collection system consists of open conductive plates oriented parallel to the direction of plasma propagation, which does not allow to obtain a high degree of isotope separation and, accordingly, reduces the efficiency of use of the working material.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному объекту по совокупности признаков является устройство для разделения изотопов в плазме, названное "масс-сепаратором", содержащее источник ионов, систему ионно-циклотронного резонансного нагрева, систему сбора изотопов, принятого за прототип [3]. The closest device of the same purpose to the claimed object in terms of features is a device for separating isotopes in a plasma, called a "mass separator", containing an ion source, an ion-cyclotron resonance heating system, an isotope collection system adopted as a prototype [3].

К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата в известной установке, принятой за прототип, относится то, что использование участка неоднородного магнитного поля, состоящего из двух отрезков тороидальных соленоидов, противоположных по знаку кривизны приводит к увеличению габаритных размеров установки и не улучшает селективности разделения изотопов. Полное разделение потока нагретых ионов и потока холодных ионов на первом отрезке тороидального соленоида может происходить лишь при условии, что поперечный размер камеры, в которой выдрейфовывают нагретые ионы, в несколько раз (в 3-5 и более раз) больше размера плазменного потока, выходящего из системы ионно-циклотронного резонансного нагрева. Второй отрезок тороидального соленоида возвращает поток нагретых ионов на ось установки, не улучшая сбор нагретых ионов и увеличивая размеры установки и энергозатраты на поддержание магнитного поля. The reasons that impede the achievement of the required technical result in a known installation adopted as a prototype include the fact that the use of a portion of an inhomogeneous magnetic field consisting of two segments of toroidal solenoids opposite in sign of curvature increases the overall dimensions of the installation and does not improve the selectivity of isotope separation. A complete separation of the heated ion stream and the cold ion stream in the first segment of the toroidal solenoid can occur only if the transverse size of the chamber in which heated ions drift is several times (3-5 or more times) larger than the size of the plasma stream exiting ion cyclotron resonance heating systems. The second segment of the toroidal solenoid returns the flow of heated ions to the axis of the installation, without improving the collection of heated ions and increasing the size of the installation and energy consumption to maintain the magnetic field.

Сущность изобретения заключается в увеличении производительности установки для разделения изотопов, уменьшении габаритных размеров установки и повышении ее универсальности, то есть разделении изотопов различных элементов, повышении степени разделения изотопов. The invention consists in increasing the productivity of the installation for isotope separation, reducing the overall dimensions of the installation and increasing its versatility, that is, the separation of isotopes of various elements, increasing the degree of separation of isotopes.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известной установке, содержащей источник ионов, систему ионно-циклотронного резонансного нагрева с ВЧ-антенной, систему сбора изотопов, имеющую криволинейный участок магнитного поля, впервые применяются источник ионов на основе магнитной ловушки с вращающейся плазмой [4] и система ионно-циклотронного резонансного нагрева с ВЧ-антенной соленоидального типа, нагревающей изотопные ионы во всем объеме плазменного потока. The specified technical result in the implementation of the invention is achieved by the fact that in a known installation containing an ion source, an ion-cyclotron resonance heating system with an RF antenna, an isotope collection system having a curved section of a magnetic field, an ion source based on a magnetic trap with a rotating plasma is used for the first time [4] and a system of ion-cyclotron resonant heating with a high-frequency antenna of the solenoidal type that heats isotopic ions in the entire plasma flow volume.

Изложенная выше совокупность признаков обеспечивает достижение указанного технического результата, то есть позволяет осуществлять разделение изотопов с лучшими энергетическими параметрами, повышенной производительностью. Данное изобретение позволяет уменьшить габаритные размеры установки и повысить ее универсальность, то есть разделение изотопов различных элементов. The above set of features ensures the achievement of the specified technical result, that is, it allows the separation of isotopes with the best energy parameters, high productivity. This invention allows to reduce the overall dimensions of the installation and increase its versatility, that is, the separation of isotopes of various elements.

Источник создает плазменный поток малого радиального размера, ВЧ- антенна соленоидального типа эффективно нагревает изотопные ионы во всем объеме потока, участок криволинейного магнитного поля позволяет пространственно развести нагретые и холодные ионы в плазменном потоке малого радиального размера [5]. The source creates a plasma stream of small radial size, the RF antenna of the solenoidal type efficiently heats isotopic ions in the entire volume of the stream, a portion of the curved magnetic field allows spatially dissolving heated and cold ions in a plasma stream of small radial size [5].

Все вышеуказанное обуславливает причинно-следственную связь между признаками и техническим результатом и существенность признаков формулы изобретения. All of the above causes a causal relationship between the features and the technical result and the materiality of the features of the claims.

Проведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения. The analysis of the prior art by the applicant made it possible to establish that the applicant has not found an analogue characterized by features identical to all the essential features of the claimed invention.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству. Therefore, the claimed invention meets the requirement of "novelty" under applicable law.

Дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными признаками заявленного изобретения, показывает, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата. An additional search for known solutions in order to identify features that match the distinctive features of the claimed invention shows that the claimed invention does not follow explicitly from the prior art for a specialist, since the influence of the transformations provided for by the essential features of the claimed invention is not revealed on the prior art, achievement of a technical result.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "изобретательский уровень" по действующему законодательству. Therefore, the claimed invention meets the requirement of "inventive step" under applicable law.

На чертеже представлена схема заявленного устройства, где изображена конструкция установки для разделения изотопов: 1- плазменный источник, 2 - плазменный поток малого радиального размера, 3 - катушки магнитного поля системы ионно-циклотронного резонансного нагрева, 4 - ВЧ-антенна соленоидального типа системы ионно-циклотронного резонансного нагрева, 5 - катушки участка криволинейного магнитного поля системы сбора изотопов, 6 - сборник нагретых ионов выделяемого изотопа, 7 - сборник холодных ионов, 8 - вакуумная камера. The drawing shows a diagram of the claimed device, which shows the design of the installation for isotope separation: 1 - a plasma source, 2 - a plasma stream of small radial size, 3 - magnetic field coils of the ion-cyclotron resonant heating system, 4 - RF antenna of the solenoidal type of the ion-ion system cyclotron resonance heating, 5 — coils of a section of a curved magnetic field of an isotope collection system, 6 — a collection of heated ions of an emitted isotope, 7 — a collection of cold ions, 8 — a vacuum chamber.

Последовательно с источником 1 расположена система ионно-циклотронного резонансного нагрева, состоящая из катушек магнитного поля 3, ВЧ-антенны соленоидального типа 4. Последовательно с системой ионно-циклотронного резонансного нагрева расположена система сбора изотопов, состоящая из катушек 5, создающих криволинейное магнитное поле, и сборников изотопов 6 и 7. Элементы 1, 4, 6, 7 расположены в вакуумной камере 8. In series with source 1, there is an ion-cyclotron resonance heating system consisting of magnetic field coils 3, an RF antenna of solenoid type 4. In series with an ion-cyclotron resonant heating system, an isotope collection system consisting of coils 5 creating a curved magnetic field is located, and collections of isotopes 6 and 7. Elements 1, 4, 6, 7 are located in the vacuum chamber 8.

Используемый в конструкции источник ионов 1 создает плазменный поток малого радиального размера 2. Образующаяся вблизи катода источника плотная плазма вытекает вдоль силовых линий магнитного поля, ее размеры ограничены размерами выпускного патрубка. Характерный радиальный размер плазменного потока порядка 3-10 см, плотность плазмы порядка 10¹²см^-3. Может быть получен плазменный поток любых тяжелых ионов.The ion source 1 used in the construction creates a plasma stream of small radial size 2. The dense plasma formed near the source cathode flows along the magnetic field lines, its size is limited by the size of the outlet pipe. The characteristic radial size of the plasma stream is about 3-10 cm, and the plasma density is about 10 ¹² cm ^-3 . A plasma stream of any heavy ions can be obtained.

ВЧ-антенна соленоидального типа 4 создает в однородном магнитном поле вихревое электрическое поле. В области плазменного потока эффективность нагрева резонансных ионов достаточно высока. Преимуществом этой антенны является однородность азимутального высокочастотного (ВЧ) электрического поля вдоль оси системы. The solenoidal RF antenna 4 creates a vortex electric field in a uniform magnetic field. In the region of the plasma flow, the heating efficiency of resonant ions is quite high. The advantage of this antenna is the uniformity of the azimuthal high-frequency (HF) electric field along the axis of the system.

Система сбора изотопов на участке криволинейного магнитного поля позволяет эффективно разводить в пространстве потоки нагретых и холодных ионов в плазме малого радиального размера. Нагретые ионы выдрейфовывают из плазмы в перпендикулярном оси установки направлении и попадает в сборники 6, расположенные в вакуумной камере на криволинейном участке. Остальная часть ионов (отвал) попадают на сборник 7, расположенный на выходном торце установки. The isotope collection system in the area of a curved magnetic field makes it possible to efficiently dilute in space flows of heated and cold ions in a plasma of small radial size. Heated ions drift from the plasma in the direction perpendicular to the axis of the installation and fall into collectors 6 located in a vacuum chamber in a curved section. The rest of the ions (dump) fall on the collection 7, located on the output end of the installation.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности условий. Thus, the above information indicates the fulfillment of the following set of conditions when using the claimed invention.

Средство, воплощяющее заявленное изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в промышленности именно для получения изотопов различных элементов, в том числе и тяжелых. The tool embodying the claimed invention in its implementation is intended for use in industry specifically for the production of isotopes of various elements, including heavy ones.

Для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте нижеизложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов. For the claimed invention as described in the independent clause of the claims below, the possibility of its implementation using the means and methods described above or known prior to the priority date is confirmed.

Средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата. The tool embodying the claimed invention in its implementation is capable of achieving the achievement of the technical result perceived by the applicant.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "промышленная применимость" по действующему законодательству. Therefore, the claimed invention meets the requirement of "industrial applicability" under applicable law.

Литература. Literature.

1. Карчевский А.И. и др. Препринт ИАЭ-5239/7. М.: ИАЭ.1990
2. Панов Д.А и Тимофеев А.В. Физика плазмы, 1995, т.21, N11, С.1-7.1. Karchevsky A.I. and others. Preprint IAE-5239/7. M .: IAE. 1990
2. Panov D.A. and Timofeev A.V. Plasma Physics, 1995, v.21, N11, C.1-7.

3. Жильцов В.А. и др., Плазменный сепаратор. Заявка N 92015800/25, кл.H 01 J 49/40, приоритет 30.12.92. 3. Zhiltsov V.A. et al., Plasma separator. Application N 92015800/25, class H 01 J 49/40, priority 30.12.92.

4. Волосов В. И. Источник ионов. Заявка N 93008687/25 (007709), приоритет от 15.02.93. 4. Volosov V. I. Source of ions. Application N 93008687/25 (007709), priority from 02.15.93.

5. Белавин М.И, Звонков А.В. и Тимофеев А.В. А.с. 4770389/21, приоритет от 28.12.89. 5. Belavin M.I., Zvonkov A.V. and Timofeev A.V. A.S. 4770389/21, priority from 12.28.89.

Claims

An isotope separation apparatus containing an ion source, an ion-cyclotron resonance heating system with an RF antenna, an isotope collection system having a curved magnetic field portion, characterized in that an ion source based on a magnetic trap with a rotating plasma and an ion-cyclotron resonance system are used heating with a high-frequency antenna of the solenoidal type, heating isotopic ions in the entire volume of the plasma stream.