RU2158168C1

RU2158168C1 - Process of separation of isotopes of samarium in electromagnetic separator with use of ion source

Info

Publication number: RU2158168C1
Application number: RU99122529/12A
Authority: RU
Inventors: Л.А. Поляков; А.Н. Татаринов; Ю.А. Монастырев; С.Г. Огородников
Original assignee: Комбинат "Электрохимприбор"
Priority date: 1999-10-27
Filing date: 1999-10-27
Publication date: 2000-10-27

Abstract

FIELD: production of highly enriched isotopes of samarium on industrial scale. SUBSTANCE: working medium-metal samarium is placed into melting pot of ion source and is heated to vaporous state. Vapors are ionized in gaseous-discharge chamber under action of electron emission from hot cathode. Ion beams are formed by electrodes of ion-optical system, are divided and focused in magnetic field. Ions are trapped by boxes of collector. On termination of process boxes are taken away. Isotopes are removed by method of anode pickling. Enrichment by isotopes in per cent is: Sm-144=93.7; Sm-147=96.0; Sm-148= 93.6; Sm-149= 96.6; Sm-150=95.0; Sm- 152=98.6; Sm-154=98.9. EFFECT: increased productivity of process. 1 tbl

Description

Изобретение относится к технологии электромагнитного разделения изотопов химических элементов, а точнее к электромагнитному разделению изотопов самария. The invention relates to the technology of electromagnetic separation of isotopes of chemical elements, and more specifically to electromagnetic separation of isotopes of samarium.

Изобретение наиболее эффективно может быть использовано для промышленного электромагнитного разделения стабильных изотопов самария: самария-144, самария-147, самария-148, самария-149, самария-150, самария-152, самария-154. The invention can be most effectively used for industrial electromagnetic separation of stable isotopes of samarium: samarium-144, samarium-147, samarium-148, samarium-149, samarium-150, samarium-152, samarium-154.

Известен способ разделения изотопов химических элементов, применяемый для промышленного электромагнитного разделения изотопов, предусматривающий нагрев тигля с рабочим веществом и газоразрядной камеры тепловым излучением от нагревателей активного сопротивления до образования пара рабочего вещества, ионизацию молекул пара 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 г.). A known method for the separation of isotopes of chemical elements used for industrial electromagnetic separation of isotopes, which involves heating the crucible with the working substance and the gas discharge chamber by heat radiation from heaters of the active resistance to form steam of the working substance, ionization of the vapor molecules in the gas discharge chamber from which ions are extracted and formed into ion a beam separated and focused by a magnetic field in accordance with the mass of isotopes and captured by the receiver boxes (N.A. Kashcheev., V.A. De Rgachev, "Electromagnetic Isotope Separation and Isotope Analysis", M., Energoatomizdat, 1989).

Одним из недостатков указанного способа является то, что он недостаточно эффективен для разделения редкоземельных элементов, когда в качестве рабочего вещества используются их соединения с галогенами. One of the disadvantages of this method is that it is not effective enough for the separation of rare earth elements when their compounds with halogens are used as the working substance.

Недостаток известного способа разделения изотопов самария в электромагнитном сепараторе с использованием источника ионов заключается также в том, что технический результат неудовлетворителен ввиду низкой производительности способа и получения невысокого обогащения улавливаемых изотопов. Это вызвано длительным обезгаживанием рабочего вещества вследствие его гигроскопичности, а также нестабильностью работы источника, обусловленной следующими факторами:
1) наличием режимов с низкочастотными колебаниями тока и напряжения дугового разряда, вызывающими ухудшение фокусировки;
2) частыми пробоями и паразитными переменными токовыми утечками между электродами ионно-оптической системы или между электродами и корпусом оборудования;
3) необходимостью частой настройки на рабочие режимы из-за малого времени работы источников.A disadvantage of the known method for the separation of samarium isotopes in an electromagnetic separator using an ion source is that the technical result is unsatisfactory due to the low productivity of the method and obtaining a low enrichment of the captured isotopes. This is caused by prolonged degassing of the working substance due to its hygroscopicity, as well as the instability of the source, due to the following factors:
1) the presence of modes with low-frequency fluctuations in current and voltage of the arc discharge, causing a deterioration in focusing;
2) frequent breakdowns and stray alternating current leaks between the electrodes of the ion-optical system or between the electrodes and the equipment case;
3) the need for frequent tuning to operating modes due to the short operating time of sources.

Другим недостатком известного способа является высокая химическая активность треххлористого самария, реагирующего с конструкционными материалами, требующая использования дополнительных мер их защиты. Another disadvantage of this method is the high chemical activity of samarium trichloride, reacting with structural materials, requiring the use of additional measures to protect them.

Технический результат изобретения - улучшение фокусировки, увеличение обогащения разделяемых изотопов самария и повышение производительности электромагнитного метода разделения. The technical result of the invention is improving focus, increasing the enrichment of the separated samarium isotopes and increasing the performance of the electromagnetic separation method.

Поставленная цель достигается тем, что в качестве рабочего вещества используется металлический самарий. Данное рабочее вещество не гигроскопично, не реагирует с конструкционными материалами источника, образует давление паров, достаточное для поддержания устойчивого горения дуги разряда в диапазоне температур 900 - 1000^oC, и обеспечивает стабильную работу источника.This goal is achieved by the fact that metal samarium is used as the working substance. This working substance is not hygroscopic, does not react with structural materials of the source, generates vapor pressure sufficient to maintain stable combustion of the discharge arc in the temperature range 900 - 1000 ^o C, and ensures stable operation of the source.

Проведенный анализ общедоступных источников информации об уровне техники не позволил выявить техническое решение, тождественное заявленному, на основании чего делается вывод о неизвестности последнего, т.е. соответствии представленного в настоящей заявке изобретения критерию "новизна". The analysis of publicly available sources of information on the prior art did not allow to identify a technical solution identical to the declared one, on the basis of which it is concluded that the latter is unknown, i.e. compliance presented in this application of the invention with the criterion of "novelty."

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". A comparative analysis of the claimed solution with known technical solutions revealed that the presented set of distinctive features is unknown to a person skilled in the art and does not follow explicitly from the prior art, on the basis of which it is concluded that the invention presented in this application meets the criterion of "inventive step".

Для пояснения изобретения ниже представлен пример осуществления способа разделения изотопов самария в электромагнитном сепараторе с использованием источника ионов. Для эксперимента использовалась одна из разделительных камер электромагнитного сепаратора "СУ-20" комбината "Электрохимприбор", г. Лесной, Свердловской области. Навеску металлического самария размещали в тигле источника ионов. После установки источника и семикоробочного приемника в разделительную камеру сепаратора производили откачку камеры вакуумными насосами до давления (0,7 - 1,5) • 10^-3 Па и высоковольтную тренировку источника до напряжения 31-32 кВ.To explain the invention, an example of a method for separating samarium isotopes in an electromagnetic separator using an ion source is presented below. For the experiment, one of the separation chambers of the SU-20 electromagnetic separator of the Elektrokhimpribor combine, the city of Lesnoy, Sverdlovsk Region, was used. A portion of metallic samarium was placed in the crucible of the ion source. After installing the source and the seven-box receiver in the separation chamber of the separator, the chamber was pumped out with vacuum pumps to a pressure of (0.7 - 1.5) • 10 ^-3 Pa and a high-voltage source training to a voltage of 31-32 kV.

С целью получения электронного пучка в газоразрядной камере источника подавали напряжения на катодный блок, обеспечивающие: ток через нить накала - 65 - 70 А, напряжение между нитью и термокатодом - 0,8 - 1,0 кВ, ток эмиссии - 0,5 - 0,6 А. При токе дугового разряда 0,8 - 1,5 А и напряжении разряда 150 - 250 В осуществлялась ионизация паров рабочего вещества, образование которых происходило при мощности нагревателя 1300 - 1500 Вт. In order to obtain an electron beam in the gas discharge chamber of the source, voltages were applied to the cathode block, providing: current through the filament - 65 - 70 A, voltage between the filament and thermal cathode - 0.8 - 1.0 kV, emission current - 0.5 - 0 , 6 A. At an arc discharge current of 0.8 - 1.5 A and a discharge voltage of 150 - 250 V, the vaporization of the working substance was carried out, the formation of which occurred at a heater power of 1300 - 1500 W.

Образующиеся ионы самария с помощью ионно-оптической системы вытягивались через щель газоразрядной камеры и формировались в ионный пучок, который под действием ускоряющего напряжения и постоянного магнитного поля 3000 Э в камере разделялся на семь ионных пучков изотопов в соответствии с массами ионов. Данные пучки изотопов фокусировались магнитным полем в фокальной плоскости, в которой помещались входы в коробки приемника. Using the ion-optical system, the resulting samarium ions were pulled out through the slit of the gas discharge chamber and formed into an ion beam, which, under the action of an accelerating voltage and a constant magnetic field of 3000 Oe, was divided into seven ion isotope beams in the chamber in accordance with the ion masses. These isotope beams were focused by a magnetic field in the focal plane in which the entrances to the receiver boxes were placed.

После накопления приемники вынимали из разделительной камеры, методом анодного травления производили съем изотопов из коробок, полученный изотопно-обогащенный раствор анализировали на обогащение и перерабатывали до конечного продукта. After accumulation, the receivers were removed from the separation chamber, the isotopes from the boxes were removed by the method of anodic etching, the resulting isotope-enriched solution was analyzed for enrichment and processed to the final product.

В процессе экспериментального и опытно-промышленного разделения на промышленном электромагнитном сепараторе "СУ-20" комбината "Электрохимприбор", г. Лесной, Свердловской области в общей сложности получено: изотопа Sm-144 с обогащением 93,7% - 40 г; изотопа Sm-147 с обогащением 96,0% - 230 г; изотопа Sm-148 с обогащением 93,6% - 150 г; изотопа Sm-149 с обогащением 96,6% - 180 г; изотопа Sm-150 с обогащением 95,0% - 100 г; изотопа Sm-152 с обогащением 98,6% - 390 г; изотопа Sm-154 с обогащением 98,9% - 340 г. In the process of experimental and experimental-industrial separation at the industrial electromagnetic separator "SU-20" of the plant "Electrochempribor", the city of Lesnoy, Sverdlovsk region, a total of: Sm-144 isotope with an enrichment of 93.7% - 40 g; isotope Sm-147 with an enrichment of 96.0% - 230 g; isotope Sm-148 with enrichment of 93.6% - 150 g; isotope Sm-149 with an enrichment of 96.6% - 180 g; isotope Sm-150 with an enrichment of 95.0% - 100 g; isotope Sm-152 with an enrichment of 98.6% - 390 g; isotope Sm-154 with an enrichment of 98.9% - 340 g.

В таблице для сравнения приведены основные параметры существующего способа разделения изотопов самария по прототипу и по заявляемому техническому решению, а также обогащение по изотопам. The table for comparison shows the main parameters of the existing method of separation of samarium isotopes according to the prototype and according to the claimed technical solution, as well as enrichment by isotopes.

Предложенный способ разделения изотопов самария в электромагнитном сепараторе с использованием источника ионов по сравнению с существующими методами показал свою высокую эффективность в получении технико-экономического результата. Использование на практике заявляемого технического решения позволяет улучшить фокусировку и увеличить обогащение разделяемых изотопов самария. The proposed method for the separation of samarium isotopes in an electromagnetic separator using an ion source compared with existing methods has shown its high efficiency in obtaining a technical and economic result. The practical application of the proposed technical solution can improve focus and increase the enrichment of the shared samarium isotopes.

Способ позволяет также поднять производительность электромагнитной установки. Это дает возможность эффективно использовать указанный способ для промышленного электромагнитного разделения изотопов самария и получения изотопов: Sm-144, Sm-147, Sm-148, Sm-149, Sm-150, Sm-152 и Sm-154 в большем количестве и с более высоким обогащением. The method also allows you to increase the performance of the electromagnetic installation. This makes it possible to effectively use this method for industrial electromagnetic separation of samarium isotopes and the production of isotopes: Sm-144, Sm-147, Sm-148, Sm-149, Sm-150, Sm-152 and Sm-154 in larger quantities and with more high enrichment.

Реализация заявленного технического решения возможна на существующем оборудовании без дополнительного обучения персонала навыкам работы. The implementation of the claimed technical solution is possible on existing equipment without additional staff training in work skills.

Claims

A method for separating samarium isotopes in an electromagnetic separator using an ion source, including placing the working substance in the crucible of the ion source, heating the working substance to a vapor state, ionizing the working substance vapors in the gas discharge chamber of the source under the influence of electron emission from the thermal cathode, forming the ion beam by ion-optical electrodes systems, separation and focusing of ion beams of isotopes in a magnetic field, ion capture by receiver boxes, characterized in that in quality e working substance using metal samarium.