RU2158172C1

RU2158172C1 - Process of separation of isotopes of potassium in electromagnetic separator with use of ion source

Info

Publication number: RU2158172C1
Application number: RU99124031/12A
Authority: RU
Inventors: Л.А. Поляков; А.Н. Татаринов; Ю.А. Монастырев; С.Г. Огородников; А.Г. Каташев
Original assignee: Комбинат "Электрохимприбор"
Priority date: 1999-11-16
Filing date: 1999-11-16
Publication date: 2000-10-27

Abstract

FIELD: production of highly enriched isotopes of potassium on industrial scale. SUBSTANCE: working medium-finely dispersed iron and K₃PO₄ ( mass relation 1:(6-7) correspondingly ) is placed into melting pot of ion source and is heated to steamlike state. Steams are ionized in gaseous-discharge chamber under action of electron emission from thermionic cathode. Ion beams are formed by electrodes of ion-optical system, are divided and focused in magnetic field. Ions are trapped by means of boxes of collector. On termination of process collectors are removed. Isotopes are removed by method of anode pickling. Isotope enrichment in per cent is : K-39=99.97; K- 40=89.0; K-41=99.0. EFFECT: increased productivity of proposed process. 1 cl, 1 tbl

Description

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

Изобретение наиболее эффективно может быть использовано для промышленного электромагнитного разделения стабильных изотопов калия: калия - 39, калия - 40, калия - 41. The invention can most effectively be used for industrial electromagnetic separation of stable potassium isotopes: potassium - 39, potassium - 40, potassium - 41.

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). A known method for the separation of isotopes of chemical elements, used for industrial electromagnetic separation of isotopes, providing for the heating of the crucible with the working substance and the gas discharge chamber by thermal radiation from heaters of active resistance to the formation of steam working substance. Ionization of vapor molecules in a gas discharge chamber, from which ions are extracted and formed into an ion beam, separated and focused by a magnetic field in accordance with the mass of isotopes and trapped by the receiver boxes (N. A. Kashcheev, V. A. Dergachev. Electromagnetic isotope separation and isotope analysis . - M .: Energoatomizdat, 1989).

Одним из недостатков указанного способа является то, что он недостаточно эффективен для разделения химических элементов, атомы которых обладают низким потенциалом ионизации. One of the disadvantages of this method is that it is not effective enough to separate chemical elements whose atoms have a low ionization potential.

Недостатком этого способа разделения изотопов калия также является то, что технический результат неудовлетворительный ввиду получения низкого обогащения улавливаемых изотопов. Это обусловлено нестабильностью работы источника и неудовлетворительной фокусировкой, вызванными частыми пробоями и паразитными переменными токовыми утечками между электродами ионно-оптической системы или между электродами и корпусом оборудования. Реакция K₃PO₄ и мелкодисперсного алюминия имеет пороговый характер, экзотермична и трудноуправляема. При достижении пороговой температуры начала реакции происходит дополнительный саморазогрев вещества, неравномерное парообразование калия, который в виде нейтральных молекул осаждается на деталях источника и внутрикамерного оборудования и, обладая низким потенциалом ионизации, активирует их, что приводит к пробоям высокого напряжения и токовым утечкам. Снижение мощности нагрева на незначительную величину приводит уже к прекращению реакции и погасанию дугового разряда. Изменение соотношения между компонентами исходной смеси не дает существенного положительного эффекта.The disadvantage of this method of separating potassium isotopes is that the technical result is unsatisfactory due to the low enrichment of the captured isotopes. This is due to the instability of the source and poor focusing caused by frequent breakdowns and spurious alternating current leaks between the electrodes of the ion-optical system or between the electrodes and the equipment case. The reaction of K ₃ PO ₄ and finely divided aluminum has a threshold character, exothermic and difficult to control. When the threshold temperature for the onset of the reaction is reached, additional self-heating of the substance occurs, non-uniform vaporization of potassium, which in the form of neutral molecules is deposited on the parts of the source and in-chamber equipment and, having a low ionization potential, activates them, which leads to high voltage breakdowns and current leakages. A decrease in the heating power by an insignificant amount already leads to the termination of the reaction and the extinction of the arc discharge. Changing the ratio between the components of the initial mixture does not give a significant positive effect.

Технический результат изобретения - получение более высокого обогащения разделяемых изотопов калия. The technical result of the invention is to obtain a higher enrichment of the shared potassium isotopes.

Поставленная цель достигается тем, что в качестве рабочего вещества используется смесь мелкодисперсного железа и ортофосфата калия (K₃PO₄). При этом смесь мелкодисперсного железа и K₃PO₄ берется в пропорции 1:6-7 соответственно. При нагреве данного рабочего вещества реакция замещения атомов калия в тигле источника происходит значительно более плавно, без резких выбросов паров калия в газоразрядную камеру источника и в разделительную камеру сепаратора, что существенно облегчает регулирование процесса парообразования и режимов работы источника для обеспечения лучшей фокусировки.This goal is achieved in that as a working substance, a mixture of finely divided iron and potassium orthophosphate (K ₃ PO ₄ ) is used. The mixture of finely divided iron and K ₃ PO ₄ is taken in a ratio of 1: 6-7, respectively. When this working substance is heated, the reaction of substitution of potassium atoms in the crucible of the source occurs much more smoothly, without sharp emissions of potassium vapor into the gas discharge chamber of the source and into the separation chamber of the separator, which greatly facilitates the regulation of the process of vaporization and the operating modes of the source to ensure better focusing.

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 калия 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 мелкодисперсного железа и K₃PO₄ размещали в горизонтально расположенном тигле из стали марки 12Х18Н10Т источника ионов, имеющего два нагревателя: для нагрева газоразрядной камеры и для нагрева тигля. После установки источника и трехкоробочного приемника в разделительную камеру сепаратора производили откачку камеры вакуумными насосами до давления (1 - 2)•10^-3 Па и высоковольтную тренировку источника до напряжения 32 - 33 кВ.To explain the invention, an example of a method for separating potassium 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 finely divided iron and K ₃ PO ₄ was placed in a horizontally placed crucible made of steel grade 12X18H10T of an ion source having two heaters: for heating the gas discharge chamber and for heating the crucible. After installing the source and the three-box receiver in the separation chamber of the separator, the chamber was pumped out with vacuum pumps to a pressure of (1–2) • 10 ^-3 Pa and a high-voltage source training to a voltage of 32–33 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 0,6-1,0 А и напряжении разряда 200 - 300 В осуществлялась ионизация паров калия, образование которых происходило при мощности нагревателя газоразрядной камеры 500 - 600 Вт и при мощности нагревателя тигля 1200 - 1500 Вт. In order to obtain an electron beam, a voltage was applied to the cathode block in the gas discharge chamber of the source, providing: a current through the filament — 65–70 A, a voltage between the filament and a thermal cathode — 0.8–1.0 kV, an emission current of 0.5–0 , 6 A. At an arc discharge current of 0.6-1.0 A and a discharge voltage of 200 - 300 V, potassium vapor was ionized, the formation of which occurred at a gas discharge chamber heater power of 500 - 600 W and a crucible heater power of 1200 - 1500 W.

Образующиеся ионы калия с помощью ионно-оптической системы вытягивались через щель газоразрядной камеры и формировались в ионный пучок, который под действием ускоряющего напряжения и постоянного магнитного поля 1750 Э в камере разделялся на три ионных пучка 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 potassium ions were pulled 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 1750 Oe, in the chamber was divided into three ion beams of isotopes 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 изотопнообогащенный раствор анализировали на обогащение и перерабатывали до конечного продукта. After accumulation, the receivers were removed from the separation chamber, the isotopes were removed from the boxes by the method of anodic etching, the obtained isotopically 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 (переработано до готового продукта):
изотопа К-39 с обогащением 99,96% - 650 г; изотопа К-40 с обогащением 5,8% - 2 г; изотопа К-41 с обогащением 98,3% - 46 г.In the process of experimental and pilot industrial separation at the industrial electromagnetic separator "SU-20" of the plant "Electrochempribor", the city of Lesnoy, Sverdlovsk region, a total of received (processed to the finished product):
isotope K-39 with an enrichment of 99.96% - 650 g; isotope K-40 with enrichment of 5.8% - 2 g; isotope K-41 with an enrichment of 98.3% - 46 g.

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

Предложенный способ разделения изотопов калия в электромагнитном сепараторе с использованием источника ионов по сравнению с существующими методами показали свою высокую эффективность в получении технико-экономического результата. Использование на практике заявляемого технического решения позволяет стабилизировать работу источника ионов, улучшить фокусировку и увеличить обогащение разделяемых изотопов калия. The proposed method for the separation of potassium 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 allows you to stabilize the ion source, improve focus and increase the enrichment of the separated potassium isotopes.

Это дает возможность эффективно использовать указанный способ для промышленного электромагнитного разделения изотопов калия и получения изотопов К-39, К-40, К-41 с более высоким обогащением без снижения производительности установки. This makes it possible to effectively use this method for industrial electromagnetic separation of potassium isotopes and to obtain isotopes K-39, K-40, K-41 with higher enrichment without reducing the performance of the installation.

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

1. The method of separation of potassium 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 form potassium vapor, ionizing the potassium vapor in the gas discharge chamber of the source under the influence of electron emission from the thermal cathode, forming the ion beam by ion electrodes optical system, separation and focusing of ion beams of isotopes in a magnetic field, ion capture by receiver boxes, characterized in that as a working The companies use a mixture of finely divided iron and potassium orthophosphate K ₃ PO ₄ .

2. The method according to claim 1, characterized in that the composition of the mixture of finely divided iron and K ₃ PO _{4 is} selected in a ratio of 1: 6 - 7, respectively.