RU2195360C2

RU2195360C2 - Method of isotopes separation

Info

Publication number: RU2195360C2
Application number: RU2000107927A
Authority: RU
Inventors: А.Е. Дубинов; И.Ю. Корнилова; К.Е. Михеев; В.Д. Селемир
Original assignee: Министерство Российской Федерации по атомной энергии
Priority date: 2000-04-03
Filing date: 2000-04-03
Publication date: 2002-12-27

Abstract

FIELD: physics of plasma; applicable in physical researches, medicine, biology and agriculture. SUBSTANCE: mixture of isotopes subject to separation is ionized. Highly ionized plasma with density of 10¹¹ cm^-3 and temperature of 5•10³ K is supplied at velocity of 1.4•10³ m/s to device for isotopes separation whose magnetic system consists of solenoid 7 and core 6 of ferrite. Magnetic system sets up magnetic field with asymmetrically corrugated profile of value of longitudinal component of magnetic field intensity. Said system, in particular case, may be made in the form of coil with core in the form of cylinder whose internal surface in longitudinal section is serrate whose one slope is a sleeper. Applied to electrode 4 is variable electromagnetic field with frequency exceeding the critical one. Amplitude of electromagnetic field is selected such as to provide only for ions of heavy isotope possibility of overcoming the potential barrier associated with magnetic field corrugation after application of negative voltage to right-hand plate. Ions of heavy isotopes drift to left-hand and are gathered on collector 5, and ions of light isotopes remain in volume of magnetic system and precipitate on walls of vacuum chamber 3. Invention allows separation of isotopes of various types with no use of complicated devices for heating of plasma and adjustment of its frequency. EFFECT: higher efficiency. 2 dwg

Description

Изобретение относится к физике плазмы, а именно к методам разделения изотопов в плазме. Изотопы находят широкое применение, например, в медицине, биологии, сельском хозяйстве, физических исследованиях. The invention relates to plasma physics, and in particular to methods for the separation of isotopes in plasma. Isotopes are widely used, for example, in medicine, biology, agriculture, physical research.

Известен способ разделения изотопов в газовых колоннах [1] (Розен A.M. Теория разделения изотопов в колоннах. М.: ИИЛ, 1960), например масс-диффузия, включающий перевод смеси изотопов в газовую фазу, частичное диффундирование газа в противоточную струю пара, обогащение легким изотопом увлекаемой паром части газа, вывод из колонны и последующее отделение от пара обогащенной части газа. A known method for the separation of isotopes in gas columns [1] (Rosen AM Theory of separation of isotopes in columns. M: IIL, 1960), for example, mass diffusion, including the conversion of a mixture of isotopes into the gas phase, partial diffusion of gas into a countercurrent jet of steam, enrichment with light the isotope of the part of the gas carried away by the steam, withdrawal from the column and subsequent separation of the enriched part of the gas from the vapor.

Этот способ, как и остальные способы разделения изотопов в газовых колоннах, характеризуется низким коэффициентом разделения изотопов. Недостатками этого способа являются также невозможность разделения изотопов химических элементов, не образующих устойчивые газообразные соединения, и необходимость значительного количества разделяемой смеси. This method, like other methods of isotope separation in gas columns, is characterized by a low isotope separation coefficient. The disadvantages of this method are the inability to separate the isotopes of chemical elements that do not form stable gaseous compounds, and the need for a significant amount of the mixture to be separated.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ разделения изотопов при помощи селективного ионно-циклотронного нагрева ионов одного из изотопов высокочастотным (ВЧ) полем [2] (Dawson J.M., Кim Н.С., Arnush D. et al. Isotope Separation in Plasmas by Use of ion Cyclotron Resonance // Phys. Rev. Lett. 1976. Vol. 37, 23. P. 1547), включающий перевод в плазменное состояние смеси изотопов, пространственную сепарацию изотопов по массам в однородном магнитном поле под воздействием ВЧ-поля с частотой, равной циклотронной частоте выделяемого изотопа и сбор необходимой фракции. Closest to the claimed method is a method for separating isotopes using selective ion-cyclotron heating of the ions of one of the isotopes with a high-frequency (HF) field [2] (Dawson JM, Kim N. S., Arnush D. et al. Isotope Separation in Plasmas by Use of ion Cyclotron Resonance // Phys. Rev. Lett. 1976. Vol. 37, 23. P. 1547), which includes the transfer to the plasma state of a mixture of isotopes, the spatial separation of isotopes by mass in a uniform magnetic field under the influence of an RF field with a frequency, equal to the cyclotron frequency of the allocated isotope and the collection of the required fraction.

В результате воздействия ВЧ-поля происходит существенное увеличение поперечной энергии ионов целевого изотопа, в то время как прирост поперечной энергии ионов остальных изотопов является незначительным. Разделение изотопов происходит при помощи системы коллекторных пластин, параллельных направлению потока и магнитного поля, расположенной на выходе из зоны нагрева. На коллекторные пластины подается запирающий положительный потенциал такой величины, чтобы преодолеть его могли только высокоэнергетические ионы. Таким образом, коллекторными пластинами улавливаются преимущественно ионы выделяемого изотопа, в то время как ионы, не попавшие на пластины, собираются коллектором обедненного плазменного потока, расположенным за пластинами. As a result of exposure to the RF field, a significant increase in the transverse energy of the ions of the target isotope occurs, while the increase in the transverse energy of the ions of the other isotopes is insignificant. Isotope separation occurs using a system of collector plates parallel to the direction of flow and the magnetic field located at the outlet of the heating zone. A locking positive potential of such a magnitude that only high-energy ions can overcome it is supplied to the collector plates. Thus, the ions of the emitted isotope are predominantly captured by the collector plates, while ions that do not fall on the plates are collected by the depleted plasma flow collector located behind the plates.

Недостатками этого способа являются необходимость создания достаточно сложных систем для осуществления ионно-циклотронного разогрева плазмы, а также необходимость точного подбора частоты внешнего поля для циклотронного разогрева ионов определенного вида. Это приводит к тому, что в большинстве случаев, для каждого разделения разных видов изотопов приходится создавать различные установки. The disadvantages of this method are the need to create sufficiently complex systems for ion-cyclotron heating of the plasma, as well as the need for accurate selection of the frequency of the external field for cyclotron heating of ions of a certain type. This leads to the fact that in most cases, for each separation of different types of isotopes, it is necessary to create different facilities.

Задачей изобретения является создание способа разделения изотопов, не требующего создания сложных систем для циклотронного разогрева плазмы и способного осуществлять разделение различных типов изотопов. The objective of the invention is to provide a method for the separation of isotopes that does not require the creation of complex systems for cyclotron heating of the plasma and is capable of separating various types of isotopes.

Техническим результатом заявляемого способа является упрощение конструкции установок для разделения изотопов, а также обеспечение возможности использования одинаковых установок для разделения различных типов изотопов по сравнению с прототипом за счет изменения операции по пространственной сепарации изотопов. The technical result of the proposed method is to simplify the design of installations for the separation of isotopes, as well as providing the possibility of using the same installations for the separation of different types of isotopes in comparison with the prototype by changing the operation for the spatial separation of isotopes.

Указанный технический результат достигается способом разделения изотопов, включающим перевод в плазменное состояние смеси изотопов, пространственную сепарацию изотопов по массам в наложенных друг на друга магнитном и электромагнитном полях и сбор необходимой фракции. При этом пространственную сепарацию изотопов осуществляют в магнитном поле с несимметрично гофрированным профилем величины продольной составляющей напряженности магнитного поля. The specified technical result is achieved by the method of isotope separation, including the transfer of a mixture of isotopes into the plasma state, the spatial separation of isotopes by mass in the superimposed magnetic and electromagnetic fields and collecting the necessary fraction. In this case, the spatial separation of isotopes is carried out in a magnetic field with an asymmetrically corrugated profile of the magnitude of the longitudinal component of the magnetic field strength.

Преимущество заявляемого способа по сравнению с прототипом заключается в том, что данный способ не требует использования сложных систем для резонансного разогрева выбранной компоненты плазмы внешним ВЧ-полем, не требует точного подбора частоты внешнего электромагнитного поля и тем самым внесения существенных изменений в конструкцию установки по разделению изотопов. The advantage of the proposed method compared to the prototype is that this method does not require the use of complex systems for the resonant heating of the selected plasma component by an external rf field, does not require accurate selection of the frequency of the external electromagnetic field and, therefore, significant changes to the design of the installation for isotope separation .

Пространственная сепарация изотопов происходит следующим образом. Ионизованное рабочее вещество, состоящее из смеси различных изотопов, попадает в магнитную систему, формирующую магнитное поле с несимметрично гофрированным профилем величины продольной составляющей. Амплитуда гофрировки подбирается таким образом, что ионы оказываются запертыми в потенциальных ямах, образованных экстремумами напряженности магнитного поля. При включении внешнего переменного электромагнитного поля, направленного вдоль оси магнитной системы, частицы начинают совершать колебания в направлении, параллельном оси магнитной системы. The spatial separation of isotopes occurs as follows. An ionized working substance, consisting of a mixture of various isotopes, enters the magnetic system that forms a magnetic field with an asymmetrically corrugated profile of the magnitude of the longitudinal component. The corrugation amplitude is selected in such a way that the ions are trapped in potential wells formed by the extremes of the magnetic field strength. When you turn on an external alternating electromagnetic field directed along the axis of the magnetic system, the particles begin to oscillate in a direction parallel to the axis of the magnetic system.

Если амплитуда внешнего электромагнитного поля не превышает значение

где ε - тепловая энергия, μ - магнитный момент частицы, е - заряд частицы, l - расстояние между электродами, B_max - значение магнитного поля гофры, то частицы будут совершать осцилляции внутри магнитных потенциальных ям. При превышении внешним электромагнитным полем данного значения, частицы начнут преодолевать потенциальные барьеры, связанные с гофрировкой магнитного поля. При этом возникнет направленное движение частиц в сторону более крутого склона гофра, движению в противоположную сторону будет препятствовать потенциальный барьер.If the amplitude of the external electromagnetic field does not exceed the value

where ε is the thermal energy, μ is the magnetic moment of the particle, e is the particle charge, l is the distance between the electrodes, B _max is the value of the magnetic field of the corrugation, then the particles will oscillate inside the magnetic potential wells. If the external electromagnetic field exceeds this value, the particles will begin to overcome potential barriers associated with the corrugation of the magnetic field. In this case, there will be a directed movement of particles towards a steeper slope of the corrugation, a potential barrier will prevent movement in the opposite direction.

Рассмотрим ситуацию, когда частица с некоторой массой в момент подачи положительного напряжения на правый электрод оказывается в положении 1 (см. фиг. 1) и начинает двигаться с нулевой начальной скоростью в направлении 2. Очевидно, что частица с большей массой при определенной величине потенциального барьера сможет по инерции перескочить его и оказаться в следующей потенциальной яме. Для того чтобы потенциальный барьер преодолела частица с меньшей массой, требуется большее значение внешнего электромагнитного поля. Таким образом, при определенных значениях внешнего электромагнитного поля и высоты гофрировки возможна ситуация, когда ионы тяжелого изотопа будут дрейфовать только в сторону более крутого склона гофра магнитного поля, в то время как ионы легкого изотопа будут, в среднем, оставаться на одном месте. Коллекторы обедненного и обогащенного плазменных потоков располагаются в местах группирования ионов легкого и тяжелого изотопов в зависимости от того, каким изотопом производится обогащение вещества. Consider the situation when a particle with a certain mass at the moment of supplying a positive voltage to the right electrode is in position 1 (see Fig. 1) and begins to move with zero initial speed in direction 2. It is obvious that a particle with a larger mass at a certain value of the potential barrier can by inertia jump over him and find himself in the next potential well. In order for a particle with a lower mass to overcome the potential barrier, a larger value of the external electromagnetic field is required. Thus, for certain values of the external electromagnetic field and the height of the corrugation, it is possible that the heavy isotope ions drift only towards the steeper slope of the corrugation of the magnetic field, while the light isotope ions will, on average, remain in one place. The collectors of depleted and enriched plasma flows are located at the sites of grouping of ions of light and heavy isotopes, depending on which isotope is used to enrich the substance.

На фиг.1 изображена форма эффективного потенциала для электромагнитного поля, направленного справа налево. Figure 1 shows the shape of the effective potential for an electromagnetic field directed from right to left.

На фиг.2 изображено устройство для реализации заявляемого способа разделения изотопов. Figure 2 shows a device for implementing the proposed method for the separation of isotopes.

Рассмотрим пример осуществления заявляемого способа разделения изотопов в устройстве, изображенном на фиг.2, где даны следующие обозначения: 3 - вакуумная камера, 4 - электроды внешнего электромагнитного поля, 5 - коллектор обогащенного плазменного потока, 6 - ферромагнитный сердечник соленоида, 7 - соленоид, 8 - источник плазмы. Consider an example of the proposed method for the separation of isotopes in the device depicted in figure 2, where the following notation is given: 3 - a vacuum chamber, 4 - electrodes of an external electromagnetic field, 5 - a collector of an enriched plasma stream, 6 - a ferromagnetic core of a solenoid, 7 - a solenoid, 8 - source of plasma.

В указанном устройстве заявляемый способ разделения изотопов осуществляется следующим образом. Сначала производится ионизация вещества, состоящего из смеси различных изотопов. Это осуществляется, например, следующим способом. Ионизуемое вещество наносится на поверхность металла, температура плавления которого выше температуры ионизации данного вещества. При этом образуется сильноионизованная плазма с плотностью порядка 10¹¹ см^-3, состоящая из однократно ионизованных атомов и электронов, причем температуры ионов и электронов будут порядка температуры поверхности металла порядка 5•10³ К. Это вещество подается в магнитную систему со скоростью движения примерно 1,4•10³ м/с (для вещества атомной массой, равной 40 а.е.м.), выполненную, например, из соленоида 7 и сердечника 6, выполненного, например, из феррита. Магнитная система, создающая гофрированный профиль величины напряженности магнитного поля, может быть выполнена, например, в виде катушки с сердечником в форме цилиндра, внутренняя поверхность которого в продольном сечении имеет пилообразную форму, один из склонов которой более крутой. К электродам 4 прикладывается переменное электромагнитное поле с частотой выше критической и амплитудой, подобранной таким образом, чтобы при подаче отрицательного напряжения на правую пластину потенциальный барьер, связанный с гофрировкой магнитного поля, могли преодолеть только ионы тяжелого изотопа. Таким образом, ионы тяжелого изотопа будут дрейфовать влево и собираться коллектором 5, в то время как ионы легкого изотопа будут оставаться в объеме магнитной системы с последующим осаждением на стенки.In the specified device of the inventive method for the separation of isotopes is as follows. First, the ionization of a substance consisting of a mixture of various isotopes is performed. This is done, for example, in the following way. An ionizable substance is deposited on the surface of a metal whose melting point is higher than the ionization temperature of that substance. In this case, a highly ionized plasma with a density of the order of 10 ¹¹ cm ^{-3 is formed} , consisting of single-ionized atoms and electrons, and the temperatures of ions and electrons will be of the order of the surface temperature of the metal of the order of 5 • 10 ³ K. This substance is fed into the magnetic system with a speed of approximately 1 , 4 • 10 ³ m / s (for a substance with an atomic mass equal to 40 amu), made, for example, of a solenoid 7 and a core 6, made, for example, of ferrite. A magnetic system that creates a corrugated profile of the magnitude of the magnetic field can be performed, for example, in the form of a coil with a core in the form of a cylinder, the inner surface of which in a longitudinal section has a sawtooth shape, one of the slopes of which is steeper. An alternating electromagnetic field is applied to the electrodes 4 with a frequency above the critical one and an amplitude selected so that when a negative voltage is applied to the right plate, the potential barrier associated with the corrugation of the magnetic field can be overcome only by heavy isotope ions. Thus, the heavy isotope ions will drift to the left and be collected by collector 5, while the light isotope ions will remain in the bulk of the magnetic system with subsequent deposition on the walls.

Таким образом, заявляемый способ не требует точного подбора частоты для резонансного разогрева плазмы и может быть использован для разделения различных видов изотопов на одних и тех же установках. Thus, the inventive method does not require accurate frequency selection for resonant heating of the plasma and can be used to separate different types of isotopes in the same facilities.

Claims

A method of isotope separation, including transferring a mixture of isotopes into a plasma state, spatial separation of isotopes by mass in superimposed magnetic and electromagnetic fields, and collecting the necessary fraction, characterized in that the spatial separation of isotopes is carried out in a magnetic field with an asymmetrically corrugated profile of the longitudinal component of the tension magnetic field.