RU2229925C1

RU2229925C1 - Process of separation of calcium isotopes in electromagnetic separator

Info

Publication number: RU2229925C1
Application number: RU2002130483/15A
Authority: RU
Inventors: ков Л.А. Пол (RU); Л.А. Поляков; А.Н. Татаринов (RU); А.Н. Татаринов; Ю.А. Монастырев (RU); Ю.А. Монастырев; Д.В. Любимов (RU); Д.В. Любимов; С.Г. Огородников (RU); С.Г. Огородников
Original assignee: Федеральное государственное унитарное предприятие "Комбинат "Электрохимприбор"
Priority date: 2002-11-13
Filing date: 2002-11-13
Publication date: 2004-06-10

Abstract

FIELD: nuclear technology, separation of widely spread naturally occurring isotopes. SUBSTANCE: weight of working substance-metallic calcium with particle size from 1.0 to 10.0 mm is placed into crucible 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 beam is formed by electrode of ion-optical system, is split and focused in magnetic field with intensity of 1800 Oe. Boxes of detector trap it. Accumulation of isotopes in boxes of detector is carried out to limit of 40000-60000 milliamp ere-hour. Boxes are taken out of separation chamber, isotopes are removed by method of anode pickling. Enrichment amounts to: Ca-40 99.95-99.97%; Ca-42 91.40-97.90%; Ca-43 78.20-84.70%; Ca-44 98.30-98.80%; Ca-46 14.0-20.40%; Ca-48 91.0-97.6%. EFFECT: enhanced efficiency, diminished isotopic contamination, raised resistance of boxes of detector. 1 tbl

Description

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

Изобретение наиболее эффективно может быть использовано для промышленного разделения стабильных изотопов кальция: кальций-40, кальций-42, кальций-43, кальций-44, кальций-46, кальций-48.The invention can be most effectively used for the industrial separation of stable calcium isotopes: calcium-40, calcium-42, calcium-43, calcium-44, calcium-46, calcium-48.

Известен способ разделения изотопов различных химических элементов, применяемый для промышленного электромагнитного разделения изотопов и предусматривающий нагрев тигля с рабочим веществом и газоразрядной камеры тепловым излучением от нагревателей активного сопротивления до образования пара рабочего вещества, ионизацию молекул 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 various chemical elements, used for industrial electromagnetic separation of isotopes and providing for the heating of the crucible with the working substance and the gas discharge chamber by thermal radiation from heaters of the active resistance to the formation of steam of the working substance, ionization of 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, .A.Dergachev electromagnetic separation of isotopes and isotope analysis -.. M .: Energoatomisdat, 1989).

Одним из недостатков указанного способа является то, что он недостаточно эффективен для разделения щелочноземельных элементов. В частности, недостаток известного способа разделения изотопов кальция в электромагнитном сепараторе заключается в том, что технический результат неудовлетворительный ввиду низкого обогащения улавливаемых изотопов.One of the disadvantages of this method is that it is not effective enough to separate alkaline earth elements. In particular, a disadvantage of the known method for the separation of calcium isotopes in an electromagnetic separator is that the technical result is unsatisfactory due to the low enrichment of the captured isotopes.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ, описанный в патенте RU №2183985 (кл. В 01 D 59/48, 27.06.2002, всего 4 стр.)Closest to the claimed technical solution is the method described in patent RU No. 2183985 (class B 01 D 59/48, 06/27/2002, total 4 pages)

При этом в качестве рабочего вещества в тигель загружается металлический кальций в виде бруска, покрытого вследствие высокой химической активности кальция толстой окисной пленкой. При нагреве давление паров рабочего вещества возрастает и разрывает окисную пленку с резким выбросом паров кальция в объем тигля и газоразрядной камеры, что приводит к оседанию его значительного количества на электродах ионно-оптической системы, других деталях источника и внутрикамерного оборудования. При вводе источника ионов в рабочий режим и при дальнейшей работе это вызывает частые электрические пробои и переменные токовые утечки, которые резко ухудшают фокусировку и снижают в конечном итоге обогащение изотопов.In this case, metal calcium is loaded into the crucible as a working substance in the form of a bar, which is coated due to the high chemical activity of calcium with a thick oxide film. When heated, the vapor pressure of the working substance increases and breaks the oxide film with a sharp release of calcium vapor into the volume of the crucible and gas-discharge chamber, which leads to a significant amount of it settling on the electrodes of the ion-optical system, other parts of the source and intracameral equipment. When the ion source is put into operation and during further work, this causes frequent electrical breakdowns and alternating current leaks, which sharply impair focusing and ultimately reduce isotope enrichment.

Кроме того, между источником и приемником изотопов кальция устанавливается “экран” (см фиг. в описании изобретения RU №2183985, кл. В 01 D 59/48, 27.06.2002), что снижает производительность установки примерно в 2 раза.In addition, between the source and the receiver of calcium isotopes, a “screen” is installed (see Fig. In the description of the invention RU No. 2183985, class B 01 D 59/48, 06.27.2002), which reduces the productivity of the installation by about 2 times.

Другой причиной снижения обогащения является широкое природное распространение кальция, что вызывает изотопное “загрязнение” в основном его малораспространенных изотопов из внешней среды вне разделительной камеры сепаратора.Another reason for the decrease in enrichment is the widespread natural distribution of calcium, which causes isotopic “pollution” mainly of its rare isotopes from the environment outside the separation chamber of the separator.

Задачей изобретения является увеличение обогащения и производительности разделяемых изотопов кальция, а также уменьшение затрат производства.The objective of the invention is to increase the enrichment and performance of the shared calcium isotopes, as well as reducing production costs.

Задача решается тем, что в качестве рабочего вещества используется металлический кальций в виде мелкой фракции: гранул, крупной стружки, крупки по ТУ 83.5.314-94 и т.п. с размером частиц от 1 до 10 мм. Покрытые разной но толщине окисной пленкой и распределенные по длине тигля, имеющего разную температуру вследствие неоднородности его нагрева, эти частицы в процессе разрыва окисной пленки обеспечивают более равномерное испарение металлического кальция. Увеличение производительности достигается тем, что высвобождается место для соседнего приемника. При этом накопление на блок коробок увеличивают с 20000 до 40000-60000 миллиамперчасов. Это уменьшает затраты на изготовление дополнительных приемников. Верхняя граница накопления на приемник ограничена “прогоранием” материала стенок в коробке Са-40 под действием мощного пучка этого изотопа.The problem is solved in that metallic calcium is used as a working substance in the form of a fine fraction: granules, coarse chips, grains according to TU 83.5.314-94, etc. with a particle size of 1 to 10 mm. Covered with a varying thickness of the oxide film and distributed along the length of the crucible, which has a different temperature due to the heterogeneity of its heating, these particles during the rupture of the oxide film provide a more uniform evaporation of calcium metal. Increased productivity is achieved by freeing up space for an adjacent receiver. In this case, the accumulation on the block of boxes is increased from 20,000 to 40,000-60000 milliampere hours. This reduces the cost of manufacturing additional receivers. The upper boundary of the accumulation at the receiver is limited by the “burning” of the wall material in the Ca-40 box under the action of a powerful beam of this isotope.

Проведенный анализ общедоступных источников информации об уровне техники не позволил выявить техническое решение, тождественное заявляемому, 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 about the prior art did not allow to identify a technical solution identical to the claimed 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 указанного способа. Он был испытан при разделении изотопов кальция в электромагнитном сепараторе СУ-20 комбината “Электрохимприбор”, г. Лесной, Свердловской области.To illustrate the invention, an embodiment of the method is provided below. It was tested in the separation of calcium isotopes in the electromagnetic separator SU-20 of the plant “Electrochempribor”, the city of Lesnoy, Sverdlovsk region.

Навеску металлического кальция 40-50 г в виде крупки с габаритными размерами от 1 до 10 мм размещали в тигле источника ионов. После установки источника и шестикоробочного приемника в разделительную камеру сепаратора производили откачку камеры вакуумными насосами до давления (1-2)·10^-3 Па и высоковольтную тренировку источника до напряжения 31-33 кВ.A portion of metallic calcium 40-50 g in the form of grains with overall dimensions from 1 to 10 mm was placed in the crucible of the ion source. After installing the source and the six-box receiver in the separator separation chamber, 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 31-33 kV.

После получения электронного пучка в газоразрядной камере источника подавали напряжения на нагреватели тигля и газоразрядной камеры, обеспечивающие испарение рабочего вещества, его ионизацию в газоразрядной камере и формирование с помощью ионно-оптической системы ионного пучка, состоящего из шести ионных пучков изотопов, которые под действием ускоряющего напряжения и постоянного магнитного поля в камере порядка 1800 Э разделялись, фокусировались в фокальной плоскости и улавливались коробками приемника. Накопление на приемники составляло 40000-60000 миллиамперчасов против ≈20000 миллиамперчасов по прототипу.After receiving the electron beam in the gas discharge chamber of the source, voltages were applied to the crucible and gas discharge heaters, which ensure the evaporation of the working substance, its ionization in the gas discharge chamber, and the formation of an ion beam using six ion beam systems consisting of six ion beams of isotopes that are subjected to accelerating voltage and a constant magnetic field in the chamber of about 1800 Oe were separated, focused in the focal plane and captured by receiver boxes. The accumulation on the receivers was 40000-60000 milliamperes versus ≈20000 milliamperes according to the prototype.

После накопления приемники извлекали из разделительной камеры, методом анодного травления производили съем изотопов из коробок, полученный изотопно-обогащенный раствор анализировали на обогащение и на содержание в нем кальция.After accumulation, the receivers were removed from the separation chamber, anodic etching was used to remove the isotopes from the boxes, and the resulting isotope-enriched solution was analyzed for enrichment and its calcium content.

Результаты опытно-промышленного разделения изотопов кальция по обогащению приведены в таблице.The results of the pilot industrial separation of calcium isotopes for enrichment are shown in the table.

Таким образом, предложенный способ электромагнитного разделения изотопов кальция по сравнению с существующим методом показал свою эффективность в получении технико-экономического результата. Использование на практике заявляемого технического решения позволяет уменьшить изотопное загрязнение изотопов кальция и увеличить стойкость приемников изотопов.Thus, the proposed method of electromagnetic separation of calcium isotopes in comparison with the existing method has shown its effectiveness in obtaining a technical and economic result. The practical application of the proposed technical solution can reduce the isotopic pollution of calcium isotopes and increase the durability of the isotope receivers.

Это дает возможность получать изотопы кальция с более высоким обогащением и производительностью и уменьшить затраты производства на изготовление его приемников.This makes it possible to obtain calcium isotopes with higher enrichment and productivity and reduce production costs for the manufacture of its receivers.

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 for work skills.

Claims

A method for separating calcium isotopes in an electromagnetic separator, including placing the working substance in the crucible of the ion source, heating the working substance to a vapor state, ionizing the vapor of the working substance in the gas discharge chamber of the source under the influence of electron emission from the thermal cathode, forming the ion beam by electrodes of the ion-optical system, separating and focusing of ion beams of isotopes in a magnetic field, capturing these beams by receiver boxes, characterized in that using t metallic calcium having a particle size of 1-10 mm, and the accumulation of isotopes in receiver box are within milliamperchasov 40000-60000.