RU2405619C1 - Способ разделения изотопов и устройство для его осуществления - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к способам и устройствам электромагнитного плазменного разделения изотопов. Способ разделения изотопов включает испарение рабочего вещества, подачу смеси из n изотопов в газообразном состоянии в зону ионизации, ионизацию смеси изотопов, ускорение ионов изотопов в области ускорения плазменного ускорителя, создание азимутального перпендикулярного направлению движения ионов изотопов на выходе из ускорителя магнитного поля, разделение ионов изотопов по массам в магнитном поле прямого тока и компенсирование объемного заряда ионного потока изотопов с помощью источника электронов сопровождения. Устройство для разделения изотопов содержит источник плазмы рабочего вещества, электромагнит, приемники разделенных ионов изотопов, источник электронов компенсации объемного заряда пучка ионов изотопов, причем в качестве источника ионов изотопов применен двухкаскадный ускоритель плазмы с замкнутым дрейфом электронов, приемники разделенных ионов изотопов расположены от точки старта на определенных расстояниях. Изобретение позволяет улучшить качество разделения изотопов, обеспечивает высокое разрешение по массам, высокую производительность и низкую себестоимость. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

Description

Изобретение относится к способам и устройствам для электромагнитного плазменного разделения изотопов и получения ядерно-чистых веществ и может быть использовано при производстве стабильных и радиоактивных изотопов химических элементов. Основными областями применения изотопов являются ядерная энергетика - топливо для атомных электростанций, конструкционные материалы в реакторостроении, замедлители и поглотители нейтронов, использование изотопов в квантовых стандартах частоты и длины, исследование структуры и свойств веществ методами ядерного магнитного резонанса, терапевтическая ядерная медицина, радиационная стерилизация, разведение растений с помощью радиационно-индуцированных мутаций, изотопные индикаторы - изучение распределения и путей перемещения вещества в разнообразных системах.

Известные к настоящему времени методы производства изотопов разделяют на четыре группы [Изотопы: свойства, получение, применение. В 2 т. Т.1 / Под ред. В.Ю.Баранова. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. - 600 с.]:

- кинетические методы разделения, основанные на различии средней скорости теплового движения молекул с неодинаковой массой, - методы газовой, масс- и термодиффузии, центрифугирования;

- физико-химические методы разделения, основанные на изотопных эффектах в структурных свойствах атомов и молекул - методы изотопного обмена и дистилляции;

- лазерно-спектральные методы разделения, основанные на изотопическом эффекте в спектрах поглощения атомов и молекул, что позволяет осуществлять их изотопически-селективное лазерное возбуждение, а затем воздействовать на химические и физические процессы, существенно зависящие от степени возбуждения;

- электромагнитный метод масс-сепарации, основанный на зависимости параметров движения иона во внешних электрических и магнитных полях от отношения массы иона изотопа к заряду.

Основным способом промышленного получения изотопно-чистых материалов - разделение продукта с природной концентрацией сырья на две части: обогащенную и обедненную - в настоящее время является газовое центрифугирование [Изотопы: свойства, получение, применение. В 2 т. Т.1 / Под ред. В.Ю.Баранова. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. - С.146]. Эта технология подразумевает работу с газообразными соединениями разделяемых элементов, что требует проведения дополнительных химико-технологических операций по выделению и очистке конечного продукта. Кроме того, из-за низкой степени разделения на каждой газовой центрифуге процесс выделения изотопов состоит из более чем 1000 стадий и является весьма энерго- и трудоемким, экологически не безупречным. Стремлением к существенному понижению концентрации отвального урана (U-235) и к переработке вторичного урана, извлеченного из отработавших тепловыделяющих элементов, требуют увеличить производительность процесса разделения - разработки нового поколения газовых центрифуг, на что требуется не менее 7-10 лет. Кроме того, применение газовых механических центрифуг для разделения стабильных изотопов ограничено теми химическими элементами, которые имеют газообразные соединения с достаточной упругостью паров при нормальных условиях. Целый ряд элементов, однако, не имеет таких соединений, поэтому центробежный метод разделения не позволяет получать изотопы элементов первой и второй групп периодической таблицы, а также редкоземельные элементы.

Возможности электромагнитного метода разделения веществ уникальны: установки допускают принципиальную возможность разделения изотопов любого элемента от лития до урана с большой кратностью обогащения (99,0÷99,999%) в одном цикле разделения - от десятков крат до тысяч, в зависимости от элемента и положения изотопа в плеяде. Основной недостаток электромагнитного сепаратора - очень малая производительность. Характерный ток ионного пучка в нем I_i~0,1 А. Если учесть, что заряд одного грамм-атома равен 10⁵ Кл, то при таком токе потребуется около 15 дней, чтобы его переработать [Морозов А.И., Савельев В.В. Осесимметричные плазмооптические масс-сепараторы // Физика плазмы. - 2005. - Т.31, №5. - с.458-465]. Ясно, что для промышленного использования, производительность электромагнитного сепаратора должна быть значительно повышена.

Фундаментальная идея, позволяющая существенно увеличить производительность электромагнитного сепаратора, состоит в разделении вещества, находящегося в состоянии плазмы, когда отсутствуют ограничения ионного тока собственным объемным зарядом. Реализовать эту идею можно двумя путями:

1) извлекать нужные частицы из стационарной плазмы рабочего газа (металла);

2) работать с квазинейтральным стационарным плазменным потоком ионов различных масс; в качестве источника плазмы здесь предлагается использовать ускоритель плазмы.

Проблема создания высокопроизводительной, «чистой» плазменной технологии разделения изотопов, а также проведение исследований по изучению формирования и динамики плазменных потоков, которые необходимы для разработки физических основ этой технологии, отражает широкий круг общественных потребностей. Поэтому в 70-х годах XX века в разных странах началась разработка плазменных методов переработки материалов. Эти работы сейчас наиболее активно ведутся в США, Франции, Украине, Японии и России, причем все заметные исследовательские установки и машины производственного назначения построены по первому принципу (извлечение из стационарной плазмы рабочего газа) и названы магнитоплазменными сепараторами (МПС) [Ковтун Ю.В., Скибенко Е.И., Юферов В.Б. Действующие и разрабатываемые магнитоплазменные сепараторы для разделения вещества на элементы и изотопы // Вопросы атомной науки и техники. - 2008. - №2. - с.149-154].

В свою очередь МПС можно разделить на установки:

- селективного ионно-циклотронного нагрева (ИЦР-метод);

- плазменная центрифуга;

- на основе отражательного разряда;

- с реверсами магнитного поля;

- плазменные масс-фильтры;

- с эмитирующей цилиндрической поверхностью плазмы и разделяющим магнитным полем;

- на основе пучково-плазменного разряда.

Отличие названных установок друг от друга состоит в способах создания плазмы и потоков рабочего вещества, ионизации рабочего газа, реализации процесса нагрева нужных ионов (использование внешних переменных полей или полей, спонтанно возбуждаемых в плазме), их сбора на приемники.

О возможности развития электромагнитных сепараторов по второму пути говорилось, в виде идеи, в работах [Морозов А.И., Лебедев С. В. Плазмоптика // Вопросы теории плазмы / Под ред. М.А.Леонтовича. Т.8. - М.: Атомиздат, 1974. - С.264] и [С.Д.Гришин, Л.В.Лесков, Н.П.Козлов. Плазменные ускорители. - М.: Машиностроение, 1983. - С.204]. В дальнейшем эта мысль получила теоретическое развитие в работах [А.И.Морозов, Н.Н.Семашко. О сепарации по массам квазинейтральных пучков // Письма в ЖТФ. 2002. - Т.28, вып.24. - С.63-66], уже цитировавшейся [Морозов А.И., Савельев В.В. Осесимметричные плазмооптические масс-сепараторы // Физика плазмы. - 2005. - Т.31, №5. - с.458-465] и [А.И.Морозов. Введение в плазмодинамику. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. - 616 с.].

Известен способ разделения веществ по массам и устройство для его осуществления [Tihiro Ohkawa. Plasma mass filter. Патент US №6096220, МПК В03С 1/00, опубликовано 01.08.2000 г.], когда многокомпонентная плазма инжектируется в объем плазменного фильтра с поперечными электрическим Е_r (радиальная компонента) и магнитным B_z (вдоль скорости инжекции) полями. Плазма взаимодействует со скрещенными электромагнитными полями. Происходит разделение многокомпонентной плазмы на 2 составляющие: легкие и тяжелые частицы. Граничная между ними масса M_c - цель масс-сепарации - определяется в соответствии с уравнением

M_c=eR²(B_z)²/8V_ctr,

где

е - заряд электрона,

R - внутренний радиус фильтра,

V_ctr - величина электрического потенциала на оси.

Тяжелые частицы осаждают на цилиндрическом приемнике; легкие (все, что осталось после выделения частиц с массой M_c) - на торцевом коллекторе. Электрический потенциал на оси устанавливают положительным относительно стенок устройства.

Признаками известного способа, совпадающими с существенными признаками заявляемого способа, являются:

1) ионы изотопов извлекаются на коллекторы из вещества, находящегося в состоянии плазмы.

Недостатком способа по данному аналогу является невозможность разделения исходного вещества на все составляющие в одном рабочем цикле (отсутствие панорамности).

Известное устройство по данному способу (патент US №6096220) включает источник «мультиплазмы», вакуумный объем масс-фильтра, катушки с током, охватывающие вакуумный объем и создающие продольное магнитное поле, приемники разделенных веществ, располагающиеся на внутренней поверхности цилиндрического объема фильтра и на его торце, систему торцевых электродов, задающих распределение электрического поля по радиусу.

Признаками известного устройства, совпадающими с существенными признаками заявляемого устройства, являются:

1) источник плазмы, содержащий смесь ионов изотопов, в том числе и предназначенных для выделения;

2) вакуумный объем масс-сепаратора.

Недостатком устройства по данному аналогу является сложность задания необходимого распределения по радиусу фильтра электрического поля, которое искажается потоком плазмы (проводящим веществом).

Способ разделения вещества на компоненты в плазменном электромагнитном сепараторе национального научного центра «Харьковский физико-технический институт» академии наук Украины [A.M.Yegorov, V.B.Yuferov, S.V.Shariy, V.A.Seroshtanov, O.S.Druy, V.V.Yegorenkov, E.V.Ribas, S.N.Khizhnyak, D.V.Vinnikov. Preliminary study of the plasma separator // Problems of atomic science and technology. - 2009. - №1. - P.122-124] осуществляется следующим образом. Генерируют плазму рабочего вещества с помощью источника с электронным дрейфом. Плазму инжектируют в вакуумный объем с линейно спадающим аксиально-симметричным магнитным полем В. Включают радиально распределенное электрическое поле Е_r. Плазма начинает вращаться (дрейфовать) в скрещенных магнитном и электрическом полях с частотой ω_E=E_r/(B·r). При условии ω_E≈ω_Cl/2 реализуется резонансное взаимодействие основной (выделяемой), обычно самой тяжелой ионной компоненты с электромагнитным полем (ω_Cl - ионная циклотронная частота). Резонансные ионы нагреваются с 10 эВ до 100 эВ. Ларморовский радиус этих ионов возрастает до 5-6 см, и они пространственно (в радиальном направлении) отделяются от всех остальных, более легких ионов плазмы и собираются на приемник тяжелых ионов, расположенный на внутренней поверхности цилиндрической вакуумной камеры. Легкую фракцию собирают на торцевой сборник ионов.

Признаками известного способа, совпадающими с существенными признаками заявляемого способа, являются:

1) создают плазму с помощью плазменного источника;

2) ионы изотопов извлекают из плазмы.

Недостатком данного способа является отсутствие возможности в одном цикле выделять ионы всех масс, присутствующих в плазме рабочего вещества. Кроме того, нагрев основных ионов может осуществляться и на частотах (гармониках ω_Cl) ω_Cl/2, ω_Cl/4 и т.д., что приводит к энергетическому разбросу ионов в выделяемом пучке и, соответственно, к пространственному размытию пучка и его потерям (недобору на цилиндрическом коллекторе). Потери низкоэнергетичного пучка ионов (энергия ε≤100 эВ) рабочего вещества происходят и в результате перезарядки ионов на остаточном газе в рабочем объеме.

Известное устройство по данному способу (Problems of atomic science and technology. - 2009. - №1. - P.122-124) включает источник плазмы рабочего вещества с электронным дрейфом, вакуумный объем, катушки для создания линейно спадающего аксиально-симметричного магнитного поля, электроды для создания радиально-распределенного электрического поля, приемник тяжелых ионов, расположенный на внутренней поверхности цилиндрической вакуумной камеры, и торцевой сборник легких ионов.

Признаками известного устройства, совпадающими с существенными признаками заявляемого устройства, являются:

1) источник плазмы рабочего вещества,

2) вакуумный объем.

Недостатком данного устройства является то, что на пути плазмы рабочего вещества, при ее инжекции в рабочий объем, расположена система кольцевых электродов для создания радиального электрического поля, на которой теряется часть ионов рабочего вещества.

Способ разделения изотопов и устройство для его осуществления по патенту SU №1387236, опубликовано 20.10.1996 г., МПК B01D 59/48 авторов Жукова В.В., Малова А.Ф., Староверова Л.И. и Суздалева В.А. относится к способам и устройствам электромагнитного плазменного разделения.

Способ включает ионизацию рабочего вещества, создание пучка ионов изотопов, подачу пучка ионов изотопов в область скрещенных аксиально-симметричных магнитного и электрического полей, создание аксиально-симметричного плазменного образования с замкнутым дрейфом электронов. При входе в область скрещенных полей происходит разделение ионных пучков по массам составляющих их ионов изотопов и в дальнейшем - собирание ионов на приемники тяжелых и легких ионов изотопов. Плазма здесь необходима для компенсации собственного объемного заряда пучка ионов.

Признаками известного способа, совпадающими с существенными признаками заявляемого способа, являются:

1) ионизация рабочего вещества,

2) компенсация объемного заряда пучка ионов изотопов.

Недостатком данного способа является то, что пучок ионов формируется в «вакуумном» источнике и его плотность тока j определяется (ограничивается) «законом 3/2»:

При этом для вытягивания ионов из щели источника требуются большие электрические напряжения на экстракторе - до 30 кВ - и, следовательно, большие магнитные поля в области разделения ионов по массам.

Известное устройство по данному способу (патент SU №1387236) включает испаритель, ионизатор, источник пучка ионов изотопов, систему создания аксиально-симметричного продольного магнитного поля, систему создания поперечного магнитному электрического поля, приемники тяжелых и легких ионов изотопов.

Признаками известного устройства, совпадающими с существенными признаками заявляемого устройства, являются:

1) система создания аксиально-симметричного магнитного поля,

2) приемники ионов изотопов.

Недостатком устройства по патенту SU №1387236 является низкий ток ионов I≤1 А и большой вес устройства - 25 т при производительности, не удовлетворяющей современным потребностям промышленности (не более 7,5 г/ч по свинцу).

Прототипом данного изобретения является способ разделения изотопов и устройство для его осуществления по патенту РФ на изобретение RU №2083267 [Зимелев А.Г., Чусов И.В., Скабалланович Д.М., Жаринов А.В. Способ разделения изотопов и устройство для его осуществления, МПК В01D 59/48, опубликовано 20.09.1996 г.].

Способ включает испарение рабочего вещества, подачу его в область между накаленным катодом и анодом плазменного источника ионов открытого типа с анодным холловским слоем. Ионы эмиттируются с внешней цилиндрической поверхности плазменного столба и ускоряются в радиальном направлении электростатическим полем в замкнутом цилиндрическом холловском слое электронов толщиной порядка ларморовского радиуса электронов до энергии U_y в несколько сот эВ. Далее ионы, попадая в эквипотенциальное пространство с однородным поперечным магнитным полем, описывают в нем траектории радиусом

(U_y - измерено в В, ρ - в см, Н - в Э, М - массовое число иона). Величины U_y и Н подбирают таким образом, чтобы ларморовский радиус для тяжелых ионов превышал критический радиус - радиус цилиндрического (периферийного) сборника ионов, а ларморовский радиус для легких ионов (все остальные) - был меньше критического. Тяжелые ионы изотопов собирают на периферийный коллектор, легкие -на торцевой.

Признаками известного способа, совпадающими с существенными признаками заявляемого способа, являются:

1) рабочее вещество подают в плазменный источник ионов,

2) разделение ионов изотопов по массам производят в поперечном направлению движения ионов изотопов магнитном поле.

Недостатком данного способа является невозможность панорамного разделения вещества на элементы и сложность регулировки самосогласованного потенциала холловского слоя. В рабочем процессе здесь участвуют только ионы периферийной области плазменного столба источника ионов. Кроме того, применение однородного магнитного поля в качестве разделяющего не обеспечивает требуемую дисперсию разделяемых ионов изотопов по массе.

За прототип принято устройство по данному способу (патент RU №2083267), которое включает испаритель, плазменный источник ионов, систему создания поперечного направлению движения ионов изотопов магнитного поля, сборники тяжелых и легких изотопов.

Признаками известного устройства, совпадающими с существенными признаками заявляемого устройства, являются:

1) плазменный источник ионов;

2) система создания поперечного направлению движения ионов изотопов магнитного поля;

3) сборники ионов изотопов.

Недостатком данного устройства является ограниченность тока ионов разделяемого вещества, определяемая способностью эмиссии открытой плазменной цилиндрической поверхности под действием слабого электрического поля холловского слоя электронов. Выигрыш в токе пучка здесь определяется только увеличением поверхности отбора ионов.

При создании способа разделения изотопов и устройства для его осуществления по заявляемому изобретению ставилась задача повысить производительность, обеспечить панорамность разделения вещества на изотопы (ядерно-чистые элементы) и улучшить качество разделения (дисперсию по массам).

Технический результат заявляемого изобретения заключается в возможности совместить высокое разрешение по массам, которое достигнуто на традиционных вакуумных электромагнитных сепараторах, работающих с пучками ионов, с требуемой промышленностью высокой производительностью, универсальностью и низкой себестоимостью получения ядерно-чистых веществ.

Технический результат достигается тем, что исходное вещество, содержащее смесь, например n различных изотопов (элементов), испаряют, подают в газообразном состоянии в плазменный ускоритель, где смесь ионизуют в зоне дрейфового электронного тока первой ступени ускорителя (в зоне ионизации). Далее ионы ускоряют в области второй ступени ускорителя и на выходе из источника плазмы ионы изотопов попадают в вакуумный объем, в котором создают поперечное направлению движения ионов изотопов азимутальное магнитное поле

, пропуская ток по расположенному на оси масс-сепаратора проводу. В магнитном поле ионы, входящие в него под прямым углом по всему периметру плазменного потока, разделяют по массам М_in, ионы, движущиеся в радиальном направлении, собирают каждый на свой сборник ионов на расстоянии

r_mах=а·exp(V₀Mc²/eI),

где

а - радиус провода,

V₀ - начальная скорость ионов изотопов,

с - скорость света,

е - заряд электрона,

I - величина тока в проводе,

равном максимальному удалению частицы от точки ее входа в область магнитного поля (см. фиг.2, 3). В области разделения производят дополнительную компенсация объемного заряда ионов с помощью внешнего источника электронов сопровождения (^-e).

Для достижения технического результата в качестве источника ионов применен плазменный ускоритель, например двухступенчатый, с минимизированным энергетическим и угловым разбросом, имеющий разделенные пространственно области ионизации и ускорения частиц. Электромагнит устройства имеет линейный токопровод, располагающийся на оси плазменного ускорителя. Приемники выделенных элементов располагаются на расстояниях r_max.n, разнесенных друг от друга на размер

,

где

M_n - масса n-го иона изотопа,

М₀ - масса иона изотопа на равновесной траектории,

E₀ - энергия ионов изотопов.

Преимуществами предлагаемого варианта способа разделения изотопов и устройства для его осуществления являются:

1) отсутствие ограничения на ток ионов собственным объемным зарядом; плотность тока в плазменном ускорителе

в настоящее время уже испытаны стационарные плазменные двигатели мощностью в 30 кВт (при энергии ионов около 300 эВ ток достигает 100 А);

2) в процессе разделения участвуют ионы всего плазменного цилиндра (потока плазмы, выходящего из ускорителя);

3) обеспечена панорамность процесса разделения, т.е. возможность способа и устройства разделять в одном цикле исходную смесь изотопов на все ее составляющие;

4) есть возможность независимо регулировать энергию исходного пучка ионов изотопов;

5) максимально возможная из известных пространственная дисперсия для ионов изотопов различных масс, снижающая требования на моноэнергетичность и угловой разброс исходного потока частиц.

Рассмотрим в цилиндрической системе координат r, φ, Z движение однозарядных ионов в магнитном поле линейного тока I, протекающего в направлении, противоположном направлению оси Z, по проводнику радиусом r=а. Для ионов, стартующих с поверхности проводника, уравнение, описывающее их движение вдоль оси Z, в одночастичном приближении имеет вид:

где

A=2I/(Mc²),

e - заряд электрона,

с - скорость света,

М - масса иона,

B_φ=-2I/(cr) - азимутальная компонента индукции магнитного поля.

Решением уравнения (1) является функция

где const определяется из условия

при r=а: const=V₀+A·lnа. Тогда

и максимальное удаление иона от проводника при стартовой скорости +V₀ вдоль оси Z и конечной скорости -V₀ также вдоль оси Z, но в обратном направлении, можно определить из формулы:

Из формулы (2) видно, что максимальное расстояние, на которое удаляется ион от проводника r_max, при заданной величине тока I экспоненциально зависит от комбинации (V₀ M). Когда ионы, вылетающие с поверхности проводника, имеют одинаковую энергию E₀, величина V₀M=(2E₀M)^l/2, т.е. r_max в этом случае экспоненциально зависит от (М)^1/2. Если инжектированные ионы всех масс имеют одинаковую скорость, то зависимость r_max от массы более сильная: r_max~eхр(ВМ), где В - константа.

На фиг.1 приведены траектории движения ионов в однородном магнитном поле (штриховые линии) и в магнитном поле проводника с током (сплошные линии). Ионы имеют различные массы, причем отношение масс равно M₁:M₂:М₃=1:1,25:1,5. Предполагается, что ионы всех масс имеют одинаковую начальную энергию и отсутствует разброс скоростей в радиальном направлении. Для массы М₁ выбран, для примера, параметр V₀M₁c²/(eI)=20/3. На фиг.1 изображен случай движения ионов в однородном поле величиной В₀, когда частицы инжектируются из точки с координатами r=0, Z=0, а координаты траектории иона r, Z нормированы на ларморовский радиус r_L1 частицы с массой М₁:r_L1=M₁cV₀/(еВ₀), где В₀ - величина магнитной индукции на поверхности провода. Частицы начинают свое движение в магнитном поле с поверхности проводника, а координаты r, Z нормированы таким образом, чтобы размах траектории иона с массой М₁ по оси r был равен удвоенному ларморовскому радиусу r_L1, а по оси Z был равен этому радиусу. Линия сбора ионов выбрана совпадающей с осью r системы координат.

Дисперсии (пространственное разделение на коллекторе ионов, отличающихся по массе на величину dM) для случая однородного поля d₀=0,5·r·(dM/M₀) и поля прямого тока

относятся как

где

При r_L0/а>>1, что выполняется всегда, дисперсия в случае неоднородного поля прямого тока существенно превышает разделение ионов в однородном поле. Из фиг.1 преимущество предлагаемого способа разделения изотопов по сравнению с существующим способом разделения их в однородном магнитном поле видно наглядно.

Способ разделения изотопов и устройство для его осуществления поясняются чертежами.

На фиг.1 представлены результаты сравнения траекторий ионов трех различных масс, движущихся в однородном магнитном поле (штриховые линии) и в магнитном поле линейного тока (сплошные линии).

На фиг.2 приведена (без масштаба) траектория иона в поле прямого тока.

На фиг.3 дана схема устройства для разделения изотопов - электромагнитного плазменного масс-сепаратора, поясняющая его принцип действия.

На фиг.4 приведена схема устройства для разделения изотопов.

Предложенный способ разделения изотопов включает подачу смеси из n изотопов (элементов) в газообразном состоянии в плазменный ускоритель, перевод ее в состояние плазмы в зоне ионизации ускорителя, ускорение ионов вдоль продольной оси устройства (по оси Z) в области ускорения плазменного ускорителя, создание азимутального перпендикулярного направлению движения ионов на выходе из ускорителя магнитного поля

, разделение ионов по массам в магнитном поле прямого тока, компенсацию объемного заряда ионного потока источником электронов «сопровождения» и регистрацию отдельных элементов на приемниках, расположенных на расстоянии r_max=а·exp(V₀Mc²/eI) от точки старта и разнесенных друг от друга на размер

Для осуществления способа предложено устройство - электромагнитный плазменный масс-сепаратор (фиг.4), содержащее магнитопровод 1, выполняющий и роль катода, внутреннюю катушку электромагнита 2, двухкаскадный ускоритель плазмы с замкнутым дрейфом электронов 3, панорамный приемник разделенных ионов изотопов 4, источник пучка электронов компенсации 5, проводник с током для создания разделяющего азимутального магнитного поля 6.

На фиг.3 буквой И обозначены траектории ионов. Буквой I - ток, протекающий по проводнику 6 для создания разделяющего азимутального магнитного поля, буквой ^-е - поток электронов из источника пучка электронов компенсации 5. Все устройство находится в вакуумной камере (на чертеже не показана).

Устройство работает следующим образом (Фиг.3-4)

Ток, протекающий по катушке электромагнита 2, создает в зазоре магнитопровода 1 радиальное магнитное поле, обеспечивающее замкнутый азимутальный дрейф электронов. В первом каскаде двухкаскадного ускорителя плазмы с замкнутым дрейфом электронов 3 происходит ионизация газа смеси изотопов; во второй ступени происходит ускорение плазмы в электрическом поле анод-катод (магнитопровод 1). Ионы изотопов И на выходе из плазменного ускорителя попадают в область разделяющего магнитного поля прямого тока I (проводник 6), разделяются в нем по массам и попадают на панорамный приемник разделенных ионов изотопов 4. В области разделения дополнительно для компенсации возникающего в процессе движения объемного заряда ионов изотопов введен источник пучка электронов компенсации 5.

Высокое разрешение по массам

в данном случае обусловлено использованием неоднородного магнитного поля прямого тока в зоне разделения исходного пучка на отдельные элементы, спадающего при удалении от оси системы обратно пропорционально радиусу, и расположением коллекторов изотопов на расстояниях, соответствующих максимальному удалению от точки старта r_max.n каждого из элементов.

Высокая производительность и низкая себестоимость получения ядерно-чистых веществ с помощью предложенного электромагнитного плазменного масс-сепаратора определяется применением в качестве источника ионов плазменного ускорителя, в котором отсутствует ограничение на ток пучка ионов собственным объемным зарядом, использованием всех ионов плазменного потока - формированием «зонтика» в зоне разделения пучка на элементы при инжекции плазменного потока поперек азимутального магнитного поля прямого тока - и применением источника электронов сопровождения. Важно также, что имеется возможность изменения энергии инжектируемых ионов, в частности, получения низкоэнергетичного, в несколько сот эВ, потока частиц, что по сравнению с электромагнитным сепаратором, где энергии ионов составляют десятки кэВ, позволяет уменьшить габариты и вес устройства.

Claims (2)

1. Способ разделения изотопов, включающий испарение рабочего вещества, подачу смеси из n изотопов в газообразном состоянии в зону ионизации, ионизацию смеси изотопов, отличающийся тем, что ионы изотопов ускоряют в области ускорения плазменного ускорителя, создают азимутальное перпендикулярное направлению движения ионов изотопов на выходе из ускорителя магнитное поле

, разделяют ионы изотопов по массам в магнитном поле прямого тока, компенсируют объемный заряд ионного потока изотопов с помощью источника электронов сопровождения и собирают отдельные ионы изотопов в приемники.

2. Устройство для разделения изотопов, содержащее источник плазмы рабочего вещества, электромагнит, создающий поперечное разделяющее магнитное поле, приемники разделенных ионов изотопов, источник электронов компенсации объемного заряда пучка ионов изотопов, отличающееся тем, что в качестве источника ионов изотопов применен, например, двухкаскадный ускоритель плазмы с замкнутым дрейфом электронов, приемники разделенных ионов изотопов расположены от точки старта на расстояниях, определяемых выражением:
r_mах=a·ехр(V₀Мс²/еI),
где a - радиус провода;
V₀ - начальная скорость ионов изотопов;
с - скорость света;
е - заряд электрона;
I - величина тока в проводе,
при этом сборники разделенных ионов изотопов разнесены друг от друга на размер d_1n, определяемый выражением:

,
где

,
M_n - масса n-го иона изотопа;
М₀ - масса иона изотопа на равновесной траектории;
E₀ - энергия ионов изотопов.

Images