SU1742900A1

SU1742900A1 - Method of separating isotopes

Info

Publication number: SU1742900A1
Application number: SU894770389A
Authority: SU
Inventors: Михаил Иванович Белавин; Александр Владимирович Звонков; Александр Владимирович Тимофеев
Original assignee: Институт атомной энергии им.И.В.Курчатова
Priority date: 1989-12-28
Filing date: 1989-12-28
Publication date: 1992-06-23

Abstract

Изобретение относитс к физике плазмы , а именно к методам разделени изотопов в плазме. Сущность изобретени : ионизируют поток вещества, состо щий из смеси различных изотопов. Затем в области однородного магнитного пол с помощью влени ионного циклотронного резонанса селективно нагревают ионы выдел емого изотопа, пространственное разделение ионов осуществл етс за счет дрейфа в магИзобретение относитс к физике плазмы , а именно к методам разделени изотопов , которые используютс , например, в медицине, биологии, физических исследовани х . Известен способ разделени изотопов в газовых колоннах. Этот способ не позвол ет раздел ть изотопы веществ, не образующих устойчивых газообразных соединений . Известен также способ разделени изотопов в плазме в магнитном поле при помощи селективного нагрева ионов одного из нитном поле с изогнутыми силовыми лини ми . Поскольку скорость дрейфа пропорциональна энергии зар женных частиц, то основна плазма практически не смещаетс поперек силовых линий магнитного пол , в то врем как нагретые ионы выдел емого изотопа выход т из потока плазмы. Дл нейтрализации зар да этих ионов устанавливают эмигрирующие электроды , расположенные таким образом, чтобы силовые линии магнитного пол , на которых выдел етс положительный зар д, пересекали поверхность электродов. Ионы выдел емого изотопа, двига сь под углом к силовым лини м магнитного пол , попадают на собирающие пластины. На эти же пластины попадают нейтральные атомы всех изотопов, образующиес в основной плазме в результате рекомбинации. Оценки показывают , что с учетом этого фактора коэффициент обогащени изотопа оказываетс равным примерно 104. Это значение более с чем в 102 раз превышает коэффициент обогащени , полученный в прототипе. 1 ил. изотопов высокочастотным полем с частотой , равной ионной циклотронной. В этом способе плазма создаетс в магнитном поле , затем на его однородном участке на плазму воздействуют электромагнитным полем с частотой, равной ионной циклотронной частоте выдел емого изотопа, что приводит к увеличению энергии ионов ионного изотопа, в то врем как ионы1 остальных изотопов остаютс в прежнем состо нии. Разделение изотопов осуществл етс с помощью собирающих пластин, на которые подаетс положительный потенциал такой Ј и Ю О о оThis invention relates to plasma physics, namely to methods of isotope separation in plasma. Summary of the Invention: Ionize the flow of a substance consisting of a mixture of different isotopes. Then, in the field of a uniform magnetic field, the ions of the released isotope are selectively heated by the phenomenon of ion cyclotron resonance, the spatial separation of ions is carried out due to a drift in the magnetization system, which relates to the physics of isotopes, which are used, for example, in medicine, biology , physical research. A known method for the separation of isotopes in gas columns. This method does not allow the separation of isotopes of substances that do not form stable gaseous compounds. There is also known a method of separating plasma isotopes in a magnetic field by selectively heating the ions of one of the nitrous fields with curved lines of force. Since the drift velocity is proportional to the energy of the charged particles, the main plasma practically does not shift across the magnetic field lines, while the heated ions of the released isotope emerge from the plasma flow. In order to neutralize the charge of these ions, emigrating electrodes are placed so arranged that the magnetic field lines on which a positive charge is emitted intersect the surface of the electrodes. The ions of the released isotope, moving at an angle to the power lines of the magnetic field, fall on the collecting plates. The neutral atoms of all isotopes formed in the main plasma as a result of recombination fall on the same plates. Estimates show that, given this factor, the enrichment factor of the isotope is approximately 104. This value is more than 102 times higher than the enrichment factor obtained in the prototype. 1 il. isotopes of the high-frequency field with a frequency equal to the ion cyclotron. In this method, the plasma is created in a magnetic field, then in its uniform area the plasma is affected by an electromagnetic field with a frequency equal to the ion cyclotron frequency of the released isotope, which leads to an increase in the ion energy of the ion isotope, while the remaining isotopes ions remain in the same state nii. Separation of isotopes is carried out with the help of collecting plates, to which a positive potential of such О and 10 0

Description

величины, чтобы электростатический барьер мог преодолеть только высокоэнергетические ионы выдел емого изотопа . Только эти ионы и будут осаждатьс на пластинах.- values so that the electrostatic barrier can overcome only the high-energy ions of the released isotope. Only these ions will be deposited on the plates.

Однако указанный способ также имеет недостатки; во-первых, приемна пластина при таком потенциале собирает большой ток электронов, что приводит к ее разогреву и, следовательно, к распылению собранно- го изотопа, во-вторых, на пластины попадают нейтральные атомы всех изотопов, образующиес при рекомбинации.However, this method also has disadvantages; firstly, the receiving plate at such a potential collects a large current of electrons, which leads to its heating and, consequently, to the sputtering of the collected isotope, secondly, the neutral atoms of all isotopes formed during recombination fall onto the plates.

Цель изобретени - увеличение коэффициента обогащени изотопа.The purpose of the invention is to increase the isotope enrichment ratio.

Поставленна цель достигаетс тем, что в способе разделени изотопов в плазме, включающем ионизацию потока вещества, селективный нагрев ионов одного из изотопов электромагнитным полем с частотой, равной его ионной циклотронной частоте, пространственную сепарацию ионов изотопов и их сбор, сепарацию изотопов осуществл ют , пропуска поток плазмы вдоль силовых линий неоднородного магнитного пол , параметры которого подобраны таким образом, чтобы дрейфовое смещение ионов выдел емого изотопа VAPL/Vn, где L- длина области неоднородного магнитного пол ; УН - скорость движени ионов вдоль йагнитного пол ; Удр e/eBR - скорость дрейфа ионов выдел емого изотопа поперек силовых линий магнитного пол , е- энерги циклотронного вращени ионов выдел емого изотопа; е .- зар д иона; В - индукци магнитного пол ; R - радиус кривизны силовых линий магнитного пол , превышало поперечный размер потока плазмы - а,The goal is achieved by the fact that in the method of isotope separation in a plasma, including ionization of a substance flow, selective heating of the ions of one of the isotopes by an electromagnetic field with a frequency equal to its ion cyclotron frequency, spatial separation of the ions of isotopes and their collection, separation of isotopes, pass plasma along the lines of force of a non-uniform magnetic field, the parameters of which are chosen in such a way that the drift displacement of ions of the released isotope VAPL / Vn, where L is the length of the non-uniform magnet region tnnogo sex; UN is the speed of movement of ions along the magnetic field; Udr e / eBR is the ion drift velocity of the released isotope across the magnetic field lines of force, e is the energy of cyclotron rotation of the ions of the released isotope; e .- ion charge; B is magnetic field induction; R is the radius of curvature of the force lines of the magnetic field, exceeded the transverse size of the plasma flow - a,

На чертеже изображено устройство, ре- ализующее предлагаемый способ разделени изотопов.The drawing shows a device that implements the proposed isotope separation method.

Поток вещества 1, состо щий из смеси различных изотопов, ионизуетс , а затем пропускаетс через область длиной L.1 с вы- сокочастотным электромагнитным полем 2. Частота этого пол подбираетс равной циклотронной частоте ионов выдел емого изотопа. В результате резонансного взаимодействи с электромагнитным полем ионы выдел емого изотопа увеличивают энергию циклотронного вращени . Затем поток плазмы направл етс вдоль магнитного пол на участке его неоднородности 3. В таком поле зар женные частицы смеща- ютс (дрейфуют) в направлении поперек силовых линий магнитного пол со скоростью пропорциональной энергии, Удр « E/eBR, где R - радиус кривизны силовых линийThe flow of substance 1, consisting of a mixture of different isotopes, is ionized and then passed through a region of length L.1 with a high-frequency electromagnetic field 2. The frequency of this field is chosen equal to the cyclotron frequency of the ions of the released isotope. As a result of resonant interaction with the electromagnetic field, the ions of the released isotope increase the energy of cyclotron rotation. Then the plasma flow is directed along the magnetic field in the area of its inhomogeneity 3. In such a field, the charged particles shift (drift) in the direction across the lines of force of the magnetic field with a speed proportional to the energy, Udr E / eBR, where R is the radius of curvature of the force fields. lines

магнитного пол ; Ј - энерги поперечного по отношению к направлению магнитного пол движени иона; е - зар д электрона. При выполнении услови VAPL/Vn a (L - длина области неоднородного магнитного пол ; а - диаметр потока плазмы; Vn - скорость продольного движени ионов) селективно нагретые ионы выход т из области, зан той плазмой, ионна компонента которой состоит из холодных невыдел емых ионов других изотопов, идущих в отвал. Ввиду низкой энергии ионов этих изотопов и электронов их дрейфовое смещение за врем прохождени участка неоднородного магнитного пол мало по сравнению с а. Пространственное разделение ионов разных изотопов позвол ет провести их рекомбинацию в достаточно удаленных част х установки с тем, чтобы уменьшить возможность перепылени материала одного изотопа на место сбора другого. Из-за различи дрейфовых смещений ионов и электронов разделение изотопов сопровождаетс разделением зар дов,так что область, зан та ионами выдел емого изотопа, зар жаетс положительно, а остальна плазма отрицательно . При этом возникает электрическое поле, перпендикул рное магнитному. Дрейф зар женных частиц в скрещенных электрическом и магнитном пол х приводит к их выбросу на стенки вакуумной камеры, поэтому дл нейтрализации положительного зар да устанавливают эмиттирующие электроды 4, расположенные таким образом , чтобы силовые линий магнитного пол , на которых выдел етс положительный зар д , пересекали поверхность электродов. Электроны,.эмиттируемые с этих электродов , компенсируют положительный зар д. Избыточный отрицательный зар д плазмы стекают на соответствующие приемные пластины 5, 6.magnetic field; Ј is the energy transverse with respect to the direction of the magnetic field of the ion; e is the electron charge. When the condition VAPL / Vn a is satisfied (L is the length of the non-uniform magnetic field; a is the diameter of the plasma flow; Vn is the velocity of the longitudinal movement of the ions), the selectively heated ions leave the area occupied by the plasma whose ion component consists of cold non-separated ions other isotopes that go to the dump. Due to the low energy of the ions of these isotopes and electrons, their drift displacement during the passage of a portion of the inhomogeneous magnetic field is small compared with a. The spatial separation of ions of different isotopes allows their recombination to be carried out in sufficiently distant parts of the installation in order to reduce the possibility of spraying the material of one isotope to the collection site of another. Due to the difference in drift displacements of ions and electrons, isotope separation is accompanied by charge separation, so that the area occupied by the ions of the released isotope is positively charged, and the rest of the plasma is negative. When this occurs, an electric field, perpendicular to the magnetic field. The drift of charged particles in crossed electric and magnetic fields leads to their ejection on the walls of the vacuum chamber, therefore, to neutralize the positive charge, emitting electrodes 4 are installed so arranged that the magnetic field lines, on which positive charge is emitted, intersect the surface of the electrodes. The electrons emitted from these electrodes compensate for the positive charge. The excess negative charge of the plasma flows to the corresponding receiving plates 5, 6.

Предлагаемый способ разделени осуществл етс следующим образомThe proposed separation method is as follows.

Сначала производитс ионизаци вещества , состо щего из смеси различных изотопов . Например, атомы щелочных металлов ионизуют на накаленной поверхности тугоплавкого металла. При этом образуетс сильноионизованна плазма с плотностью п до 1017 , состо ща из однократно ионизованных атомов и электронов, причем температуры ионов и электронов будут пор дка температуры поверхности14 5 -10 К. Например , дл вещества с атомной массой 40 скорость теплового движени будет примерно 0,6 -103 м/с. С этой скоростью плазма растекаетс вдоль силовых линий магнитного пол . При движении плазмы через областьThe ionization of a substance consisting of a mixture of different isotopes is first carried out. For example, alkali metal atoms are ionized on the heated surface of a refractory metal. This forms a highly ionized plasma with a density of n up to 1017, consisting of singly ionized atoms and electrons, and the temperatures of the ions and electrons will be in the order of the surface temperature 14 5 -10 K. For example, for a substance with an atomic mass of 40, the rate of thermal motion will be approximately 0, 6-103 m / s. With this velocity, the plasma spreads along the magnetic field lines. When moving the plasma through the region

длиной 0,1 м с высокочастотным полем напр женностью до 5-103 В /м энерги циклотронного вращени возрастает в 5-10 раз. Дл того, чтобы осуществилс нагрев только выдел емых ионов, при разности атомных масс изотопов 1 ширина линии циклотронного резонанса должна быть достаточно мала До)/«у . Это требование определ ет напр женность магнитного пол , котора должна быть не меньше 0,25 Т, и частоту ВЧ-пол 10 кГц. В области неоднородного магнитного пол с радиусом кривизны силовых линий R 1 м нагретые ионы выдел емого изотопа дрейфуют в направлении поперек силовых линий магнитного пол со скоростью Vflp 0,35 103 м/с. Эти ионы выход т из потока плазмы с поперечным размером а 0,2 м, если длина области неоднородного пол L превышает aVii/N/др 0,35 м. При выбранных параметрах холодные ионы за врем пролета системы не успеют существенно нагретьс от гор чих, поэтому разделение изотопов будет достаточно полным. При содержании выдел емого изотопа в исходной смеси 1,0% производительность установки оказываетс пор дка кг/сут. Плотность электронного тока, эмиттируемого дл нейтрализации положительного зар да выдел емого изотопа, невелика и равна А/м2. На пластины, собирающие выдел емый изотоп, также поступают нейтральные атомы остальных изотопов , образующиес в плазме в результате рекомбинации. При температуре 5 103 К коэффициент рекомбинации а мб/с. Полный поток нейтральных атомов из плазмы , равный ап3( + L)na2/4, составл ет0.1 m long with a high-frequency field of intensity up to 5-103 V / m, the energy of cyclotron rotation increases 5-10 times. In order to heat only the ions emitted, with a difference in the atomic masses of isotopes 1, the width of the cyclotron resonance line must be sufficiently small. This requirement determines the magnetic field strength, which must be at least 0.25 T, and the RF frequency 10 kHz. In the region of a non-uniform magnetic field with a radius of curvature of field lines R 1 m, the heated ions of the released isotope drift in the direction across the lines of force of the magnetic field with a velocity Vflp 0.35 103 m / s. These ions emerge from a plasma stream with a cross-sectional size of 0.2 m, if the length of the heterogeneous field region L exceeds aVii / N / dr 0.35 m. With the parameters chosen, the cold ions during the transit time of the system will not have time to significantly warm from the hot, therefore, isotope separation will be fairly complete. When the content of the released isotope in the initial mixture is 1.0%, the capacity of the installation is in the order of kg / day. The density of the electron current emitted to neutralize the positive charge of the released isotope is small and equal to A / m2. The neutral atoms of the remaining isotopes, which are formed in the plasma as a result of recombination, also enter the plates collecting the released isotope. At a temperature of 5 103 K, the recombination coefficient is a mb / s. The total flux of neutral atoms from the plasma, equal to ap3 (+ L) na2 / 4, is

примерно 1 % от потока ионов выдел емого изотопа. Счита , что значительна часть потока нейтральных атомов (пор дка единицы ) попадает на приемные пластины, иapproximately 1% of the ion flux of the released isotope. Considering that a significant part of the flow of neutral atoms (of the order of unity) falls on the receiving plates, and

5 учитыва , что в начальном состо нии концентраци выдел емого изотопа равн лась 1%, дл коэффициента обогащени получают значение «10.5 takes into account that, in the initial state, the concentration of the released isotope was 1%, for the enrichment factor, the value 10 is obtained.

Claims

The proposed method allows to increase the enrichment factor in comparison with the prototype by more than 102 times. The invention of the method of isotope separation, including the ionization of a substance flow, selective heating of the ions of one of the isotopes by the action of an electromagnetic field with a frequency equal to its ion cyclotron frequency, spatial separation of the ions of isotopes and their collection, is enrichment factor, isotope separation is carried out by passing the plasma stream through a non-uniform magnetic field along its field lines, the parameters of which satisfy the condition VrfpL / Vii a, where L is the length of the region native magnetic field (m); a - diameter of plasma flow (m); Vn is the speed of movement of ions along the magnetic field, m / s; / dr with Ј / eBR is the drift velocity of ions of the released isotope across the magnetic field lines, m / s; c is the speed of light; Ј is the energy of cyclotron rotation of the ions of the released isotope, e is z.ar d ion; B - tension

5 magnetic field; R is the radius of curvature of the force lines of a non-uniform magnetic field (m).