СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ ИЗОТОПОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF ISOTOPE SEPARATION AND DEVICE TO THIS END

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.
Для удовлетворения настоящих потребностей промышленности и медицины в изотопах используются многоступенчатый центрифужный и одностадийный электромагнитный методы. Причем области их применения сейчас не пересекаются: первый дает в промышленных количествах изотопы и химически чистые вещества, выделяемые из химических соединений с высокой упругостью пара при комнатной температуре, второй - используется для получения любых изотопов, из-за своей низкой производительности, в малых (диагностических) количествах.
Будущие потребности ставят перед исследователями задачу нахождения и промышленного использования универсального высокопроизводительного способа выделения ядерно-чистых веществ, изотопов. Среди рассматриваемых «кандидатов» наиболее привлекательными являются методы выделения изотопов из вещества, находящегося в состоянии плазмы. Электромагнитные плазменные сепараторы строятся по принципу извлечения нужных частиц из плазмы рабочего вещества. Плазма же создается по-разному: или в процессе ионизации рабочего вещества во вспомогательной плазме, или в качестве источника плазмы рабочего вещества используют плазменный ускоритель.
Известен способ разделения изотопов и устройство для его осуществления [Бондаренко Л.А., Лымарь А.Г., Папкович В.Г., Попов В.А. О возможности разделения изотопов в аксиально-симметричных магнитных полях с реверсами поля // Вопросы атомной науки и техники. - 2008. - №4. - С.308-311].
Данный способ предлагает создание в аксиально-симметричном рабочем объеме сепаратора (вакуумной камере) магнитного поля, знак которого изменяется по длине 2 раза, формируя, таким образом, области с разными знаками изменяющегося по величине, в том числе и нулевого, магнитного поля. На одном из торцов камеры располагают точечный или кольцевой источник моноэнергетичных ионов, вектор скорости которых направлен вдоль оси установки. Первый реверс поля инициирует спиральное движение ионов, в процессе которого происходит пространственное разделение различных изотопов вдоль продольной оси и по азимутальному углу. При прохождении второго реверса происходит изменение величин радиусов вращения ионов и направления вращения. При этом разделение изотопов по длине камеры, и углу существенно возрастает и проявляется еще и разделение по радиусу. В расчетных местах устанавливаются приемники изотопов.
Признаками известного способа, совпадающими с существенными признаками заявляемого способа являются:
- создание в аксиально-симметричном рабочем объеме сепаратора (вакуумной камере) магнитного поля;
- на одном из торцов камеры располагают кольцевой источник ионов.
Недостатком данного способа является низкая производительность разделения изотопов из-за ограничения тока ионов «законом 3/2»
6
2
большая (J≥3,17·10 А/м) величина плотности тока, необходимого для создания разделяющего магнитного поля, и жесткие требования на величину радиальной составляющей скорости иона в точке старта (на тепловой разброс).
Признаками известного устройства, совпадающими с существенными признаками заявляемого устройства, являются:
- аксиально-симметричный рабочий объем сепаратора (вакуумная камера);
- кольцевой источник ионов;
- катушки для создания магнитного поля;
- приемники изотопов.
Недостатком данного устройства является большая (L≥7 м) длина рабочего объема, в котором необходимо создавать магнитное поле большой магнитуды (сверхпроводящий магнит), и, как следствие, большой вес установки и большая (сотни кВт) потребляемая электрическая мощность.
Известен способ и устройство для разделения изотопов по патенту США №4167668 [G.Mourier. Process and apparatus for separating isotopes. Зaявл. 06.09.1977].
1
2
1
3
1
2
1
2
3
Данный способ определяет последовательность действий по выделению изотопов из плазмы. Один из этих изотопов (m), который необходимо выделить, имеет низкую концентрацию в смеси, второй (m) - доминирующую. Плазма формируется в области цилиндрического рабочего вакуумного объема с постоянным продольным однородным магнитным полем и радиальным (ортогональным к магнитному полю) высокочастотным электрическим полем. Частота электрического поля близка к ионной циклотронной частоте изотопа массой m - метод ионно-циклотронного нагрева - ИЦР. Из-за сканирования внешнего переменного электрического поля в результате поляризации плазмы эффективность ИЦР падает, поэтому в плазму смеси двух изотопов добавляют третий изотоп с массой m=2m-m. При этом суммарная поляризация существенно падает, что облегчает проникновение электрического поля в плазму и ИЦР для выделяемых ионов. Ионы массой m оседают на периферийном приемнике (внутренняя цилиндрическая поверхность рабочего объема), а массами m и m - на торцевом приемнике («отвал»).
Признаками известного способа, совпадающими с существенными признаками заявляемого способа, являются:
- создание постоянного продольного магнитного поля;
- осаждение ионов изотопов на периферийном и торцевом приемниках.
Недостатком данного способа является необходимость подбора для каждого из вновь выделяемых изотопов соответствующего «иона компенсации поляризации», высокая (1/10000) требуемая точность частоты электрического поля и возможность выделения только одного изотопа.
Известное устройство включает источник ионов изотопов трех масс, рабочий вакуумный объем, в котором создается плазма, соленоид для создания магнитного поля, внешний источник электрического поля и периферийный и торцевой приемники ионов изотопов.
Признаками известного устройства, совпадающими с существенными признаками заявляемого устройства являются:
- источник ионов нескольких масс;
- соленоид для создания магнитного поля;
- периферийный и торцевой приемники ионов изотопов.
Недостатком известного устройства является, если его делать универсальным, для разделения любых изотопов, что наиболее практично, необходимость создания магнитных полей индукцией 4-6 Тл, что потребует установки большого сверхпроводящего соленоида, потребляющего мощность порядка 1 МВт [Долголенко Д.А., Муромкин Ю.А. Разделение изотопов в плазме на основе ионного циклотронного резонанса // Успехи физических наук. - 2009. - Т.179, №4. - С.369-382].
Прототипом заявляемого способа и устройства является способ и устройство плазмооптической масс-сепарации квазинейтральных пучков [Морозов А.И., Семашко Н.Н. О сепарации по массам квазинейтральных пучков // Письма в ЖТФ. - 2002. - Т.28, вып.24. - С.63-66].
Способ масс-сепарации (ПОМС-Е) по прототипу включает получение квазинейтрального аксиально-симметричного потока плазмы с помощью плазменного ускорителя (стационарного плазменного двигателя или двигателя с анодным слоем), транспортировку потока через азимутатор, в котором в поперечном радиальном магнитном поле ионы получают импульс в азимутальном направлении - разделяются по массам, транспортировку потока через сепарирующий объем, в котором создается стационарное радиальное электрическое поле и который помещается в область однородного постоянного магнитного поля, замагничивающего электроны, но практически не влияющего на динамику ионов, собирание ионов на кольцевые приемники ионов, расположенные в расчетных по длине и радиусу сепарирующего объема положениях.
Признаками известного способа, совпадающими с существенными признаками заявляемого способа являются:
- получение квазинейтрального аксиально-симметричного потока плазмы с помощью плазменного ускорителя (стационарного плазменного двигателя или двигателя с анодным слоем);
- транспортировку потока через азимутатор, в котором в поперечном радиальном магнитном поле ионы получают импульс в азимутальном направлении - разделяются по массам;
- транспортировку потока через сепарирующий объем, в котором создается стационарное радиальное электрическое поле и который помещается в область однородного постоянного магнитного поля, замагничивающего электроны, но практически не влияющего на динамику ионов;
- собирание ионов на приемники ионов, расположенные в расчетных по длине и радиусу сепарирующего объема положениях.
p
p
ср
p
z
z
Недостатком способа по прототипу являются жесткие условия на моноэнергетичность пучка ионов и угловой разброс потока на выходе из ускорителя, которые ограничивают возможности использования способа по прототипу в практических целях. Расчеты в перечисленных выше работах сделаны для случая одинаковых энергий ионов различных масс на выходе из источника и малых (не более ±5°) угловых разбросов. Практическое использование ПОМС-Е предполагает совершенствование, оптимизацию существующих плазменных ускорителей к уровню требований прототипа. Наиболее приближенный к этим требованиям стационарный плазменный ускоритель-двигатель АТОН [Морозов А.И., Бугрова А.И., Десятсков А.В., Ермаков Ю.А., Козинцева М.В., Липатов А.С., Пушкин А.А., Харчевников В.К., Чурбанов Д.В. Стационарный плазменный ускоритель-двигатель АТОН // Физика плазмы. - 1997. - Т.23, №7. - С.635-645] генерирует ионы (ксенон) с энергиями от нескольких потенциалов ионизации до eU, где U - напряжение между катодом и анодом, со средней энергией около Е=0,75U. Девяносто процентов тока пучка ионов лежит внутри конуса с углом расходимости около 11°. В большинстве плазменных источников разброс по продольным скоростям ΔV~V.
Устройство по прототипу [Морозов А.И., Семашко Н.Н. О сепарации по массам квазинейтральных пучков // Письма в ЖТФ. - 2002. - Т.28, вып.24. - С.63-66] включает азимутатор, магнитные катушки, магнитный сердечник, газораспределитель, анод, катод (электронную пушку сопровождения), систему создания продольного магнитного поля в сепарирующем объеме, систему создания радиального электрического поля в сепарирующем объеме и кольцевые приемники разделенных компонентов пучка, расположенные в расчетных по длине и радиусу сепарирующего объема положениях.
Признаками известного устройства, совпадающими с существенными признаками заявляемого устройства, являются:
- азимутатор;
- магнитные катушки;
- магнитный сердечник;
- газораспределитель;
- анод;
- катод (электронная пушка сопровождения);
- система создания продольного магнитного поля в сепарирующем объеме;
- система создания радиального электрического поля в сепарирующем объеме;
- приемники разделенных компонентов пучка, расположенные в расчетных по длине и радиусу сепарирующего объема положениях.
Недостатком устройства по прототипу является возможность попадания ионов разных масс на каждый из приемников при использовании существующих плазменных ускорителей в качестве источников ионов.
При создании способа разделения изотопов и устройства для его осуществления, объединенных единым изобретательским замыслом, ставилась задача создать в результате такие способ и устройство, в которых остались бы все положительные качества способа и устройства по прототипу и была обеспечена возможность практического использования стационарных плазменных двигателей или двигателей с анодным слоем, производство которых уже хорошо освоено.
Технический результат заявляемых способа разделения изотопов и устройства для его осуществления заключается в расширении возможностей плазмооптических масс-сепараторов с точки зрения их практического использования за счет минимизации негативного влияния углового и энергетического разбросов ионов изотопов в потоке плазмы.
1
2
Zmax
1
2
0
1
2
r1
rкр
r2
rкp
Технический результат достигается тем, что, учитывая практические возможности плазмооптической масс-сепарации с учетом разброса ионов разных масс по радиальным и продольным скоростям, найдены условия для масс-сепарации в ПОМС-Е ионов трех и более масс вне зависимости от их продольной скорости при «мягком» условии на угловой разброс в пучке ионов. Технический результат достигается тем, что собирание ионов массами M и М производят на приемники ионов, расположенные на цилиндрических поверхностях длиной L≈(4-6)R и радиусами r и r, ионы изотопов центральной массы M=(M+M)/2 собирают на торцевой приемник, что обеспечивают выполнением условий на радиальные скорости ионов изотопов V≤V; V≤V, где
м/с;
где
- ларморовская частота, 1/с;
е - заряд электрона, Кл;
Δ - ширина азимутатора, м;
1
2
δМ=(М-М)/2, кг;
0
М - масса центрального иона изотопа, кг;
R
B - величина магнитной индукции в азимутаторе, Тл;
с - скорость света, м/с;
и угловой разброс а на входе в азимутатор
,
где
φA0
V - азимутальная скорость иона изотопа после азимутатора,
max
V - максимальная скорость иона до азимутатора,
1
2
zmax
катод плазменного ускорителя совмещен с полюсом азимутатора, два приемника разделенных компонентов пучка ионов изотопов выполнены в виде цилиндров радиусами r и r и длиной L≈(4-6)R, а третий приемник - в виде кольца, расположенного на торце сепарирующего объема.
Преимуществом предлагаемого варианта ПОМС-Е по сравнению с прототипом является возможность практической реализации предложенного способа с использованием в качестве источников ионов уже разработанных и изготавливаемых серийно плазменных ускорителей.
Заявляемый способ разделения изотопов и устройство для его осуществления поясняются чертежом, где схематично приведено устройство и проиллюстрированы физические принципы, на которых основан способ.
Устройство содержит азимутатор 1, совмещенный с катодом плазменного ускорителя, магнитные катушки 2 для создания оптимального распределения магнитного поля по объему плазменного ускорителя (позиции 1-6) и обеспечения замкнутого дрейфа электронов в его объеме, магнитный сердечник 3, являющийся и полюсом азимутатора 1, газораспределитель 4 с буферным объемом, анод 5, электронную пушку сопровождения 6, систему создания продольного магнитного поля, замагничивающего электроны в сепарирующем объеме 7, систему создания радиального электрического поля в сепарирующем объеме, состоящую из двух цилиндрических электродов 8, 10, и приемники разделенных компонентов пучка 8, 9, 10.
Получим основные расчетные соотношения для устройства (ПОМС-Е) по данной заявке.
φ
Как известно, движение иона массой М в области радиального магнитного поля  азимутатора (А - азимутальная компонента векторного потенциала; , z - координата вдоль направления магнитного поля) определяется его функцией Лагранжа:
где
е - заряд электрона,
с - скорость света,
V - скорость иона.
φ0
При осевой симметрии {∂L/∂φ=0), если до азимутатора момент у иона нулевой и А=0, движение иона описывается уравнением
где
R - средний радиус кольцевой щели азимуматора;
φА - указывает на значение параметра после прохождения азимутатора. Азимутальная скорость, приобретаемая ионом после прохождения азимутатора, определяется массой иона и равна:
r
0
0
В области сепарирующего объема, где есть радиальное электрическое поле, а магнитное поле на движение ионов практически не влияет, движение иона по радиусу будет происходить при сохранении момента под действием центробежной силы и силы радиального электрического поля E(r)=-E(R/r). Для иона изотопа центральной массы М, вылетевшего из точки r=R, можно определить параметрическую зависимость выделяемой массы от характерных размеров устройства и значения электромагнитных полей:
где
Δ - ширина щели азимутатора.
0
R
0.
Отметим, что при фиксированном радиусе R, центральную массу М можно выбирать, варьируя B, Δ и Е
Анализ движения частиц в потенциальной яме - на языке изменения эффективной потенциальной энергии
RA
где  - приводит к выводу о том, что колебания ионов ангармонические, т.е. период колебаний зависит от скорости V. При этом для центральной массы
где
,
ε=x/R; r=R+х; х - малое отклонение.
ZA
Частицы с разными полными энергиями Е не собираются одновременно в некоторых пространственно локализованных точках сепарирующего объема, а формируют «пятна», протяженные вдоль радиуса сепарирующего объема. Если еще существует и распределение ионов по продольным V скоростям (немоноэнергетичность), то пятно уширяется и вдоль продольной оси сепарирующего объема. Поэтому возникает вопрос, как осуществить сепарацию кольцевого плазменного потока, не закладываясь на моноэнергетичность для ионов разных масс и иметь при этом более «мягкое» условие на угловой (по r) разброс плазменного потока.
1
1
2
2
1
2
ZA
1
2
Результаты решения уравнений движения ионов разных масс и анализ их колебаний в потенциальных ямах дают возможность утверждать, что сбор частиц массой М можно устраивать на цилиндрической поверхности с некоторым расчетным радиусом r. Частицы массой М собираются на поверхности радиусом r. Причем на цилиндрах радиусами r и r соберутся ионы вне зависимости от величины скорости V. Радиусы r и r определяются соотношениями:
0
1
2
0
1
2
Пусть есть еще и ионы с массой М=(М+М)/2 - ионы с центральной массой. Важно, чтобы ионы М не пересекали при своем движении цилиндрические поверхности, имеющие радиусы r и r. Это достижимо, если будут выполнены следующие условия:
где
- ларморовская частота;
1
2
δМ=(М-М)/2.
max
p
Если максимальная энергия частиц E определяется ускоряющим потенциалом U, то
rmax
max
0
1
2
и V=αV (α - угол между вектором полной скорости иона и осью Z). Ионы центральной массы М при учете соотношений (7) не будут пересекать цилиндры радиусами r и r при следующем условии на угловой разброс:
φA
0
0
φA
0
max
Ионы со скоростью V<V не проходят через азимутатор, поэтому ионы с энергией Е, соответствующей максимуму энергетического распределения, должны иметь скорости V≥V. Приняв V≈ξV, где ξ<1 (немного меньше), условие (8) можно записать в виде:
Определим длину сепарирующего объема.
Уравнение колебаний иона центральной массы в потенциальной яме имеет вид .
Частота колебаний
Период колебаний
Вдоль продольной оси ион будет иметь максимальную скорость . Тогда максимальная длина сепарирующего объема определится как:
Zmax
Если ξ≈1/2÷1/3, то длина сепарирующего объема L определяется радиусом инжекции ионов R и составляет L≈(4-6)R.
0
1
2
1
2
1
2
Zmax
0
Zmax
Таким образом, в ПОМС-Е получаем идеальную масс-сепарацию для ионов изотопов трех масс М, М и М. Ионы массами М и М оседают на цилиндрах радиусами r и r и длиной L, а ионы массой М собираются на торцевом кольцевом приемнике, расположенном на расстоянии L.
1
2
В случае если в исходной смеси изотопов присутствуют больше чем 3 компонента, то на цилиндрах радиусами r и r будут оседать целевые ионы изотопов соответственно с минимальной и максимальной массами - «продукт», а на торцевом приемнике - все остальные - «отвал». В этом варианте ПОМС-Е может успешно применяться в многоступенчатом режиме, когда каждое последующее разделение осуществляется для изотопов, еще оставшихся в «отвале». Кроме того, ПОМС-Е может использоваться как масс-сепаратор первой ступени переработки - обогащения основного количества исходного вещества для классического электромагнитного вакуумного ионно-пучкового масс-сепаратора (см. чертеж).
Заявляемый способ реализуется в устройстве для разделения изотопов, которое работает следующим образом.
С помощью плазменного ускорителя (стационарного плазменного двигателя или двигателя с анодным слоем), включающего катод, совмещенный с азимутатором 1, катушки 2 для создания оптимального распределения магнитного поля по объему плазменного ускорителя и обеспечения замкнутого дрейфа электронов в его объеме (поз.1-6), магнитный сердечник 3, являющийся и полюсом азимутатора 1, газораспределитель 4 с буферным объемом, анод 5, электронную пушку сопровождения 6, получают квазинейтральный аксиально-симметричный поток плазмы, который транспортируют через азимутатор 1, где создают поперечное к направлению движения потока (радиальное) магнитное поле. Угловой разброс α на входе в азимутатор ограничивают величиной
0
1
2
Zmax
1
2
0
1
2
r1
rкр
r2
rкр
В поперечном радиальном магнитном поле ионам сообщают импульс в азимутальном направлении - разделяют по массам - и далее транспортируют в сепарирующий объем (поз.8-10), в котором создают стационарное радиальное электрическое поле с помощью системы цилиндрических электродов 8 и 10 и который помещают в область однородного постоянного магнитного поля системы создания продольного магнитного поля 7, замагничивающего электроны, но практически не влияющего на динамику ионов. Ионы массами М, М и М собирают на приемники ионов, на которых создают условия отсутствия распыления, расположенные соответственно на торце 9 сепарирующего объема и на цилиндрических поверхностях длиной L≈(4-6)R и радиусами r и r такими, что ионы с массой М не пересекают при своем движении цилиндрические поверхности радиусами r и r, что обеспечивают выполнением условий V≤V; V≤V,
где