ИСТОЧНИК ПАРА ДЛЯ ПЛАЗМЕННОГО РАЗДЕЛЕНИЯ ВЕЩЕСТВ
STEAM SOURCE FOR PLASMA SEPARATION OF SUBSTANCES

Изобретение относится к плавильным устройствам, работающим с использованием метода индукционной плавки в холодном тигле (ИПХТ), предназначенным для плавки веществ, например, таких как оксиды и их сплавы, и может быть использовано для плавки, испарения и ионизации радиоактивных отходов для их плазменного разделения.
Из уровня техники известно средство для плавки оксидных материалов в индукционной печи, раскрытое в патенте RU 2737663, опубликованном 02.12.2020, МПК G21F 9/16, F27B 14/06. Данное средство может быть взято в качестве наиболее близкого аналога. Расплавление оксидных материалов, в частности, остекловывание ВАО, авторы патента предлагают осуществлять в индукционной печи, содержащей индуктор и металлический водоохлаждаемый секционированный тигель с индукционным сливным устройством горячего типа. Донная часть тигля и индуктор выполнены в форме конуса, а витки индуктора расположены напротив конусной части тигля. В нижней части конуса тигля расположено сливное устройство со сливным фланцем и сливной трубкой, которая снабжена дополнительным индуктором.
Недостатки известного средства с точки зрения решаемой задачи можно выделить следующие. Известное средство направлено только на расплавление веществ и его использование не предполагает возможности целенаправленного испарения расплавляемого вещества. Другими словами, известное средство не рассчитано на высокие температуры, обеспечивающие испарение расплавленных радиоактивных отходов. Имеющийся тигель в предлагаемых условиях будет быстро приходить в негодность прогорая. Кроме того, даже при попытке использования известного средства в качестве источника пара оно не сможет обеспечить ионизацию испаряемых веществ, поскольку в нем не предусмотрены интегрированные средства ионизации.
Техническая проблема, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в создании источника пара для плазменного разделения веществ, обладающего высокой надежностью и устойчивого к высокотемпературным воздействиям.
Технический результат, достигаемый при использовании заявленного изобретения, заключается в минимизации высокотемпературного воздействия на стенки и дно емкости с испаряемым веществом с одновременным обеспечением ионизации испаренного вещества. Также устройство расширяет арсенал источников пара для плазменного разделения веществ.
Техническая проблема решается, а технический результат достигается за счет того, что источник пара для плазменного разделения веществ включает открытую сверху емкость с жаропрочным дном и боковыми стенками, выполненными из трубок с возможностью заполнения охладителем, причем дно емкости выполнено по меньшей мере с одним технологическим отверстием, высокочастотный индуктор, размещенный вокруг стенок емкости, по меньшей мере один проводящий тугоплавкий стержень, проходящий через технологическое отверстие дна емкости и по меньшей мере частично размещенный внутри емкости, причем стержень установлен с возможностью продольного перемещения через отверстие, и электрод, расположенный над емкостью вокруг ее* открытой части.
Техническая проблема решается, а технический результат достигается также в следующем частном варианте реализации устройства.
Проводящий тугоплавкий стержень источника пара может быть выполнен из вольфрама.
Применение охлаждаемой емкости в сочетании с индукционным нагревом и тугоплавким стержнем, установленным с возможностью продольного перемещения внутри емкости, позволяет сформировать локальную зону расплавления и испарения загруженного в емкость вещества. Охлаждение стенок емкости ограничивает распространение расплавления вещества, а, следовательно, минимизирует высокотемпературное воздействие на стенки и дно емкости и, тем самым, повышает ее надежность и долговечность. Высокая частота переменного тока индуктора совместно с теплотой, передаваемой от тугоплавкого стержня, функционирующего как катод, позволяет поддерживать температуру испарения рабочего вещества. Вольфрам обладает высокой температурой плавления, поэтому его использование в качестве материала стержня предпочтительно. Электрод над емкостью выполняет функции анода и совместно с катодом обеспечивает ионизацию испаряемого вещества.
Источник пара для плазменного разделения веществ поясняется чертежом (фиг. 1), на котором схематически изображена его конструкция.
В соответствии с настоящим изобретением источник пара для плазменного разделения веществ (см. фиг. 1) включает в себя открытую сверху емкость (1) с жаропрочным дном (2) и боковыми стенками (3), выполненными из трубок с возможностью заполнения охладителем. Высокочастотный индуктор (4) размещен вокруг емкости (1) напротив ее боковых стенок (3). Дно (2) емкости (1) выполнено по меньшей мере с одним технологическим отверстием (5). В упомянутое отверстие (5) установлен с возможностью продольного перемещения по меньшей мере один проводящий тугоплавкий стержень (6), являющийся первым электродом. Стержень (6) проходит через технологическое отверстие (5) и по меньшей мере частично размещен внутри емкости (1). Предпочтительно, стержень (6) выполнен из вольфрама, обладающего высокой температурой плавления. Второй электрод (7) установлен над емкостью (1) вокруг ее открытой части. Второй электрод (7) может быть выполнен как единым, так и из нескольких частей.
Исполнение электрического подключения первого и второго электродов, а также высокочастотного индуктора может быть исполнено любым известным для специалиста в данной области техники способом и не является объектом заявляемого изобретения.
Предложенный источник пара для плазменного разделения веществ работает следующим образом.
Испаряемое вещество, например, оксид, в форме порошка размещается в емкости (1). При необходимости, вещество (порошок) можно добавлять в емкость (1) сверху, по мере его испарения. Боковые стенки (3) емкости (1) представляют собой трубки, заполняемые охладителем. Тип охладителя и средство его подачи могут быть выбраны любыми, известными для специалиста в данной области техники. После на высокочастотный индуктор (4) подается питание.
В рабочем режиме устройства в емкости (1) постоянно находится вещество как в твердом состоянии (порошок), так и в жидком, расплавленном состоянии, которое располагается на поверхности твердого вещества в центральной части емкости (1). Благодаря наличию боковых стенок (3) в виде трубок с охладителем порошок по периферии емкости (1) не плавится. Другими словами, охлаждаемая емкость (1) в сочетании с засыпанным в нее веществом выполняет функции тигля, в котором происходит процесс расплавления и испарения самого же вещества. Таким образом, обеспечивается долговечность устройства и его устойчивость к высоким температурам.
Испарение происходит с верхней поверхности жидкого вещества. Поскольку проводимость расплавов оксидов, как правило, намного больше проводимости оксидов в твердом состоянии, то расплав вещества можно нагревать индукционно, посредством высокочастотного индуктора (4). Однако, проводимость оксидов меньше, чем у металлов, и, следовательно, для обеспечения нужной толщины скин-слоя требуется большая частота. Поэтому необходим именно высокочастотный индуктор.
Для запуска процесса испарения, возможно, например, использовать металлическую затравку, помещаемую перед запуском индуктора (4) на поверхность порошкообразного вещества в емкости (1). После включения индуктора (4) эта затравка индукционно нагревается и постепенно разрушается, но при этом успевает создать вокруг себя слой из проводящего расправленного вещества.
Через технологическое отверстие (5) в дне (2) емкости (1) сквозь толщу порошкообразного вещества (оксида) проложен проводящий стержень (б) из тугоплавкого и химически инертного вещества, предпочтительно, вольфрама. За счет возможности продольного перемещения стержня (6) обеспечивается касание его верхней части и жидкого, расплавленного вещества. Таким образом, расплавленное вещество, совместно со стержнем (6) выполняет роль катода для зажигания вакуумного дугового разряда и ионизации испаренного вещества. Электрод (7), выполняющий роль анода, расположен над емкостью (1) вокруг ее открытой части.
Кроме того, важно отметить, что работа катода сопряжена с большим тепловым излучением, требующим отдельного охлаждения. Предлагаемое устройство обеспечивает отведение тепла от катода и исключает его локальный перегрев за счет того, что катод проложен внутри емкости (1), а, следовательно, сквозь толщу рабочего вещества. При этом, поглощаемого тепла недостаточно для расплавления вещества и последующего повреждения емкости (1), но достаточно для поддержания совместно с индуктором (4) температуры испарения вещества. Также, поскольку стержень (6) выполнен из тугоплавкого вольфрама, то он не плавится под индукционным воздействием.
Таким образом, заявленный источник пара для плазменного разделения веществ обеспечивает минимизацию высокотемпературного воздействия на стенки и дно емкости с испаряемым веществом с одновременной ионизацией испаренного вещества, что приводит к высокой надежности и долговечности устройства.
Также устройство расширяет арсенал источников пара для плазменного разделения веществ.