Плазмооптические масс-сепараторы

Во Ньы Зан

Плазмооптические масс-сепараторы тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

Во Ньы Зан АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Иркутск МЕСТО ЗАЩИТЫ

2012 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.01 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Плазмооптические масс-сепараторы»

Автореферат диссертации на тему "Плазмооптические масс-сепараторы"

О'

На правах рукописи

Во Ньы Зан

ПЛАЗМООПТИЧЕСКИЕ МАСС-СЕПАРАТОРЫ: МЕТОДЫ ПОСТРОЕНИЯ, ДИАГНОСТИКА

Специальность 01.04.01 - Приборы и методы экспериментальной физики

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

2 4 Май ¿012

Иркутск-2012

005044810

Работа выполнена на кафедре радиоэлектроники и телекоммуникационных систем ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный технический университет»

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор

Строкин Николай Александрович

Официальные оппоненты: Паперный Виктор Львович

доктор физико-математических наук, профессор, Иркутский государственный университет, заведующий кафедрой;

Смирнов Владимир Александрович

кандидат физико-математических наук, Институт ядерного синтеза НИЦ «Курчатовский институт», старший научный сотрудник

Ведущая организация: Институт общей физики РАН

Защита состоится «13» июня 2012 г. в 15.15 на заседании диссертационного совета Д212.073.09 при ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный технический университет» по адресу: 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, д. 83, корпус «К», конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный технический университет».

Автореферат разослан «5~» мая 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат физико-математических наук, доцент:

Ченский А.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Сегодняшние и будущие потребности человеческой деятельности ставят перед исследователями задачу нахождения и промышленного использования высокопроизводительного способа выделения ядерно-чистых веществ, изотопов. В настоящее время наиболее актуальным является разделение отработанного (облученного) ядерного топлива (ОЯТ). Актуальность проблемы ОЯТ состоит в недопущении повышения уровня радиации, повторном использовании его радиоактивной части. Переработка ОЯТ позволяет сохранить до 30% естественного урана. Из ОЯТ можно также выделять препараты стронция, цезия, циркония, ниобия, рутения, иттрия для изготовления источников ионизирующего излучения, широко применяемых в промышленности и медицине.

Ежегодный объем химической переработки ОЯТ составляет около 5000 тонн, в то время как один легко-водный реактор мощностью 1000 МВт производит ежегодно около 25 тонн ОЯТ, а установленная мощность на январь 2010 г. составляла 370394 МВт. Основное количество ОЯТ, таким образом, помещают в хранилища без переработки. Причина — высокая стоимость и, следовательно, нерентабельность химического разделения ОЯТ. Разделение ОЯТ, например, с трех бывших ядерных производств США (Ханфорд, Саватм-Ривер, Айдахская национальная лаборатория; 379 тысяч кубометров ОЯТ) при использовании существующих технологий планируется закончить к 2028 году; стоить это может примерно 200 миллиардов долларов. Стоимость химической переработки ОЯТ, переработки РАО и затраты на хранение ОЯТ составляют около 29,1 % общих затрат ядерного топливного цикла.

Альтернативой химической технологии могут стать плазменные методы сепарации вещества и установки для их реализации - магнитоплазменные и плазмооптические масс-сепараторы. К настоящему, времени в той или иной степени, среди плазменных методов развиты разделение изотопов в плазме с помощью селективного ионно-циклотронного нагрева, плазменные центрифуги, разделение изотопов в положительном столбе газового разряда и в пучково-плазменном разряде. Однако все экспериментально разрабатываемые методы либо малопроизводительны, либо очень «грубы», т.е. не позволяют разделять ионы с близкими массами, разделять сложные вещества на группы элементов, а предназначены для выделения, обычно, целевого наиболее тяжелого элемента. Остальные — собираются на коллекторы в виде смеси элементов («отвала»),

В соответствт! с вышесказанным, разработка нового высокопроизводительного плазменного метода получения ядерно-чистых веществ, развитие нового направления в технолопш плазменной масс-сепарации являются актуальными задачами.

Целью работы является доказательство возможности реализации плаз-мооптической универсальной высокопроизводительной масс-сепарации потока плазмы из плазменного ускорителя на составляющие его компоненты - изотопы, элементы, группы элементов в стационарном электромагнитном поле.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1) исследование разделения ионов в найдешгой для осуществления масс-сенарации конфигурации электромагнитных полей;

2) разработка необходимых средств диагностики;

3) получение данных для конструирования опытно-промышленного электромагнитного плазмооптического масс-сепаратора.

Методы исследования заключались в применении теоретических исследований и численного моделирования.

Объектом исследований являются физические процессы при селекции целевых ионов из плазменного состояния и методы разработки и конструирования плазмооптических масс-сепараторов.

Предмет исследований - теоретическое и численное моделирование траекторий движения ионов различных масс в электромагнитных полях.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1) найдено новое решение для масс-сепарации смеси элементов, изотопов на три целевые составляющие;

2) впервые показано, что в плазмооптическом масс-сепараторе возможно выделение группы трансурановых элементов, не загрязненных многозарядными нонами соседних элементов;

3) найдено новое решение для реализации панорамной сепарации ионов в плазмооптических (ПОМС) масс-сепараторах ПОМС-Е;

4) разработаны новые совмещенные энерго-масс-анализаторы: гибридный, являющийся последовательной комбинацией энергоанализатора Юза-Рожанского и фильтра скоростей Вина с наложенными секторными однородным магнитным и радиальным электрическим полями, и прибор, который образован совмещением цилиндрического дефлектора и секторного фильтра Вина с однородным электрическим и радиальным магнитным полями.

Практическая значимость работы. Результаты выполненных работ применяются для реализации прикладной задачи - проектирования высокопроизводительной опытно-промьнпленной установки для разделения изотопов и получения ядерно-чистых веществ. Результаты работы также использованы при выполнении проектов № 2.1.1/4222 и № 2.1.1/11412 - «Разработка физических основ плазмооптической масс-сепарации для разделения изотопов и получения пысокочистых веществ» в рамках Аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы». Некоторые результаты работы будут использованы в образовательном процессе Национального исследовательского Иркутского государственного технического университета при проведении лабораторных и практических работ по дисциплинам «Вакуумная и плазменная электроника», «Электрофизические технологии», «Автоматизации установок и измерений».

Личный вклад. Основные результаты диссертации, опубликованы в работах [1-12] и являются оригинальными. Теоретические расчеты проводились автором под руководством соавторов работ. Численные эксперименты и расчеты проводились лично автором в полном объеме: определение методов и

средств решения задач, непосредственный счет и анализ результатов. Автор принимал непосредственное участие в подготовке и написании статей и докладов.

Апробация полученных результатов. Материалы диссертационной работы докладывались на XXXVIII, XXXIX Международных (Звенигородских) конференциях по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу (г. Звенигород Московской области в 2011 и 2012 годах); на IX, X межвузовских научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные проблемы радиоэлектроники и связи» (г. Иркутск, ИрГТУ, 2010 и 2011 годы), а также на научных семинарах в Национальном исследовательском Иркутском государственном техническом университете.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 12 работ, из них 9 [1-9] в журналах, рекомендованных ВАК РФ для опубликования научных результатов диссертаций на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Работа представлена на 118 страницах машинописного текста, включает 52 рисунков, 2 таблицы. Библиографический список включает 70 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введепии дана общая характеристика работы и обоснована ее актуальность, на основании чего сформулированы цель и задачи исследований, определена научная новизна и практическая значимость выполненных исследований. Раскрыто основное содержание данной диссертационной работы.

В первой главе [1, 3, 5, б, 8, 9, 11, 12] изложены результаты разработки физических основ плазмооптической масс-сепарации для разделения изотопов и получения высокочистых веществ и приведены данные по двум новым вариантам построения плазмооптических масс-сепараторов, предложены варианты их применения при утилизации отработанного ядерного топлива и доказана возможность панорамной масс-сепарации немоноэнергетичных многозарядных ионов в ПОМС.

В разделе 1.1 рассмотрены существующие и проектируемые магнито-плазменные сепараторы. Приведен анализ преимуществ и недостатков таких сепараторов, показывающий, что все экспериментально разрабатываемые плазменные методы либо малопроизводительны из-за ограничения ионного тока собственным объемным зарядом, либо очень «грубы», т.е. не позволяют разделять ионы с близкими массами, а предназначены для выделения, обычно, одного целевого наиболее тяжелого элемента, исходя из чего, обоснована необходимость поиска новых более эффективных и производительных способов маг-нитоплазменной масс-сепарации.

В разделе 1.2 обоснован выбор для решения задачи принципиальной схемы плазмооптического электромагнитного масс-сепаратора А.И. Морозова -ПОМС-Е, определен путь совершенствования ПОМС-Е и приведены результаты теоретического расчета и численного моделирования процесса разделения ионов в новом трехкомпонентном шгазмооптическом масс-сепараторе ПОМС-

Е-3.

Метод масс-сепарации (ПОМС-Е) включает получение квазинейтрального аксиально-симметричного потока плазмы с помощью плазменного ускорителя, транспортировку потока через азимутатор, в котором в поперечном радиальном магнитном поле ионы получают импульс в азимутальном направлении и разделяются но массам, и перенос потока плазмы (ионов) через сепарирующий объем. Сепарирующий объем представляет собой цилиндрический конденсатор, фокусировка ионов в котором имеет место при их повороте по азимуту на угол 0/= я/20'5. При этом между пластинами конденсатора, разнесенными на расстояние Л, должно быть создано стационарное радиальное электрическое иоле с потенциалом (р - ЕгДЫгШ), что возможно, когда сепарирующий объем «помещается» в область однородного постоянного магнитного поля, замагни-чиваюшего электроны, но практически не влияющего на динамику ионов. Разделенные ионы собираются на два цилиндрических приемника-электрода и кольцевой торцевой приемник ионов, расположенные в расчетных по длине и радиусу сепарирующего объема положениях.

Одним из принципиальных условий достижения в ПОМС-Е высокого разрешения по массам является выполнение требования малого энергетического разброса ионов на входе в сепарирующее пространство. Однако стационарные плазменные источники с замкнутым дрейфом электронов (плазменные ускорители), которые используются в ПОМС в качестве источников ионов, имеют разброс энергий частиц в направлении ускорения, сравнимый с энергией направленного движения ионного потока. В связи с этим, ПОМС-Е практически невозможно использовать для разделения ионов реального плазменного потока, например, ОЯТ.

Поскольку для отработанного ядерного топлива существуют три пика в распределении элементов по массам с наиболее вероятными массами Мх — 95, М„ = 139 и Мт = 239, в работе предложен для ОЯТ трехкомпонентный плазмо-оптический масс-сепаратор, названный ПОМС-Е-3, в котором ионы первого и третьего пиков распределения, содержащие ионы массами М1 и Мш, принимаются, соответственно, на цилиндрические электроды-приемники радиусами г2 и г1, а ионы центрального пика, включающие ионы массой Мп, собираются па торцевом кольцевом приемнике, расположенном между цилиндрами (рис. 1).

Масс-сепаратор ПОМС-Е-3 может успешно применяться в многоступенчатом режиме, когда каждое последующее разделение осуществляется для изотопов, еще оставшихся в «отвале». Кроме того, ПОМС-Е-3 может использоваться как масс-сепаратор первой ступени переработки-обогащения основного количества исходного вещества для классического электромагнитного вакуумного ионно-пучкового масс-сепаратора.

Рпс. I. Пла!мооитическпн масс-сепаратор ПОМС-Е-3:

1 - блок фазовых превращений; 2 - азимутатор; 3 - катушки электромагнитов, 4 - полюс азимутатора; 5 - газораспределитель с буферным объемом; б - анод; 7 - катод (электронная пушка сопровождения); 8 - система создания продольного магнитного поля; 9, 11 - система создания радиального электрического поля в сепарирующем объеме; 9 - 11 - приемники разделенных элементов пучка

В сепарирующем пространстве ПОМС-Е-3 траектория иона определяется совокупным воздействием противоположно направленных сил -со стороны радиального электрического поля и центробежной силы, определяемой радиальным магнитным полем азимутатора. Движение ионов изотопов или ионов химических элементов массой М с координатами г = R (центральная - равновесная траектория), <р = г = 0 в цилиндрической геометрии (г, <р, г) описывается следующими уравнениями:

Э2г (д(р\2 е „

±(г*%) = 0- (2)

а «Л дг) у

а2 г

= О,

(3)

где Er(r) = —EoR/r - радиальное электрическое поле; Е0 = E,{R) = ■ ° vrp0 -начальная азимутальная скорость ионов центральной массы М0 после азимутатора. Система уравнений (1—3) приводит к уравнению для радиального отклонения, которое в безразмерных переменных / = r/R, г = v:0t/R, ¡i = Mg/M,

ß — ~ имеет вид:

Vín

+ о,

Зхг г- г хз t~r х

(4)

где \>:о - начальная продольная скорость ионов центральной массы Мо после азимутатора.

В одночастичном приближении, решением уравнения (4) будет выражение для радиальной составляющей траектории:

0(т) =^-(соз>/2г-1),

(5)

где в=х - Л = М — М0.

Из решения (5) следует, что фокусировка ионов имеет место в момент

т = и фокусы частиц с различной массой смещаются по радиусу на величину

гп 8м т ел

о К = — к при разрешении по массам, равном — = —.

Более точное решение системы уравнений (1-3) для траекторий движения ионов, которое использовалось при проектировании макета масс-сепаратора ПОМС-Е-3, получено численным методом Рунге-Кутта 4-5 порядка точности в пакете программы МАТЬАВ. Примеры расчетов траекторий ионов ОЯТ для различных масс приведен на рис. 2 и 3.

Рис. 2. Траектории движения ионов с массами 85, 139, 240 а.е.м., углом расходимости плазменного потока в — 0,05 в сепараторе ПОМС-Е-3, моноэнергетичный пучок

Ш 1 |_____ ---М- 85

—— 240

_] \j 4-Х 1

|o,6R 1

Рис. 3. Траектории движения пучка ионов с массами 85,139, 240 а.е.м. для трех углов расходимости плазменного потока в ~ 0+0,1 в масс-сепараторе ПОМС-Е-3, моноэнергетичный пучок

Сепаратор работает следующим образом. В блоке фазовых превращений 1 (рис. 1) ОЯТ испаряется при ионно-плазменном воздействии и в виде атомарного потока подается в плазменный ускоритель, где атомы ионизуются. На выходе плазменного ускорителя формируется поток многокомпонентной плазмы, который попадает в азимутатор 2, совмещенный (или выполненный раздельно) с катодом плазменного ускорителя, в котором ионы потока плазмы ОЯТ приобретают азимутальную скорость, неодинаковую для ионов разных масс. После азимутатора поток плазмы попадает в сепарирующий объем, образованный системой создания продольного магнитного поля 8, системой создания радиального электрического поля - электроды 9 и 11 и приемниками разделенных элементов ОЯТ 9, 10 и 11. В сепарирующем объеме происходит пространственное

разделение ионов ОЯТ на 3 группы: М; в диапазоне массовых чисел от 85 до 106, М — 134.. .155, М - 235...244, которые попадают, соответственно, на два цилиндрических приемника радиусами г и г и торцевой кольцевой приемник, расположенный непосредственно за цилиндрическими приемниками.

В разделе 1.3 приведены результаты теоретического расчета и численного моделнровашш процесса разделения ионов в илазмооптическом «цилиндрическом сепараторе Вина» ПОМС-ЦВ.

Если, оставаясь в рамках задачи сепарации ионов из кольцевого плазменного потока, отказаться от азимутатора как «сложного» элемента установки, но сохранить сепарирующий объем с радиальным электрическим полем, то необходимо найти, взамен центробежной, другую противодействующую электрическому полю радиальную силу. Такой силой для плазменного потока, движущегося вдоль оси Z, может стать сила Лоренца, которая появится в сепарирующем объеме при создании в нем азимутального магнитного поля, генерируемого током, протекающего вдоль оси Z сепаратора.

ПОМС-ЦВ (рис. 4) содержит плазменный ускоритель 1, который может выполняться но схеме как ускорителя с анодным слоем, так и стационарного плазменного двигателя; внешний цилиндрический приемник ионов 2; внутренний цилиндрический приемник ионов 3; торцевой кольцевой приемник ионов 4; электронную пушку сопровождения 5 (символ ~е) и блок фазовых превращений (на рис. 4 не показан), переводящий твердое сложного состава вещество, например ОЯТ, в газообразное состояние. IIa рис. 4 также приведены обозначения для радиального электрического поля, создаваемого электродами 2, 3 и набором, расположенных па торцах, кольцевых электродов, азимутального и продольного магнитного полей.

Движение ионов массой Миз точки с координатами г ~ R, <р = z = 0 в заданных радиальном электрическом E,(r) = -ER/r, где Е - Er(R), и азимутальном магнитном By(r) = -BoR/r, где В0 = Br(R), полях ПОМС-ЦВ в правовннтовой цилиндрической системе координат описывается следующими уравнениями:

Md2r/df = Mr(dip/dtf - eRE/r + eRB0(d=/dt)/(cr) - cB:0r(d<p/dt)/c\ (6) Md(rd<p/dt)!dt = crBzQ(dr/dl)/c\ (7)

Md'z/dr = ~[edr/(dt)] xRBI(cr). (8)

В одночасгичном приближении, решение системы уравнений (6-8) для иона массой Мбудет таким:

0(т) = ^(соз£г-1), (9)

где 0= r/R - 1, SM — М — М0, т = ^ г = ~~ , ~ скорость электрического

дрейфа центральной массы М0. Для иона центральной массы М0 с начальной радиальной скоростью 0'(т = 0) = Vr решение системы уравнений (6-8) имеет вид:

0(т) = Krsin£T. (10)

Рис.4. Схематичное изображение масс-сенаратора ПОМС-ЦВ с обозначением анализирующих полей и геометрических элементов, необходимых при расчете устройства

4-5

Результата расчета траекторий ионов численным методом (Рунге-Кутга порядка точности в среде МАТЬАВ) при с = 1 приведен на рис. 5-6.

Рис. 5. Траектории движения ионов с массами 85, 139 и 240 а.е.м., углом расходимости плазменного потока в = 0,05 для мо-ноэнергетичного пучка

о 0.3 1 1.5 2 И 3 Э.5 4

¿'К.

........'

• . ( : ; 1

Рис. 6. Траектории движения ионов с массами 85, 139 и 240 а.е.м., тремя углами расходимости

плазменного потока в - 0+0,1 для моноэнер-гетичного пучка

Сепаратор ПОМС-ЦВ работает следующим образом. В плазменном ускорителе создается квазинейтральный многокомпонентный, соответствующий составу, например, ОЯТ, кольцевой поток плазмы. Из ускорителя поток попадает

в сепарирующий объем, в котором созданы скрещенные постоянные во времени поля, - радиальное электрическое Ег и азимутальное аксиально-симметричное магнитное Вг В комбинации созданных электромагнитных полей ионы центральной массы М0, имеющие скорости равные дрейфовой скорости проходят на торцевой приемник ионов 4; другие ионы разделяются в соответствии со своими массами и поступают, соответственно, на приемники 2 и 3 (см. рис. 4). Нарушение нейтральности плазмы при разделении ионов компенсируется «электронами сопровождения» электронной пушки.

В разделе 1.4 представлены результаты расчетов траекторий движения ионов в плазмооптнческих масс-сепараторах ПОМС-Е-3 и ПОМС-ЦВ в случае немоноэнергетичного пучка ионов различных масс, содержащих не только однократно ионизованные частицы. В ОЯТ, наряду с легко ионизуемыми атомами, содержатся атомы, имеющие достаточно низкий потенциал второй ионизации. Например, для Ва он составляет 10,001 эВ, Ьа - 11,43 эВ, 8г - 11,027 эВ, Се — 12,3 эВ, У — 12,23 эВ, что сравнимо с потенциалами первой ионизации для Хе (12,13 эВ), Те (9,009 эВ), I (10,451 эВ). Сделана оценка степени влияния ионов с зарядом больше единицы на качество сепарации ОЯТ.

В ПОМС-Е-3 движение многозарядных ионов описывается системой уравнений:

где Z - заряд ионов.

Если обозначить М' = M/Z, то решение системы (11-13) будет соответствовать траектории движения однозарядных ионов массами М' (см. раздел 1.2); траекторш! движения однозарядных ионов массы М и ионов массы М' = MFZ с зарядом Z совпадают.

Условие немоноэнергетнчности потока разделяемых ионов не меняет уравнения движения, но меняет начальные скорости ионов, и, соответственно, начальные условия задачи. Результаты расчетов для смеси ионов ОЯТ с наиболее вероятными массами 85,139 и 240 показаны на рис. 7.

Расчеты траекторий ионов ОЯТ с учетом реальных условий на энергетический разброс и многозарядность показывают, что с помощью ПОМС-Е-3 можно разделять потоки немоноэнергетичных ионов с разными зарядами. При этом, например, трансурановые элементы (самые тяжелые в ОЯ'1"), приходящие на внутренний приемник, не смешиваются с какими-либо другими нонами, в то время как минорные элементы ОЯТ, приходящие на торцевой и внешний цилиндрический приемник, загрязняются более тяжелыми элементами с низкими потенциалами кратной ионизации.

(И) (12) (13)

г®.

Рис. 7. Траектории двнження многозарядпых ново» немоноэнергичного пучка:

85; е - траектория однозарядного иона массой М = 85 (рубидий), 85; 2е - двухзарядный рубидий; 139; е - однозарядный ион массой М = 139 (лантан); ¡39; 2е - двухзарядный ион лантана; 240; е - однозарядный ион массой М = 240 (уран); 240; 2е - двухзарядный уран

В случае ПОМС-ЦВ, движение многозарядных ионов немоноэнергичного пучка описывается уравнениями:

Mcfr/dt2 = Mr(d<p/dtf - ZeREo/r + ZeRB0(dz/dt)/(cr•) - ZeBl0r(d<p/dt)/c; (14) Md{Sd<p/dt)ldt = ZerBz0(dr/dt)/c; (15)

Mdh/dt' = ~[Zedr/(dt)]xRBol(cr). (16)

Обозначим начальную скорость иона вдоль оси Z через vz0. Пусть для иона центральной массы М0 скорость v.0= vrf= сЕ0'В0, где vd- скорость электрического дрейфа. Такой ион будет двигаться строго прямолинейно вдоль оси Z. Если ввести безразмерные функции / = r/R, t]= z/R и переменную г = vj/R, то уравнения (14-16) можно свести к уравнению для радиального отклонения следующего вида:

g§ = - l) + jl - ZeplnO) - l)/X, (17)

в2

где e = eBoR/(M0cv,j), ц = МУМ, S - e - также безразмерные параметры.

4 B0

Результаты расчета (17) численным методом показаны на рис.8

Рис. В. Крайние траектории движения немоноэнерге-тичных одно-, двухэаряд-ных ионов наиболее вероятных масс ОЯТ; 8 = 0,05; <5 = 0,01;

8=1.

Из анализа приведенных на рис. 8 траекторий следует, что сепаратор ПОМС-ЦВ успешно разделяет' смесь ионов, имеющих различные энергии и заряды.

В разделе 1.5 предложены метод и установка, расширяющие функциональные возможности плазменных масс-сепараторов, повышающие их производительность и обеспечивающие панорамное разделение многокомпонентного потока плазмы по массам.

Показано [8, 9], что для «короткого» масс-сепаратора, когда размер /,.5

сепарирующего объема вдоль продольной оси сепаратора Т ограничен, при

разделении смеси веществ, имеющих массы, близкие к массе М0 центрального

иона, панорамную масс-сепарацию осуществить можно при ограничении на

„ ш г

энергетическии разброс ионов —— < --=-, где п - число пар элементов

(изотопов) вблизи М0. Полеченное ограничение на разброс по энергиям достаточно слабое. А для «длинного» сепаратора, когда на его длину ограничений нет, можно осуществить панорамную сепарацию и для немоноэнергетичного плазменного потока с любым набором энергий - от минимальных энергий, проходящих через азимутатор, до 1Утах.

На рис. 9 приведены траектории девяти ионов в половине аксиально симметричного сепарирующего объема. Четыре иона имеют массы большие М0 - приходят на «плавающие» (имеющие плавающий потенциал) приемники 1-А, а 4 - меньшие М0 (приходят на приемники 8-5); на приемник 9 приходят ионы центральной массы М0; при. этом приемники «не мешают» друг другу. Собирающими поверхностями у приемников являются как внутренние (приемники 5-9), так и внешние (1-4) стороны цилиндров, что существенно расширяет возможности панорамной масс-сепарации.

r/R

Рис. 9. Траектории ионов смеси из 9 компонентов в сепарирующем объеме:

1-8 - цилиндрические, 9 - кольцевой приемники ионов следующих масс:

1 - Мо/М= 0,8\ 2 - 0,85; 3-0,9.4- 0,95; 5 - 1,05; 6 - 1,1; 7 -1,15: 8 - 1,2; 9 -1.

Ионы имеют скорости в диапазоне: для приемника 1 - Vzmax* 1/3 V:„m;

2 - Vn„ax+3/5Vzmax; 3 - Vz„u„ + 5/7Vzmas; 4 - Vzlmx + 7/9Г:„ш; 5 - Fw 7/9V:mrtx;

6-K,„«v 5/7Vzmm; 7 - V^- 3/5V:max; 8- Vz:mx* l/3Vzmla; 9 - Vzmm; V,A0JV0= 0,5.

Во второй главе [1, 2, 4, 1, 10] изложены результаты разработки приборов диагностики ионов по массам и энергиям в процессе разделения сложных смесей: восьмиканального энерго-масс-анализатора, гибридного энерго-масс-анализатора и цилиндрического дефлектора с наложенными магнитным и электрическим полями. Показаны преимущества данных приборов над существующими устройствами.

В разделе 2.1 приведено описание восьмиканального энерго-масс-анализатора с аналоговым и цифровым представлениями выходных сигналов, основными составляющими которого являются анализатор но времени пролета и восьмиканальный электростатический энергоанализатор с углом входа анализируемых ионов 45°. Устройство включает в себя также формирователь импульса, восьмиканальный блок регистрации, включающий фотоэлектронные умножители, усилители и устройства цифровой обработки сигналов (рис. 10). Диапазон энергий анализируемых ионов - (200-2000) эВ; диапазон масс - (14131,3) а.е.м. - в качестве модельных (расчетных) газов для первой серии экспериментов по плазмооптической масс-сепарации взяты азот, аргон, ксенон.

Плязменный ускорите ль

Масс-сепиратор

Рис 10. Структурная схема восьмиканального энерго-масс-анализатора

В разделе 2.2 содержится теоретический анализ и численный расчет гибридного энерго-масс-анализатора. Гибридный анализатор представляет собой последовательно расположенные в единой конструкции энергоанализатор Юза-Рожанского (ЮР) и секторный фильтр Вина (СФВ). В данном методе анализа перед введением заряженных частиц в секторный фильтр Вина осуществляется выделение ионов заданной энергии с помощью энергоанализатора Юза-Рожанского. В секторном фильтре Вина создаются взаимно-ортогональные неоднородное, изменяющееся обратно пропорционально радиусу, радиальное электрическое поле и однородное магнитное поле, направленное вдоль пластин, создающих электрическое поле. Заряженные частицы в СФВ вводятся в точке фокуса энергоанализатора ЮР, а регистрация ионов производится на детекторе, расположенном в точке фокуса СФВ. В секторном фильтре Вина пластины конденсатора выполнены в виде цилиндрических секторов, а радиус оптической оси СФВ сделан равным радиусу оптической оси энергоанализатора ЮР. Реализуемая таким прибором новая функция, заключающаяся в его способности работать с немоноэнергетичными пучками заряженных частиц, позволяет рассматривать его в новом качестве - гибридного энерго-масс-анализатора. Схема гибридного анализатора приведена на рис. 11, где даны также обозначения анализирующих полей и геометрические элементы, необходимые при расчете прибора.

Рис. 11. Схема гибридного мнсс-анализатора:

1 - входная диафрагма; 2 - энергоанализатор Юза-Рожанского; 3 - входное окно секторного фильтра Вина; 4 - секторный фильтр Вина; 5 - выходное окно; 6 - детектор

Гибридный энерго-масс-анализатор работает следующим образом. Во входную диафрагму 1 анализатора (рис. 11) поступает пучок ионов различных масс и энергий. Через энергоанализатор Юза-Рожанского 2, при соответствующей величине напряженности анализирующего электрического ноля Ег, проходят только ионы заданной энергии, которые пространственно фокусируются в точке фокуса В. Продолжением энергоанализатора ЮР, отделенном от него магнитным экраном 3 (вставкой с малым магнитным сопротивлением), является секторный фильтр Вина 4, входное окно которого 3 находится в точке фокуса В энергоанализатора ЮР. После анализа в скрещенных электрическом и магнитном полях СФВ на детектор проходят лишь ионы, имеющие скорость У,р0 = ш¡¡оИ. При заданной энергоанализатором ЮР энергии эта скорость соответствует иону целевой массы, который и достигает детектора б.

В разделе 2.3 дано описание цилиндрического дефлектора с наложенными магнитным и электрическим полями совмещенной конструкции, в котором объединены цилиндрический дефлектор и фильтр Вина, «свернутый» в цилиндр. Реализуемые данным устройством при сравнительно малых габаритах новые функции, включающие его способность работать как в качестве энерго-, так и масс-анализатора, при работе в режиме масс-анализатора — диагностировать немоноэнергетичные пучки ионов, имеющие начальный угловой разброс по скоростям, позволяет также рассматривать его в новом качестве - цилиндрического дефлектора с наложенными магнитным и электрическим полями.

В данном случае результат достигается тем, что анализ частиц по энергиям и массам ведется в совмещенных радиальном электрическом поле цилиндрического дефлектора с наложенными радиальным магнитным нолем и поперечным к ним продольном электрическом полем фильтра Вина. При этом угол поворота анализируемых ионов до фокуса не равен л/20'5, как в известном энергоанализаторе ЮР, а определяется условиями фокусировки заряженных частиц под действием новой совокупности трех электромагнитных полей. Фильтр Вина выполнен цилиндрическим. Цилиндрический дефлектор и фильтр Вша расположены так, что магнитные полюса фильтра Вина охватывают цилиндрические пластины дефлектора, а пластаны фильтра Вина, создающие электрическое поле, выполнены в виде плоских электродов, размещенных по обе стороны относительно цилиндрического дефлектора и магнитной системы фильтра Вина. Анализатор схематично показан на рис. 12, где также приведены обозначения анализирующих полей и геометрические элементы, необходимые при расчете прибора.

В данном устройстве поток анализируемых ионов с некоторым набором масс, имеющих различные энергии, входит через входную диафрагму 1 (см. рис 12) в точке с координатами г = Я при <р = 0 в область цилиндрического дефлектора с наложенными магнитным и электрическим полями - в зону действия электрических полей: радиального Е0 и продольного Е, и магнитного поля В, направленного по радиусу. В отсутствие начального углового разброса ион, имеющий начальную скорость У^о, остается на траектории радиусом Л, если он имеет энергию 1¥0, задаваемую величиной напряженности радиального элек-

трического поля \>У0 = —- - «работает» цилиндрический дефлектор. Движение вдоль оси 2 (уход из области выходной диафрагмы; непопадание на детектор) исключается совместным действием полей £- и Вг, задающих величину

скорости иона

фО

с-т-, проходящего на детектор, в

так же, как работает

классический фильтр Вина. Ион другой массы будет оставаться на центральной основной траектории радиусом Л, если напряженность электрического поля

при фиксированных Е0 и В, выбрана равной Ег = -

Неоднородное радиальное магнитное поле В,, цилиндрического фильтра Вина генерируется с помощью системы создания магнитного поля 2; неоднородное радиальное электрическое поле Ег цилиндрического дефлектора создается с помощью двух цилиндрических электродов 3; однородное электрическое поле Е: цилиндрического фильтра Вина - системой электродов 4. В результате цилиндрического дефлектора в выходную диафрагму 5 и на детектор (приемник ионов) 6 попадают ионы заданной массы и энергии.

Рис. 12. Цилиндрический дефлектор с наложенными магнитным и электрическим полями:

1 - входная диафрагма, 2 - система создания радиального магнитного поля Вп 3 - два аксиально-симметричных цилиндрических электрода для создаиия ра диального электрического поля Ег, 4 - два плоских электрода, предназначенных для создания однородного, направленного вдоль оси цилиндрических электродов (вдоль оси 2Г), электрического поля Е-_, 5 - выходная диафрагма, 6 - детектор пучка заряженных частиц

В третьей главе приведены расчеты методом конечных элементов с помощью программ БЕММ магнитных полей в плазмооптическом се-

параторе ПОМС-Е-3 с целью их оптимизации. 4--'' 1 В разделе 3.1 изложен подход к расчету

магнитных полей осесимметричных магнитных систем, когда ток имеет только азимутальную составляющую J<p. Уравнение для магнитного потенциала Аф в

данном случае будет иметь следующий вид:

ЭгА

+ ■

1 3.4,

) =

дг дг ) ' дг \ц(В) дг

—]<р. Решив это уравнение, и, зная распределение векторного потенциала по области моделирования, можно найти распределение составляющих вектора магнитной индукции, результирующего значения вектора магнитной индукции и

напряженности магнитного поля по формулам: Вг = —; В,

дг

_ * дгАЧ> . в _ г дг '

^В? + В|; Н = Вц"1. Далее, по известным из теории поля уравнениям, опреде-

ляются интегральные характеристики рассчитываемой системы: индуктивность, магнитные потоки и т.д.

В разделе 3.2 дан краткий обзор метода конечных элементов, который в настоящее время получил наибольшее распространение в компьютерных программах расчета магнитных полей.

В разделе 3..3 приводятся результаты расчета магнитного поля осесим-метричного плазмооптического масс-сепаратора ПОМС-Е-3 с помощью программы FEMM (Finite Element Method Magnetics), которая позволяет на персональном компьютере создать модель для расчета плоскопараллельного или осе-симметричного стационарного и квазистационарного магнитного и стационарного электростатического полей, построить их картины и определить полевые и цепные параметры.

Рассчитываемая магнитная система плазмооптического масс-сепаратора состоит из 2 блоков (рис. 13): плазменного ускорителя (ускоритель с анодным слоем) и сепарирующего объема. Параметры ПОМС-Е-3 рассчитаны для следующего набора масс: криптон, аргон и азот.

г,м

0,4 0,3 1 / 2 1 3 2

0,2 - Ж | II 1 t......1 ' 1

ОД - ; ......• > | 1 it

0 —1— 1 1 . 1 1 j. 1 1 1 1 1 1

-0,6 -0,5 -0,4 -0,3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 Z, м

Рис. 13. Конструктивная схема магнитной системы ПОМС-Е-3:

1 - катушка для создания магнитного поля в плазменном ускорителе;

2 - боковые катушки сепаратора; 3 - центральная катушка сепаратора;

4 - магнитопровод азимутатора Катушка 1 создает магнитное поле внутри плазменного ускорителя; в зазоре магнитопровода - в азимутаторе поле радиальное. Для создания слабого, замагничивающего электроны, но не влияющего на динамику ионов, продольного однородного магнитного поля в сепарируемом объеме используются центральная 3 и две боковые катушки 2.

Суммарное магнитное поле - магнитное поле масс-сепаратора ПОМС-Е-3, рассчитанное с учетом полей боковых и центральной катушек сепарирующего объема и вклада катушки плазменного ускорителя, приведено на рис. 15. Изменение радиальной и продольной компоненты магнитного поля вдоль оси Z при г = 0,09 м (центр зазора плазменного ускорителя) показано на рис. 14

Вг,Тл

г—*^

/4«

Л. 19 И— •0.15

-0К* Н'

2.м

Рис. 14. Изменение радиальной (а) и продольной (б) компоненты магнитного поля на г = 0,09 м

.0.5 -0,4 -0,3 -0,2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 2, м Рис. 15. Магнитное поле установки ПОМС-Е-3

В разделе 3.4 приведены результаты расчета магнитного поля модифицированных плазменных ускорителей и экспериментальные результаты по измерению спектра ионов (аргон) по энергии для этих ускорителей.

В плазменном ускорителе, как и во всех ионно-плазменных системах, могут развиваться различного типа плазменные неустойчивости. Возникновение неустойчивости ведет к росту потерь энергии и снижению КПД ускорителя. Чтобы стабилизировать колебания, например, обусловленные азимутальной волной ионизации, бегущей в направлении электрического дрейфа электронов, необходимо создать магнитное поле, нарастающее по направлению к срезу ускорителя. Из рис. 14-16 видно, что это требование в источнике плазмы выполняется.

Для ускорителей с замкнутым дрейфом электронов известно, что при увлечении расхода и снижении магнитного поля в области между катодом и анодом зона ионизации смещается к высоковольтной границе слоя (к аноду), а энергия ионов растет, приближаясь к величине, определяемой разрядным напряжением. Распределения магнитного поля и спектры ионов по энергии, полученные с помощью энергоанализатора с задерживающим потенциалом, для двух вариантов плазменного ускорителя, отличающихся конфигурацией като-да-азимутатора, показаны ниже (рис. 17-20); они подтверждают названные рекомендации.

Рис. 16. Распределение магнитного поля в магнитопроводе, зазоре азимутатора и внутри плазменного ускорителя; ток катушки электромагнита 1=3 А

Рис. 17. Конфигурация и распределения магнитного поля внутри плазменного ускорителя

Рис. 18. Распределение ионов по продольным энергиям на выходе плазменного ускорителя (разрядное напряжение 500 В)

Е, )В

Рис. 19. Конфигурация и распределения магнитного поля внутри модифицированного плазменного ускорителя

-¿ШЕ.ыкААВ

0,12'

0,1

; : и \ : :

0,0«-0,02 0 ' У ' \ 1 1

• ' У' ' '

Рис. 20. Распределение ионов по продольным энергиям на выходе модифицированного плазменного ускорителя

В заключении кратко изложены основные результаты диссертационной работы и определены основные направления дальнейшей деятельности по созданию первого макета плазмооптического масс-сепаратора ПОМС-Е-З.

ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ

1. Методом плазмооптической масс-сепарации возможно разделение смеси изотопов на три целевые составляющие в одном цикле работы масс-сепаратора.

2. В плазмооптическом масс-сепараторе выделяется группа трансурановых элементов, не загрязненных многозарядными ионами соседних элементов.

3. В плазмооптических масс-сепараторах ПОМС-Е реализуется панорамная сепарация ионов.

4. Совмещение электромагнитных полей в новых комбинациях позволит создать компактные энерго-масс-анализаторы: гибридный, являющийся последовательной комбинацией энергоанализатора Юза-Рожанского и фильтра скоростей Вина с наложенными секторными однородным магнитным и радиальным электрическим полями, и прибор, который образован совмещением цилиндрического дефлектора и секторного фильтра Вина с однородным электрическим и радиальным магнитным полями.

Диссертационная работа выполнялась в процессе реализации проектов №2.1.1/4222, №2.1.1/11412 «Разработка физических основ плазмооптической

масс-сепарации для разделения изотопов и получения высокочистых веществ» в рамках аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 годы)».. ГЗ №2.1802.2011 «Плазмооп-тический масс-сепаратор для разделения веществ сложного состава» и частично поддерживалась Государственным контрактом ПС 16.525.П.5013 «Разработка и создание гидроакустической системы поиска и мониторинга газовых гидратов» (номер задания ГЗ №2.1805.2011).

СПИСОК ПУ БЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Издания, рекомендованные ВАК РФ

1. Астраханцев Н.В. Плазмооптическая сепарация и диагностика результатов разделения отработанного ядерного топлива / Н.В. Астраханцев, В.М. Бар-даков, Во Ньы Зан, Г.Н. Кичигин, Н.В. Лебедев, H.A. Строкин // Вопросы атомной науки и техники. Серия: «Плазменная электроника и новые методы ускорения». - 2010, № 4. - С. 310-315.

2. Астраханцев Н.В. Совмещенные цилиндрические масс-анализаторы / Н.В. Астраханцев, В.М. Бардаков, Во Ньы Зан, Г.Н. Кичигин, Н.В. Лебедев, H.A. Строкин // Журнал технической физики, 2011. - Т. 81, вып. 9. - С. 105— 112.

3. Астраханцев Н.В. Плазмооптические масс-сепараторы отработанного ядерного топлива / Н.В. Астраханцев, В.М. Бардаков, Во Ньы Зан, Г.Н. Кичигин, Н.В. Лебедев, H.A. Строкин // Перспективные материалы, 2011. - № 10. -С. 80-85.

4. Астраханцев Н.В. Энерго-масс-анализаторы для диагностики процесса разделения отработанного ядерного топлива / Н.В. Астраханцев, В.М. Бардаков, Во Ньы Зан, Г.Н. Кичигин, Н.В. Лебедев, H.A. Строкин // Перспективные материалы, 2011. - № 10. - С. 122-129.

5. Бардаков В.М. Трехкомпонентное плазмооптическое разделение отработанного ядерного топлива / В.М. Бардаков, Во Ньы Зан, Г.Н. Кичигин, H.A.Строит // Известия вузов. Ядерная энергетика, 2011. -№ 2. - С. 123-129.

6. Строкин H.A. Способ плазмооптической масс-сепарации и устройство для его осуществления / H.A. Строкин, Н.В. Астраханцев, В.М. Бардаков, Во Ньы Зан, Г.Н. Кичигин, Н.В. Лебедев // Патент RU № 2446489, МПК G21C 19/42, опубликовано 27.03.2012 г.

7. Строкин H.A. Способ анализа заряженных частиц по энергиям и массам и устройство для его осуществления / H.A. Строкин, Н.В. Астраханцев, В.М. Бардаков, Во Ньы Зан, Г.Н. Кичигин, Н.В. Лебедев // Решение о выдаче патента на изобретение по заявке № 2010132785 от 06 февраля 2012 г.

8. Бардаков В.М. Панорамная плазмооптическая масс-сепарация немоно-энергетичных и многозарядных ионов / В.М. Бардаков, Во Ньы Зан, H.A. Строкин // Известия ВУЗОВ. Ядерная энергетика. — В печати.

9. Бардаков В.М. Способ панорамной плазменной масс-сепарации и устройство панорамной плазменной масс-сепарации (варианты) / В.М. Бардаков, Во Ньы Зан, H.A. Строкин // Заявка на изобретение. - В печати.

Другие издания

10. Асламов И.А. Восьмиканальный энерго-масс-анализатор / И.А. Асла-мов, Во Ньы Зан, В.Т. Николаенко, A.A. Пинкин // Современные проблемы радиоэлектроники и связи. Материалы IX Всерос. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых / Под ред. А.И Агарышева, Е.М. Фискина. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2010. - С. 18-22.

11. Астраханцев Н.В. Плазмооптическая масс-сепарация. Развитие метода / Н.В. Астраханцев, В.М. Бардаков, Во Ньы Зан, Г.Н. Кичигин, Н.В. Лебедев, H.A. Строкин Тезисы докладов XXXVIII Международной (Звенигородской) конференции по физике плазмы и УТС. Г. Звенигород, 14-18 февраля 2011 г. -М.: ЗАО НТЦ «ПЛАЗМАИОФАН», 2011. - С. 312.

12. Бардаков В.М., Во Ньы Зан, Строкин H.A. О панорамной плазмоопти-ческой масс-сепарации. Тезисы докладов XXXIX Международной (Звенигородской) конференции по физике плазмы и УТС. Г. Звенигород, 6-10 февраля 2012 г. - М.: ЗАО НТЦ «ПЛАЗМАИОФАН», 2012. - С. 231.

Подписано в печать 24.04.2012. Формат 60 х 90 / 16. Бумага офсетная. Печать трафаретная. Усл. печ. л. 1,75. Тираж 100 экз. Зак. 86. Поз. плана Юн.

Лицензия ИД № 06506 от 26.12.2001 Иркутский государственный технический университет 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Во Ньы Зан

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ПЛАЗМООПТИЧЕСКАЯ МАСС-СЕПАРАЦИЯ.

1.1. Магнито-плазменные сепараторы.

1.2. Плазмооптический масс-сепаратор ПОМС-Е-3.

1.3. Плазмооптический масс-сепаратор ПОМС-ЦВ.

1.4. Особенности плазмооптической масс-сепарации немоноэнергетичных многозарядных ионов.

1.5. Панорамная плазмооптическая масс-сепарация.

ГЛАВА 2. ЭНЕРГО-МАСС-АНАЛИЗАТОРЫ ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ ПРОЦЕССА РАЗДЕЛЕНИЯ ОТРАБОТАННОГО ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА.

2.1. Восьмиканальный энерго-масс-анализатор.

2.2. Гибридный энерго-масс-анализатор.

2.3. Цилиндрический дефлектор с наложенными магнитным и электрическим полями.

ГЛАВА 3. РАСЧЕТ СТАЦИОНАРНЫХ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ.

3.1. Основные формулы для расчета магнитных полей.

3.2. Численные методы расчета полей. Метод конечных элементов.

3.3. Расчет магнитного поля осесимметричного плазмооптического масс-сепаратора ПОМС-Е-3.

3.4. Магнитное поле плазменных ускорителей.

Введение диссертация по физике, на тему "Плазмооптические масс-сепараторы"

Ежегодный объем химической переработки ОЯТ составляет около 5000 тонн, в то время как один легко-водный реактор мощностью 1000 МВт производит ежегодно около 25 тонн ОЯТ, а установленная мощность на январь 2010 г. составляла 370394 МВт. Основное количество ОЯТ, таким образом, помещают в хранилища без переработки. Причина - высокая стоимость и, следовательно, нерентабельность химического разделения ОЯТ. Разделение ОЯТ, например, с трех бывших ядерных производств США (Ханфорд, Саванна-Ривер, Айдахская национальная лаборатория; 379 тысяч кубометров ОЯТ) при использовании существующих технологий планируется закончить к 2028 году; цена этого примерно 200 миллиардов долларов. Стоимость химической переработки ОЯТ, переработки радиоактивных отходов (РАО) и затраты на хранение ОЯТ составляют около 29,1% общих затрат ядерного топливного цикла.

Следует упомянуть и о том, что получение изотопно-обогащенных материалов в промышленных количествах (тонны) представляет интерес для атомного машиностроения и энергетики. Так, основным конструкционным материалом для активной зоны реактора является цирконий. При этом технология получения ядерно-чистого циркония сама по себе достаточно сложна и нуждается в усовершенствовании. Кроме того, природный цирконий содержит 11,22% изотопа который имеет большее сечение поглощения тепловых нейтронов по сравнению с другими изотопами, поэтому необходимо обогащение циркония по изотопам с минимальным сечением поглощения нейтронов.

В качестве перспективного материала для регулирующих стержней легководных реакторов рассматривается гафний. Поскольку его изотопы имеют разное сечение поглощения, имеет смысл обогащение природного гафния изотопами с наибольшим сечением поглощения нейтронов.

Обогащение циркония, гафния, а также других редкоземельных элементов, перспективных для реакторостроения, невозможно выполнить методом центрифугирования (нет соединений в газовой фазе), а применение электромагнитного сепаратора лишено смысла, поскольку потенциальная мировая потребность в этих материалах составляет десятки и даже сотни тонн в год. Поэтому разработка универсальной по отношению к атомному номеру химического элемента плазменной технологии позволит развить данный сегмент рынка и даст толчок применению новых материалов в атомном машиностроении. Плазменные методы сепарации вещества и установки для их реализации - магнито-плазменные и плазмооптические масс-сепараторы могут стать альтернативой химической технологии.

При плазменной масс-сепарации возможно разделение смеси элементов, например, ОЯТ на легкую и тяжелую массовые группы - частичная сепарация, либо поэлементное разделение - полная сепарация [1]. При частичной сепарации основная задача заключается в уменьшении доли низко- и среднеактивных элементов с тем, чтобы снизить количество отходов для последующей витри-фикации. Использование плазменных масс-сепараторов для частичной сепарации позволит отделить трансурановые элементы ОЯТ от продуктов распада; продукты распада разделить на две группы в соответствие с наиболее вероятными массовыми числами.

Успех в применении плазменных технологий может быть значительным, . при котором будет обеспечено высокое обогащение на одной ступени, если повысить селективность воздействия электромагнитных полей при разделении элементов, изотопов. При этом необходимо исключить из технологического процесса селективное ускорение - сообщение энергии целевому изотопу с целью его выделения.

К настоящему времени в той или иной степени среди основных плазменных методов развиты разделение изотопов в плазме с помощью селективного ионно-циклотронного нагрева, плазменные центрифуги, разделение изотопов в положительном столбе газового разряда [2] и в пучково-плазменном разряде [1]. Однако все экспериментально разрабатываемые методы либо малопроизводительны, либо очень «грубы», т.е. не позволяют разделять ионы с близкими массами, разделять сложные вещества на группы элементов, а предназначены для выделения обычно одного целевого наиболее тяжелого элемента. Остальные - собираются на коллекторы в виде смеси элементов («отвала»),

В соответствии с вышесказанным, разработка нового высокопроизводительного плазменного метода получения ядерно-чистых веществ, развитие нового направления в технологии плазменной масс-сепарации являются актуальными задачами.

Целью работы является доказательство возможности реализации плазмо-оптической универсальной высокопроизводительной технологии масс-сепарации потока плазмы из плазменного ускорителя на составляющие его компоненты - изотопы, элементы, группы элементов в стационарном электромагнитном поле.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1) исследование разделения ионов в-найденной-для осуществления масс-сепарации конфигурации электромагнитных полей;

2) разработка необходимых средств диагностики;

Научная новизна работы состоит в следующем:

1) найдено новое решение для масс-сепарации смеси элементов, изотопов на три целевые составляющие;

2) впервые показано, что в плазмооптическом масс-сепараторе возможно выделение группы трансурановых элементов, не загрязненных многозарядными ионами соседних элементов;

Материалы диссертационной работы докладывались на XXXVIII, XXXIX Международных (Звенигородских) конференциях по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу (г. Звенигород, Московской области в 2011 и 2012 годах), на IX, X Межвузовских научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные проблемы радиоэлектроники и связи» (г. Иркутск, ИрГТУ, 2010 и 2011 годы), а также на научных семинарах в Национальном исследовательском Иркутском государственном техническом университете. По теме диссертации опубликованы 12 работ, из них 9 [59-67] в журналах, рекомендованных ВАК РФ для опубликования научных результатов диссертаций на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Работа представлена на 118 страницах машинописного текста, включает

Заключение диссертации по теме "Приборы и методы экспериментальной физики"

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основная направленность исследований данной работы связана с методами построения плазмооптических масс-сепараторов и диагностикой результатов разделения ионов в ПОМС. При выполнении диссертационной работы получены следующие основные результаты:

1) теоретически и с использованием численных методов впервые определены возможности плазмооптической масс-сепарации при использовании реальных ускорителей плазмы;

2) показано, что методом плазмооптической масс-сепарации возможно разделение смеси ионов изотопов или элементов на три целевые составляющие в одном цикле работы масс-сепаратора;

3) определены особенности сепарации немоноэнергетичных многозарядных ионов в ПОМС-Е-3, ПОМС-ЦВ;

4) показано, что в плазмооптическом масс-сепараторе возможно выделение группы трансурановых элементов, не загрязненных многозарядными ионами соседних элементов;

5) найдено новое решение для реализации панорамной сепарации ионов в ПОМС-Е;

6) разработан гибридный энерго-масс-анализатор, являющийся последовательной комбинацией энергоанализатора Юза-Рожанского и фильтра скоростей Вина с наложенными секторными однородным магнитным и радиальным электрическим полями;

7) разработан компактный энерго-масс-анализатор, который образован совмещением цилиндрического дефлектора и секторного фильтра Вина с однородным электрическим и радиальным магнитным полями;

8) рассчитаны величины и распределения магнитных полей в плазменном ускорителе и в области сепарации ПОМС-Е-3.

9. G. Mourier. Process and apparatus for separating isotopes. Патент США №4167668, МПК BO ID 59/44, опубликовано 06.09.1977.

10. Скибенко Е.И., Ковтун Ю.В., Юферов В.Б. Устройство для разделения вещества на элементы // Патент UA №24729, МПК B01D 59/00, опубликовано 10.07.2007 г.

11. Карчевский А.И., Потанин Е.П. Плазменные центрифуги / в кн. Изотопы: свойства, получение, применение. В 2 т. Т. 1 / Под ред. В.Ю. Баранова. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. - С. 326-338.

12. Ohkawa Т. Plasma mass filter // Патент USA №6096220, МПК МПК В03С 1/00, B01D 21/26, опубликовано 1.08.2000 г.

13. Ohkawa Т. Centrifugal filter for multispecies plasma // патент USA №6217776, МПК B03C 1/00, опубликовано 17.04.2001 г.

14. Ohkawa Т. Plasma mass filter // Патент USA №6248240, МПК ВОЗС 1/00, B01D 21/26, опубликовано 19.06.2001 г.

15. Охкава Тихиро. Плазменный фильтр масс и способ отделения частиц малой массы от частиц большой массы // патент RU №2229924, МПК B01D 59/48, Но5Н 1/00, H01J 49/26, опубликовано 10.06.2004 г.

16. Зимелев А.Г., Чусов И.В., Скабалланович Д.М., Жаринов A.B. Способ разделения изотопов и устройство для его осуществления // патент RU №2083267, МПК B01D 59/48, опубликовано 20.09.1996 г.

17. Бондаренко JI.A., 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.

18. Беликов А.Г., Папкович В.Г. Некоторые возможности получения изотопов в системе с остроугольной геометрией магнитного поля // Вопросы атомной науки и техники. - 2004. - №4. - С. 58-63.

19. Доронин В Т., Жданов А.Н. Устройство для разделения заряженных частиц по массам // патент RU №2142328, МПК B01D 59/48, Н05Н 5/00, опубликовано 10.12.1999 г. научной конференции «Физико-химические процессы при селекции атомов и молекул». - М.: ЦНИИАТОМИНФОРМ. - 2005. - С. 124-129.

32. Жильцов В.А., Кулыгин В.М., Семашко H.H., Сковорода A.A., Смирнов В.П., Тимофеев A.B., Кудрявцев Е.Г., Рачков В.И., Орлов В.В. Применение методов плазменной сепарации элементов к обращению с ядерными материалами // Атомная энергия, 2006. - Т. 101. Вып. 4. - С. 302-306.

33. Скибенко Е.И., Ковтун Ю.В., Егоров A.M., Юферов В.Б. Разделение вещества на элементы, основанное на физических принципах пучково-плазменного и отражательного разрядов // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Физика радиационных поврежде-ний и радиационное материаловедение. - 2011. - №2. - С. 141-148.

34. Тимофеев A.B. О плазменной переработке отработавшего ядерного топлива при двухчастотном ионно-циклотронном нагреве // Физика плазмы, 2009. - Т. 35. - №11. - С. 989-1000.

35. Бардаков В.М., Кичигин Г.Н., Строкин H.A., Царегородцев Е.О. Плазмооптическая масс-сепарация изотопов из плазменного потока // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Плазменная электроника и новые методы ускорения. - 2010. - №4. - С. 304-309.

36. Баркалов Е Е., Веселовзоров АН., Погорелов A.A., Свирский Э.Б., Смирнов В.А. Компонентный состав пучка стационарного плазменного двигателя СПД-100 // Приборы и техника эксперимента. - 2008. - №2. - С. 113-117.

37. Veselovzorov. A.N., Barkalov Е.Е., Pogorelov A.A., Svirsky E.V., Smirnov V.A. Mass-spectrometric measurements of a particle charge structure in the plasma jet of the stationary plasma thruster // 30th International Conference, Florence, Italy, September 17-20. - 2007. - IEPC-2007-144.

38. Радциг A.A. и др. Ионизация атомов и молекул / A.A. Радциг, В.М. Шустряков // Физические величины: Справочник / А.П. Бабичев, H.A. Бабушкина, A.M. Братковский и др.; Под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. - М.: Энергоатомиздат. - 1991. - 1232 с.

39. Орлов B.B. и др. Топливный цикл реакторов БРЕСТ. Решение проблем РАО и нераспространения / В.В. Орлов, A.B. Лопаткин, А.Г. Глазов, В.И. Волк, П.П. Полуэктов, В.Ф. Леонтьев, P.C. Каримов // Вопросы атомной науки и техники. Серия «Обеспечение безопасности АЭС», 2004. - №4. - С. 232-237.

40. Афанасьев В.П., Явор С.Я. Электростатические энергоанализаторы для пучков заряженных частиц. - М.: Наука, 1978. - 224 с.

41. Борзенко В.П. Многоканальный энергоанализатор нейтральных частиц перезарядки с высоким временным разрешением / В.П. Борзенко, H.A. Кошилев, О.Г. Парфенов, H.A. Строкин // Журнал технической физики, 1978.Т. 48, вып. 6.-С. 1174-1177.

42. Ошер Дж. Корпускулярная диагностика // в кн. Диагностика плазмы / под ред. Р. Хаддлстоуна и С. Леонарда, М: «Мир», 1967. - С. 426-501.

43. Соловьев A.B., Толстогузов А.Б. Определение ионно-оптических характеристик фильтра Вина с однородными ортогональными полями // ЖТФ, 1987. - Т. 57, вып. 5. - С. 953-959.

44. Александров М.Л., Галль Л.Н., Савченко В.Д. Способ энергомасс-спектрального анализа состава веществ и устройство для его осуществления // Патент SU №1178257. - МПК H01J 49/30. - Опубл. 27.01.1996.

45. Романюк Н.И., Папп Ф.Ф., Чернышова И.В., Шпеник О.Б. Способ анализа пучка заряженных частиц по энергиям и устройство для его осуществления (циклоидаль-ный анализатор) // Патент SU №1756973. - МПК H01J 49/48. -Опубл. 23.08.1992.

46. Никитенко H.H., Косицин Л.Г., Шулепов И.А. Энергомасс-спектрометр // Патент РФ №2020645. - МПК H01J 49/32. - опубл. 30.09.1994.

47. Коган В.Т., Павлов А.К., Савченко М.И., Добычин O.E. Портативный масс-спектрометр для экспресс-анализа растворенных в воде веществ // Приборы и техника эксперимента, 1990. - №4. - С. 145-149.

48. Кельман В.М., Явор С.Я. Электронная оптика. Л.: Наука, Ленингр. отд., 1968. - С. 355-371.

49. Кельман В.M., Родникова И.В., Секунова JIM. Статические масс-спектрометры. Алма-Ата: Наука, 1985. С. 82-96.

50. Смайт В. Электростатика и электродинамика. М.: ИЛ, 1954. - 604 с.

51. Тихонов А.Н., Самарский A.A. Уравнения математической физики. M.: Наука, 1977.-735 с.

52. Сегерлинд JI. Применение метода конечных элементов. - М.: Мир, 1979.-392 с.

53. Розин JI. А. Метод конечных элементов // Соросовский образовательный журнал, 2000. - Т. 6, №4. - С. 120-127.

54. Сорокин В. Г., Волосникова А. В., Вяткин С. А. и др. Марочник сталей и сплавов // Под общ. ред. В. Г. Сорокина. - М.: Машиностроение, 1989. - 640 с.

55. Андреева Е.Г. Расчет стационарных магнитных полей и характеристик электротехнических устройств с помощью программного пакета ANSYS // Нефтегазовое дело. Электронный научный журнал. Выпуск 1/2005 (первое полугодие 2005 г.)

56. Буль О.Б. Методы расчета магнитных систем электрических аппаратов: Магнитные цепи, поля и программа FEMM. - М.: Издательский центр «Академия», 2005. - 336 с.

57. David Meeker. Finite Element Method Magnetics. Version 4.2. User's Manual. November 26, 2009. (dmeeker@ieee.org; http://www.femm.info).

58. Гришин С. Д., Лесков Л. В. Электрические ракетные двигатели космических аппаратов. - М.: Машиностроение, 1989. - 216 с.

59. Астраханцев Н.В. Плазмооптическая сепарация и диагностика результатов разделения отработанного ядерного топлива / Н.В. Астраханцев, В.М. Бардаков, Во Ньы Зан, Г.Н. Кичигин, Н.В. Лебедев, H.A. Строкин // Вопросы атомной науки и техники. Серия: «Плазменная электроника и новые методы ускорения». -2010, №4. - С. 310-315.

60. Астраханцев H.B. Совмещенные цилиндрические масс-анализаторы / Н.В. Астраханцев, В.М. Бардаков, Во Ньы Зан, Г.Н. Кичигин, Н.В. Лебедев, H.A. Строкин // Журнал технической физики, 2011. - Т. 81, вып. 9. - С. 105-112.

61. Астраханцев Н.В. Плазмооптические масс-сепараторы отработанного ядерного топлива / Н.В. Астраханцев, В.М. Бардаков, Во Ньы Зан, Г.Н. Кичигин, Н.В. Лебедев, H.A. Строкин // Перспективные материалы, 2011. -№10.-С. 80-85.

62. Астраханцев Н.В. Энерго-масс-анализаторы для диагностики процесса разделения отработанного ядерного топлива / Н.В. Астраханцев, В.М. Бардаков, Во Ньы Зан, Г.Н. Кичигин, Н.В. Лебедев, H.A. Строкин // Перспективные материалы, 2011. - №10. - С. 122-129.

63. Бардаков В.М. Трехкомпонентное плазмооптическое разделение отработанного ядерного топлива / В.М. Бардаков, Во Ньы Зан, Г.Н. Кичигин, H.A. Строкин // Известия вузов. Ядерная энергетика, 2011. -№2. - С. 123-129.

64. Строкин H.A. Способ плазмооптической масс-сепарации и устройство для его осуществления / H.A. Строкин, Н.В. Астраханцев, В.М. Бардаков, Во Ньы Зан, Г.Н. Кичигин, Н.В. Лебедев // Решение о выдаче патента на изобретение по заявке № 2010127396 от 25 октября 2011 г.

65. Строкин H.A. Способ анализа заряженных частиц по энергиям и массам и устройство для его осуществления / H.A. Строкин, Н.В. Астраханцев, В.М. Бардаков, Во Ньы Зан, Г.Н. Кичигин, Н.В. Лебедев // Решение о выдаче патента на изобретение по заявке № 2010132785 от 06 февраля 2012 г.

66. Бардаков В.М. Панорамная плазмооптическая масс-сепарация не-моноэнергетичных и многозарядных ионов / В.М. Бардаков, Во Ньы Зан, H.A. Строкин // Известия ВУЗОВ. Ядерная энергетика. - в печати.

67. Бардаков В.М. Способ панорамной плазменной масс-сепарации и устройство панорамной плазменной масс-сепарации (варианты) / В.М. Бардаков, Во Ньы Зан, H.A. Строкин // Заявка на изобретение. - в печати.

68. Асламов И.А. Восьмиканальный энерго-масс-анализатор / И.А. Ас-ламов, Во Ньы Зан, В.Т. Николаенко, A.A. Пинкин // Современные проблемы радиоэлектроники и связи. Материалы IX Всерос. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых / Под ред. А.И Агарышева, Е.М. Фискина. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2010. - С. 18-22.

69. Астраханцев Н.В. Плазмооптическая масс-сепарация. Развитие метода / Н.В. Астраханцев, В.М. Бардаков, Во Ньы Зан, Г.Н. Кичигин, Н.В. Лебедев, H.A. Строкин Тезисы докладов XXXVIII Международной (Звенигородской) конференции по физике плазмы и УТС. Г. Звенигород, 14-18 февраля

2011 г. -М.: ЗАО НТЦ «ПЛАЗМАИОФАН», 2011. - С. 312.

70. Бардаков В.М., Во Ньы Зан, Строкин H.A. О панорамной плазмооп-тической масс-сепарации. Тезисы докладов XXXIX Международной (Звенигородской) конференции по физике плазмы и УТС. Г. Звенигород, 6-10 февраля

2012 г. - М.: ЗАО НТЦ «ПЛАЗМАИОФАН», 2012. - С. 231.