CC BY
91
УДК 537.534.7; 533.9.03
ПЛАЗМООПТИЧЕСКИЙ МАСС-СЕПАРАТОР ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ВЕЩЕСТВ СЛОЖНОГО СОСТАВА. ОБЗОР
© В.М. Бардаков1, С.Д. Иванов2, А.В. Казанцев3, Н.А. Строкин4
Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Среди плазменных методов масс-сепарации выделен универсальный высокопроизводительный способ плазмо-оптического разделения многокомпонентных смесей веществ. Суммированы результаты нового этапа изучения возможности реализации данного способа масс-сепарации веществ сложного состава на элементы или группы элементов. В процессе теоретических исследований и численного моделирования найдены условия разделения трех- и многокомпонентных смесей элементов. Изложены сведения о конструкции и результатах экспериментов на трехкомпонентном масс-сепараторе ПОМС-Е-3. Ил. 8. Библиогр. 23 назв.
Ключевые слова: плазмооптическая масс-сепарация; плазменный ускоритель; траектории ионов.
PLASMA-OPTICAL MASS SEPARATOR FOR SEPARATING SUBSTANCES OF COMPLEX COMPOSITION. REVIEW
V.M. Bardakov, S.D. Ivanov, A.V. Kazantsev, N.A. Strokin
Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
A universal high-performance method of plasma-optical separation of multicomponent mixtures of substances is distinguished among plasma mass separation methods. The article summarizes the results of a new stage of studying the feasibility of implementing this method of mass separation of complex substances into elements or groups of elements. Theoretical studies and numerical simulations allow to identify the separation conditions of three- and multicomponent mixtures of elements. The article provides information on the design and the results of experiments on the three-component mass separator POMS-E-3. 8 figures. 23 sources.
Key words: plasma-optical mass separation; plasma accelerator; ion trajectories.
Введение. В естественном природном состоянии вещества находятся в виде многоэлементных соединений; элементы смесей, в свою очередь, имеют не-моноизотопный состав. В практике существует потребность использования моноэлементных или моноизотопных веществ, так как их свойства по отношению, например, к электромагнитным и тепловым полям чувствительны к наличию (в том или ином виде) примесей, ухудшающих электро- и теплопроводность. В связи с этим в настоящее время широко развиты химические экстракционные методы разделения многокомпонентных соединений. Что касается выделения изотопов, то используются преимущественно молеку-лярно-кинетические (газовая диффузия и центробежная технология [4]), физические (электромагнитный, плазменный селективный ионно-циклотронный нагрев
(ИЦР)) и лазерные селективные методы (МЫв, ДУЫБ). Универсальным среди перечисленных методов, способным работать с любыми веществами, является лишь один - электромагнитный; он же позволяет получать наиболее «чистые» компоненты, однако с малой производительностью: применение данного метода для получения изотопов в промышленных масштабах неэффективно. Выделение изотопов происходит здесь при воздействии постоянного магнитного поля на пучок ионов нужного вещества, при этом ток пучка ограничен из-за кулоновского рассеяния на собственном ионном положительном заряде пучка.
Наряду с изотопным разделением вещества в последнее время появилась необходимость разделения многокомпонентных смесей на фракции, например, легкую и тяжелую. Наиболее обсуждаемой задачей в
1Бардаков Владимир Михайлович, доктор физико-математических наук, профессор кафедры радиоэлектроники и телекоммуникационных систем, тел.: 89021771942, e-mail: vmbardakov38@mail.ru
Bardakov Vladimir, Doctor of Physico-Mathematical sciences, Professor of the Department of Radioelectronics and Telecommunication Systems, tel.: 89021771942, e-mail: vmbardakov38@mail.ru
2Иванов Сергей Дмитриевич, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры теплотехники, тел.: 89148947729, e-mail: ivsd55@yandex.ru
Ivanov Sergey, Candidate of Physico-Mathematical sciences, Associate Professor of the Department of Thermal Engineering, tel.: 89148947729, e-mail: ivsd55@yandex.ru
3Казанцев Александр Владимирович, аспирант, тел.: 89501461042, e-mail: kazanets@gmail.com Kazantsev Alexander, Postgraduate, tel.: 89501461042, e-mail: kazanets@gmail.com
4Строкин Николай Александрович, доктор физико-математических наук, профессор кафедры радиоэлектроники и телекоммуникационных систем, тел.: 89149303170, e-mail: strokin85@inbox.ru
Strokin Nikolai, Doctor of Physico-Mathematical sciences, Professor of the Department of Radioelectronics and Telecommunication Systems, tel.: 89149303170, e-mail: strokin85@inbox.ru
этом отношении является выделение из отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) трансурановых элементов, которые впоследствии предлагается использовать в новом топливном уран-плутониевом цикле (МОХ-топливо) [5; 12-17; 19-23].
Постановка задачи. Необходимо разработать высокопроизводительный универсальный плазменный метод разделения многокомпонентных смесей веществ на фракции или элементы.
Результаты исследования. В плазменном эксперименте лучшие результаты по разделению достигнуты на установке - фильтре масс «Архимед» (Archimedes Technology Group, San Diego, USA) [21]. При проведении тестовых работ по пространственному (радиальному) разделению испаренной смеси слабоактивных отходов целевые ионы извлекались из предварительно созданной в объеме масс-сепаратора натриевой вращающейся плазмы. Для этого использовалась комбинация аксиального магнитного и радиального или азимутального электрических полей. Получено уменьшение тяжелой фракции в смеси более чем в 20 раз.
Основой для создания «Архимеда» стали работы по генерации вращающейся плазмы, в частности, на установках ПСП-2, ПСП-02 и ИСП (Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, Новосибирск, Россия) [18], в которых был найден способ получения в стационарной плазме сильного радиального электрического поля. Применительно к масс-сепарации на две группы элементов далее были предложены асимметричные магнитные масс-сепараторы с ловушечной конфигурацией магнитного поля, бесстолкновитель-ные [5] или столкновительные [8] (Принстонский университет, Принстон, США), в которых высокоэнергичные продукты ядерных реакций и частицы основной плазмы - тяжелые и легкие ионы - извлекаются на приемники, расположенные на противоположных торцах системы.
Строящаяся в РНЦ «Курчатовский институт» (Москва, Россия) установка селективного ионно-циклотронного нагрева ПС-1 предназначена для разделения отработавшего ядерного топлива на фракции - выделения в процессе ИЦР-нагрева целевого наиболее тяжелого элемента [17]; остальные элементы собираются на коллекторы в виде «отвала». Заявленная производительность ПС-1 по урану составляет 150 тонн в год.
В демонстрационном плазменном сепараторе ННЦ «Харьковский физико-технический институт» (Харьков, Украина) разделение тяжелых и легких элементов производится во вращающейся в скрещенных электрическом и магнитном полях плазме [22]. Плазма создается из газовой смеси Xe, Kr и CO2, моделирующей отработавшее ядерное топливо. На пространственно разнесенных торцевых коллекторах наблюдалось изменение интенсивности плотности тока ионов при изменении величины радиального электрического поля.
В масс-сепараторе легкие ионы попадают на приемники, перемещаясь поперек магнитного поля непосредственно вблизи «теплового» источника плазмы
(от 0,2 до 3 эВ), а прошедшие тяжелые ионы попадают в область сепаратора, где есть электрическое поле специальной конфигурации [5]. Особенность установки состоит в использовании ускоряющего потенциала для минимизации энергетического и углового разбросов ионов плазмы на входе в камеру сепаратора и потенциальной ямы для пространственного разделения ионов разных масс.
Создание стационарных электрических полей, поперечных по отношению к силовым линиям магнитного поля, в перечисленных установках стало возможным в результате эквипотенциализации силовых линий магнитного поля. Величина магнитного поля в них обеспечивает замагниченность электронов, что существенно ограничивает поперечную относительно магнитного поля проводимость. Такой подход, в отсутствии столкновений, назван плазмооптическим [6]. Он стал основой перспективного способа панорамной плазмооптической масс-сепарации, предложенного А.И. Морозовым [7; 8]. Отличительной особенностью данного способа является также использование плаз-мооптического источника квазинейтрального стационарного плазменного потока ионов различных масс из ускорителя плазмы. Далее на ионы предлагается воздействовать изменяющим траектории всех ионов многокомпонентного потока поперечным (радиальным), локализованном в устройстве, называемом азимута-тором, магнитным полем, которое разделяет ионы в соответствии с отношением масса/заряд. Собирание ионов происходит в сепарирующем объеме - цилиндрическом конденсаторе (энергоанализаторе Юза-Рожанского), где, кроме радиального электрического создается аксиально-симметричное магнитное поле, замагничивающее электроны, но слабо влияющее на траектории ионов, которое и обеспечивает существование электрического поля. Авторами такое устройство названо масс-сепаратор ПОМС-Е [7; 8]. Простота реализации относительно других плазменных сепараторов, высокая заявленная производительность (10-15 тонн за год для веществ с массами М ~ 100 а.е.м.) и малое энергопотребление делают данную схему электромагнитного масс-сепаратора наиболее привлекательной.
Результатом существенного развития идеи плаз-мооптической масс-сепарации являются работы авторов [1-3; 9-16; 19]. Для реализации идеи ПОМС-Е потребовалось разрешить ряд серьезных проблем, наиболее значимой из которых была немоноэнерге-тичность ионного потока из ускорителя плазмы, в спектре которого присутствуют ионы с энергиями от нескольких потенциалов ионизации до величин, превышающих разрядное напряжение на 5-10%, и энергетический разброс ДММ ~ 1, что делает невозможной панорамную масс-сепарацию в единой фокусной плоскости, перпендикулярной оси исходного плазменного потока, в схеме ПОМС-Е [7; 8]. Авторами найдена схема ПОМС-Е-3 (рис. 1) [2; 11], в которой оказалась возможной идеальная масс-сепарация трехкомпо-нентного (М0, М1, М2; М1 < М0< М2) потока плазмы из плазменного ускорителя (ПУ) с любым распределением ионов по энергии._
Рис. 1. Схема масс-сепаратора ПОМС-Е-3: 1 - азимутатор; 2 - катушки электромагнитов ПУ; 3 - магнитопровод; 4 - система напуска рабочего газа; 5 - анод ПУ; 6 - источник электронов сопровождения; 7 - система для создания продольного магнитного поля в сепарирующем объеме; 8,10 - цилиндрические электроды - приемники ионов; 9 - торцевой приемник ионов
В работах [2; 11] было учтено уширение фокусных колец (приемных электродов) как за счет начального разброса радиальных скоростей, так и за счет немо-ноэнергетичности ионов в плазменном потоке. Рассмотрение движения сепарируемых ионов проводилось в цилиндрической системе координат r, ф, Z в плазмооптическом (одночастичном) приближении, когда поток ионов полностью скомпенсирован электронами. Кольцевой поток плазмы с ионами разных масс вначале проходит вдоль оси Z через кольцевой зазор азимутатора со средним радиусом R, в котором по всей ширине А (вдоль оси Z) существует радиальное магнитное поле Br = const = BR. При этом азимутальная скорость, приобретаемая ионом после прохождения азимутатора, определяется массой иона и определяется как Vlf>A = ^^ [7; 8]. После выхода из
азимутатора движение иона по радиусу происходит при сохранении момента
еВоДД
D = МЦрГ = MVvAR = —R—
под действием центробежной силы и силы со стороны радиального электрического поля Er(r) = -E0(R/r), направленного к оси. Вдоль оси Z ионы движутся по инерции с постоянной скоростью VZA, равной скорости ионов на выходе азимутатора. Движение иона по радиусу после азимутатора определялось уравнением
Если определить центральную как массу такого иона, который, вы-
Uf= an - eEnR-
массу МО =
eEaR3
летев из азимутатора с нулевой радиальной скоростью, будет всегда находиться на радиусе г = R, то уравнение движения иона с произвольной массой M будет таким:
ММ0Г2П\М г2 !
(1)
Решение (1) дает условие на неперекрытие приемников ионов по начальной угловой расходимости а немоноэнергетичного потока:
"1 +
а <
1 SM
4 Mп
f
+cos
1/ 1 - 2AW _ 1
V W
Л
/
(2)
sin
1/. 1 -
2AW
-1
откуда следует, что при ДШ/Ш > 3/8 (это условие для ПУ выполняется всегда) сепарация ионов становится невозможной. Поэтому на первом этапе для ПОМС-Е была предложена схема ПОМС-Е-3 (см. рис. 1), в которой сбор частиц с массой М1 можно устраивать на цилиндрической протяженной вдоль продольной оси поверхности радиуса г1, а прием частиц массы М2 - на поверхности радиуса г2. Причем на цилиндрах радиусов г1 и г2 окажутся ионы массами М1 и М2 любой энергии. Ионы массой М0 собираются на торцевом кольцевом приемнике, расположенном между цилиндрами радиусами г1 и г2. При этом г1 = Д
■rsA
Щ
= R + R—;
Мп
длина сепарирующего объема LZmax
v<pA0
v02
V2
''фЛО
где
Естественным продолжением работ по плазмооп-тической масс-сепарации стало обращение к проблеме разделения отработавшего ядерного топлива [12; 15; 16; 19]. Переработка ОЯТ позволяет сохранить до 30% естественного урана и использовать продукты распада для выделения полезных элементов, однако в настоящее время химическими способами из-за дороговизны перерабатывается лишь около 15% выгружаемого из реакторов ОЯТ, остальное помещается в хранилища, подвергается захоронению.
Распределение элементов в ОЯТ показано на рис. 2. Видно, что ОЯТ включает три группы элементов, две из которых (массы 85-106 и 134-155) составляют продукты деления, а третью (235-240) - трансурановые элементы; наиболее вероятные массы -М.НВ = 95, МцНВ = 139 и МшНВ = 239 соответственно. Оказалось, что ПОМС-Е-3, снабженный блоком фазовых превращений, позволяет, в принципе, разделить ОЯТ на эти три группы без перемешивания. На рис. 3 приведено распределение элементов в отработавшем ядерном топливе (цикл 235U + тепловой нейтрон).
Траектории движения ионов в электромагнитных полях определяются как массой, так и зарядом частиц, поэтому при разделении ОЯТ, например, ИЦР-методом происходит загрязнение трансурановых элементов двух-, трехзарядными ионами более легких элементов. Для основного компонента ОЯТ - одно-, двух- и трехкратно ионизованного урана - соответствующие потенциалы ионизации равны 6,194; 11,9 и
/
Рис. 2. Распределение элементов в ОЯТ I, II - продукты деления; III
20 эВ; а потенциал, например, второй ионизации у Ва равен 10,001 эВ; 1_а - 11,43 эВ; Бг - 11,027 эВ; Се - 12,3 эВ; У-12,23 эВ.
(ядерный цикл U + тепловой нейтрон): - трансурановые элементы
dt2
Рис. 3. Траектории движения ионов крайних масс групп I (85; 106), II (134; 155) и III (235; 244) в масс-сепараторе ПОМС-Е-3 (даны расчетные значения радиусов ri и Г2)
В работе [1] авторами при решении системы уравнений (3-5) были проанализированы в том числе и
траектории многозарядных ионов:
\2
£Z_r f?£\ - £îF at2 ' va t) m r
т(г2 T) = 0,
dt\ dtj
(3)
(4)
(5)
На рис. 4 приведены траектории радиального движения моноэнергетичных одно-, двух- и трехзарядных ионов с массами 85, 139 и 240 а.е.м. Видно, что траектории однозарядных трансурановых элементов не пересекаются ни с какими другими траекториями. Траектории движения двухзарядных ионов массой М = 240 совпадают с траекториями для однозарядных ионов с массой М = 120, трехзарядных - с траекториями однозарядных ионов с массой М = 80, которые лежат существенно выше траекторий однозарядных трансурановых элементов. Таким образом, загрязнение многозарядными частицами в данном случае происходит лишь для более легких элементов - продуктов деления.
Для плазмооптического масс-сепаратора был предложен способ и найден вариант сепаратора -ПОМС-Е-П, в котором оказалась возможной квазипанорамная масс-сепарация [1; 14]. Для наборов n ионов с массами M, < M0, где i = 1, ..., n, причем Mi > Mi+1 и радиусы приемников частиц R < r(M) < r(Mi+1), и n ионов с массами Mj > M0, где j = 1,...n, причем Mj < M+1 и R > r(M) > r(Mj+1), было рассмотрено два случая: «короткого» и «длинного» масс-сепаратора. В «коротком» размер сепарирующего объема вдоль продольной оси Z ограничен длиной, которую ион, двигаясь с постоянной скоростью вдоль оси Z, проходит за время
Рис. 4. Траектории движения моноэнергетичных одно-, двух- и трехзарядных (заряд е, 2е, 3е соответственно) ионов с массами 85,139 и 240; У^а/Уо = 0,1; Уг/Уо = 0,05
до первого попадания на свой приемник; в «длинном» на продольный размер сепаратора ограничений нет. Определялся энергетический разброс при котором траектории ионов с максимальной энергией №тах и массами М,+1 и М+ не будут пересекать приемники для ионов соседних масс М, и М. В худших, требующих минимального разброса по энергиям условиях здесь будут находиться ионы двух крайних масс. Для них условие на энергетический разброс записывается
в следующем виде: аг ссо б
2 СМ/
Ес-
ли п >> 1, условие на энергетический разброс будет иметь вид
ЛИ' - 2 1 п _
< --=. Для случая, например, п = 9, а
Щпах ' "Л
это 18 элементов (изотопов) вблизи М0, получим
т
-<- , т.е. для «короткого» сепаратора при разде-
Щпах ^
лении смеси веществ, имеющих массы, близкие к массе М0 центрального иона, панорамную масс-сепарацию осуществить можно при ограничении на энергетический разброс ионов.
Для «длинного» сепаратора показано, что панорамную сепарацию можно осуществить для немоно-энергетичного плазменного потока с любым набором энергий - от минимальных энергий проходящих через азимутатор, до максимальных энергий №тах.
С целью увеличения производительности процесса разделения можно использовать два ускорителя плазмы, когда системы для создания продольного магнитного поля и радиального электрического поля являются общими, как и некоторые приемники ионов. На рис. 5 поток ионов массы М0 принимается на приемник 9; остальные приемники собирают ионы следующих масс М: 1 - М0/М = 0,2; 2 - 0,4; 3 - 0,6; 4 - 0,8; 5 - 1,2; 6 - 1,4; 7 - 1,6; 8 - 1,8; 10 - 2. Ионы имеют энергии в диапазоне (0,2-1)еЦ УфА/У0 принята равной 0,3; угловой разброс У/У0 = ±0,05. Собирающими поверхностями у приемников могут быть как внутренние, так и внешние стороны цилиндров, что существенно расширяет возможности панорамного масс-сепаратора. Приемники (кроме электродов-приемников) не соединены с источниками электрического питания, а находятся под потенциалом плазмы на линиях их расположения («плавающие»), поэтому не изменяют элек-
трическое поле, задаваемое разностью потенциалов между коаксиальными цилиндрическими электродами-приемниками 1 и 10.
ПОМС-Е-3-эксперимент. Проведенные аналитические исследования и численные эксперименты дали возможность рассчитать инженерные параметры макета ПОМС-Е-3, работающего на плазме смесей трех газов: азот-аргон-криптон или азот-неон-аргон. В макете радиус центральной траектории окна плазменного ускорителя и азимутатора составляет Я = 90 мм;
= 82,5 мм; ¡тах = 97,5 мм. Конструкции масс-сепаратора соответствует рис. 1. В качестве плазменного ускорителя применялись одно- и двухступенчатые ПУ с анодным слоем. Катод ПУ выполнялся или совмещенным с азимутатором, или раздельным. Магнитное поле в области анода и в азимутаторе создавалось одной аксиально симметричной внешней катушкой или двумя вакуумными катушками. Введение второй катушки позволило регулировать индукцию магнитного поля в области анода и в азимутаторе в большем диапазоне величин. В основном это связано с потребностью вариации локализации области ионизации в промежутке анод-катод ПУ, которая определяет энергию № потока плазмы в соответствии с экспериментально полученной при постоянном разряд-
1/2
ном напряжении зависимостью № ~ КВ (К - постоянная). Величина поперечного (радиального) магнитного поля в области анода устанавливалась равной 200-450 Гс, в азимутаторе - 1700-4100 Гс. Разрядные напряжения ускорителя изменялись в диапазоне 300-1200 В, токи разряда I < 100 мА при давлении плазмообразующего газа 10-3-2-10"4 торр. Поджигающее устройство не использовалось. Верхнее значение тока разряда определялось ограничением расхода рабочего газа из-за недостаточной скорости откачки существующей вакуумной системы.
Вакуумная камера масс-сепаратора длиной I « 800 мм имеет размер 836x836 мм («настольный» вариант, который при токе ПУ в 1 А имеет расчетную производительность около 30 кг продукта массой 100 а.е.м. в год). В ней размещена охлаждаемая водой катушка (7 на рис. 1) диаметром 732 мм и длиной 630 мм для создания продольного магнитного поля В2 ве-
Рис. 5. Цилиндрические коаксиальные электроды-приемники (1-10) ПОМС-Е-П и траекторий ионов различных масс
личиной до 0,024 Т. Внутри катушки размещены два цилиндрических электрода (8 и 10) диаметрами 678 и 92 мм соответственно для создания радиального электрического поля Ег. В проводимых экспериментах на центральный электрод подавалось отрицательное напряжение величиной до 500 В; внешний цилиндр заземлен. В сепарирующем объеме создавалось магнитное поле величиной В2 > 80 Гс. При таком поле ларморовский радиус электронов (энергия 9 эВ) ре я1,2 мм, что много меньше характерного размера макета ПОМС-Е-3. Система создания Ег включает также по 13 кольцевых цилиндрических коаксиальных электродов, расположенных на торцах камеры сепарации и разнесенных друг от друга в основном на 20 мм. Внешние торцевые электроды соединены соответственно с внешним и внутренним цилиндрами, а между собой они связаны омическим делителем напряжения, который подобран так, чтобы радиальное распределение потенциала между всеми электродами было логарифмическим ЕДг) = -Б0Я/г (основной рабочий расчетный вариант). На рис. 6 приведено измеренное с помощью эмиссионных зондов по ионной ветви вольт-амперной характеристики распределение потенциала по радиусу. Изменяя омический делитель, можно устанавливать другой закон изменения радиального электрического поля. Сепаратор ПОМС-Е можно использовать при разных радиальных электрических полях. Какой закон выбрать - определяется требуемой дисперсией.
Концентрация плазмы в разлетающемся потоке в области сепарации не превышала на радиусе
15 —3
Н = 90 мм величины п = 10 м . Температура электронов Те, рассчитанная вблизи плавающего потенциала по вольт-амперным характеристикам ленгмюров-ских плоских зондов, ориентированных вдоль потока, составляла 20-27 эВ. Осуществлялась электронная компенсация пространственного заряда потока плазмы, иначе плазма оказывалась заряженной до положительного потенциала Фр/ < 20 В. Распределение концентрации, электронной температуры и потенциала плазмы неоднородны по радиусу и «отслеживают» перемещение потока по радиусу сепарирующего объ-
ема.
Таким образом, выполняются все требования к макроскопическим электромагнитным полям масс-сепаратора ПОМС-Е. Несмотря на это, заметного разделения трехкомпонентной ионной смеси получить не удалось. Пики интенсивности токовых сигналов от ионов азота (М1), аргона (М0) и криптона (М2) перекрывались друг с другом при их регистрации на различных фиксированных радиусах в сепарирующем объеме при изменении величины радиального электрического поля; кроме того величина электрического поля, соответствующая регистрации максимального уровня сигнала, оказалась ниже расчетной. Измерения проводились широкоапертурным энергоанализатором с задерживающим потенциалом как при фиксированном напряжении на анализирующей сетке (фиксированной энергии ионов), так и при измерении распределения ионов по энергии.
Экспериментально проблема перемешивания пока не разрешена.
Обсуждение результатов. Собирание ионов разных масс на «свои», разнесенные по радиусу и длине сепарирующего объема приемники, требует, как и для всех электромагнитных масс-сепараторов, выполнения условия бесстолкновительности относительно и парных, и коллективных взаимодействий на всем пути движения ионов: в азимутаторе и сепарирующем объеме. Для функции распределения ионов по энергии выполнение данного условия означает ее неизменность на пути между выходом плазменного ускорителя и приемниками разделенных ионов.
Классические столкновения ионов в ПОМС-Е могут происходить с нейтралами рабочего газа. Допустимое число нейтралов определяется из условия однократности столкновений в результате рассеяния (сечение ар) и резонансной перезарядки (а10): пдоп = 1/(о1), где а - суммарное сечение взаимодействия. В ПОМС-Е-3 таких столкновений не будет, если
12 3
число нейтралов не превышает 4-10 см-, что соответствует давлению газа около 10-4 торр.
При распространении плазменного потока из ПУ в сепарирующем объеме возможно образование вто-
и
я
н и и
о
н
-120
1 46 2 1 ^ 1 > 1 4. 1 4 2 4 2 1 4 2М 1 ___ е^-и.е 1 5
2 —' . > 6 0,4
г,б у = 39 ЗИВД ■ 107,3 5
.7
т б 4 1 4 и >4 15 34 Т. 54 Т 14 3 4
Радиус, ни
Рис. 6. Распределение потенциала плазмы в ПОМС-Е-3 (потенциал внутреннего электрода равен -100 В)
Рис. 7. Распределения ионов по энергии: a: 1 -z = 0 (выход азимутатора); /т = 71 eV; 2 - z = 120 мм от азимутатора; /т = 52 eV; 3 - z = 545 мм; sm = 41 eV; Br » 0,058 Т; b: 1 - z = 0; sm »54 eV; 2 - z = 120 мм; sm » 40 eV;
3 - z = 545 мм; Em <30 eV; Br »0,31 Т
ричной плазмы. Частота столкновений электронов с
9 1
атомами с ионизацией ие0 = 5.9-10 Р, с- (Р в торр); время между столкновениями те0 = 1/ие0. Границей по столкновениям с ионизацией является и здесь давление Р » 10~4 торр, при котором, если энергия электронов равна 16 эВ и длина сепарирующего объема L = 80 см, однократные столкновения будут происходить. Таким образом, следуя приведенным оценкам, получается условие на нижнюю границу по давлению остаточного газа в сепарирующем объеме Р < 10-4 торр, которое определяет производительность вакуумной системы.
На рис. 7 приведены распределения ионов азота по энергии в сепарирующем объеме на разных расстояниях от выхода азимутатора на радиусе R (центральная траектория) при различных полях в азимутаторе (ускорителе) без радиального электрического и продольного магнитных полей в сепарирующем объеме. Сравниваются случаи со значениями среднего радиального поля в азимутаторе BR »0,058 Т (рис. 7,а) и BR »0,31 Т (рис. 7,b). Очевидна релаксация функции распределения ионов в сторону меньших энергий при продвижении потока от азимутатора в сепарирующий объем на расстояние z = 545 мм: до 40 эВ для случая 7,а; для 7,b - меньше 30 эВ; темп релаксации ds/dt »-1.6-105 эВ/с. Обсудим причину данного процесса.
Если в сепарирующем объеме, как уже говорилось, давление Р > 10-4 торр, то в нем возможно образование вторичной плазмы. Как известно, движение потока ионов относительно ионов в плазме может приводить к генерации электростатических ионных ленгмюровских, ионно-звуковых (IS; Те > T) и магнито-звуковых (LS) колебаний. Диапазон частот колебаний - от mLH до Юр, (mLH - нижнегибридная, ар, - ионная
ленгмюровская частоты). Максимальные скорости роста осцилляций составляют 7$ ~ ю™; 71$ ~ соот-
7-1
ветственно. В нашем случае & у!_$ ~ (1-4)10 с и время, обратное инкременту 1/7$ « - времени пролета ионами сепарирующего пространства, которое не менее 10-5 с. Колебания, возбуждаемые пучком ионов, определяют режимы релаксации ионного потока, подразумевающей диссипацию энергии и уширение исходного углового распределения частиц. Характер взаимодействия ионных потоков существенно зависит от соотношения У/С$, где С5 = /Те/М - скорость ионного звука, а V - скорость ионов. При V/Cs < 3 пучок раскачивает колебания преимущественно вдоль скорости и поэтому эффективно тормозится, нагревая основной поток. Если V/Cs >> 3, колебания почти перпендикулярны к V, что приводит к угловому рассеянию пучка без потери частицами энергии. В промежуточной области оба этих процесса происходят одновременно. В нашем случае V/Cs < 4 и можно предположить, что определяющий вклад в релаксацию пучка ионов по продольным энергиям вносит торможение на ионно-звуковых колебаниях.
На рис. 8 приведены спектры ионов азота по энергии. Первый из них (рис. 8,а) снят в том же режиме по давлению, что и распределения, приведенные на рис. 7. Второй (рис. 8,Ь) получен при минимально возможном для существующей системы «плазменный ускоритель - вакуумный пост» давлении рабочего газа. Видно, что торможение пучка ионов при меньшем давлении существенно слабее, чем при высоком. Данный результат укрепляет надежду на успех метода плаз-мооптического разделения многокомпонентных смесей элементов при выполнении вышеприведенных требований к плазменному ускорителю и вакуумной системе ПОМС-Е-3.
Рис. 8. Распределения ионов по энергии (азот), В = 0,31 Т: а -2 = 120 мм; Р = 7,2-10'4 торр; Ь -2 = 80 мм;
Р = 2-104 торр
Заключение. К настоящему времени достигнут существенный прогресс в понимании принципов плаз-мооптической масс-сепарации и требований к масс-сепаратору. Теоретически и методами численного
моделирования определены траектории ионов многокомпонентной смеси при их движении между плазменным ускорителем и приемниками разделенных частиц. При этом учтен начальный угловой разброс ионов в ПУ, конечная толщина азимутатора и влияние на движение ионов технологического магнитного поля в сепарирующем объеме. Показано, что расчетные плаз-мооптические параметры процесса разделения будут выполняться, если не допускать образования плазмы в сепарирующем пространстве, обеспечивая давление остаточного газа в сепарирующем объеме Р <10"4 мм рт. ст. В дальнейшем потребуется исследование возможных коллективных процессов в области сепарации и их влияния на процесс разделения.
Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, государственное задание № 2.1802.2011.
Статья поступила 20.01.2014 г.
Библиографический список
1. Бардаков В.М., Во Ньы Зан, Строкин Н.А. Панорамная плазмооптическая масс-сепарация немоноэнергетичных и многозарядных ионов // Известия вузов. Ядерная энергетика. 2012. № 2. С. 132-142.
2. Бардаков В.М., Кичигин Г.Н., Строкин Н.А. Масс-сепарация ионов кольцевого плазменного потока // Письма В ЖТФ. 2010. Т. 36. Вып. 4. С. 75-80.
3. Бардаков В.М., Строкин Н.А. Особеннности плазмоопти-ческой масс-сепарации. Инфраструктура ПОМС-Е-3 // Перспективные материалы. 2013. № 14. С. 157-164.
4. Изотопы: свойства, получение, применение: монография. В 2 т. / под ред. В.Ю. Баранова. Т. 1. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. 600 с.
5. Исследование движения заряженных частиц в различных конфигурациях полей для развития концепции плазменной сепарации отработавшего ядерного топлива / В.П. Смирнов, А.А. Самохин, Н.А. Ворона, А.В. Гавриков // Физика плазмы. 2013. Т. 39. № 6. С. 523-533.
6. Морозов А.И. Плазменные ускорители. В сб. Плазменные ускорители / под ред. Л.А. Арцимовича. М.: Машиностроение, 1973. С. 5-15.
7. Морозов А.И., Савельев В.В. Осесимметричные плазмо-оптические масс-сепараторы // Физика плазмы. 2005. Т. 31. Вып. 5. С. 458-465.
8. Морозов А.И., Семашко Н.Н. О сепарации по массам квазинейтральных пучков // Письма в ЖТФ. 2002. Т. 28. Вып. 24. С. 63-66.
9. Патент РФ № 2405619. Способ разделения изотопов и устройство для его осуществления / Н.В. Астраханцев, В.М. Бардаков, Г.Н. Кичигин, Н.В. Лебедев, Н.А. Строкин. Опубл. 10.12.2010; бюл. № 34.
10. Патент РФ № 2411066. Способ разделения изотопов и устройство для его осуществления / Н.В. Астраханцев, В.М. Бардаков, Г.Н. Кичигин, Н.В. Лебедев, Н.А. Строкин. Опубл. 10.02.2011; бюл. № 4.
11. Патент РФ № 2411067. Способ разделения изотопов и устройство для его осуществления / Н.В. Астраханцев, В.М. Бардаков, Г.Н. Кичигин, Н.В. Лебедев, Н.А. Строкин. Опубл. 10.02.2011; бюл. № 4.
12. Патент РФ № 2419900. Способ плазменного разделения отработанного ядерного топлива и устройство для его осуществления / Н.А. Строкин, В.М. Бардаков, Г.Н. Кичигин.
Опубл. 27.05.2011; бюл. № 15.
13. Патент РФ № 2446489. Способ плазмооптической масс-сепарации и устройство для его осуществления / Н.А. Строкин, Н.В. Астраханцев, В.М. Бардаков, Во Ньы Зан, Г.Н. Кичигин, Н.В. Лебедев. Опубл. 27.03.2012; бюл. № 9.
14. Патент РФ № 2469776. Способ панорамной плазменной масс-сепарации и устройство панорамной плазменной масс-сепарации (варианты) / Н.А. Строкин, В.М. Бардаков, Во Ньы Зан. Опубл. 20.12.2012; бюл. № 35.
15. Плазмооптическая сепарация и диагностика результатов разделения отработанного ядерного топлива / Н.В. Астраханцев, В.М. Бардаков, Во Ньы Зан, Г.Н. Кичигин, Н.В. Лебедев, Н.А. Строкин // Вопросы атомной науки и техники. Плазменная электроника и новые методы ускорения. 2010. № 4. С. 310-315.
16. Плазмооптические масс-сепараторы отработанного ядерного топлива / Н.В. Астраханцев, В.М. Бардаков, Во Ньы Зан, Г.Н. Кичигин, Н.В. Лебедев, Н.А. Строкин // Перспективные материалы. 2011. № 10. С. 80-85.
17. Применение методов плазменной сепарации элементов к обращению с ядерными материалами / В.А. Жильцов, В.М. Кулыгин, Н.Н. Семашко, А.А. Сковорода, В.П. Смирнов, А.В. Тимофеев, Е.Г. Кудрявцев, В.И. Рачков, В.В. Орлов // Атомная энергия. 2006. Т. 101. Вып. 4. С. 302-306.
18. Структура электрических полей в ловушке с вращающейся плазмой / В.И. Волосов, В.В. Деменев, А.Г. Стешов, И.Н. Чуркин // Прикладная физика. 2000. № 4. С. 22-27.
19. Трехкомпонентное плазмооптическое разделение отработанного ядерного топлива / В.М. Бардаков, Во Ньы Зан, Г.Н. Кичигин, Н.А. Строкин // Известия вузов. Ядерная энергетика. 2011. № 2. С. 3-9.
20. Fetterman A.J., Fisch N.J. The magnetic centrifugal mass filter // Physics of Plasmas. 2011. V. 18. № 9.
21. Ohkawa T., Miller R. Band gap ion mass filter // Physics of Plasmas. 2002. V. 9. № 12. P. 5116-5120.
22. Preliminary study of the demo plasma separator / A.M. Yegorov, V.B. Yuferov, S.V. Shariy, V.A. Seroshtanov, O.S. Druy, V.V. Yegorenkov, E.V. Ribas, S.N. Khizhnyak, D.V. Vinni-kov // Problems of atomic science and technology. Series: Plasma Physics (15). 2009. № 1. P. 122-124.
23. Volosov V.I. Asymmetric centrifugal magnetic confinement device // Plasma Physics Reports. 1997. V. 23. I. 9. Р. 751-755.
