Формирование, разделение и диагностика потока ионов в процессе плазмооптической масс-сепарации тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.01, кандидат наук Казанцев Александр Владимирович

• Казанцев Александр Владимирович
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Казанцев Александр Владимирович

Введение

Глава 1. Плазменная сепарация и плазмооптический масс-сепаратор ПОМС-Е-3

Глава 2. Формирование потока ионов

Влияние продольного магнитного поля и конечной толщины азимутатора

Формирование потока ионов

Оптимизация конструкции плазменного ускорителя

Глава 3. Разделение потока ионов

Без компенсации пространственного заряда потока ионов

С компенсацией пространственного заряда потока ионов

Разделение нескомпенсированного потока ионов - теория, численный счет

Глава 4. Регистрация потока ионов

Аппаратное обеспечение

Программное обеспечение

Опыт использования аппаратно-программного комплекса

Обновление программного обеспечения

Работа энергоанализатора в условиях нескомпенсированного заряда

Основные результаты диссертационной работы

Список использованных источников

Приложение

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Формирование, разделение и диагностика потока ионов в процессе плазмооптической масс-сепарации»

Актуальность темы

В естественном «природном» состоянии вещества находятся, с одной стороны, в виде многоэлементных соединений, с другой, элементы смесей имеют немоноизотопный состав. На практике существует потребность использования моноэлементных или моноизотопных веществ, так как их свойства, например по отношению к электромагнитному и тепловому полям, чувствительны к наличию, в том или ином виде, примесей, ухудшающих электро- и теплопроводность. Основными методами разделения смесей в настоящее время являются химические экстракционные и молекулярно-кинетические методы разделения многокомпонентных соединений. Обычно они реализуются в несколько технологических этапов и требуют значительного количества вспомогательных веществ и воды.

Что касается выделения изотопов, то в промышленных или полупромышленных масштабах используются молекулярно-кинетические - газовая диффузия и центробежная технологии [1] и физические - электромагнитный, селективный ионно-циклотронный нагрев (ИЦР) в плазме и лазерные селективные (МЫБ, АУЫБ) методы.

Молекулярно-кинетические методы

В методе газовой диффузии [например, 1] используется различие в скоростях движения различных по массе молекул газа через тонкие трубки (мембраны), настолько тонкие, чтобы молекулы двигались по ней поодиночке. Коэффициент

разделения не превышает ^М2/М1, где М/, М2 - массы разделяемых элементов (изотопов). Из нескольких сотен трубок собирается один каскад разделения. Для лёгких элементов степень разделения может быть достаточно велика; для урана -только 1.00429 (выходной поток каждой ступени обогащается в 1.00429 раза).

Центробежная технология в настоящее время является основной для разделения изотопов веществ, имеющих газовую фазу [2, 3]. При вращении с частотой с газа в системе устанавливается равновесное радиальное распределение давле-

ний в соответствии с распределением Больцмана: Р(г) = Р0ехр(у2г2), где у = а)2Я2/( 2 ЯТ), Яа - радиус ротора, л - молекулярная масса, Т - температура, Я - универсальная газовая постоянная. Коэффициент разделения компонентов смеси с концентрациями Сг(г) и Сг{Я) на радиусах г и Яа («первичный эффект разделения») £г(г) = ТТ^^Дт^У = ехр [(М2 - . Величина коэффициента на несколько процентов отличается от 1. Например, эффективность газового центрифугирования Ц-235/238 при линейной скорости «на стенке», равной 250 м/с составляет 1,026; при 600 м/с - 1,233. Серьезный ряд требований предъявляется здесь и к рабочему газу, в состав которого входит разделяемый элемент, в частности, в молекуле рабочего газа должен быть один атом разделяемого элемента; все остальные элементы, кроме разделяемого, входящие в состав молекулы, должны быть моноизотопны. Переработка вторичного урана, извлеченного из отработавших тепловыделяющих элементов, для центрифуг представляет проблему, которая состоит в трудности очистки центрифуг от сильно радиоактивных коррозионных отложений.

Электромагнитный метод

Универсальным среди перечисленных выше методов, способным работать с любыми веществами, является лишь один - электромагнитный [4-8]; он же позволяет получать наиболее «чистые» компоненты, однако, с малой производительностью (рис. 1). Разделение по массам в электромагнитном методе происходит при движении предварительно ускоренных ионов в области с поперечными по отношению к направлению движения ионов силовыми линиями магнитного поля (рис. 1). В случае однородного магнитного поля напряженностью Н движение ионов с энергией еи, массой М и зарядом е - по окружности радиусом Я можно опреде-

V2 е 2 М[/ с

лить из уравнения М — = уН - и, соответственно, Я = I• — (с - скорость света). Дисперсия по массам <1 = 2 А Я = Я , где ЛМ - разность масс разделяемых ионов. При этом требование на моноэнергетичность ионов в пучке серьезные:

AU/U = 0,1 AM/M ~ 0,05% (при М = 200 а.е.м. и AM = 1). Плотность тока в пучке ионов ограничивается (при заданной геометрии масс-сепаратора) величиной пространственного заряда и может быть оценена из «закона 3/2»:

_О 1 С _Л Л с

j = 5,4-10 U ' a M ' , А/см (а - размер ускоряющего промежутка, см).

Рис. 1. Схема электромагнитного разделения изотопов [8]: 5Ь 52 - входная и выходная щели

Производительность - суммарный вес всех разделенных изотопов, которые можно получить на промышленной установке за сутки (в мг)

Р = 0,03731прМср1д№х№у, где 1пр - предельный ионный ток; Мср - средняя масса разделяемых ионов; Хд - время работы установки в режиме деления; ¡их, ¡лу - коэффициенты потерь.

Достигаемые обогащения для разных изотопов - разные; например, при выделении европия 153Би «чистота» равна 99,97%.

Электромагнитный метод продолжают совершенствовать, в частности, предлагать другие варианты магнитной системы [9]. На разрабатываемой установке для разделения изотопов в системе встречных аксиально-симметричных полей с двумя реверсами магнитного поля показана возможность выделение изотопов молибдена 98Мо и 100Мо высокой чистоты.

Селективный ионно-циклотронный нагрев (ИЦР) в плазме

Ионно-циклотронный нагрев в плазме разрабатывался с начала 60-х годов ХХ века для обеспечения условий зажигания термоядерных реакций. Для целей масс-сепарации он впервые применен при разделении изотопов калия К и К [10]. В то время как в природной смеси соотношение концентраций калия

% = С(41К)/С(39К) = 0,07, после обогащения стало т%1 & 4 - более чем в 10 раз больше природного соотношения. Внешнее электромагнитное поле вводилось в плазму через индуктивно-связанные антенны с частотой П = дБ/(МС) (д - заряд иона; Б < 20 кГс - величина индукции магнитного поля в плазме; М- масса иона). В результате наблюдается рост поперечной к направлению магнитного поля энергии Ж± = Е2-Х2/2/ (Е - напряженность вихревого электрического поля, Х - время нахождения иона в резонансе, / - атомный вес) и, как результат, увеличение лар-

моровского радиуса целевого иона. Для обеспечения селективного нагрева необ-

_2

ходимо обеспечить высокую однородность магнитного поля АВ/В < ЛМ/М ~ 10-, отсутствие уширения абсорбционной линии из-за нагрева ионов при столкнове-

Уц АМ[ „

ниях: — < где Уц - частота ион-ионных столкновений. Кроме того, есть ограничения на время пролета ионов через область нагрева и на допплеровское уши-рение.

Работа проводилась в плазме Р-машины с параметрами: концентрация п & 1010 - 1011 см-3, равными температурами электронов и ионов Те = Т & 0,2 эВ, частотами столкновений ион-ион Уц & 2-104 с-1, электрон-ион уе & 5-106 с-1; резонансная частота внешнего поля П = 88,6 кГц.

11 12 _"5

В газоразрядной плазме (п & 10 - 10 см ), кроме калия, исследования проводились с положительными ионами неона, аргона и ксенона и отрицательным ионом хлора, для которых также наблюдались хорошо разрешенные резонан-сы.

Современное состояние работ по масс-сепарации в процессе ионно-циклотронного нагрева отражено в работах [11-14]. Одним из основных элементов установки ИЦР-нагрева является источник плазмы разделяемого вещества. Один из лучших разработанных источников создан на принципе распыления и последующей ионизации атомов разделяемого вещества ускоренными во вспомогательной плазме ионами. Вспомогательная плазма создается в процессе генера-

ции и электронно-циклотронного нагрева электронов с применением гиротронов (частота 28 ГГц).

В установках ИЦР используются 2 способа ионно-циклотронного нагрева: индукционный, осуществляемый путем наложения на постоянное однородное магнитное поле переменного электромагнитного поля, и электростатический, в котором разность потенциалов в плазме создается за счет её контакта с торцевыми потенциальными электродами. Фактическое предпочтение отдано индукционному методу. Отбор целевых ионов из плазменного потока производится на проводящие пластины, ориентированные параллельно внешнему магнитному полю. Одной из лучших в настоящее время является установка ERIC (Франция), основным элементом которой является сверхпроводящий соленоид длиной 3,4 м, диаметр «теплого» отверстия - 0,3 м, протяженность области однородного магнитно_2

го поля - 2 м, магнитное поле - до 3 Тл, АВ/В = ±5-10 .

Предполагается, что разделительная ИЦР-установка станет универсальной, если проводить разделение в полях 4-6 Тл и найти до начала процесса разделения повысить температуру электронов до нескольких эВ. ИЦР-метод имеет предельную величину коэффициента разделения ~ 50-100. Для получения изотопически чистых веществ требуется дообогащение полученных продуктов на электромагнитных разделительных установках.

Повышение производительности резонансного изотопически селективного

12 _

метода нагрева ионов возможно при создании плотной плазмы (> 10 см ). Это возможно на второй гармонике ионно-циклотронной частоты целевого изотопа [15]. Нагрев ионов на второй гармонике в градиентных полях идет в (a/R) раз медленнее, чем на первой гармонике, при той же амплитуде ВЧ потенциала, здесь R - ларморовский радиус иона, a - характерный радиальный размер области нагрева. Однако за счет этого эффекта одновременно возрастает в (a/R) раз плотность плазмы, при которой отсутствует ослабление (скинирование) внешнего ВЧ электрического поля в объеме плазмы. Для типичных параметров такого устройства значение фактора a/R порядка десяти (или нескольких десятков), поэтому по

порядку величины во столько же раз возрастает плотность плазмы и соответственно производительность метода при использовании нагрева на второй гармонике.

Лазерные селективные методы

При разделении изотопов с использованием селективного фотовозбуждения требуется выполнение следующих требований: высокая монохроматичность излучения, обеспечивающая возбуждение лишь определенных изотопических модификаций атомов и молекул - изотопический сдвиг должен превышать ширину спектральной линии поглощения; наличие в спектрах поглощения неперекрывающихся изотопных линий; наличие физического (химического) процесса, позволяющего отделять возбужденные частицы от невозбужденных; медленность релаксационных процессов, ведущих к потере возбуждения или передаче энергии возбуждения нецелевым изотопным атомам и молекулам [16]. Наиболее перспективным источником возбуждения атомов и молекул является лазерное излучение. При этом разделение изотопов происходит по следующей схеме: лазерное излучение с частотой wj возбуждает электронный уровень атома (технология AVLIS -Atomic Vapour Laser Isotope Separation) или колебательно-вращательный (либо электронный) уровень молекул (технология Molecular Laser Isotope Separation). Затем вспомогательное излучение другой частоты w2 ионизует или вызывает диссоциацию только возбужденных атомов или молекул. Например, при разделении изотопов кальция с применением лазера на красителе, излучение которого (X =

-5 -5

6162 А°) было в резонансе с частотой перехода 4s4p P2 ^ 4s5s Sb получали поток

-5

атомов в метастабильном 4s4p P2 состоянии. Для дальнейшей фотоионизации использовалось излучение аргонового лазера. Скорости фотовозбуждения определяются интенсивностью излучения. Для второй ступени разделения есть другой вариант, который предусматривает ионизацию в электрическом поле напряженностью до 3-104 В/см.

Высокая интенсивность лазерного излучения видимого, УФ- и ИК-диапа-зонов позволила создать фотофизические методы селективного воздействия на атомы и молекулы: метод двухступенчатой селективной ионизации атомов, метод двухступенчатой селективной фотодиссоциации молекул, метод селективной диссоциации молекул ИК-излучением [17, 18]. Селективность ионизации атомов определенного изотопа снижают столкновительные процессы: 1) передача возбуждения при столкновениях возбужденных атомов с невозбужденными атомами другого изотопа; 2) передача заряда между ионами выбранного изотопа и невозбужденными атомами другого изотопа. Это накладывает ограничения на поперечный размер и плотность атомного пучка. Пространственное выделение ионов выбранного изотопа при значительной плотности можно осуществлять в скрещенных электрическом и магнитном полях.

Применение магнитного поля необходимо из-за возникновения пространственного заряда, не позволяющего вытянуть ион под действием одного электрического поля.

В случае молекул картина селективного процесса выглядит гораздо сложнее из-за следующих эффектов, влияющих на селективность и скорость процесса: 1) теплового неселективного возбуждения колебательных уровней; 2) размытости края полосы электронного фотопоглощения молекулы; 3) эффекта «узкого горла» из-за вращательной структуры колебательных уровней [17, 18].

Мировые потребности в топливе для ядерных реакторов оцениваются примерно в 6 миллионов тонн и308. Стоимость обогащения для обработки этого количества руды оценивается примерно в 150 миллиардов долларов. Повышение эффективности процесса лазерного обогащения может снизить стоимость до небольшой части этой суммы.

Экономическая важность разделения изотопов других элементов лазерными

235

методами не так очевидна и не так настоятельна, как и. Полная годовая прода-

235

жа во всем мире разделенных изотопов всех элементов, кроме и и D, оценивается суммой менее 5 миллионов долларов. Успех лазерного разделения урана невозможен без создания большого количества лазерной техники или даже некото-

рых принципиально новых лазерных систем. Ценность разделенных изотопов других элементов состоит не в потребности в них в настоящий момент, а в возможности новых применений их в науке, медицине и технике, причем эти применения, вероятно, будут развиты только тогда, когда изотопы станут доступны в большом количестве и по низкой цене [17, 18].

Интересно сравнить энергию (в эВ/атом), которая затрачивается на разделение изотопов различными методами [19].

Традиционные методы:

1. Электромагнитное разделение - 106-107.

2. Газовая диффузия (для 235Ц) - 3-106.

ЛЛГ с

3. Газовая центрифуга (для и) - 4,5-10.

4. Дистилляция (для 10В - 11В) - 103.

5. Хемобмен (для 10В - 11В) - 102.

Лазерные методы:

л

1. Диссоциация ИК излучением (при КПД лазера 10%) - 10 .

2. Ионизация или диссоциация видимым или УФ излучением (при КПД лазера 1%) - 103.

-2 -1

Термодинамический предел - 10-2 - 10-1.

Не все лазерные методы, которые успешно осуществлены в лабораторном масштабе для разделения изотопов в индикаторных или даже весовых количествах, перспективны для разделения изотопов в масштабе промышленного производства. Метод, потенциально пригодный для промышленного использования, должен обладать, по крайней мере, следующими двумя чертами: возможностью генерации требуемого для метода лазерного излучения с уровнем средней мощности от 1 кВт до 1 МВт (в зависимости от необходимой производительности); простотой и экономичностью лазерной техники в изготовлении и эксплуатации. Эти два требования существенно ограничивают число методов, осуществимых в промышленном масштабе с известными до настоящего времени лазерами. Наиболее

перспективным с этой точки зрения сегодня, по-видимому, является метод, основанный на эффекте изотопически-селективной диссоциации многоатомных молекул в сильном ИК поле. В этом методе можно использовать излучение, пожалуй, наиболее простого и дешевого импульсного СО2-лазера со стандартным КПД 510%, средняя мощность которого достигает киловатта. Выгодным является процесс, при котором производится диссоциация непосредственно целевого изотопа и обогащение им продуктов диссоциации. В традиционных методах коэффиицент

2 3

обогащения е = 10- 10-3, в то время как в лазерном методе е = а- 1, где а >> 1

[19].

235

Технология AVLIS использовалась, например, для обогащения U при воздействии излучения СО2 (436,2 nm) лазера на газообразное соединение UF6, со-

238

держащее 99,3% U [20]. Изотопический сдвиг между изотопами урана существует и составляет 0,208 A°. Пары урана получали при его нагреве до 2800К-3000К. Технология MLIS теми же авторами была применена для разделения изотопов урана, находящихся в соединении UO2, и UF6 (с лазером, имеющим длину волны 16 мкм).

Молекулярная лазерная сепарация изотопов активно продолжает развиваться. Появились модификации MLIS: MOLIS, CRISLA, SILARC [21]. Процессе MOLIS (мolecular obliteration laser isotope separation) базируется на многофотонной (3-6 фотонов) абсорбции и диссоциации полиатомных молекул. Порог про-

л

цесса большой - несколько MBr/см , поэтому требуются мощные лазеры, работающие в инфракрасном или ультрафиолетовом диапазоне длин волн. CRISLA ^hemical reaction by isotope selective laser activation) - это фотохимический метод формирования химически активных комплексов. Скорость химических реакций при этом значительно возрастает.

SILARC (separation of isotopes by laser-assisted retardation of condensation) - в этом методе лазер служит для испарения смеси, расширение которой в дальнейшем, например, через маленькое отверстие приводит к разделению по массам на

охлажденной поверхности: скорости конденсации возбужденного и невозбужденного «Ван дер Ваальсовского кластера» будут различными.

Изотопно-селективная инфракрасная многофотонная диссоциация молекул получила наибольшее развитие для разделение изотопов легких элементов, например, углерода. Развитие MLIS для тяжелых ядер сдерживается высокой энергоемкостью процесса, поэтому активно ведутся поиски низкоэнергетичных методов лазерного разделения, в том числе тяжелых элементов [22]. К таким методам относят: гетерогенное молекулярное лазерное разделение; селективную инфракрасную колебательную передиссоциацию ван-дер-ваальсовых молекул; селективное управление процессом кластеризации молекул в струях и потоках; разделение изотопов с использованием процесса захвата молекулами низкоэнер-гетичных электронов; селекцию молекул, внедренных в нанокапли (кластеры) сверхтекучего гелия; разделение изотопов с участием кластеров и наночастиц.

В настоящее время идет процесс разработки полных процессов лазерного разделения, включая установление законов подобия и создание пилотных установок, когда уже учитывается стоимость исходного сырья, затраты энергии на приготовление облучаемого вещества в нужном состоянии, эффективность и безопасность химического цикла обработки обогащенного материала, капитальные затраты на создание необходимых лазеров и их надежность в эксплуатации [23].

Наряду с изотопным разделением вещества в последнее время появилась необходимость разделения многокомпонентных смесей на фракции, например легкую и тяжелую. Наиболее обсуждаемой задачей в этом отношении является выделение из очень радиоактивного отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) трансурановых элементов, которые впоследствии предлагается использовать в новом топливном уран-плутониевом цикле для организации замкнутого топливного цикла (Mixed Oxide (МОХ)-топливо [2-12] и РЕМИКС-топливо [24]).

В ОЯТ содержится примерно 1% изотопов плутония, 94-95% урана, в том

235

числе 1% изотопа U, 4-5% продуктов деления (радиоактивных отходов) [25]. Учитывая, что плутоний - полностью искусственный элемент, а запасы природного урана ограничены, в ряде стран ОЯТ считается ценным сырьем. Франция,

Россия, Великобритания, Индия, Китай и Япония выбрали переработку ОЯТ с рециклированием урана в топливный цикл тепловых реакторов и кондиционированием РАО. В то же время в некоторых странах - США, Швеции, Финляндии, Испании, Канаде - принята концепция «прямого» захоронения ОЯТ тепловых реакторов в глубоких геологических формациях.

Процесс промышленной переработка ОЯТ [26, 27] после промежуточного хранения под водой и измельчения активных зон отработавших тепловыделяющих сборок включает в себя ПУРЕКС-процесс - процесс жидкостной экстракции из растворенного и осветленного раствора ОЯТ. Целевыми продуктами переработки ОЯТ являются:

235

• гексагидрат уранилнитрата с номинальным обогащением по U до 3,1%, получаемый путём упаривания азотнокислого раствора урана;

235

• триураноктаоксид урана с обогащением по U от 10 до 76%, получаемый путём аммиачного осаждения и последующей прокалки осадка;

• диоксид плутония, получаемый путём оксалатного осаждения и последующей прокалки осадка.

На 1 тонну перерабатываемого ОЯТ расходуется около 2000 тонн воды. Помимо соединений урана и плутония возможна организация выделения

237 125

нептуния (237Np) и радиоактивного йода (125I) с целью их локализации; для потребностей радиоизотопного производства - криптона (85Kr), стронция (90Sr), цезия (137Cs), америция (241Am), прометия (147Pr).

Использование реакторов на быстрых нейтронах (РБН) открывает путь к резкому увеличению количества производимой электроэнергии за счет вовлече-

238

ния в цикл 238U. Однако конкурентноспособность РБН с работающими реакторами на тепловых нейтронах (РТН) будет обусловлена, главным образом, расходами на изготовление МОХ-топлива [24]. Считается, что привлекательным вариантом, позволяющим осуществить эффективный запуск замкнутого ядерного топливного цикла (ЯТЦ) для РБН, является модернизация существующей инфраструктуры

РТН с использованием REMIX-топлива (Regenerated Mixture of U-, Pu-oxides: 1,0235

1,5% Pu + 2,5% U), получаемого непосредственно из неразделенной смеси ура-

на и плутония, которые выделяются при переработке ОЯТ после подпитки природным обогащенным ураном. Эта технология подразумевает повторное использование не только плутония, содержащегося в ОЯТ, но и остаточного количе-

235

ства U. Использование REMIX-топлива, по сравнению с открытым ЯТЦ, позволяет снизить потребление природного урана в РТН на 20% при каждом рецикле. Переработка ОЯТ REMIX-топлива предусматривает совместное выделение регенерированных урана и плутония, поэтому не требуется их разделения [24].

С целью нахождения универсального высокопроизводительного способа масс-сепарации, лишённого недостатков, присущих существующим методам, с конца ХХ века начались работы по созданию технологий извлечения элементов (изотопов) целевой массы из смеси, находящейся в состоянии плазмы.

В плазменном эксперименте лучшие результаты по разделению были достигнуты на установке - фильтре масс «Архимед» (Archimedes Technology Group, San Diego, USA) [10, 28, 29, 68]. Отделение тяжелой (целевой) компоненты смеси ионов изотопов происходит в «Архимеде» при нарушении условия равновесия для частицы, вращающейся в поле действия центробежной силы и силы, пропорциональной ErxBz - векторному произведению создаваемых радиальному электрическому и продольному магнитному полей. Граничная между тяжелой и легкой фракциями ними масса Мс - цель масс-сепарации - определяется в соответ-

2 2

ствии с уравнением Мс = eR (Bz) /8Vctr, где е - заряд электрона, R - внутренний радиус фильтра, Vctr - величина электрического потенциала на оси установки. Тяжелые частицы осаждают на цилиндрическом приемнике; легкие (все, что осталось после выделения частиц с массой Мс) - на торцевом коллекторе.

Газовый разряд при мощности радиочастотного источника 1,6 МВт генери-

22 -3

ровал плазму плотностью до 2,2-10 м и низкой температурой электронов, равной 3 эВ. Величина индукции магнитного поля в области разряда B <1,5 кГс.

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 электрического полей. Получено уменьшение тяжелой фракции в смеси более чем в 20 раз при скорости сбора вещества на коллектор около 0,25 г/с.

Основой для создания «Архимеда» стали работы по генерации вращающейся плазмы, в частности, на установках ПСП-2, ПСП-02 и ИСП (ИЯФ СО РАН, Новосибирск, Россия) [69, 70], в которых был найден способ получения в стационарной плазме сильного радиального электрического поля. Эксперименты проводились при произвольном ларморовском радиусе ионов в магнитной ловушке с аксиальным магнитным и радиальным электрическими полями. Основная рабочая компонента разряда, тяжелые ионы, образовывалась и поддерживалась за счет распыления катода и последующей ионизации в плазме распыленных атомов. Радиальное электрическое поле задавалось системой электродов: два цилиндрических (на оси установки и вакуумная камера-анод) и набор торцевых (на обеих сторонах установки) коаксиальных электродов. Было показано, что структура электрических полей в магнитной ловушке с ЕхН полями соответствует структуре полей на торцевых электродах и практически не зависит от отношения ларморов-ского радиуса ионов к поперечному размеру установки.

Равновесный первичный радиальный коэффициент разделения в плазменной центрифуге может быть оценен в соответствии с выражением [30]: а =

ехр (¡Ц 2~^Т<<г), где Лт разделяемых частиц, V\р - скорость вращения плазмы, Т

- температура разделяемой смеси частиц, Я1 и Я2 - радиусы внутреннего и внешнего электродов системы, к - постоянная Больцмана. Достигаемая скорость вращения плазмы (104 м/с) много больше скорости в газовых центрифугах; коэффициент разделения для легких ионов достигает 10, для тяжелых - составляет величину порядка 1,2 (изотопы ксенона 129Хе-136Хе).

Рис. 2. Ассиметричная ловушка - центрифуга [71]

В асимметричной версии реактора на основе центрифуги [69] высокоэнергичные продукты термоядерной реакции и частицы основной плазмы удаляются из установки через различные торцы (подобно схеме, приведенной на рис. 2). Это обеспечивает решение проблемы удаления ядерных отходов.

Применительно к масс-сепарации на две группы элементов далее был предложен асимметричный магнитный масс-сепаратор с ловушечной конфигурацией магнитного поля со столкновительной плазмой [71; рис. 2] (Princeton University, Princeton, USA). Условие удержания ионов с компонентами энергии в средней

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Казанцев Александр Владимирович, 2015 год

Список использованных источников

1. Сазыкин А.А. Газовая диффузия // в кн. Изотопы: свойства, получение, применение. Т. 1 / Под ред. В.Ю. Баранова. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. - С. 135146.

2. Калитиевский А.К., Годисов О.Н., Сергеев В.И. Общий подход к проблеме разработки технологии центробежного разделения стабильных изотопов // в кн. Изотопы: свойства, получение, применение. Т. 1 / Под ред. В.Ю. Баранова. -М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. - С. 155-168.

3. Сенченков А.П., Сенченков С.А., Борисевич В.Д. Газовые центрифуги // в кн. Изотопы: свойства, получение, применение. Т. 1 / Под ред. В.Ю. Баранова. -М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. - С. 168-198.

4. Смит Л., Паркинс В., Форрестер А. Разделение изотопов в больших количествах электромагнитными методами // Успехи физических наук, 1948. - Т. 35, №4. - С. 556-579.

5. Keim C.P. Electromagnetic separation of stable isotopes // Annual review of nuclear and particle science, 1952. - No. 1. - P. 263-292.

6. Арцимович Л.А., Щепкин Г.Я., Жуков В.В. и др. Электромагнитная установка с высокой разрешающей силой для разделения тяжелых элементов. -Атомная энергия, 1957, т. 3, вып. 12, с. 306-314.

7. Бондаренко В.Г., Кузьмин Р.Н. Электромагнитный метод. Основные принципы // в кн. Изотопы: свойства, получение, применение. Т. 1 / Под ред. В.Ю. Баранова. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. - С. 290-307.

8. Мартыненко Ю.В. Электромагнитное разделение изотопов и его наследие // Успехи физических наук, 2009. - Т. 179, №12. - С. 1354-1361.

9. Yegorov A.M., Lymar A.G., Nikolaichuk L.I., Popov V.A., Bondarenko L.A., Tutubalin A.I., Nemashkalo O.V., Krivchenko O.V. Development and creation of the electromagnetic separator for isotope separation in the system of opposing ax-isymmetric magnetic fields with two field reverses // Problems of atomic science and technology, 2013, No. 3. Series: Nuclear physics investigations (60), P. 201-204.

10. Dawson J.M, Kim H.C., Arnush D., Fried B.D., Gould R.W., Heflinger L.O., Kennel C.F., Romesser T.E., Stenzel R.L., Wong A.Y., Wuerker R.F. Isotope separation in plasma by use of ion cyclotron resonance // Physical Review Letters, 1976 - V. 37, No. 23. - P. 1547-1550.

11. Dubinov A.E., Kornilova I.Yu., Selemir V.D. Isotope separation in plasma by ion-cyclotron resonance method // Физика элементарных частиц и атомного ядра, 2001. - Т. 32, вып. 4. - С. 828-845.

12. Карчевский А.И., Муромкин Ю.А. Разделение изотопов в плазме с помощью селективного ионно-циклотронного нагрева // в кн. Изотопы: свойства, получение, применение. Т. 1 / Под ред. В.Ю. Баранова. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. - С. 307-325.

13. Долголенко Д.А., Муромкин Ю.А. Разделение изотопов в плазме на основе ионного циклотронного резонанса // Успехи физических наук, 2009. - Т. 179, №4. - С. 369-382.

14. Muromkin Yu.A. The status of the isotope separation by PSP // Journal of energy and power engineering, 2013. - No. 7. - P. 306-317.

15. Kotelnikov I.A., Kuzmin S. G. Separation of Heavy-Element Isotopes by ICR Heating at the Second Harmonic // Plasma Physics Reports, 1999. - V. 25, No. 12. -P. 1010-1019.

16. Басов Н.Г., Беленов Э.М., Исаков В.А., Маркин Е.П., Ораевский А.Н., Рома-ненко В.И. Новые методы разделения изотопов // Успехи физических наук, 1977. - Т. 121, вып. 3. - С. 427-455.

17. В. С. Летохов, С. Б. Мур, Лазерное разделение изотопов (обзор), Ч. I // Квантовая электроника, 1976. - Т. 3, №2. - С. 248-287.

18. В. С. Летохов, С. Б. Мур, Лазерное разделение изотопов (обзор), Ч. II // Квантовая электроника, 1976. - Т. 3, №3. - С. 485-516.

19. Велихов Е.П., Летохов В.С., Макаров А.А., Рябов Е.А. Разделение изотопов методом многофотонной диссоциации молекул излучением мощного СО2-лазера. 1. Пути практической реализации процесса // Квантовая электроника, 1979. - Т. 6, №2. - С. 317-326.

20. Rao P. R. Laser isotope separation of uranium // Current science, 2003. - V. 85, No. 5. - P. 615-633.

21. Parvin P., Sajad B., Sila khori K., Zamanipour Z. Molecular laser isotope separation versus atomic vapor laser isotope // Progress in nuclear energy, 2004. - V. 44, No. 4. - P. 331-345.

22. Макаров Г.Н. Низкоэнергетические методы молекулярного лазерного разделения изотопов // Успехи физических наук, 2015. - Т. 185, вып. 7. - С. 717751.

23. Летохов В.С. Принципы лазерного разделения изотопов // в кн. Изотопы: свойства, получение, применение. Т. 1 / Под ред. В.Ю. Баранова. - М.: ФИЗ-МАТЛИТ, 2005. - С. 357-374.

24. Масленников И.А., Федоров Ю.С., Шадрин А.Ю., Зильберман Б.Я., Бабаин В.А., Бибичев Б.А. Переработка облученного топлива: новые требования и инновационные подходы // Безопасность ядерной энергетики и окружающей среды, 2010. - №1. - С. 90-93.

25. Кудрявцев Е.Г., Гусаков-Станюкович И.В. Обращение с облученным ядерным топливом в Российской Федерации // Безопасность ядерных технологий и окружающей среды, 2010. - №1. - С. 12-17.

26. Status and advances in MOX fuel technology // Technical Reports Series, 2003. -no. 415. - Vienna: International Atomic Energy Agency, 2003.

27. Горн В.Ф., Кириллов С.Н., Колупаев Д.Н. ПО «Маяк»: перспективы развития технологий завода РТ-1 // Безопасность ядерных технологий и окружающей среды, 2010. - №1. - С. 29-33.

28. Winslow D.L., Agnew, S.F., Anderegg F., Cluggish B.P., Freeman R.L., Gille-land J., Hilsabeck T.J., Isler R.C., Lee W.D., Litvak A., Miller R.L., Ohkawa T., Put-vinski S., Umstadter K.R., Zhang J. Plasma generation and mass separation in the Archimedes // 46th Annual Meeting of the Division of Plasma Physics, 15-19 November, 2004, Savannah, GA. MEETING ID: DPP04., abstract EP1.087.

29. Winslow D.L. Mass separation of nuclear waste surrogates in the Archimedes demonstration unit // 47th Annual DPP Meeting, October 24-28, 2005, abstract KP1.074.

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

31. Смирнов В.П., Антонов Н.Н., Ворона Н.А., Гавриков А.В., Жабин С.Н., Мурзов С.А., Самохин А.А. Развитие метода плазменной сепарации отработавшего ядерного топлива: моделирование буферной плазмы и пучка сепарируемого вещества // Тезисы докладов 40 Международной (Звенигородской) конференции по физике плазмы и УТС, г. Звенигород, 11-15 февраля 2013 г. - М.: ЗАО НТЦ «ПЛАЗМАИОФАН», 2013. - С. 218.

32. Юферов В.Б., Егоров А.М., Ильичева В.О., Шарый С.В., Живанков К.И. Плазменная сепарация ОЯТ - один из возможных путей решения проблемы замкнутого ядерного топливного цикла // Вопросы атомной науки и техники, 2013. - №2. - С. 148-151.

33. Yuferov V.B., Sharyi S.V., Mufel E.V., Ilichova V.O. Peculiarities of the magnetoplasma separation of the groups of heated and ionized elements // Problems of atomic science and technology, 2014. - №3 - Р. 222-226.

34. Yuferov V.B., Katrechko V.V., Tkachova T.I., Shariy S.V., Svichkar A.S., Mufel E.V., Ilichova V.O., Shvets M.O. Some questions of snf reprocessing at the stages of ionization and magnetoplasma separation in crossed fields // Problems of atomic science and technology, 2015. - №4 - Р. 345-349.

35. Kovtun Yu.V. CIV fenomen in gas-metal plasma // Problems of atomic science and technology, 2015. - №4 - Р. 43-48.

36. Морозов А.И., Савельев В.В. Осесимметричные плазмооптические масс-сепараторы // Физика плазмы, 2005. - Т. 31, вып. 5. - С. 458-465.

37. Кабанов И.А. Производство электромагнитным методом разделения высо-кообогащенных стабильных изотопов, имеющих низкую концентрацию в природной смеси // XIY Международная конференция «Физико-химические про-

цессы при селекции атомов и молекул», Звенигород, 4-8 октября, 2010 г. - Доклад 3.6.

38. Ковтун Ю.В., Скибенко Е.И., Юферов В.Б. Действующие и разрабатываемые магнито-плазменные сепараторы для разделения вещества на элементы и изотопы // Вопросы атомной науки и техники. - 2008. - №2. - с. 149-154.

39. Морозов А.И. // ДАН СССР. 1965. Т. 163. N 6. С. 1363.

40. Морозов А.И., Лебедев С.В. // Вопросы теории плазмы / Под ред. М.А. Леонтовича. В. 8. М.: Атомиздат, 1974. С. 247.

41. Морозов А.И. // Энциклопедия низкотермальной плазмы. Т. III. / Под ред. В.Е. Фортова. М.: Наука, 2000. С. 435.

42. Морозов А.И., Семашко Н.Н. О сепарации по массам квазинейтральных пучков // Письма в ЖТФ, 2002. - Т. 28, вып. 24. - С. 63-66.

43. Морозов А.И. Введение в плазмодинамику. - М.:ФИЗМАТЛИТ, 2008. -616 с.

44. 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.

45. Во Ньы Зан. Плазмооптические масс-сепараторы: методы построения, диагностика // Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. - Иркутск, 2012. - 120 с.

46. Бардаков В.М., Во Ньы Зан, Кичигин Г.Н., Строкин Н.А. Трехкомпонентное плазмооптическое разделение отработанного ядерного топлива // Известия вузов. Ядерная энергетика, 2011. - №2. - С. 3-9.

47. Строкин Н.А., Бардаков В.М., Кичигин Г.Н. Способ плазменного разделения отработанного ядерного топлива и устройство для его осуществления // Патент РФ №2419900. Опубл. 27.05.2010. Бюл. №15.

48. Строкин Н. А., Бардаков В.М., Во Ньы Зан. Способ панорамной плазменной масс-сепарации и устройство панорамной плазменной масс-сепарации (варианты) // Патент РФ №2469776. Опубл. 20.12.2012. Бюл. №35.

49. Астраханцев Н.В., Бардаков В.М., Во Ньы Зан, Кичигин Г.Н., Лебедев Н.В., Строкин Н.А. Плазмооптическая сепарация и диагностика результатов разделения отработанного ядерного топлива // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Плазменная электроника и новые методы ускорения, 2010. - №4. - С. 310315.

50. Астраханцев Н.В., Бардаков В.М., Кичигин Г.Н., Лебедев Н.В., Строкин Н.А. Способ разделения изотопов и устройство для его осуществления // Патент РФ №2405619. МПК В0Ш 59/48. Опубл. 10.12.2010. Бюл. №34.

51. Астраханцев Н.В., Бардаков В.М., Кичигин Г.Н., Лебедев Н.В., Строкин Н.А. Способ разделения изотопов и устройство для его осуществления // Патент РФ №2411066. МПК В0Ш 59/48. Опубл. 10.02.2011. - Бюл. №4.

52. 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.

53. 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.

54. Бардаков В.М., Строкин Н.А. Особеннности плазмооптической масс-сепарации. Инфраструктура ПОМС-Е-3 // Перспективные материалы, 2013. -№14. - С. 157-164.

55. Арцимович Л.А., Лукьянов С.Ю. Движение заряженных частиц в электрических и магнитных полях. М.: Наука, 1972, 224 с.

56. Каган Ю. М., Перель В.И. Зондовые методы исследования плазмы // Успехи физических наук, 1963. - №ЬХХХ1, вып. 3. - С. 409-452.

57. Диагностика плазмы под редакцией Р. Хаддлстоуна и С. Леонарда / Издательство «Мир» / М.: 1967. - с.

58. Бардаков В.М., Иванов С.Д., Казанцев А.В., Строкин Н.А.. Помехозащи-щенный аппаратно-программный комплекс сбора и первичной обработки информации в экспериментах по плазмооптической масс-сепарации // Приборы и техника эксперимента, 2015. - №3. - С. 48-52.

59. NI PXIe-6361 - National Instruments [Электронный ресурс] // National Instruments, URL: http://ni.com (дата обращения: 06.09.2015).

60. Бардаков В.М., Иванов С.Д., Казанцев А.В., Строкин Н.А. К вопросу о реализации плазмооптической масс-сепарации // Прикладная физика, 2014. - №1. -С. 12-16.

61. Изотопы: свойства, получение, применение. В 2 т. / под ред. В.Ю. Баранова. Т.1. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. - 600 с

62. Жильцов В.А., Кулыгин В.М., Семашко Н.Н., Сковорода А.А., Смирнов

B.П., Тимофеев А.В., 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.

63. Смирнов В.П., Самохин А.А., Ворона Н.А., Гавриков А.В. Исследование движения заряженных частиц в различных конфигурациях полей для развития концепции плазменной сепарации отработавшего ядерного топлива // Физика плазмы, 2013. - Т. 39, №6. - С. 523-533.

64. Строкин Н. А., Астраханцев Н.В., Бардаков В.М., Во Ньы Зан, Кичигин Г.Н., Лебедев Н.В. Способ плазмооптической масс-сепарации и устройство для его осуществления // Патент РФ №2446489. Опубл. 27.03.2012. Бюл. №9.

65. Формирование потока ионов в плазмооптическом масс-сепараторе / В.М. Бардаков, С.Д. Иванов, А.В. Казанцев, Н.А. Строкин // XLI Международная Звенигородская конференция по физике плазмы и УТС г. Звенигород, 10-14 февраля 2014 г. Тезисы докладов. М.: ЗАО НТЦ «ПЛАЗМАИОФАН», 2014. -

C. 262.

66. Bardakov, V.M. Results of the Main Phase of Ion Separation in the Process of Plasma-Optical Mass Separation / V.M. Bardakov, S.D. Ivanov, A.V. Kazantsev, N.A. Strokin // Plasma Science and Technology, 2015. - V. 17. - No. 10. - Р. 862868. doi:10.1088/1009-0630/17/10/09

67. Бардаков В.М., Иванов С.Д., Казанцев А.В., Строкин Н.А. Плазмооптиче-ский масс-сепаратор для разделения веществ сложного состава. Обзор // Вестник ИрГТУ, 2014. - №3. - С. 128-135.

68. Ohkawa T., Miller R. Band gap ion mass filter // Physics of Plasmas, 2002. - V.9, №12. - P. 5116-5120.

69. Volosov V.I. Asymmetric centrifugal magnetic confinement device // Plasma Physics Reports, 1997. - V. 23, Issue 9. - Р. 751-755.

70. Волосов В.И., Деменев В.В., Стешов А.Г., Чуркин И.Н. Структура электрических полей в ловушке с вращающейся плазмой // Прикладная физика, 2000. -№ 4. - С. 22-27.

71. Fetterman A.J., Fisch N.J. The magnetic centrifugal mass filter // Physics of Plasmas, 2011. - V. 18, №9. - 094503.

72. Yegorov A.M., Yuferov V.B., Shariy S.V., Seroshtanov V.A., Druy O.S., Yegorenkov V.V., Ribas E.V., Khizhnyak S.N., Vinnikov D.V. Preliminary study of the demo plasma separator // Problems of atomic science and technology, 2009. - № 1. Series: Plasma Physics (15). - P. 122-124.

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

74. Морозов А.И. Плазменные ускорители / В сб. Плазменные ускорители. Под ред. Л.А. Арцимовича. М.: Машиностроение, 1973. - С. 5-15.

75. Bardakov V.M., Ivanov S.D., Strokin N.A. // Physics of Plasmas, 2014. V. 21. 033505.

Приложение 1

Исходный код программы для регистрации и предварительной обработки сигнала ЭЗП

Ввод параметров измерения сигнала

Режим «ОоКЫЫг^», оперативный вывод текущего тока коллектора и потенциала анализирующей сетки

ПН

Source

тУРе

Time

CtlRef

OldVal

NewVal

Убрать пробои

)] "Порядок полинома", "Метод", "Алгоритм", "Убрать рост". "Убрать пробои", "Параметр", "Сглаживание": Value Change

I(filt)

! 1 1

Убрать рост

ттГ: 1

DELTA X

dl/dU (fit Т2)

> JBL] |

Диапазон напряжений для отображения

Л

0 -

- у- ►

г ► Increment

►

1_IJ J ► Val(Sgnl)

| А Алгоритм^

Режим «ОоТЧоНи^», событие "«Порядок полинома», «Метод», «Алгоритм», «Убрать рост», «Убрать пробои»,

00 On

Режим «DoNothing», событие "«Диапазон напряжений для отображения»: Value Change"

Аппроксимация

Сглаживание

Распределение по энергиям

00 О

Режим «Оо№>1:Ы炙, выбор типа сглаживания и параметры аппроксимации

Режим «Generation», настройка оборудования и отдельных блоков программы

Режим «Generation», регистрация сигнала и оперативный вывод графика кривой задержки

I AO Voltage

=s

г

sortU

sorti

<°X

-fiôwïlu

I-tfr»4ll

—I >»d!'dU (filt) I

■|>»dl/dU(filt)_l'cutted)| H >»dI'dU (fit Tl) I ►#d!-'dU(fit Tl)_(cutted)] -U*dKdU(fitT2)|

►•di/dUifit т;

size(dI/dU)

dl/dU

0-r-L

Tl32b

EH"

dU

J ЮВ1.] I

array w/ subset deleted

min у

чШ1

A

►rtdU ifilt) icutted) I

ïf ►Scale.Minimum

1 size(dll) ЧЁЩ -|r ►

► Minimum ► Val(Sgnl)

Диапазон напряжений для отображения

Порядок полинома

Метод {[и; Алгоритм |ЕЁ

а

I (poly_frt)

•Ml

dl/dU (poly.fit)

* ifiijl

] >*U ifilt) I

max у >

о

Режим «Generation», предварительная обработка сигнала

Режим «Generation», формирование массива с информацией о параметрах измерений

м

I»:! : >f

Режим «Saving», формирование имён файлов и сохранение результатов в графическом и текстовом видах

т

<°х

CREftTE FILE МАМЕ

Ж X

66 йсёг!

f\II_AALBase.lvlib

Ы.[<М

•NI AALPro.Mib

|NI_AALBase.Mib:Mean (DBL).vi

I*!.jii'v.1

Иерархия компонентов программного модуля регистрации и предварительной обработки сигнала энергоанализатора с задерживающим потенциалом. Данная диаграмма наглядно отображает взаимосвязи между отдельными компонентами программного модуля и устройства, с которыми данный программный модуль осуществляет взаимодействие.