Плазмооптические масс-сепараторы: методы построения, диагностика тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.01, кандидат физико-математических наук Во Ньы Зан

• Во Ньы Зан
• кандидат физико-математических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат 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 диссертации (часть автореферата) на тему «Плазмооптические масс-сепараторы: методы построения, диагностика»

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, 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;

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

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;

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.

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», Во Ньы Зан

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. ([e-mail]; 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.