Разработка научных основ и методов разделения изотопов элементов легких и средних масс тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.17, доктор физико-математических наук Устинов, Александр Леонидович

• Устинов, Александр Леонидович
• доктор физико-математических наук
• 2011

Оглавление диссертации доктор физико-математических наук Устинов, Александр Леонидович

Введение

1. Исследование разделения изотопов во вращающейся плазме 1.1 Введение

1.2Экспернментальная установка для изучения процессов

разделения изотопов в импульсном разряде 1.3 Экспериментальные результаты исследований в плазме. 1.4Магнито-гидродинамический подход для оценки

разделительных характеристик метода Литература к главе

2. Разработка метода ионно- циклотронного резонанса для разделения изотопов

2.1 Введение, научные основы метода, обзор работ

2.2 Экспериментальные работы на установке «Сирена», результаты по изучению разделения изотопов лития

2.3 Физические аспекты создания полей в плазме для ИЦР метода

2.4Разработка СВЧ-источника плазмы для ИЦР метода Литература к главе

3. Развитие методов ректификации для разделения изотопов углерода и кислорода

3.1 Обоснование подходов при создании комплекса по низко температурной ректификации для разделения изотопов углерода

3.2 Исследование разделительных характеристик модулей

3.3 Решение проблемы изотопного обмена в оксиде углерода для получения изотопа С-13 высокого обогащения

3.4 Технико-экономические характеристики комплекса при получении С-13 и С-12 высокого обогащения

3.5 Развитие метода вакуумной ректификации воды для разделения изотопов кислорода

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка научных основ и методов разделения изотопов элементов легких и средних масс»

В диссертации представлены результаты исследований и разработок в области разделения изотопов, проводимых автором в течении более 30 лет в лаборатории новых методов разделения (под руководством профессора А.И. Карчевского) и лаборатории разделения изотопов легких элементов. Создание этих лабораторий и их тематический план в значительной степени определялось основным научным направлением института молекулярной физики. Уже на начало обозначенного периода степень развития так называемых «традиционных» методов была весьма высокой, и это обстоятельство могло дать повод для оценки исчерпанности задачи. Однако, эти методы в значительной степени развивались для решения специфических задачпо разделению группы изотопов, востребованных оборонными целями. Кроме того, такие факторы как высокие капитальные и энергетические затраты при разделении редких изотопов, экологические издержки, характерные для некоторых методов, невозможность» применения существовавших методов для разделения изотопов ряда элементов, служили стимулом для разработки новых методов и развития существующих. Наряду с этим, за несколько' десятилетий значительно расширилась номенклатура востребованных в различных областях науки и техники изотопов, возросли требования к степени их обогащения и объемы их применения. Зачастую эти изменения коснулись весьма редких изотопов, ранее воспринимавшихся экзотическими. Характерный пример -увеличение потребления в медицине изотопов углерода С-13 с обогащением выше 99% и кислорода 0-18, соответственно, выше 97% от миллиграммовых и граммовых количеств до сотен килограмм в год.

Представленные в диссертации материалы связаны как с исследованиями новых перспективных методов разделения изотопов в плазме, так и развитием технологии, основы которых были разработаны ранее. Поскольку все работы носили исключительно прикладной характер, основой исследований являлись 4 экспериментальные работы на вновь создаваемых установках. Экспериментальные исследования сопровождались в меру возможности теоретическими расчетами и оценками или численным моделированием. Подходы и методы решения! поставленных задач для обозначенных направлений существенно различались. Так, при разработке новых плазменных методов разделения изотопов, экспериментальная установка проектировалась в значительной степени с учетом исследовательских целей. Создание ее предварялось- этапом проработкиI и подбором материалов с подходящими физическими свойствами, средств откачки, диагностики и др. И. на этом этапе зачастую определялась работоспособность установки, ее ресурс и «чистота» и успешность экспериментов.' по разделению. Существенной,! компонентой исследований являлось выявление изотопически селективных физических процессов, приводящих к эффектам разделения изотопных смесей. В отличие от новых методов; в области традиционных, методов физико-химические основы были подробно изучены и представлены в литературе: Поэтому основное внимание при разработке экспериментального комплекса по низкотемпературной ректификации было уделено повышению эффективности и устойчивости работы колонн; удачному каскадному построению и т.д. Актуальность этих задач подкреплялась необходимостью - создания производящего комплекса с расчетными: параметрами при отсутствии прототипа и возможности проведения предварительных модельных экспериментов. Материалы диссертации представлены во введении и трех главах. Первая глава посвящена1 исследованиям, процессов' иь методов разделения изотопных смесей во вращающейся* плазме; за этими системами укрепилось в литературе название «плазменная, центрифуга» поскольку основной разделительный эффект обусловлен действием центробежных сил. На первом этапе исследований изучались механизмы разделения с использованием импульсной установки. Это облегчило решение вопросов энергопитания, подбора материалов и позволило провести эксперименты в более широком диапазоне параметров плазмы. Первые результаты по разделению модельных смесей изотопов ксенона, неона и гелия были весьма обнадеживающие, поэтому эксперименты были продолжены на разработанной стационарной установке. Наряду с изучением первичных разделительных эффектов исследовалась, магнитная* гидродинамика вторичных течений^ оказывавшая существенное влияние на процессы разделения изотопов в объеме частично ионизованной' замагниченной плазмы. Результатом экспериментальных работ и теоретических оценок.явился вывод о практическою бесперспективности использования ¡.систем с вращающейся плазмой для использования в области разделения изотопов: Этот вывод, сделанный для, явного1 «лидера» диффузионных механизмов разделения, проявляющихся в многокомпонентной, столкновительной плазме, можно обобщить на другие устройства, основанные на использовании достаточно-плотной частично ионизованной плазмы.

Вторая, глава диссертации посвящена, развитию ионно-циклотронного резонансного (ИЦР) метода разделения изотопов. Во введении представлены физические основы метода, способ эффективного нагрева однократно ионизованной' плазмы, обоснование основных параметров процесса для преодоления механизмов,4 снижающих селективность резонансного нагрева. Далее представлены основные экспериментальные результаты, по разделению изотопов на установке «Сирена». Установка была разработана как прототип крупной полупромышленной системы для апробации, в первую очередь, способа селективного нагрева, в ее состав входил также источник плазмы для работы на парах лития и коллекторная система для выделения из потока плазмы обогащенной фракции. Результаты экспериментов оценивались. как успешные: подтвердились основные физические предпосылки метода, коэффициент л 7

разделения1 изотопов °Ьі - Ъ\ в образцах отбора достигал -80. Специальное исследование было проведено для обоснования возможности создания циркулярно поляризованного (по вращению ионов Е+) электромагнитного поля в ускоряемой сильно поляризованной плазме и определения конструкции антенн, используемых для- этих целей. В целях разработки узлов крупной разделительной системы, были подготовлены и апробированы ЭЦР система с СВЧ трактом на базе приобретенных стационарных гиротронов «Былина»(частота излучения 37Ггц) и: источник; плазмьБ на- парах металлов с специальным сверхпроводящим магнитом.

Третья глава посвящена» работам по развитию методов ректификации: низкотемпературной ректификации оксида углерода; для создания комплекса по разделению изотопов ^углерода и вакуумной ректификации ?воды для обогащения изотопов- кислорода;. Изначально возможность создания промышленного комплекса но разделению изотопов углерода на территории РНЦ «Курчатовский институт» была проблематична; в связи; с множеством ограничений технического и финансового? порядка. Разработка технического проекта и в первую очередь тщательный подбор * основных параметров? ректификационных-колонну выбор оптимального каскадного решения привели к концепции разделительного модуля и комплекса сооружения и инфраструктуры для размещения- и обслуживания« разделительного• оборудования: По сравнению? с существовавшими прототипами за границей разработанный модуль имел высоту в 2-3 меньше и позволял уменьшить затраты насоздание комплексана порядки. Пусковые характеристики первого модуля показали состоятельность концепции, и позволили приступить к сооружению второго разделительного модуля, и комплекс был переведен в режим постоянной; наработки. Одновременно были проведены исследования с целью» решения проблемы изотопного обмена в оксиде углерода, что позволило довести обогащение 13С до 99% и выше. В связи с возросшим интересом к применению легкого изотопа углерода 12С были проведены исследования по его обогащению. Наряду с исследовательскими работами по разделению изотопов углерода был разработан; построен и запущен в работу комплекс «Вода» для производства изотопов кислорода методом вакуумной ректификации. При выполнении этих исследований возникали сопутствовавшие задачи, требовавшие решения. Среди них можно упомянуть: создание устройств глубокой очистки газов, в том числе, ректификационная очистка изотопно обогащенного метана, разработка и производство высоко качественной спирально-призматиченской насадки, создание приборов контроля изотопного состава углерода и кислорода на основе диодной лазерной спектроскопии.

В диссертацию вошли материалы более 40 публикаций и докладов на конференциях.

Список литературы диссертационного исследования доктор физико-математических наук Устинов, Александр Леонидович, 2011 год

1. Bonnevier,B. Diffusion due to ion-ion collisions in a multicomponent plasma. Arkiv far Fysik,Band 33, 15, p.255, 1966.

2. Cohen K. The theory of isotope separation as applied to the large-scale production of U235 Me GRAW-HJLL BOOK COMPANJ, JNG, Sec.6,1951.

3. Bonnevier B. Experimental evidence of element and isotope separation in a rotating plasma. Plasma Physics, v. 13, P.763,1971.

4. Cairns J.B.S. Isotopic separation in a rotating plasma. Uranium isotope separation intern conf.,London,1975.

5. James B.W., Simpson S.W. Jsotope separation in the plasma centrifuge. Plasma Physics, v.18, p.289,1976.

6. A.B.Белорусов, А.И.Карчевский, Ю.А.Муромкин, Е.П.Потанин. Разделение газовых смесей и изотопов ксенона в импульсной плазменной центрифуге. Письма ЖТФ, т.2, в.14, стр.664, 1976.

7. В.М.Жданов, А.И.Карчевский, Е.П.Потанин. О влиянии "ионного ветра" на разделительные свойства плазменной центрифуги со скрещенными полями. Письма ЖТФ,т.4; в.9, стр.508,1978.

8. В.Л.Грановский. Электрический ток в газе, стр.450, Наука, М. 1971

9. B.Lehnert. The partially ionized plasma centrifuge. Electron and Plasma Physics, 2, Stockholm, 1972.

10. H.Heller and M.Simon. Neon isotope separation in a rotating plasma. Physics latters, vol.50A, N2, p.139,1974.

11. G.Much, M.Simon. Measurements on rotating rare gas arcs. Proc. 13th Intern.Conf. on Phen.ionizedgases,p.695,1977.

12. Л.В.Лесков, В.Р.Михалев, С.Н.Огородников, В.Н, Степанов. Холловский плазменный сепаратор. Ш Всесоюзная конференция по плазменным ускорителям, стр.216, Минск, 1976.

13. D.B.Fradkin, A.W.Blackstock, D.J.Rochling, X.F.Stratton,M.Williams, K.W.Liewer. Experiments Using a 25 kw Hollow cathode Lithium Vapor MPD Arcjet. AIAA Journal, N5, p.886, 1970

14. E.J. Rochling, D.B. Fradkin. Apparatus and method magnetoplasma dynamic isotope Separation. United States Patent N3,b45,300.

15. Enrichment (Ed.S.Villani).Springer-Verlag. 64 ,1979,

16. H.Hathrath. Measurement on rotating uranium plasma. Proc. 13thJntern. Conf. on Phen.in ionized gases,p.697,1977.

17. A.H. Рожков, K.H. Степанов, В.А.Супруненко,В.И. Фареник, B.B. Власов. Резонансное возбуждение ионно-циклотронных колебаний во вращающейся плазме. Письма ЖЭТФ, т.10, стр.71, 1969.

18. М.В.Сосинатров, Ю.А.Кирочкин, А.А.Кожарин, Н.Г.Кривонос,А.Г.Покроев, A.M. Рожков. 0 возможности разделения ионных компонентов вращающейся плазмы в стационарных условиях. III Всесоюзная конференция по плазменным ускорителям, Стр.205, Минск, 1976.

19. J.M.Dawson, H.C.Kim.and al. Isotope separation in Plasmas by Use of Ion Cyclotron Resonance. Physical Review Letters, v.37, N 23, P. 1547, 1976.

20. А.И.Бабарицкий, А.А.Иванов, В.В.Шапкин. Плазменные центрифуги. Химия плазмы, в.4, стр.98, Атомиздат, М. ,1977.

21. А.И.Бабарицкий, А.А.Иванов, В.В.Северный, В.В.Шапкин. Пучково-плазменный разряд в скрещенных электрическом и магнитном полях. Доклады АН СССР, т.237, №1, стр.68, 1977.

22. П.М.Морозов, Б.Н.Махов, М.С. Иоффе. Атомная энергия, № И, стр,272, 1957.

23. W.L.Love, G.Park. An experiment on the MHD-Driven Rotating Flow for a Gas Core Nuclear Rocket. AIAA Journal,N 8, p.1377, 1970.

24. В.Г.Аверин, А.В.Белорусов, А.И.Карчевский, B.JI. Марцынкьян, И.А.Попов, Е.П.Потанин. Об увлечении нейтрального газа в плазме ВЧ разряда с вращающимся магнитным полем. ЖТФ, т.48,в.1, стр.66, 1978.

25. A.Alemang. Mise en rotation d'un fluide conducteur de l'electricite par un champ magnetigue tournant. C.R. Acad. Sc. Paris, t.276, serie A, 649.

26. Е.О.Горбунова, А.Н.Езубченко, А.И.Карчевский, Ю.А.Муромкин, А.П.Бабичев. Разделение изотопов инертных газов в стационарном высокочастотном разряде с бегущим магнитным полем. ЖТФ, т. 49, вю9, стр. 1872, 1979.

27. Von H.D.Beckey, W-.E.Groth und K.H.Welge. Anreicherung isotoper Moleküle in der Gleiclistrom-Glimmentladung II Der Vervielfachungsprozes. Anreicherung von schwerem Wasserstoff. Z.Katurforschg, Sa.556, N 6, 1953.

28. Y.Matsumura and T.Abe . Neon-Isotope separation by Cataphoresis in a DC Gas Discharge. Japanese Journal of Applied Physics, v.19, № 8, p.1457,1980.

29. A.B. Белорусов, А.И. Карчевский, Ю.А. Муромкин, Е.П. Потанин, A.JI. Устинов, А.П. Бабичев. Экспериментальное исследование разделения газовых смесей и изотопов ксенона в импульсной плазменной центрифуге, Физика плазмы, 5, в.6, стр. 1239, 1979.

30. Н.Б. Варгафтик. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей, стр.87, "Наука", М., 1972.

31. A.B. Белорусов, А.И. Карчевский. Быстродействующий поворотный кран. ПТЭ, № 2, стр.213, 1977.

32. Р. Хадцлстоун и С.Леонард. Диагностика плазмы, стр.254, Мир, М. ,1967

33. L. Dauielsson. Review of the critical velocity of gas-plasma interaction. Astrophysics and Space Science, 24, 459, 1973.

34. J. Sherman. Review of the critical velocity of gas-plasma interaction. Astrophysics and Space Science, 24,487, 1973.

35. P. Allrio, O. Jarett Jr., R.V.Hess. Ouset of rotating Disturbance in the Jnterelectrode Region and Exhaust Jet of an MPD Arc. AIAA Journal, №5, 902,1970.

36. H.A. Cochran, J.A. Fay. Oceurance and Behavior of Current spokes in MPD Arcs, AIAA Journal, N5, P. 886, 1971.

37. Э.Н. Дробышевский, С.И. Розов и A.M. Студенков. Исследование азимутальной неоднородности плазмы в гомополярнике. ЖТФ, 37, в.5, 979, 1967.

38. Н. Alfven. On the origine of the solar System, Oxford, 1954.

39. G.Himmel, B.Mobias and A.Piel. Jnvestigation of the Structure and the Plasma Parameters in Critical Velocity. Rotating Plasma. 31a, 934,1976.

40. G.Himmel, E.Mobias and A.Piel. Jnvestigation of Particle Velocities in a "Critical Velocity" Rotating Plasma. Z.Naturforch, 32a, 577, 1977.

41. Э.М.Дробышевский и И.Б. Чекмарев. Положительный столб в обращенном гомополярнике: ЖТФ, т.35, в.9,1558,1965.

42. P.M.Sockol. Analysis of a rotating Plasma Experiment. The physics of fluids, vol.11, №3,637, 1968.

43. C.M.* Брагинский. В сб.: Вопросы теории плазмы, вып.1, Госатомиздат, 1963.

44. Дж. Саттон, А. Шерман. Основы технической магнитной газодинамики. Мир, М., 1968.

45. Б.М. Смирнов. Ассимптотические методы в теории атомных столкновений. Атомиздат,М., 1973.

46. К.В. Донской, Э.М. Дробышевский и Е.В. Назаров. Влияние ионного ветра на вращение плазмы в скрещенных полях. ЖТФ, т.ЗЗ, в. 11, 1328, 1963.

47. А.В. Елецкий, JI.A. Палкина, Б.М. Смирнов. Явления переноса в слабоионизованной плазме, стр.156, Атомиздат, М. ,1975.

48. Л.П.Горбачев, H.B. Никитин, А.Л. Устинов. О МГД-вращении электропроводной жиддкости в цилиндрическом сосуде конечных размеров. Магнитная гидродинамика. 4, 32, 1974.

49. Г.В. Гордеев и А.И.Губанов. К вопросу ускорения плазмы в магнитном поле. ЖТФ, т.28, в.9,стр. 2046, 1958.

50. B.W. James and S.W. Simpson. The viscous dynamics of a rotating plasma. Plasma Physics, v.20, p.759, 1978.

51. С. Чепмен и Т. Каулинг. Математическая теория неоднородных газов, стр.204. Изд.ИЛ, М., I960.

52. Под редакцией акад. И.К. Кикоина. Справочник. Таблицы физических величин. Атомиздат, М., 1976.

53. A.B. Белорусов, Е.Ф. Горбунова, А.И. Карчевский, Ю.А. Муромкин, А.Л. Устинов. Разделение изотопов гелия и неона во вращающейся водородной плазме. Письма ЖТФ, т.6, в.6,358,1980.

54. В.М. Жданов, А.И. Карчевский, Е.П. Потанин, А.Л.Устинов. Влияние ионного ветра на разделение в плазменной центрифуге со скрещенными полями. ЖТФ, т.49, в.9, 1879, 1979.

55. В.М.Жданов, Ю.М.Каган, А.А.Сазыкин. Влияние вязкого переноса импульса на диффузию в газовой смеси. ЖЭТФ, т.42, в.З, 857, 1962.

56. А.Н. Розен. Теория разделения изотопов в колоннах, стр. 164, Атомшиздат, М., I960.

57. К. Джонс и В. Ферри. Разделение изотопов методом термодиффузии. Атомиздат, М., 1947.

58. К.Э. Грю и Т.Л. Иббс. Термическая диффузия в газах, стр. 167, Атомиздат, М., 1956.

59. Е.П. Потанин, А.И. Карчевский, А.Л. Устинов. К вопросу об умножения первичного эффекта в плазменной центрифуге со скрещенными Е,В полями. ЖТФ, т. 48, в. 3, 472, 1978.

60. А.И. Карчевский, Е.П. Потанин, А.А. Сазыкин. Процесс установления осевой разности концентраций в импульсной плазменной центрифуге с циркуляцией. Физика плазмы, т.5, в.6, 1973.

61. А.В. Белорусов, А.И. Карчевский, Е.П. Потанин, А.Я. Устинов. Влияние электромагнитной циркуляции на объемное распределение компонент газовой смеси в импульсной плазменной центрифуге. ЖТФ, т.50, в.5, 931, 1980.

62. Устинов * A.JI.// Исследование процессов разделения 'изотопных смесей во вращающейся водородной плазме. // Кандидатская, диссертация. № 70/40'дсп, 1981г.

63. А.И. Карчевский, Е.П. Потанин, А.А. Сазыкин, А.Л". Устинов//Разделение изотопных смесей во вращающейся плазме.Физика плазмы, том8, вып.2, стр.306-311,1982г.

64. А.И. Карчевский, А.Л. Устинов// О времени! установления радиального градиента концентрации в плазменной центрифуге //ЖТФ,- том 52, вып.2, стр.287-290, 1982г.

65. Потанин Е.П., А.Л. Устинов//Гидродинамические и разделительные характеристики плазменной центрифуги.Физика плазмы, том 10, вып.5, стр. 1040-1043, 1984г.

66. А.В. Belorusov, E.F. Gorbunova, A.I. Karchevski, Yu.A. Muromkin, A.I. Myachikov, A.L. Ustinov//The separation of xenon isotopes in a steady-state rotating arc.XVII ICPIG, Budapest, Contributed Papers, V.2, p. 765-767, 1985

67. А.В. Белорусов, Е.Ф. Горбунова, А.И. Карчевский, Ю.А. Муромкин, А.И. Мячиков, А.Л. Устинов//Разделение изотопов ксенона в стационарном разряде со скрещенными Е и Н полями.ЖТФ, том 55, вып.5, стр. 919-921,1985г.

68. Yu.A. Muromkin, A.I. Myachikov, A.L. Ustinov, A.V. Chepkasov/ZExperimental investigation of hydrodynamic characteristics of the powerful discharge in crossed ExB fields.XIX ICPIG, Belgrade, Contributed Papers, V.l, p. 246-247, 1989

69. А.Л. Устинов// Плазменная центрифуга// Итоги науки и техники. Серия физика плазмы, т. 12, стр.42-82, 1991г.

70. Разработка метода ионно циклотронного резонанса для разделения изотопов.