Способ разделения изотопов

 

Изобретение относится к физике плазмы , а именно к методам разделения изотопов в плазме. Сущность изобретения: ионизируют поток вещества, состоящий из смеси различных изотопов. Затем в области однородного магнитного поля с помощью явления ионного циклотронного резонанса селективно нагревают ионы выделяемого изотопа, пространственное разделение ионов осуществляется за счет дрейфа в магИзобретение относится к физике плазмы , а именно к методам разделения изотопов , которые используются, например, в медицине, биологии, физических исследованиях . Известен способ разделения изотопов в газовых колоннах. Этот способ не позволяет разделять изотопы веществ, не образующих устойчивых газообразных соединений . Известен также способ разделения изотопов в плазме в магнитном поле при помощи селективного нагрева ионов одного из нитном поле с изогнутыми силовыми линиями . Поскольку скорость дрейфа пропорциональна энергии заряженных частиц, то основная плазма практически не смещается поперек силовых линий магнитного поля , в то время как нагретые ионы выделяемого изотопа выходят из потока плазмы. Для нейтрализации заряда этих ионов устанавливают эмигрирующие электроды , расположенные таким образом, чтобы силовые линии магнитного поля, на которых выделяется положительный заряд, пересекали поверхность электродов. Ионы выделяемого изотопа, двигаясь под углом к силовым линиям магнитного поля, попадают на собирающие пластины. На эти же пластины попадают нейтральные атомы всех изотопов, образующиеся в основной плазме в результате рекомбинации. Оценки показывают , что с учетом этого фактора коэффициент обогащения изотопа оказывается равным примерно 104. Это значение более с чем в 102 раз превышает коэффициент обогащения , полученный в прототипе. 1 ил. изотопов высокочастотным полем с частотой , равной ионной циклотронной. В этом способе плазма создается в магнитном поле , затем на его однородном участке на плазму воздействуют электромагнитным полем с частотой, равной ионной циклотронной частоте выделяемого изотопа, что приводит к увеличению энергии ионов ионного изотопа, в то время как ионы1 остальных изотопов остаются в прежнем состоянии. Разделение изотопов осуществляется с помощью собирающих пластин, на которые подается положительный потенциал такой Ј и Ю О о о

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (39) (1() (s()s Н 01 J 49/26

В.,| 99 2

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4770389/21 (22) 28.12.89 (46) 23.06.92. Бюл. М 23 (71) Институт атомной энергии им. И.В. Курчатова (72) М.И, Белавин, А.В. Звонков и А.В, Тимофеев (53) 621.384(088.8) (56) Розен А.М. Теория разделения изотопов в колоннах, 1960, М.: ИИЛ, Dawson J.M., Kim H.C„Arnush О., et, а!.

Phys, Rev. 1 еК 1976, v. 37, р, 1547. (54) СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ ИЗОТОПОВ (57) Изобретение относится к физике плазмы, а именно к методам разделения изотопов в плазме. Сущность изобретения: ионизируют поток вещества, состоящий из смеси различных изотопов. Затем s области однородного магнитного поля с помощью явления ионного циклотронного резонанса .селективно нагревают ионы выделяемого изотопа. пространственное разделение ионов осуществляется за счет дрейфа в магИзобретение относится к физике плазмы, а именно к методам разделения изото-. пов, которые используются, например, в медицине, биологии, физических исследованиях.

Известен способ разделения изотопов в газовых колоннах. Зтот способ не позволяет разделять изотопы веществ, не образующих устойчивых газообразных соединений.

Известен также способ разделения изотопов в плазме в магнитном поле при помощи селективного нагрева ионов одного из нитном поле с изогнутыми силовыми линиями. Поскольку скорость дрейфа пропорциональна энергии заряженных частиц, то основная плазма практически не смещается поперек силовых линий магнитного поля, в то время как нагретые ионы выделяемого изотопа выходят из потока плазмы. Для нейтрализации заряда этих ионов устанавливают эмиттирующие электроды, расположенные таким образом, чтобы силовые линии магнитного поля, на которых выделяется положительный заряд, пересекали поверхность электродов. Ионы выделяемого изотопа, двигаясь под углом к силовым линиям магнитного поля, попадают на собирающие пластины. На эти же пластины попадают нейтральные атомы всех изотопов, образующиеся в основной плазме в результате рекомбинации. Оценки показывают, что с учетом этого фактора коэффициент обогащения изотопа оказывается равным примерно 10, Зто значение более чем в 10 раз превышает коэффициент обогащения, полученный в прототипе. 1 ил. изотопов высокочастотным полем с частотой, равной ионной циклотронной. В этом способе плазма создается в магнитном поле. затем на его однородном участке на плазму воздействуют электромагнитным полем с частотой, равной ионной циклотронной частоте выделяемого изотопа, что приводит к увеличению энергии. ионов ионного изотопа, в то время как ионй остальных изотопов остаются в прежнем состоянии.

Разделение изотопов осуществляется с помощью собирающих пластин, на которые подается положительный потенциал такой

1742900 величины, чтобы электростатический барьер мог преодолеть только высокоэнергетические ионы выделяемого изотопа. Только эти ионы и будут осаждаться на пластинах. 5

Однако указанный способ также имеет недостатки: во-первых, приемная пластина при таком потенциале собирает большой ток электронов, что приводит к ее разогреву и, следовательно, к распылению собранно- 10

ro изотопа, во-вторых, на пластины попадают нейтральные атомы всех изотопов, образующиеся при рекомбинации.

Цель изобретения — увеличение коэффициента обогащения изотопа. 15

Поставленная цель достигается тем, что в способе разделения изотопов в плазме, включающем ионизацию потока вещества, селективный нагрев ионов одного из изотопов электромагнитным полем с частотой, 20 равной его ионной циклотронной частоте, пространственную сепарацию ионов изотопов и их сбор, сепарацию изотопов осуществляют, пропуская поток плазмы вдоль силовых линий неоднородного магнитного 25 поля, параметры которого подобраны таким образом, чтобы дрейфовое смещение ионов выделяемого изотопа ЧдрОМ11, где 1 — длина области неоднородного магнитного поля; Ч11 — скорость движения ионов вдоль 30 магнитного поля; Чдр = e/eBR — скорость дрейфа ионов выделяемого изотопа поперек силовых линий магнитного поля, e— энергия циклотронного вращения ионов выделяемого изотопа; е —;  — 35 индукция магнитного поля; R — радиус кривизны силовых линий магнитного поля, превышало поперечный размер потока плазмы — а.

На чертеже изображено устройство, ре- 40 ализующее предлагаемый способ разделе, ния изотопов, Поток вещества 1, состоящий из смеси различных изотопов, ионизуется, а затем пропускается через область длиной L1 с вы- 45 сокочастотным электромагнитным полем 2.

Частота этого поля подбирается равной циклотронной частоте ионов выделяемого изотопа. В результате резонансного взаимодействия с электромагнитным полем 50 ионы выделяемого изотопа увеличивают энергию циклотронного вращения. Затем поток плазмы направляется вдоль магнитного поля на участке его неоднородности 3.

В таком поле заряженные частицы смеща- 55 ются (дрейфуют) в направлении поперек силовых линий магнитного поля со скоростью, пропорциональной энергии, Чдр - я/еВР, где R — радиус кривизны силовых линий магнитного поля; я — энергия поперечного по отношению к направлению магнитного поля движения иона; е — заряд электрона.

При выполнении условия Чдр /V>1 > à (L— длина области неоднородного магнитного поля; а —; V<< — скорость продольного движения ионов) селективно нагретые ионы выходят из области, занятой плазмой, ионная компонента которой состоит из холодных невыделяемых ионов других изотопов, идущих в отвал.

Ввиду низкой энергии ионов этих изотопов и электронов их дрейфовое смещение за время прохождения участка неоднородного магнитного поля мало по сравнению с а, Пространственное разделение ионов раз- ных изотопов позволяет провести их рекомбинацию в достаточно удаленных частях установки с тем, чтобы уменьшить возможность перепыления материала одного изотопа на место сбора другого. Из-за различия дрейфовых смещений ионов и электронов разделение изотопов сопровождается разделением зарядов, так что область, занятая ионами выделяемого изотопа, заряжается положительно, а остальная плазма отрицательно. При этом возникает электрическое поле, перпендикулярное магнитному.

Дрейф заряженных частиц в скрещенных электрическом и магнитном полях приводит к их выбросу на стенки вакуумной камеры, поэтому для нейтрализации положительного заряда устанавливают эмиттирующие электроды 4, расположенные таким образом, чтобы силовые линий магнитного поля, на которых выделяется положительный заряд, пересекали поверхность электродов.

Электроны,.эмиттируемые с этих электродов, компенсируют положительный заряд.

Избыточный. отрицательный заряд плазмы стекают на соответствующие приемные пластины 5, 6.

Предлагаемый. способ разделения осуществляется следующим образом

Сначала производится ионизация вещества, состоящего из смеси различных изотопов, Например, атомы щелочных металлов ионизуют на накаленной поверхности тугоплавкого металла. При этом образуется сильноионизованная плазма с плотностью и до 10 м, состоящая иэ однократно ионизованных атомов и электронов, причем температуры ионов и электронов будут порядка температуры поверхности-5 10 К. Например, для вещества с атомной массой 40 скорость теплового движения будет примерно

0,6 10 м/с. С этой скоростью плазма растекается вдоль силовых линий магнитного поля. При движении плазмы через область

1742900

Составитель M. Белавин

Техред М.Моргентал Корректор О. Ципле

Редактор Т. Шагова

Заказ 2290 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям.и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 длиной 0,1 м с высокочастотным полем напряженностью до 5 10э В/м энергия циклотронного вращения возрастает в 5 10 раэ.

Для того, чтобы осуществился нагрев только выделяемых ионов, при разности атомных 5 масс изотопов. 1 ширина линии циклотронного резонанса должна быть достаточно мала Ьа/со < 10 2. Это требование определяет напряженность магнитного поля, которая должна быть не меньше 0,25Т, и частоту 10

ВЧ-поля 10 кГц. В области неоднородного магнитного поля с радиусом кривизны силовых линий R = 1 м нагретые ионы выделяемого изотопа дрейфуют в направлении поперек силовых линий магнитного поля 15 со скоростью Чдр = 0,35 10 м/с. Эти ионы з выходят из потока плазмы с поперечным размером а = 0,2 м, если длина области неоднородного поля L превышает аЧ11/Чдр =

=0,35 м. При выбранных параметрах хо- 20 лодные ионы эа время пролета системы не успеют существенно нагреться от горячих, поэтому разделение изотопов будет достаточно полным. При содержании выделяемого изотопа в исходной смеси 1.0 25 производительность установки оказывается порядка 10 4 кг/сут. Плотность электронного тока, эмиттируемого для нейтрализации положительного заряда выделяемого изотопа, невелика и равна 10 А/м . На пластины, 30 собирающие выделяемый изотоп, также по-. ступают нейтральные атомы остальных изотопов, образующиеся .в плазме в результате рекомбинации. При температуре 5 10 К коэффициент рекомбинации а= 10 /п м /с. 35 . Полный поток нейтральных атомов из плазмы, равный an (L + L)na /4, составляет примерно 1 от потока ионов выделяемого изотопа. Считая, что значительная часть потока нейтральных атомов (порядка едини-. цы) попадает на приемные пластины, и учитывая, что в начальном состоянии концентрация выделяемого изотопа равнялась

1;, для коэффициента обогащения получа= 104

Предлагаемый способ позволяет повысить коэффициент обогащения по сравнению с прототипом более чем в 102 раэ.

Формула изобретения

Способ разделения изотопов, включающий иониэацию потока вещества, селективный нагрев ионов одного из изотопов воздействием электромагнитного поля с частотой, равной его ионной циклотронной частоте, пространственную сепара-цию ионов изотопов и их сбор, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения коэффициента обогащения, сепарацию изотопов осуществляют, пропуская поток плазмы через неоднородное. магнитное поле вдоль его силовых линий, параметры которого удовлетворяют условию Чдр ./Ч11 > а, где L — длина области неоднородного магнитного поля (м); а -диаметр потока плазмы (м); Чц — скорость движения ионов вдоль магнитного поля, м/с; Чля = с е/eBR — скорость дрейфа ионов выделяемого изотопа поперек силовых линий магнитного поля, м/с; с — скорость света; я — энергия циклотронного вращения ионов выделяемого изотопа, е — заряд иона;  — напряженность магнитного поля; R — радиус кривизны силовых линий неоднородного магнитного поля (м),