Синтез и свойства урансодержащих жидких сред для лазеров с ядерной накачкой Тихонов, Геннадий Викторович

Введение к работе

Актуальность темы. Для освоения и промышленного применения новейших технологий необходимы достаточно мощные и высокоэнергетичные дешёвые автономные источники лазерного излучения. Такими источниками могут стать ЛЯН и ОКУЯН, в которых энергия деления атомных ядер прямо преобразуется в энергию лазерного излучения. Более того, преобразование ядерной энергии в оптическое излучение до момента ее релаксации в тепло и выведение излучения из активной зоны реактора для дальнейшего использования открывает возможность качественно новой энергетики.

Лазерный термоядерный синтез представляется важным промышленным приложением реакторно-лазерных систем. Для получения высокотемпературной плазмы требуется получить короткие, < 10" с, импульсы с энергией выходного излучения > 1 МДж, что может быть реализовано в режиме «задающий генератор - двухпроходовый усилитель с обращением волнового фронта». Задающим генератором служит сравнительно маломощный лазер, на котором легко получить необходимые параметры лазерного пучка. Лазерный усилитель позволяет достичь требуемой энергии импульса без ухудшения параметров сформированного лазерного пучка. Под действием нейтронов импульсного ядерного реактора в лазерной среде ОКУЯН происходит деление ядер урана. Осколки деления возбуждают среду и, тем самым, создают необходимую инверсную населённость активных частиц для усиления слабого лазерного излучения задающего генератора.

Развитие ядерно-лазерной энергетики сдерживается отсутствием высокоэффективной лазерной среды. Эффект лазерной генерации экспериментально получен при гетерогенной накачке более 30 различных газовых сред осколками деления в нейтронных полях импульсных ядерных реакторов, показана принципиальная возможность преобразования энергии цепной реакции деления в лазерное излучение. Однако газовые среды имеют низкую эффективность накачки, которая осуществляется, главным образом, от U, нанесенного в виде тонкого, 1-3 мкм, слоя на внутреннюю поверхность лазерной кюветы, и небольшую удельную мощность лазерного излучения.

В случае реализации гомогенной накачки урансодержащих лазерных жидкостей эффективность преобразования кинетической энергии осколков деления в энергию возбужденных активных ионов ожидается на порядок больше в сравнении с газовыми средами, а большая плотность активатора даст возможность получать более высокий энергосъем лазерного излучения. В сравнении с твердотельными лазерными материалами в жидкостях отсутствуют напряжения, приводящие к внутренним разрушениям, что позволяет создавать элементы большого объема, а прямая ядерная накачка благодаря высокой проникающей способности нейтронов устраняет основное ограничение на использование больших объемов активной среды, которое существует при оптической накачке. В урансодержащей жидкой лазерной среде возможно осуществление режима принудительной циркуляции с теплообменом, фильтрацией или регенерацией активной среды вне рабочего элемента, что важно для мощных и импульсных лазерных систем с ядерной накачкой.

Несмотря на эти преимущества, к началу наших исследований жидкофазные материалы для преобразования энергии деления атомных ядер в лазерное излучение отсутствовали. Это объясняется жесткими требованиями, которые предъявляются к жидким лазерным средам для прямой ядерной накачки, а также к условиям их приготовления и эксплуатации. Соответственно практически не существовало ни экспериментальных данных, ни теоретических представлений о процессе возбуждения активатора при ядерной накачке жидкостей.

Таким образом, потребность в создании высокоэффективной жидкой активной среды для лазерных систем с прямой ядерной накачкой послужила стимулом для исследований, представленных в данной работе.

Наиболее реальным и быстрым путем создания лазерно-активной жидкофазной среды для исследования прямого преобразования энергии деления

атомных ядер в лазерное излучение представлялось введение U в известные лазерные жидкости. Мощные лазерные системы с оптической накачкой были созданы при использовании бинарных апротонных растворителей оксихлорид фосфора-кислота Льюиса РОСЬ-МС1_х, активированных ионами Nd , которые обладают широкими полосами поглощения. Наилучшие характеристики имели активные среды POCb-ZrCLpNd , созданные зарубежом, и POCb-SnCLpNd , разработанные в нашей стране. К достоинствам НЛЖ и лазерных систем на их

9П 91 "3 "3+

основе относятся: большая (10 -10^Z1 cm"^j) концентрация Nd , большое (до 400 мкс) время жизни верхнего лазерного уровня Nd , высокий квантовый выход люминесценции, узкий спектр генерации, который слабо зависит от интенсивности накачки, большая (3.5-6 Дж/см ) объёмная плотность энергии генерации при низкой пороговой плотности импульсной накачки длительностью 150 мкс оптическим излучением газоразрядных ламп, большая (3.3 ГВт/см ) поверхностная плотность мощности в лазерном усилителе, высокая фотохимическая стойкость. Кроме того, при четырёхуровневой схеме лазерной генерации Nd значительно легче достигается порог генерации, и существенно снижаются требования к источнику накачки. Всё это делает привлекательным осуществление ядерной накачки НЛЖ.

Цель работы состояла в создании урансодержащих жидких лазерных материалов на основе оксихлорида фосфора для исследования преобразования энергии деления атомных ядер в оптическое и лазерное излучение в жидких средах.

Для достижения цели требовалось решить следующие основные задачи:

1. Разработать способы введения U в НЛЖ на основе оксихлорида фосфора.

2. Разработать жидкий лазерно-активный материал POCI3-S11CI4- UO2 -Nd для исследования процессов, которые протекают при прямой ядерной накачке жидких лазерных сред.

3. Разработать методики синтеза и приготовить растворы оксихлорид

~>\ 9"^S 9+

фосфора-кислота Льюиса (МС1Д активированные Nd и UO2 .

4. Получить экспериментальные данные о свойствах новых жидкостей.

5. Исследовать процессы, которые протекают в урансодержащих растворах оксихлорида фосфора, в том числе под действием ионизирующего излучения.

6. Выявить закономерности изменения свойств растворов оксихлорид

~>\ 9"^S 9+

фосфора-кислота Льюиса, активированных Nd^JT и ^ZJJU0₂^Z .

7. На основании полученных данных разработать способы синтеза и приготовить образцы жидких лазерных материалов, которые отвечают требованиям, предъявляемым к активным средам ЛЯН и ОКУ ЯН.

Настоящая работа является частью исследований по созданию основ ядерно-лазерной энергетики, проводимых в ГНЦ РФ - ФЭИ по темам, в частности, «Фундаментальные исследования процессов ядерно-оптического преобразования энергии в конденсированных и газово-лазерных средах, № 16.05.811, УАЭ Росатом»; «Научно-организационное, методическое и техническое обеспечение организации и поддержки научно-образовательных центров в области атомной энергетики и осуществление на основе комплексного использования материально-технических и кадровых возможностей совместных исследований и разработок, №02.438.11.7026, Роснаука»; Договоров между ОАО «ВНИИНМ им. А.А. Бочвара» и ФГУП «ГНЦ РФ - ФЭИ» в рамках ФЦП «Разработка ядерных технологий нового поколения», а также при поддержке РФФИ и Правительства Калужской области (проекты № 97-02-17553-а, 01-02-16551-а, 06-03-96323-р_центр_а, 07-03-96412-р_центр_а, 07-02-96421-р_центр_а, 09-02-97533-р_центр_а, 09-03-97564-р_центр_а).

Научная новизна. В настоящей работе впервые:

- разработаны методики синтеза и приготовлены урансодержащие и
лазерно-активные жидкости на основе РОС1з-МС1_х (где М: Sn, Ті, Si, Zr, Sb, В,

oi 9"5S 94-

Al и Bi), активированные Nd и UO2 , получены экспериментальные данные о свойствах этих жидкостей;

установлено, что UO2 в растворах на основе РОС1з-МС1_х образует два основных типа комплексных соединений с разным координационным окружением;

изучена кинетика образования гетерокомплексов, в которых происходит

9-і- Ф ^-1- *? і

перенос энергии (UO2 ) —> Nd и сенсибилизированная люминесценция Nd

9"^S 9+ "З 4-

при оптическом возбуждении растворов POCI3-S11CI4- UO2 -Nd и POCl₃-SbCl₅-²³⁵U0₂²⁺-Nd³⁺;

- показано влияние протонсодержащих микропримесей на свойства
урансодержащих растворов на основе РОС1з-МС1_х;

9+

- обнаружено необратимое восстановление UO2 , получены
экспериментальные данные по кинетике накопления U(IV) в растворах на
основе POCl₃-SnCl₄ и POCl₃-SbCl₅;

показано, что образование U(IV) является основной причиной увеличения поглощения на длине волны лазерной генерации Nd в лазерных жидкостях POCl₃-SnCl₄-²³⁵U0₂²⁺-Nd³⁺ и POCl₃-SbCl₅-²³⁵U0₂²⁺-Nd³⁺;

установлены закономерности изменения радиационно-химического выхода Nd в возбужденном состоянии ^з/2 при гомогенном возбуждении растворов РОС1з-МС1_х а-излучением урана;

экспериментально изучено и обосновано влияние вида кислоты Льюиса на свойства урансодержащих растворов оксихлорида фосфора;

разработан жидкий лазерный материал РОСІз-ВСІз-Nd с уникально

1Q 9

большим сечением вынужденного излучения с = (1.5+0.2)-10^- см ;

разработаны способы приготовления высокоэффективных урансодержащих лазерных жидких материалов на основе оксихлорида фосфора;

созданы лазерные жидкофазные материалы POCI3-S11CI4- UO2 -Nd и POCl3-SbCl₅-²³⁵U0₂²⁺-Nd³⁺; POCl₃-SbCl₅-Nd³⁺ и POCl₃-BCl₃-Nd³⁺, на которых получена генерация стимулированного излучения Nd при оптической накачке;

показана возможность использования лазерных жидкостей POCl3-SnCl₄-²³⁵U0₂²⁺-Nd³⁺, POCl₃-SbCl₅-²³⁵U0₂²⁺-Nd³⁺ и POCl₃-¹⁰BCl₃-Nd³⁺ для получения лазерной генерации при облучении на импульсном реакторе;

обоснованы пути увеличения эффективности преобразования кинетической энергии тяжелых заряженных частиц в оптическое излучение Nd в урансодержащих жидких лазерных средах.

Практическая значимость полученных результатов.

Разработаны новые лазерные материалы РОСІз-SnCLt- ^JJU0₂^Z-Nd^JT, POCl₃-SbCl₅-²³⁵U0₂²⁺-Nd³⁺ и POCl₃-¹⁰BCl₃-Nd³⁺, необходимые для исследования преобразования энергии деления атомных ядер в оптическое и лазерное излучение и для получения лазерной генерации при прямой ядерной накачке жидкой среды.

Показано, что лазеры с оптической накачкой активной среды на основе оксихлорида фосфора стабильно работают в условиях мощного импульсного реакторного облучения и повышенной радиации.

Жидкофазные лазерные материалы POCb-SnCLpNd ; РОСІз-SbCls-Nd и РОСІз-ВСІз-Nd перспективны в качестве активных сред лазерных систем с

Разработан новый лазерный материал РОСІз-ВСІз-Nd , перспективный для

ядерно-оптической накачкой. Разработан новый лазері использования в квантовой электронике

На основании полученных результатов становится возможным направленный синтез высокоэффективных лазерных жидких сред на основе оксихлорида фосфора с заданными характеристиками как для ядерной, так и для традиционных способов накачки.

Результаты исследования процесса восстановления U(VI) в растворах оксихлорида фосфора могут быть использованы для сравнительного анализа поведения U0₂ в водных и апротонных жидких средах.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Экспериментальные данные по растворимости соединений неодима и U(VI) в бинарных апротонных растворителях РОС1₃-МС1_х.

2. Спектрально-люминесцентные свойства и зависимости этих свойств от условий синтеза и компонентного состава растворов на основе РОС1₃-МС1_х.

3. Экспериментальные зависимости образования гетерокомплексов, в которых происходит перенос энергии (U0₂ ) —> Nd и сенсибилизированная люминесценция Nd при оптическом возбуждении растворов POCl₃-SnCl₄-²³⁵U0₂²⁺-Nd³⁺ и POCl₃-SbCl₅-²³⁵U0₂²⁺-Nd³⁺.

4. Результаты изучения кинетики накопления U(IV) и механизма восстановления U(VI) в растворах POCI3-S11CI4- U0₂ , POCl₃-SnCl₄-²³⁵U0₂²⁺-Nd³⁺ и POCl₃-SbCl₅-²³⁵U0₂²⁺-Nd³⁺.

5. Закономерности изменения радиационно-химического выхода Nd в возбужденном состоянии F3/2 при гомогенном возбуждении растворов РОС1₃-МС1_х а-излучением урана.

6. Результаты экспериментального изучения и теоретического обоснования влияния индивидуальных характеристик центрального атома кислоты Льюиса на физико-химические, спектрально-люминесцентные и лазерные свойства

oi 9"3S 94-

растворов РОС1₃-МС1_х, активированных Nd и U0₂ .

7. Способы синтеза жидких сред на основе бинарных растворителей

oi 9"3S 9+

РОС1₃-МС1_х, активированных Nd и U0₂ , которые соответствуют классу лазерных материалов.

8. Новые радиационностойкие жидкофазные материалы POCl₃-SnCl₄-²³⁵U0₂²⁺-Nd³⁺, POCl₃-SbCl₅-²³⁵U0₂²⁺-Nd³⁺; POCl₃-SbCl₅-Nd³⁺ и POCl₃-BCl₃-Nd для лазерной техники.

9. Лазерные материалы POCl₃-SnCl₄-²³⁵U0₂²⁺-Nd³⁺, POCl₃-SbCl₅-²³⁵U0₂²⁺-Nd³⁺ и POCl₃-¹⁰BCl₃-Nd³⁺ как жидкие активные среды ЛЯН и ОКУЯН.

9 Личный вклад автора заключается в постановке задач и выборе путей их решения; в формировании направления исследований; в постановке и осуществлении всех методик и способов синтеза; в разработке всех экспериментальных установок для синтеза; в приготовлении образцов исследуемых жидких сред; в непосредственном получении большинства экспериментальных данных о физико-химических и спектрально-люминесцентных свойствах исследуемых систем; в анализе, интерпретации и обобщении результатов представленной работы.

Апробация результатов. Основные результаты работы докладывались на:
I-IV международных конференциях «Физика ядерно-возбуждаемой плазмы и
лазеры с ядерной накачкой» (Обнинск, 1992; Арзамас-16, 1994; Снежинск, 2002
и Обнинск, 2007); XXI и XXII съездах по спектроскопии (Звенигород, 1995 и
2001); на VII, XI, XIII, XIV, XVI-XXI Всероссийских симпозиумах
«Современная химическая физика» (Туапсе, 1995, 1999, 2001, 2002, 2004-2009);
на XVI, XVII и XVIII Менделеевских съездах по химии (Санкт-Петербург, 1998;
Казань, 2003 и Москва, 2007), на 9-ой международной конференции по
нетрадиционным энергетическим системам ICENES'98 (Tel-Aviv, Israel, 1998);
европейской конференции по применению ускорителей в научных
исследованиях ECAART-6 (Dresden, Germany, 1999); 1-ой международной
конференции по инерциальному термоядерному синтезу IFSA99
(Bordeaux, France, 1999); 5-ой международной конференции по возбужденным
состояниям переходных элементов ESTE01 (Wroclaw, Poland, 2001); I, II и IV
Всероссийских конференциях по химии высоких энергий (Москва, 2001; 2004 и
2009); 1-ой международной конференции по применению лазеров в
исследованиях LAP'02 (Leuven, Belgium, 2002); IV-VII Российских

конференциях по радиохимии (Озёрск, 2003; Дубна, 2006; Москва, 2007 и 2009).

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 66 публикациях в виде 26 статей в журналах (22 - рекомендованных ВАК, 4 - зарубежных), 2 патентов на изобретение, а также статей в сборниках, докладов на конференциях, обзора и препринтов ГНЦ РФ-ФЭИ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения, содержит 202 страницы, 110 рисунков, 34 таблицы и список литературы из 232 наименований.

Похожие диссертации на Синтез и свойства урансодержащих жидких сред для лазеров с ядерной накачкой

Синтез, строение и свойства соединений трех-, четырех- и шестивалентных f-элементов с некоторыми органическими молекулярными лигандами и насыщенными гетерополианионамиШирокова Ирина Борисовна

Синтез, изучение строения и свойств новых безводных ортофосфатов III- и IV-валентных актиноидов, циркония и их аналоговЛизин Андрей Анатольевич

Экстракция актинидов и лантанидов N-фосфорилмочевинами: стратегия поиска, синтез, общие закономерности и свойстваЛетюшов Александр Александрович

Синтез производных циклических дитиокарбаматов и изотиомочевин и исследование их свойств методом радионуклидной диагностикиТрофимова Татьяна Петровна

Новые нитратные комплексы металлов: синтез, кристаллическое строение и свойства в газовой средеЗнаменков Константин Олегович

Гидрохимический синтез, состав, структура, функциональные свойства пленок PbS, Cu2S, PbSe, Te для контроля водных средЗарубин Иван Владимирович

Формирование и свойства системы "наночастицы катализатора-углеводородная среда" для гидроконверсии высокомолекулярных компонентов нефтейКадиева, Малкан Хусаиновна

N-(2-карбоксиэтил)хитозан: синтез, свойства, применениеПестов Александр Викторович

Азотсодержащие гетероциклические системы, включающие фрагменты пространственно-затрудненного фенола и гетерильные заместители. Синтез, свойства, применение Силин Михаил Александрович

Синтез, свойства и применение оксиалкилнафтенатов на основе синтетических нафтеновых кислот и окисей олефиновИбрагимов, Сахил Иса оглы