Введение к работе
Актуальность темы
Разделение стабильных изотопов - необходимая область со-юменного промышленного производства, обслуживающая меди-дну, сельское хозяйство, науку, атомную энергетику. Без ряда ста-шьных изотопов невозможны проведение крупных ядерно-изических исследований в области фундаментальной физики, раз-ггие ядерной энергетики, повышение ее эффективности и без-тасности.
Существующие промышленные методы разделения изотопов ;рвоначально были нацелены главным образом на получение изо-іпов урана [1]. В этом случае использовались методы, основанные і газовой диффузии и центрифугировании. Однако существенным эментом в данном случае являлось то, что имелась возможность элучения газообразных соединений урана при нормальных усло-шх (гексафторид урана UFg). Целый ряд элементов периоди-;ской системы Д.И.Менделеева не имеет летучих соединений при шнатной температуре, вследствие чего такой экономически вы-дный метод разделения как центробежный не позволяет получать яогие изотопы. Сюда относятся в первую очередь элементы пер->й и второй групп периодической таблицы, а также редкие земли, другой стороны, практически универсальный электромагнитный ;тод [2] не является производительным и достаточно дешевым.
Исследование и развитие новых методов разделения дикту-ся не только необходимостью расширения ассортимента изотоп->й продукции, но и возросшими требованиями экологии, по-:ольку ряд изотопов производится с применением экологически юдных компонентов. Все это и послужило в свое время толчком к ізработке альтернативных и, в частности, плазменных методов їзделения изотопов. На основе плазменных методов можно разде-ггь изотопы любых элементов металлов, в том числе и тугоплав-
ких. Однако, в силу относительно больших энергетических затр они, по-видимому, смогут быть конкурентно-способными только случае разделения элементов, не имеющих летучих соединений п] нормальных условиях и которые нельзя делить в механическ< центрифуге.
Плазменные методы условно удобно разделить на две кат гории:
"диффузионные" и "селективные". К первому типу относятся спос< бы, в которых, как и в традиционных методах ( газовая диффузи термодиффузия, центрифугирование), разделение вызывается ai тивным действием силовых полей, а собственно выделение продуі та происходит за счет взаимной диффузии компонентов смеси. О' сюда и термин - "диффузионные" методы.
К ним можно отнести плазменные газоразрядные системы бегущей магнитной волной [3], прямой разряд постоянного тока Iі и плазменные центрифуги [5].
Ко второй категории относится метод ионно-циклотронного резс нанса (ИЦР-нагрев) [6,7]. При реализации процесса разделения соответствии с этим методом сначала осуществляется изотопическ селективный нагрев одного из ионных компонентов, а затем н основе различия физических свойств нагретых и ненагретых со ставляющих производится их разделение.
Цедь_работы заключалась в исследовании различных меха низмов разделения изотопов в плазменных системах, разработк единого подхода к расчету эффективности этих механизмов и про ведении последующего сравнительного анализа затратных энерге тических аспектов различных плазменных методов разделения.
В ходе работы решались следующие задачи; а) применитель но к "диффузионным" методам проводилось изучение ВОЗМОЖНЫ) механизмов разделения в системах с бегущим магнитным полем разрядах постоянного тока и плазменных центрифугах; б) проводилось сравнение полученных теоретических результатов с экспериментальными данными, что позволило в ряде случаев определил характер основного разделительного процесса или уточнить расчетную модель явления; в) исследовались оптимальные условия функционирования разделительных устройств; г) определялись энергетические затраты различных плазменных методов разделения изо-
пов и проводилось их сравнение с аналогичными характеристи-ми некоторых существующих промышленных методов; д) иссле-вались различные аспекты ИЦР-метода разделения изотопов с чки зрения изотопически селективного процесса нагрева целевого мпонента; е) изучены гидродинамические аспекты ионного цик-гронного нагрева плазмы с помощью ВЧ-полей.
Научная новизна работы заключается в анализе различных ханизмов разделения изотопов в плазменных разделительных гройствах диффузионного типа, выявление общих закономерно-т разделительного процесса в различного рода установках. При-нительно к методу ИЦР впервые выполнен анализ селективности деления целевого компонента в условиях одновременного дей-вия времяпролетного и доплеровского механизмов уширения. ссмотрены гидродинамические аспекты ионно-циклотронного зонансного нагрева.
На зашиту выносятся следующие положения: На основе единого подхода к анализу диффузионных раздели-аьных процессов в различных силовых полях выполнен расчет зделительных эффектов в разнообразных плазменных системах. В стности, проведены теоретические исследования механизмов раз-ления изотопов в прямом разряде постоянного тока и системе с гущей магнитной волной. Выполнено сравнение с данными экс-риментов.
Получено обобщенное уравнение массопереноса в разделитель-й колонне с учетом продольного и поперечного механизмов раз-ления, которое в дальнейшем использовалось для расчета про-льного разделения в системе с бегущим магнитным полем. Предложен механизм разделения изотопов в системе с бегущим тнитным полем, основанный на умножении поперечного термо-ффузионного эффекта за счет электромагнитной циркуляции. Предложен механизм разделения в плазме, основанный на раз-чии сил диффузионного трения, действующих на нейтральные мпоненты изотопной смеси со стороны потока ионов ( "ионный гер").
-
Предложен механизм разделения изотопов, связанный с различ ем степеней ионизации изотопных компонентов в разряд; ("изотопный катафорез").
-
Дано теоретическое обоснование известным экспериментальны данным по разделению изотопных смесей в разрядах постоянно] тока и ВЧ-системе с бегущим магнитным полем.
-
Применительно к импульсным плазменным центрифугам Bbinoj нены оценки нестационарн
-
Изучены отличные от центробежного процессы разделения изо топов в плазменных центрифугах со слабой ионизацией среды. Ис следованы вольтамперные характеристики плазменной центрифуг] в условиях больших чисел Гартмана.
-
Проведен анализ удельных энергетических затрат различны: плазменных диффузионных методов разделения изотопов.
-
Выполнены расчеты селективности нагрева ионных изотопных компонентов в ИЦР-методе и отбора компонентов на пластину коллектора. При этом одновременно учтены как доплеровское, таї и времяпролетное уширения линии резонанса.
11. Рассмотрены гидродинамические аспекты ионного циклотрон
ного резонанса. Предпринята попытка решения сложной гидроди
намической задачи, в которой имеет место замагниченность плазмы
как по внешнему продольному магнитному полю, так и по пере
менному поперечному вращающемуся полю. Показано, что много
компонентный гидродинамический подход в данной сложной зада
че полностью эквивалентен магнитогидродинамическому, в кото
ром учитывается эффект Холла в рамках обобщенного закона Ома.
Как установлено, в случае осуществления ИЦР-нагрева ионов вра
щающаяся компонента поперечного магнитного поля может приво
дить к раскрутке и расширению плазменного столба, что является
нежелательным с точки зрения эффективного разделения. Устано
влено, что гидродинамические эффекты накладывают ограничение
на величину электрического тока в нагревающей антенне.
Научная и практическая ценность работы. Проведенные в боте исследования позволили разработать единый подход к ана-ізу диффузионных разделительных процессов в газовых смесях и іазме, вызываемых действием различного рода силовых полей, інная методика обладает логической стройностью и нагляд->стыо, позволяя легко оценивать разделительные свойства любьк стем, использующих силовые поля. Полученное обобщенное авнение переноса в колонне позволяет проводить расчеты разде-ггельных аппаратов колонного типа, в которых одновременно йствуют два или несколько разделительных механизмов (и в том ісле в различных направлениях).
Проведенные в работе расчеты удельных энергетических за-ат плазменных диффузионных методов позволяют дать рекомен-ции к их практическому использованию. Показано, что плазмен-.іе установки диффузионного типа могут быть эффективны только »и разделении изотопов элементов, не имеющих газообразных со-инений при нормальных условиях. Выполненные в работе оценки дродинамических аспектов ИЦР-метода указывают на необходи->сть ограничения интенсивности электромагнитного воздействия і плазму в процессе селективного нагрева. Проведенные в работе счеты селективности процесса разделения изотопов методом ре-нансного ионного циклотронного нагрева позволяют оценить :рспективы использования этого метода для разделения изотопов малыми относительными различиями масс. Апробация работы.
Материалы, вошедшие в диссертацию, прошли апробацию і следующих общесоюзных и международных конференциях: Третьей Всесоюзной конференции по плазменным ускорителям, инск, 1976.
14-ой Международной конференции по явлениям в ионизован-.гх газах, Гренобль, 1979.
15-ой Международной конференции по явлениям в ионизован->гх газах, Минск, 1981.
16-ой Международной конференции по явлениям в ионизован-лх газах, Дюссельдорф, 1983.
17-ой Международной конференции по явлениям в ионизован->гх газах, Будапешт, 1985.
-
19-ой Международной конференции по явлениям в ионизова ных газах, Белград, 1989.
-
18-ом Международном симпозиуме по динамике разреженно газа, Ванкувер, 1991.
-
4-ом Международном совещании по разделительным процессам жидкостях и газах, Пекин, 1994.
-
22-ой Международной конференции по явлениям в ионизоваї ных газах, США, 1995.
Часть результатов докладывалась на научных семинарах ИМФ РН КИиИОФ РАН.
По теме диссертации опубликовано 63 печатных работы, которых соискатель является автором или соавтором. Из них 45 т чатньгх работ, положены в основу написания диссертации. Списо этих публикаций приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, двух частей, содержащих соответственно пять и две главы, заключения и списка цитируемой литературы.
Диссертация содержит 215 страниц, включая 40 рисунков.
Список цитируемой литературы состоит из 173 наименова ний.