Плазмооптические масс-сепараторы

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 370 394 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 годуцена 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 низкои 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 распадапродукты 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

.

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 № 4 167 668, 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 № 24 729, 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 № 6 096 220, МПК МПК В03С 1/00, B01D 21/26, опубликовано 1.08.2000 г.

13. Ohkawa Т. Centrifugal filter for multispecies plasma // патент USA № 6 217 776, МПК B03C 1/00, опубликовано 17.04.2001 г.

14. Ohkawa Т. Plasma mass filter // Патент USA № 6 248 240, 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 № 2 229 924, 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 № 2 083 267, 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 № 2 142 328, 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 № 1 178 257. — 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 № 1 756 973. — МПК H01J 49/48. -Опубл. 23.08.1992.

46. Никитенко H.H., Косицин Л. Г., Шулепов И. А. Энергомасс-спектрометр // Патент РФ № 2 020 645. — 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. (dmeeker@ieee.orghttp://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 № 2 010 127 396 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 № 2 010 132 785 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.