Способ разделения по массам смесей изотопов, элементов и соединений, находящихся в плазменном состоянии — SU 714997 (original) (raw)

Формула

СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ ПО МАССАМ СМЕСЕЙ ИЗОТОПОВ, ЭЛЕМЕНТОВ И СОЕДИНЕНИЙ, НАХОДЯЩИХСЯ В ПЛАЗМЕННОМ СОСТОЯНИИ, включающий воздействие на них скрепленными электрическим и магнитным полями осесимметричной конфигурации в условиях замагниченности ионов, отличающийся тем, что, с целью снижения энергозатрат на разделение путем избирательного воздействия на выделяемый компонент смеси, напряженности электрического и магнитного полей выбирают из условия

где удельный заряд выделяемого компонента, К/кг;
B магнитная индукция, Тл;
E напряженность электрического поля, В/м;
r радиус пространственной локализации выделяемого компонента, м.

Описание

Изобретение относится к способам получения веществ путем разделения различных смесей и может быть использовано при получении чистых металлов и газов при производстве ядерного горючего, а также в плазмохимии.
Известны способы разделения по массам изотопов, элементов и соединений с помощью газовой центрифуги, заключающиеся в том, что цилиндр с помещенной в нем разделяемой смесью вращают вокруг своей оси. При этом компонент с более высоким молекулярным весом концентрируется на периферии цилиндра, а компонент с низким молекулярным весом вблизи его оси, что и приводит к разделению.
К недостаткам этого способа относится высокое потребление энергии для вращения цилиндра с высокой угловой скоростью.
Ближайшим техническим решением к предложенному является способ разделения по массам смесей изотопов, элементов и соединений, находящихся в плазменном состоянии, включающий воздействие на них скрещенными электрическим и магнитным полями осесимметричной конфигурации в условиях замагниченности ионов.
Под действием электрического и магнитного полей, направленных перпендикулярно друг другу, плазма приводится во вращательное движение. Скорость вращения плазмы достигает 107 об/с, что намного превосходит скорости вращения механических центрифуг.
Компоненты с различными массами вращаются на различных расстояниях от оси системы за счет действия центробежных сил. Большие скорости вращения позволяют использовать способ плазменного центрифугирования для широкого диапазона атомных весов.
Недостатком этого способа является необходимость центрифугирования всей смеси для выделения какого-либо компонента, на что затрачивается большое количество энергии.
К тому же степень разделения невысокая из-за перекрытия областей локализации разделяемых компонентов, которое возникает за счет неоднородности скоростей вращения компонентов смеси. Для улучшения разделения компонентов необходимо многокаскадно повторять процесс, что ведет к увеличению энергозатрат.
Цель изобретения снижение энергозатрат на разделение путем избирательного воздействия на выделяемый компонент смеси.
Поставленная цель достигается тем, что напряженности электрического и магнитного полей выбирают из условия:
r, где e/M удельный заряд выделяемого компонента, К/кг;
B магнитная индукция, Тл;
E напряженность электрического поля, В/м;
r радиус пространственной локализации выделяемого компонента, м.
Осуществляя воздействие на смесь электрическим и магнитным полями, величины которых взяты в указанном соотношении, возбуждают собственные ионно-циклотронные колебания в пространственно разделенных областях на гирочастотах, соответствующих массам выделяемых компонентов смеси. Развитие ионно-циклотронных колебаний, т. е. ионно-циклотронной неустойчивости, вызывает резонансное ускорение ионов выделяемого компонента, что приводит к пространственной локализации компонента.
Таким образом, воздействуя на смесь указанным способом, выделяют только необходимый компонент и тем самым устраняют дополнительные затраты электроэнергии.
На чертеже схематично изображено устройство, реализующее предложенный способ разделения по массам.
Устройство содержит камеру 1 и систему соленоидов 2, создающих осесимметричное, преимущественно продольное магнитное поле. Внутри камеры установлены отражательные электроды 3 и анод 4.
Способ реализуется следующим образом.
Разделяемую смесь, например атомарный азот и кислород, при начальном давлении 10-5-10-4 мм рт.ст. помещают в камеру 1. При включении магнитной системы соленоидов 2 и подключении напряжения к отражательным электродам 3 и аноду 4 смесь переводится в плазменное состояние. Магнитное и электрическое поля направлены перпендикулярно друг другу и их величины соответствуют устойчивому горению разряда, т.е.
H 10-1 Тл, 5 102 < E < 104 В/м. Для выделения необходимых компонентов устанавливают такие величины полей, при которых в плазме возбуждается ионно-циклотронная неустойчивость на гирочастотах, соответствующих массам выделяемых элементов.
Условие возбуждения запишется как:
iс 2 вр, где ic, вр ионно-циклотронная и вращательная частоты соответственно.
Учитывая, что ie а вр получим требуемое соотношение магнитного и электрического полей:
r
Для выделения азота на радиусе, например, 3 см при значении H 1000 Э величину электрического поля устанавливают равной 11,3 В/см, что соответствует возбуждению в плазме колебаний с гирочастотой азота. На радиусе 3 см происходит резонансное ускорение только ионов азота и ускоренные ионы локализуются в камере на расстоянии от оси r 3 см. В режиме развитой собственной ионно-циклотронной неустойчивости для смеси, содержащей 15% азота и 85% кислорода, в разряде, потребляющем мощность около 20 Вт, получают обогащение в области пространственной локализации азота свыше 95о.
В экспериментах также были выделены необходимые компоненты из различных смесей.
В таблице указаны энергозатраты (кВт.ч.) для выделения 1 г вещества
Из таблицы видно, что чем больше атомный вес вещества, тем ниже энергозатраты на его выделение. Предложенный способ обеспечивает по сравнению с известным значительное снижение энергозатрат на выделение компонента. Так, для выделения тяжелого компонента смеси, например U235, содержащегося в количестве 0,72% известным способом требуется около 105кВт ч/г, для выделения предложенным способом 103 кВт ч/г, т.е. примерно в 100 раз ниже.
Кроме того, подбором величин r, B и E возможно вызвать развитие нескольких неустойчивостей в пространственно разделенных областях плазмы, что позволяет одновременно разделять несколько компонентов смеси.
СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ ПО МАССАМ СМЕСЕЙ ИЗОТОПОВ, ЭЛЕМЕНТОВ И СОЕДИНЕНИЙ, НАХОДЯЩИХСЯ В ПЛАЗМЕННОМ СОСТОЯНИИ, включающий воздействие на них скрепленными электрическим и магнитным полями осесимметричной конфигурации в условиях замагниченности ионов, отличающийся тем, что, с целью снижения энергозатрат на разделение путем избирательного воздействия на выделяемый компонент смеси, напряженности электрического и магнитного полей выбирают из условия

где - удельный заряд выделяемого компонента, К/кг;
B - магнитная индукция, Тл;
E - напряженность электрического поля, В/м;
r - радиус пространственной локализации выделяемого компонента, м.