ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Разделение изотопов в положительном столбе газового разряда из "Изотопы Свойства получение применение Том1" Введение. Применение газовых механических центрифуг для разделения стабильных изотопов ограничено, как известно, теми химическими элементами, которые имеют газообразные соединения с достаточной упругостью паров при нормальных условиях [1]. Целый ряд элементов, однако, не имеет таких соединений, поэтому экономически выгодный центробежный метод разделения не позволяет получать многие изотопы. Сюда относятся в первую очередь элементы первой и второй групп периодической таблицы, а также редкие земли. С другой стороны, практически универсальный электромагнитный метод [2] имеет малую производительность. [c.326] Исследование и развитие новых методов разделения изотопов диктуется не только необходимостью расширения ассортимента изотопной продукции, но и возросшими требованиями экологии, поскольку ряд изотопов производится с применением экологически вредных компонентов. Всё это и послужило в своё время толчком к разработке альтернативных методов разделения изотопов, в частности, плазменных. [c.326] В начале 70-х годов широкое внимание специалистов привлекла идея использования для разделения изотопов вращаюш,ейся плазмы [3-9]. Интерес к этой теме был связан с возможностью достижения высоких скоростей вращения ионизованного газа и больших, чем в механической центрифуге, скоростей разделения и коэффициентов обогащения в одной ступени. Кроме того привлекала простота конструкции и отсутствие механических движущихся узлов. Вращение ионизованной смеси осуществлялось за счёт взаимодействия радиального электрического тока и осевого магнитного поля В г. в плазменных центрифугах в принципе возможно осуществление разделения изотопов любых элементов, в том числе и не имеющих газообразных соединений с достаточно высокой упругостью пара при комнатных температурах. [c.326] В настоящем разделе предлагается обзор наиболее важных исследований процессов разделения изотопов во вращающейся плазме. [c.326] При попытке теоретического анализа процессов разделения в импульсных плазменных центрифугах приходится сталкиваться с гидродинамическими аспектами увлечения проводящей газовой смеси в системе с неподвижной внешней стенкой и связанными с этим эффектами нагрева газа вследствие вязкой диссипации, а также с проблемой нестационарности протекающих процессов. [c.329] Выражение (7.3.7) показывает, что использование плазменной центрифуги предпочтительнее для лёгких газов, нежели для тяжёлых. В то же время, если к тяжёлым изотопам подмешивать лёгкий газ с высокой теплопроводностью, что и делалось в ряде упомянутых выше экспериментов, степень разделения можно суш,ественно увеличить. Таким образом, эксперименты [9] с подмешиванием в разделяемую изотопную смесь водорода можно объяснить снижением температуры газовой смеси вследствие высокой теплопроводности водородной компоненты. Они могут быть истолкованы как первая попытка обойти нежелательный предел Виньяккера для одноэлементной изотопной смеси. [c.330] Другие проблемы связаны с нестационарностью диффузионного разделительного процесса в импульсной системе. В [16] был проведён расчёт процесса установления радиального градиента концентрации в плазменной центрифуге. При этом впервые учтено влияние радиальной зависимости коэффициента взаимной диффузии компонентов, связанной с перераспределением плотности под действием центробежной силы. При рассмотрении возможности умножения эффекта в импульсной плазменной центрифуге, необходимо учитывать вообще говоря как нестационарность установления продольной циркуляции, так и конечность времени установления продольного диффузионного процесса. Оказывается, что даже если циркуляционный поток сравнительно быстро достигает стационарной величины, время установления осевого градиента концентрации может быть в силу условия Ь/Н2 1 значительно больше продолжительности вращения плазмы Тр, вследствие чего продольный эффект разделения не успевает устанавливаться в течение промежутка времени Тр. Согласно расчётам, выполненным с учётом характерных значений параметров импульсной плазменной центрифуги [11, 17], было установлено, что постоянная времени процесса установления продольного разделения (г 8 10 с) значительно превышает длительность промежутка времени от начала импульса тока до момента отбора газа 1 2- 10 с), что объясняет нестационарные эффекты осевого перераспределения концентрации, исследованные экспериментально в [11, 18]. Таким образом, создание циркуляционной плазменной центрифуги, в которой первичный эффект переводится в продольный и имеется возможность осуществления эффективного отбора целевого изотопа, как это делается в случае механической центрифуги, в обычно исследуемых импульсных режимах, по-видимому, трудно осуществить на практике. Однако высокие коэффициенты разделения, достигнутые в ряде экспериментов с импульсными разрядами, позволяли надеяться на перспективы использования стационарно вращающейся плазмы. [c.330] В длинной вакуумной камере 2, откачанной до давления 10 Тор, инициировался с помощью импульса СОг-лазера (15 Дж, 100 не) разряд между катодом 5 и стенками камеры. [c.331] Отличие в характере разделительного эффекта связано лишь с тем, что если в газовой центрифуге тяжёлым изотопом обогащается периферийная область большого давления, то в данной разновидности плазменной центрифуги эффект обогащения наблюдался лишь в зоне исчезающе малой плотности, которая располагалась на периферии вращающегося плазменного столба. Исследования плазменных вращающихся струй продолжались также и последние годы [21, 22. [c.332] Эксперименты проводились при следующих условиях разрядный ток I = = 50 1000 А, индукция магнитного поля В г = О 0,15 Т, давление в разрядной камере Р = 0,2 10 Тор. В качестве рабочих газов использовались инертные газы и пары лития. В процессе экспериментов проводились исследования вольтамперных характеристик разряда, зондовая и оптическая диагностика в среднем сечении разрядной камеры, определялось давление в различных точках внутри и на поверхности разрядной камеры. По излучению боковой поверхности оценивались температура и качественный характер тепловыделения в разряде. При помощи трубок Пито, выполненных из вольфрамовых трубок малого диаметра, удалось провести основные измерения гидродинамических характеристик вращающегося плазменного объёма. Были определены аксиальные изменения статического давления и гидродинамического напора для ксенона при различных давлениях в смеси Не-Хе. Соотношения этих величин хорошо согласуются с измерениями изотопических эффектов в ксеноне и доказывают их центробежную природу. [c.333] Измеренный коэффициент обогащения изотопной смеси Хе- Хе составил около 20%, что неплохо согласовывалось с теоретическими оценками с учётом экспериментальных данных для скорости вращения газа. Ряд экспериментов был проведён на парах лития [24]. Чтобы избежать конденсации паров на стенках камеры, разряд инициировался на смеси Не-Хе или гелии, а затем литиевый пар подавался из испарителя через катодное отверстие. Оптические измерения показали, что скорость вращения атомов лития достигает (5- 6)- 10 м/с. Разряд характеризовался сильным радиальным градиентом давления, однако достичь однородного распределения давления вдоль оси разрядной камеры не удалось. Коэффициент разделения изотопов в смеси изменялся в диапазоне а = 1,2 ч- 1,4. [c.333] Специальные измерения осевой составляющей скорости плазмы с помощью трубки Пито в случае гелиевого разряда показали существование вторичных циркуляционных потоков. К сожалению линейное рассмотрение гидродинамических явлений в плазменной центрифуге не учитывает процессов, связанных с возбуждением в объёме разрядной камеры вторичных циркуляционных потоков. Они могут являться следствием тормозящего действия торцов разрядной камеры, осевого градиента температуры, а также неоднородности осевой электромагнитной силы, связанной с током в подводящих шинах [25 . Как показано, например, в [26, 27] на основе нелинейного магнитогидродинамического приближения, уменьшение окружной скорости газа вблизи торца камеры должно приводить к разбалансу центробежной силы и градиента давления, что вызывает развитые на весь объём камеры вторичные циркуляционные течения. При этом вблизи торца возникает интенсивный поток, направленный к центру, а в основном объёме — в противоположном направлении. Вторичные течения приводят к снижению скорости вращения газа, однако с ними связан и положительный момент. [c.333] Поскольку в случае использования плазменных методов при разделении металлических паров обязательно возникнут трудности осуществления внешнего каскадирования, важное значение для плазменной центрифуги имеет возможность умножения радиального эффекта по длине камеры за счёт внутреннего противотока с целью получения значительной степени разделения в отдельном аппарате. Поэтому возбуждаемые в плазменной центрифуге за счёт тормозящего действия торцов противоточные течения могли бы благоприятно воздействовать на массоперенос в объёме камеры, умножая первичный радиальный эффект. Однако использование такой циркуляции при осуществлении внутреннего каскадирования оказалось затруднительным в силу сложности регулирования циркуляционного потока. [c.334] Для возбуждения регулируемого противотока в плазменной центрифуге, Боневье предложил использовать осевой стержень, по которому пропускается электрический ток. Циркуляция в этом случае обусловлена радиальной неоднородностью осевой электромагнитной силы, связанной со взаимодействием основного радиального электрического тока с азимутальным магнитным полем, генерируемым осевым стержнем. При этом, изменяя ток в стержне, можно регулировать как направление, так и интенсивность противотока. В [25] применительно к стационарному режиму были выполнены расчёты эффективности процесса умножения первичного эффекта за счёт циркуляции, вызываемой внутренним осевым токонесущим стержнем. Таким образом, в стационарной плазменной центрифуге в принципе возможен не только перевод радиального эффекта в продольный, но и существенное его умножение по длине колонны. [c.334] Поддержание сильноионизованной плазмы с достаточной плотностью связано со значительным энерговкладом, что приводит к техническим трудностям поддержания разряда. Попытки уменьшения энерговклада путём снижения давления не приводят к успеху, так как по мере приближения к бес-столкновительному режиму обычный разряд становится неустойчив [33]. Для поддержания и ускорения такой сильноионизованной плазмы в [34] был предложен пучково-плазменный разряд, в котором плазма в скрещённых полях создаётся независимым способом с помощью электронного пучка. Электронный пучок, проходивший по оси разрядной камеры, приводил при определённых условиях к практически полной ионизации газа. Разряд устойчиво поддерживался в диапазоне давлений вплоть до нескольких единиц на 10 Тор. Коэффициент разделения изотопов неона достигал а = 1,28 [34. [c.335] Центробежный эффект разделения не является единственным механизмом, который может наблюдаться в плазменной центрифуге. Наличие источников тепловыделения в плазме, связанных с омическими потерями при протекании электрических токов и вязкой диссипацией, приводит к возникновению в разделяемой смеси градиентов температуры, которые в свою очередь вызывают термодиффузионные процессы. Кроме того, в плазменной центрифуге со скре-щёнными радиальным электрическим и осевым магнитным полями радиальный ионный поток в условиях замагниченности электронной составляющей, вызывает разделительные эффекты, связанные с селективностью передачи направленного импульса от ионов к нейтралам ( ионный ветер ) [35-38. Обычно действие ионного ветра приводит к обогащению тяжёлым изотопом прикатодной области. [c.335] В работе [40] применительно к случаю сильно разреженной и высокоионизованной плазмы была предпринята попытка объяснения наблюдаемых разделительных эффектов на основе так называемого поляризационного механизма, обусловленного действием торцов разрядной камеры. [c.336] Другой механизм разделения, связанный с различием азимутальных скоростей ионов и нейтральных атомов, может быть вызван наличием в разделяемой изотопной смеси третьего трудноионизуемого компонента. Действительно, ускоряемые под действием электромагнитных сил заряженные частицы увлекают во вращение нейтральный газ, который тормозится за счёт вязких сил. При этом вследствие того, что процесс передачи импульса в азимутальном направлении зависит от масс сталкивающихся частиц, изотопные составляющие приобретают различающиеся скорости вращения. Это вызывает с одной стороны радиальную взаимную диффузию в изотопных составляющих нейтрального газа в центробежном поле, а с другой стороны, радиальную диффузию изотопных составляющих в магнитном поле, что также приводит к разделению. Впервые на возможность существования подобного эффекта применительно к случаю полностью ионизованной изотопной смеси было указано в [43]. В работе [44] рассматривалось влияние компонента с высоким потенциалом ионизации с учётом конечной степени ионизации разделяемой изотопной смеси. Отметим, что, как поляризационный механизм, так и процессы, связанные с различием сил диффузионного трения в азимутальном направлении, пока не нашли подтверждения в экспериментах. [c.336] Тем не менее можно сделать вывод, что плазменная центрифуга будет иметь преимущество перед другими методами в случае разделения изотопов элементов, не имеющих газообразных соединений с высокой упругостью пара, если удастся на практике создать устойчивый однородный в осевом направлении вращающийся плазменный столб. [c.338] В этой связи отметим, что согласно приближённым оценкам [51] удельные энергетические затраты электромагнитного метода составляют около 10 (т/Ат) кВт ч/ЕРР. Несмотря на то, что они, по-видимому, могут быть снижены на порядок, электромагнитный метод трудно использовать при производстве изотопов в больших масштабах. [c.338] Вернуться к основной статье