Способ разделения изотопов

)5 Н 01 3 49/ 1 99 ТЕН О ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР САНИЕ ИЗО К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛ 1(71) Институт атомной энергии им. И.В. Курчатова(56) Розен А.М, Теория разделения изотопов в колоннах, 1960, М.: ИИЛ,Оавзоп З,МКв Н.САгпцзЬ О., ет, а. Роуз, Вел. 1 еК 1976, ч. 37, р, 1547.(54) СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ ИЗОТОПОВ (57) Изобретение относится к физике плазмы, а именно к методам разделения изотопов в плазме. Сущность изобретения:. ионизируют поток вещества, состоящий из смеси различных изотопов. Затем в области однородного магнитного поля с помощью явления ионного циклотронного резонанса селективно нагревают ионы выделяемого изотопа, пространственное разделение ионов осуществляется за счет дрейфа в магИзобретение относится к физике плазмы, а именно к методам разделения изото-. пов, которые используются, например, в медицине, биологии, физических исследованиях.Известен способ разделения изотопов в газовых колоннах. Зтот способ не позволяет разделять изотопы веществ, не образующих устойчивых газообразных соединеий.Известен также способ разделения изопов в плазме в магнитном поле при помои селективного нагрева ионов одного из нитном поле с изогнутыми силовыми линиями. Поскольку скорость дрейфа пропорциональна энергии заряженных частиц, то основная плазма практически не смещается поперек силовых линий магнитного поля, в то время как нагретые ионы выделяемого изотопа выходят из потока плазмы. Для нейтрализации заряда этих ионов устанавливают эмиттирующие электроды, расположенные таким образом, чтобы силовые линии магнитного поля, на которых выделяется положительный заряд, пересекали поверхность электродов. Ионы выделяемого изотопа, двигаясь под углом к силовым линиям магнитного поля, попадают на собирающие пластины. На эти же пластины попадают нейтральные атомы всех З изотопов, образующиеся в основной плазме в результате рекомбинации, Оценки показывают, что с учетом этого фактора коэффициент обогащения изотопа оказывается р равным примерно 10, Зто значение более чем в 10 раз превыщает коэффициент обогащения, полученный в прототипе. 1 ил. изотопов высокочастотным полем с частотой, равной ионной циклотронной. В этом способе плазма создается в магнитном поле. затем на его однородном участке на плазму воздействуют электромагнитным полем с частотой, равной ионной циклотронной частоте выделяемого изотопа, что приводит к увеличению энергии ионов ионного изотопа, в то время как ионО остальных изотопов остаются в прежнем состоянии. Разделение изотопов осуществляется с помощью собирающих пластин, на которые подается положительный потенциал такойвеличины, чтобы электростатическийбарьер мог преодолеть только высокоэнергетические ионы выделяемого изотопа. Только эти ионы и будут осаждаться напластинах. 5Однако указанный способ также имеетнедостатки: во-первых, приемная пластинапри таком потенциале собирает большойток электронов, что приводит к ее разогревуи, следовательно, к распылению собранного изотопа, во-вторых, на пластины попадают нейтральные атомы всех изотопов,образующиеся при рекомбинации,Цель изобретения - увеличение коэффициента обогащения изотопа. 15Поставленная цель достигается тем, чтов способе разделения изотопов в плазме,включающем ионизацию потока вещества,селективный нагрев ионов одного из изотопов электромагнитным полем с частотой, 20равной его ионной циклотронной частоте,пространственную сепарацию ионов изотопов и их сбор, сепарацию изотопов осуществляют, пропуская поток плазмы вдольсиловых линий неоднородного магнитного 25поля, параметры которого подобраны такимобразом, чтобы дрейфовое смещение ионоввыделяемого изотопа ЧдрОЧ 11, где 1 - длина области неоднородного магнитного поля; Ч 11 - скорость движения ионов вдоль 30магнитного поля; Чдр = е/еВВ - скоростьдрейфа ионов выделяемого изотопа поперек силовых линий магнитного поля, е -энергия циклотронного вращения ионоввыделяемого изотопа; е, - заряд иона; В - 35индукция магнитного поля; Я - радиус кривизны силовых линий магнитного поля,превышало поперечный размер потокаплазмы - а.На чертеже изображено устройство, реализующее предлагаемый способ разделе, ния изотопов,Поток вещества 1, состоящий из смесиразличных изотопов, ионизуется, а затемпропускается через область длиной Ь с высокочастотным электромагнитным полем 2.Частота этого поля подбирается равнойциклотронной частоте ионов выделяемогоизотопа. В результате резонансного взаимодействия с электромагнитным полем 50ионы выделяемого изотопа увеличиваютэнергию циклотронного вращения, Затемпоток плазмы направляется вдоль магнитного поля на участке его неоднородности 3.В таком поле заряженные частицы смещаются (дрейфуют) в направлении поперек силовых линий магнитного поля со скоростью,пропорциональной энергии,Чдр - я/еВР,где Р - радиус кривизны силовых линий магнитного поля; я - энергия поперечного по отношению к направлению магнитного поля движения иона; е - заряд электрона. При выполнении условия ЧдрОЧ 11а ( - длина области неоднородного магнитного поля; а - диаметр потока плазмы; Ч 1 - скорость продольного движения ионов) селективно нагретые ионы выходят из области, занятой плазмой, ионная компонента которой состоит из холодных невыделяемых ионов других изотопов, идущих в отвал, Ввиду низкой энергии ионов этих изотопов и электронов их дрейфовое смещение за время прохождения участка неоднородного магнитного поля мало по сравнению с а, Пространственное разделение ионов раз- ных изотопов позволяет провести их рекомбинацию в достаточно удаленных частях установки с тем, чтобы уменьшить возможность перепыления материала одного изотопа на место сбора другого. Из-за различия дрейфовых смещений ионов и электронов разделение изотопов сопровождается разделением зарядов, так что область, занятая ионами выделяемого изотопа, заряжается положительно, а остальная плазма отрицательно. При этом возникает электрическое поле, перпендикулярное магнитному. Дрейф заряженных частиц в скрещенных электрическом и магнитном полях приводит к их выбросу на стенки вакуумной камеры, поэтому для нейтрализации положительного заряда устанавливают эмиттирующие электроды 4, расположенные таким образом, чтобы силовые линий магнитного поля, на которых выделяется положительный заряд, пересекали поверхность электродов. Электроны,.эмиттируемые с этих электродов, компенсируют положительный заряд. Избыточный. отрицательный заряд плазмы стекают на соответствующие приемные пластины 5, 6,Предлагаемый способ разделения осуществляется следующим образомСначала производится ионизация вещества, состоящего из смеси различных изотопов, Например, атомы щелочных металлов ионизуют на накаленной поверхности тугоплавкого металла. При этом образуется сильноионизованная плазма с плотностью и до 10 м, состоящая иэ однократно ионизованных атомов и электронов, причем температуры ионов и электронов будут порядка температуры поверхности10 К. Например, для вещества с атомной массой 40 скорость теплового движения будет примерно 0,6 10 м/с. С этой скоростью плазма растекается вдоль силовых линий магнитного поля. При движении плазмы через область1742900 Составитель М. БелавинРедактор Т. Шагова Техред М.Моргентал Корректор О. Ципл Заказ 2290 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям.и открытиям при ГКНТ СС 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 одственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 10 длиной 0,1 м с высокочастотным полем напряженностью до 5 10 э В/м энергия циклотронного вращения возрастает в 5 10 раэ.Для того, чтобы осуществился нагрев только выделяемых ионов, при разности атомных 5 масс изотопов. 1 ширина линии циклотронного резонанса должна быть достаточно мала Ьв/в 102, Этотребование определяет напряженность магнитного поля, которая должна быть не меньше 0,25 Т, и частоту 10 ВЧ-поля 10 кГц. В области неоднородного магнитного поля с радиусом кривизны силовых линий й = 1 м нагретые ионы выделяемого изотопа дрейфуют в направлении поперек силовых линий магнитного поля 15 со скоростью Чдр = 0,35 10 м/с. Эти ионызвыходят из потока плазмы с поперечным размером а = 0,2 м, если длина области неоднородного поля . превышает аЧ 11/Чдр = =0,35 м. При выбранных параметрах хо лодные ионы эа время пролета системы не . успеют существенно нагреться от горячих, поэтому разделение изотопов будет достаточно полным. При содержании выделяемого изотопа в исходной смеси 1,0 25 производительность установки оказывается порядка 10 4 кг/сут. Плотность электронного тока, эмиттируемого для нейтрализации положительного заряда выделяемого изотопа, невелика и равна 10 А/м . На пластины, 30 собирающие выделяемый изотоп, также по-.ступают нейтральные атомы остальных изотопов, образующиеся в плазме в результате рекомбинации, При температуре 5 10 К коэффициент рекомбинации а= 10/и м /с. 35 , Полный поток нейтральных атомов из плазмы, равный ап (О + 1)па /4, составляет примерно 1 от потока ионов выделяемого изотопа. Считая, что значительная часть потока нейтральных атомов (порядка едини-. цы) попадает на приемные пластины, и учитывая, что в начальном состоянии концентрация выделяемого изотопа равнялась . 10, для коэФфициента обогащения получают значение =104.Предлагаемый способ позволяет повысить коэффициент обогащения по сравнению с прототипом более чем в 102 раэ.Ф о р мул а изобретен и я Способ разделения изотопов, включающий иониэацию потока вещества, селективный нагрев ионов одного из изотопов воздействием электромагнитного поля с частотой, равной его ионной циклотронной частоте, пространственную сепарацию ионов изотопов и их сбор, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью повышения коэффициента обогащения, сепарацию изотопов осуществляют, пропуская поток плазмы через неоднородное, магнитное поле вдоль его силовых линий, параметры которого удовлетворяют условию ЧдрОЧ 11а. где- длина области неоднородного магнитного поля (м); а -диаметр потока плазмы (м); Ч 11 - скорость движения ионов вдоль магнитного поля, м/с; Чдр = е е/еВЙ - скорость дрейфа ионов выделяемого изотопа поперек силовых линий магнитного поля, м/с; с - скорость света; я - энергия циклотронного вращения ионов выделяемого изотопа, е - заряд иона; В - напряженность магнитного поля; Я - радиус кривизны силовых линий неоднородного магнитного поля (м),