Обогащение урана - Беккер Е.
Скачать (прямая ссылка):
7.1. ОСНОВЫ РАБОТЫ НА ПОСТОЯННОМ ТОКЕ.
ВРАЩАЮЩИЕСЯ ДУГИ
В результате наблюдений высоких угловых скоростей в различных плазменных экспериментах возник вопрос: нельзя ли использовать вращающиеся плазменные шнуры для разделения изотопов? С подобной идеей связано предложение Слепиана [7.1 J.
277
В 1942 г. он предложил так называемую «ионную» центрифугу, основанную на различии центробежных сил, испытываемых ионами разных масс при вращении в скрещенных электрическом и магнитном полях.
В первых расчетах использовали одночастичную модель, т. е. было сделано предположение, что каждый ион движется в электрическом и магнитном полях независимо от других частиц. Затем был рассмотрен случай высокой плотности ионов с учетом соударений между ними, что соответствовало модели ионной жидкости. Отмечена необходимость добавления электронов для нейтрализации объемного заряда ионов. Однако при добавлении требуемого количества электронов к ионной жидкости начинают действовать законы физики плазмы и первоначальная схема становится бессмысленной: диэлектрические свойства плазмы препятствуют
проникновению в нее постоянного электрического поля.
Неоправданные предположения относительно электрического поля в плазме сделаны также Смитом и др. [7.2], и эта ошибка повторяется в литературе до настоящего времени.
Движение плотной (т. е. столкновительной) плазмы, а также распределение давления и температуры в ее объеме могут быть описаны уравнениями переноса, приведенными, например, в работе [7.3].
Вращение плазмы вызывается силами Лореитца k=jXB, которые возникают при двух различных комбинациях компонент тока н магнитного поля: кц, =jrB, или k<p=j:Br. По отношению к разделению изотопов использование аксиального магнитного поля (Вг) кажется предпочтительнее вследствие лучшей аксиальной однородности и существования удерживающей силы при этом типе поля. Здесь рассматривается только дуга в аксиальном магнитном поле цилиндрической, а точнее, конической формы с l/d^ 1, где
I — длина, a d — диаметр дуги.
Ожидалось, что разделение изотопов будет происходить в объеме вращающейся плазмы и в окружающем ее нейтральном газе, поскольку он ускоряется вследствие трения о ионы. Были предложены и рассмотрены теоретически модели разделения ионов и нейтралов [7.4—7.9].
До сих пор большинство экспериментов с вращающейся плазмой было выполнено в разрядах при средних и низких начальных давлениях рабочего газа: 1—25 и 10~2—10~3 мбар (1 бар = = 105 Па). Эксперименты при средних давлениях (см. разд. 7.2) выполнялись на водороде [7.10], гелии, аргоне, криптоне [7.11, 7.12] и неоне [7.13]; при низких — на аргоне (см. § 7.3). Разделение по массам, в том числе разделение изотопов, наблюдалось в нескольких экспериментах [7.11—7.16].
Эксперименты с урановой плазмой были проведены в магнитном поле и без него. Плазму высокой плотности получали во вращающихся [7.11, 7.17] и невращающихся [7.18, 7.19] дугах,
а плазму низкой плотности — путем поверхностной ионизации [7.20].
278
7.2. СРЕДНЕЕ ДАВЛЕНИЕ. ДУГА С КОЛЬЦЕВЫМ АНОДОМ
Модель дуги такого типа, использовавшаяся фирмой «Мессершмитт-Бёльков-Блом» (Мюнхен), имеет штнфтовый катод и кольцевой анод (рис. 7.1). Подобную дугу изучали ранее в Институте
физики плазмы им. Макса Планка в Гархинге [7.10]. Такая геометрия электродов обеспечивает создание радиальной компоненты тока, взаимодействие которой с аксиальным магнитным полем приводит к возникновению азимутальной движущей силы Лорентца. Кроме того, через эффект Холла магнитное поле влияет на радиальное распределение давления в плазме дуги. Ниже эти вопросы обсуждаются детально.
Рис. 7.1. Модель дуги в аксиальном магнитном поле с радиальной и аксиальной компонентами разрядного тока
7.2.1. Теоретические расчеты
Вращение плазмы. Движущая сила Лорентца приводит плазму во вращение вопреки вязким силам и трению о нейтральные частицы. Без учета массового потока и в предположении равенства скоростей нейтралов и ионов уравнение движения для плазмы как целого имеет следующий вид:
____vj_ _ [гВг . ,,
дг2 "г /- Or г2 (л ’ ( }
где Уф, Bz, (1 — соответственно скорость вращения, плотность тока, напряженность магнитного поля и вязкость плазмы.
Были проведены и более подробные расчеты, в которых принималась во внимание конечная длина плазменного шнура, а также связь между распределениями плотности тока и скорости. В качестве примера па рис. 7.2 показано распределение вращательной скорости в г — z-плоскости. Согласно расчету в каждом сечении вблизи оси плазменные слои вращаются с одной угловой частотой. Частота вращения уменьшается в направлении от катода к аноду. Степень этого уменьшения, радиальные размеры дуги и распределение плотности тока зависят от геометрии электродов (их диаметра) и от параметров дуги, что уже обсуждалось в [7.21—7.23].
Из уравннения (7.1) следует, что азимутальная скорость линейно зависит от jrBJn и в принципе может увеличиваться при возрастании тока и магнитного поля,
279
Линейная зависимость и<р ~/Б в некотором диапазоне параметров плазмы подтверждена экспериментально (см. разд. 7.2.1, 7.2.2 и 7.3.1). Теоретические расчеты Дравина [7.24] для иф > >Vi, th (vit th — тепловая скорость ионов) дали следующую зависимость: 1>ф~(/В)'/2.
