Обогащение урана - Беккер Е.
Скачать (прямая ссылка):
'292
сической» скоростью. Результирующий неамбиполярный перенос плазмы приводит к возбуждению направленного внутрь радиального тока и соответствующая сила jrB приводит плазму во вращение против сил ионного трения (обусловленных соударениями ион — ион и ион — нейтрал).
Практически весь поток энергии в дуговом шнуре связан с электронной компонентой плазмы. В осевом направлении баланс мощности определяется теплопроводностью, в перпендикулярном — конвекцией.
7.3.2. Разделительные эффекты
Приведенные выше данные показывают, что плазма, с которой мы имеем дело, на практике очень сложна, поэтому процесс разделения изотопов в разряде с полым катодом также сложен и в деталях еще непонятен. Можно отметить следующие факты. Угловая скорость не постоянна по радиусу, а имеет сильный шир. Ее радиальный профиль соответствует радиальному профилю плотности до радиуса г<л, который в зависимости от напряженности магнитного поля В равен 4—5 см. Для r>rh столкновения частиц плазмы с нейтралами становятся преобладающими и ее перенос поперек магнитного поля качественно отличается от переноса внутренней области. Радиальный профиль плотности, который в промежуточной области приблизительно гауссовский, при r = rh имеет излом. Установлено, что в промежуточной области дуги газ обогащается легким изотопом. Зависимость статического коэффициента разделения от радиуса показана на рис. 7.19 (см. также [7.14]). Объяснение эффекта двукратной ионизацией аргона, как предложено в [7.32], невозможно, так как концентрация таких ионов слишком мала.
Поскольку ионная температура и скорость вращения уменьшаются по длине разряда, нельзя пренебрегать продольными эффектами. Такие факты, как увеличение концентрации легкого изотопа у анода и падение температуры в дуге от катода к аноду, вызывают предположение, что за наблюдаемое разделение изотопов частично ответственны термодиффузионные эффекты. Было найдено, что термодиффузионная постоянная vth = ln a/ln(ТА/ТС) порядка 0,1 (Гд,с—ионная температура вблизи анода и катода).
Исследования были посвящены главным образом плазме положительного столба, сложная катодная область пока плохо изучена.
293
Рис. 7.19. Зависимость статического обогащения изотопом 36Аг от радиуса (чисто аргоновая дуга, F = 4,5 см3 НТД/с, /=120 см)
7.3.3. Разделение нейтральных частиц, ускоренных с помощью плазмы
Вследствие малости коэффициента разделения, достижимого непосредственно в плазме, основные усилия, связанные с разделением изотопов в разряде с полым катодом, были направлены на использование плазмы в качестве промежуточной среды, приводящей в движение нейтральный газ. Ожидалось, что таким путем можно соединить высокую угловую скорость с относительно низкой температурой нейтрального газа. Предлагалось создавать вращающуюся плазму в форме полого цилиндра, заполненного нейтральным газом [7.35]. Продольное магнитное поле должно быть достаточно сильным, чтобы уравновешивать давление нейтрального газа; толщина плазменной оболочки должна быть больше длины свободного пробега нейтральных частиц в плазме. Измерения до-плеровского сдвига спектральных линий в излучении внутренней области аргоновой дуги показали, что нейтральные атомы, действительно, могут достигать скорости ионов аргона. Однако большая их доля имеет температуру, равную температуре ионов. Очевидно, что взаимодействие плазмы с нейтралами определяется, главным образом, процессами перезарядки, которые, следовательно, играют важную роль и в разряде с полым катодом.
Вращающиеся полые плазменные цилиндры создавали с помощью катодов, состоящих из двух концентрических цилиндров. Использовали катоды двух размеров, изготовленные из танталовых трубок (диаметр наружной — 20 мм, внутренней — 13 мм; диаметр наружной — 30 мм, внутренней — 20 мм). Так же как при обычных цилиндрических катодах, ионная температура 7^ была постоянной по радиусу, но уменьшалась в направлении к аноду. Значения Т{ и Тп были близки к измеренным при цилиндрических катодах для той же плотности электрического тока и величины газового потока. К сожалению, угловые скорости оказались существенно меньшими. Внутри центральной области vv не пропорциональна г (как в случае обычных цилиндрических катодов), а значение Q в центре плазменного шнура стремится к нулю.
Чтобы увеличить плотность нейтрального газа внутри полого плазменного цилиндра, не изменяя основное газовое питание, в центре катода была установлена керамическая трубка для независимой подачи газа. Дополнительная инжекция относительно большого количества нейтрального газа снижала угловую скорость и в большинстве случаев приводила к уменьшению коэффициента разделения. Многочисленные эксперименты, выполненные при различных параметрах разряда, показали, что разделение, достижимое при вращении полых плазменных цилиндров, не превышает разделительный эффект, полученный при вращении сплошных (аь^1,3). В полом разряде обогащение легким изотопом также происходит вблизи анода и во внешних областях дуги.
294
Другое предложение использовать вращающуюся плазму для вращения нейтрального газа было сделано Ленертом [7.34]. Неясно, однако, как в его модели требуемые постоянные электрические поля могут быть введены в плазму. Кроме того, в модели Ленерта нейтральный газ и плазма смешаны в одном объеме. Представляется более выгодным иметь нейтральный газ максимально отделенным от плазмы.
