Обогащение урана - Беккер Е.
Скачать (прямая ссылка):
7.4. ДРУГИЕ СПОСОБЫ РАЗДЕЛЕНИЯ
7.4.1. Работа на переменном токе
Эксперименты по разделению изотопов в плазме с помощью методов, использующих переменные токи, начаты недавно и сведения об этой области плазменного разделения пока относительно скудны. Параметры «термической» калиевой плазмы, которая использовалась в экспериментах по ионному циклотронному резонансу, известны хорошо, но иначе обстоит дело, например, в случае эксперимента с магнитным сжатием.
Иониый циклотронный резонанс. Селективный нагрев ионов одного сорта является привлекательным способом разделения ионов с различной массой. Один из способов селективного нагрева — выбор частоты приложенного электрического поля v вблизи ионной циклотронной частоты нужного изотопа:
2г.') = мг-= ZeBlmj.
С увеличением энергии (1/2 m-iV? th ) ион вращается по орбите с большим циклотронным радиусом rci = Vi: th/w;, что создает возможность отделить его от других изотопов.
Для разделения изотопов с малой относительной разницей в массах (Ami/mi) плазму следует удерживать в очень однородном магнитном поле (ДВ/В<Д/п,/т,). Поперечные размеры объема, в котором создается магнитное поле, должны превышать максимальный циклотронный радиус выделяемого изотопа. Кроме того, для компенсации объемного заряда необходимо использовать ВЧ-обмотки специальной конструкции.
Область применения этого метода ограничена: требуется достаточно про~ тяженный столб плазмы с низкой плотностью. Для того чтобы нагреваемый ион не терял преждевременно свою энергию при столкновениях с другими ионами, среднее время между столкновениями ти должно быть достаточно большим:
> mi/Ami. (7.8)
Для разделения изотопов урана в магнитном поле В~ 1 Тл при 7'< = 10 эВ плотность плазмы от 1012 до 1013 см-3 представляется приемлемой.
Длина плазменного столба должна быть достаточной, чтобы время пролета ионом зоны нагрева длиной I удовлетворяло условию:
aizi\\^>mll^ml- (7-9) Предварительно эксперименты на Q-машинах * (яе=10104-1011 см-3; 7\ ~Те^
* В Q-машине плазма создается при направлении потока атомов щелочных металлов на горячую вольфрамовую пластииу, где происходит поверхностная ионизация и возникает обратный поток электронов и ионов.
295
— 0,2 эВ; Tix -- 2-104 с-1), выполненные Доусоном и др. [7.35], показали, что
можно нагреть ионы калия до температуры 50 эВ. Измерения относительной
концентрации изотопов 41К/ЗЭК в образцах калия, собранных иа охлаждаемую вольфрамовую леиту, находившуюся под положительным смещением, показали более чем десятикратное обогащение изотопом 41К.
Магнитное сжатие. Бегущая высокочастотная волна генерируется в цилиндрической разрядной камере с помощью спиральной обмотки, однородно намотанной на ее поверхность. Азимутальное переменное электрическое поле вызывает пробой газа. Возникающий в результате пробоя азимутальный ток взаимодействует с радиальным магнитным полем, что создает силу Лорентца, действующую в осевом направлении и сжимающую плазму. Таким образом, высокочастотное поле создает градиент давления, который приводит к бародиффузионному разделению. Для иеона был получен коэффициент разделения 1,3
[7.36].
7.4.2. Работа в импульсном режиме
На короткое время (порядка 1 мс) плазма может создаваться путем разряда конденсаторной батареи через газ. Первые попытки разделить изотопы в импульсном разряде были сделаны Боневье [7.37]. Еге эксперименты с водо-родио-дейтериевыми смесями трудно интерпретировать, так как оии были выполнены в сложной тороидальной геометрии — вращение плазмы подобно вращению автомобильной шины. Импульсный характер процесса ие позволяет интерпретировать результаты в терминах стационарного состояния; локальные параметры плазмы неизвестны. Подобные эксперименты, но с лучшим знанием параметров плазмы были выполнены на неоне Кэрнсом [7.38], который получил коэффициент разделения 1,1.
Джеймс и Симпсон [7.39] выполнили эксперименты с вращающейся неоновой плазмой, которая создавалась при разряде двух конденсаторных батарей (одна из них использовалась для предварительной ионизации газа) между двумя концентрическими электродами диаметром 5,6 и 21,0 см*. Результирующий радиальный ток ионизует газ и, взаимодействуя с продольным магнитным полем, создает действующую в азимутальном направлении силу, которая вращает плазму. Плотность плазмы изменялась от максимальной 5-1015 см"3 (15% ионизация), достигаемой через 0,3 мс от начала разряда, до 5-1014 см~3 через
1,4 мс. В зависимости от напряженности магнитного поля наблюдалось обогащение или обеднение изотопом 20Ne. Очевидно, что в установке действует сложная цепочка процессов. Свойства плазмы недостаточно известны, чтобы определить оптимальные условия для разделения изотопов. Тем ие менее получен коэффициент разделения около 1,2.
7.5. ВЫВОДЫ
Работа, связанная с разделением изотопов в плазме, еще продолжается* Положение быстро изменяется, и в ближайшем будущем новые результаты могут превзойти представленные выше.
* Джеймс и Симпсои [7.40] опубликовали анализ полученных ими характеристик разряда на основе (7.1) с учетом зависимостей уф от времени и координаты г в предположении однородной температуры. Плазма замагничена слабо:
