Физико-технические аспекты создания устройств магнитоплазменного разделения вещества на элементы и их изотопы на основе пучково-плазменного разряда

Приведены авторские и литературные данные, посвященные изучению возможности создания магнито- плазменного сепарационного устройства на основе пучково-плазменного разряда (ППР), а также возможности его реализации на современном уровне. Сформулированы и обоснованы физические предпосылки (ос- новы) р...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Date:	2009
Main Author:	Скибенко, Е.И.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України 2009
Series:	Вопросы атомной науки и техники
Subjects:	Чистые материалы и вакуумные технологии
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/90718
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Физико-технические аспекты создания устройств магнитоплазменного разделения вещества на элементы и их изотопы на основе пучково-плазменного разряда / Е.И. Скибенко // Вопросы атомной науки и техники. — 2009. — № 6. — С. 67-85. — Бібліогр.: 57 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-90718
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-907182025-02-23T17:28:11Z Физико-технические аспекты создания устройств магнитоплазменного разделения вещества на элементы и их изотопы на основе пучково-плазменного разряда Фізико-технічні аспекти створення пристроїв магніто-плазмового поділу речовини на елементи та їх ізотопи на основі пучково-плазмового розряду Physical and engineering aspects in the development of a separation apparatus for magneto-plasma separation of a material into elements and their isotops on a beam-plasma discharge base Скибенко, Е.И. Чистые материалы и вакуумные технологии Приведены авторские и литературные данные, посвященные изучению возможности создания магнито- плазменного сепарационного устройства на основе пучково-плазменного разряда (ППР), а также возможности его реализации на современном уровне. Сформулированы и обоснованы физические предпосылки (ос- новы) решения подобной задачи в части представления концепции проекта и выбора его параметров, условий создания и нагрева требуемой плазмы, которые должны обеспечиваться развитием физических механизмов (процессов) в самой плазме, приводящих к эффективному самовозбуждению СВЧ- и ВЧ-колебаний, ответственных за нагрев электронов и ионов. Проведен сравнительный анализ действующих и разрабатываемых магнитоплазменных сепараторов (МПС). Рассмотрены вопросы инжекции разделяемого вещества с помощью пучково-плазменного разряда для ионно-атомных сепарационных технологий, тепловые и газо(паро)динамические характеристики блока фазовых превращений, оценены возможные величины производительности МПС при получении изотопно чистых веществ, и возможность использования их для пере- работки ОЯТ и РАО. Наведені авторські та літературні дані, присвячені вивченню можливості створення магніто-плазмового сепараційного пристрою на основі пучково-плазмового розряду (ППР), а також можливості його реалізації на сучасному рівні. Сформульовані та обгрунтовані фізичні засади вирішення подібної задачі в частині представлення концепції проекту та вибору його параметрів, умов створення та нагрівання потрібної плазми, які повинні забезпечуватись розвитком фізичних механізмів в самій плазмі, що приводить до ефективного самозбудження НВЧ та ВЧ-коливань, відповідальних за нагрівання електронів та іонів. Проведено порівняльний аналіз діючих та розроблюваних магнітоплазмових сепараторів (МПС). Розглянуті питання інжекції речовини, що розділяється, за допомогою пучково-плазмового розряду для іонно-атомних сепараційних технологій, теплові та газо(паро)динамічні характеристики блоку фазових перетворень, оцінені можливі величини продуктивності МПС при одержанні ізотопночистих речовин та можливість їх використання для переробки ВЯП та РАВ. The review contains the authors’ and literature data about the study of possibilities in the development of a magneto-plasma separation apparatus on the beam-plasma discharge (BPD) base and its implementation in the state of the art. There formulated and substantiated is the physical background for solution of such a problem concerning a conception of the project, selection of its characteristics, conditions for required plasma formation and heating which should be provided by the evolution of physical mechanisms (processes) inside the plasma leading to the effective self-excitation of microwave and high-frequency oscillations responsible for the electron- and ion heating. Comparative analysis of existing and magneto-plasma separators (MPS) and being developed ones is carried out. The problems on the separated material injection by means of the beam-plasma discharge for ion-atomic separation technologies, thermal and gas (vapor) dynamic characteristics of the phase transformation unit are considered, the capacity of MPS for production of isotopic-purity materials is estimated, and the prospects of using them for reprocessing of NW and RAW are discussed. 2009 Article Физико-технические аспекты создания устройств магнитоплазменного разделения вещества на элементы и их изотопы на основе пучково-плазменного разряда / Е.И. Скибенко // Вопросы атомной науки и техники. — 2009. — № 6. — С. 67-85. — Бібліогр.: 57 назв. — рос. 1562-6016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/90718 533.951;621.039 ru Вопросы атомной науки и техники application/pdf Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Чистые материалы и вакуумные технологии Чистые материалы и вакуумные технологии
spellingShingle	Чистые материалы и вакуумные технологии Чистые материалы и вакуумные технологии Скибенко, Е.И. Физико-технические аспекты создания устройств магнитоплазменного разделения вещества на элементы и их изотопы на основе пучково-плазменного разряда Вопросы атомной науки и техники
description	Приведены авторские и литературные данные, посвященные изучению возможности создания магнито- плазменного сепарационного устройства на основе пучково-плазменного разряда (ППР), а также возможности его реализации на современном уровне. Сформулированы и обоснованы физические предпосылки (ос- новы) решения подобной задачи в части представления концепции проекта и выбора его параметров, условий создания и нагрева требуемой плазмы, которые должны обеспечиваться развитием физических механизмов (процессов) в самой плазме, приводящих к эффективному самовозбуждению СВЧ- и ВЧ-колебаний, ответственных за нагрев электронов и ионов. Проведен сравнительный анализ действующих и разрабатываемых магнитоплазменных сепараторов (МПС). Рассмотрены вопросы инжекции разделяемого вещества с помощью пучково-плазменного разряда для ионно-атомных сепарационных технологий, тепловые и газо(паро)динамические характеристики блока фазовых превращений, оценены возможные величины производительности МПС при получении изотопно чистых веществ, и возможность использования их для пере- работки ОЯТ и РАО.
format	Article
author	Скибенко, Е.И.
author_facet	Скибенко, Е.И.
author_sort	Скибенко, Е.И.
title	Физико-технические аспекты создания устройств магнитоплазменного разделения вещества на элементы и их изотопы на основе пучково-плазменного разряда
title_short	Физико-технические аспекты создания устройств магнитоплазменного разделения вещества на элементы и их изотопы на основе пучково-плазменного разряда
title_full	Физико-технические аспекты создания устройств магнитоплазменного разделения вещества на элементы и их изотопы на основе пучково-плазменного разряда
title_fullStr	Физико-технические аспекты создания устройств магнитоплазменного разделения вещества на элементы и их изотопы на основе пучково-плазменного разряда
title_full_unstemmed	Физико-технические аспекты создания устройств магнитоплазменного разделения вещества на элементы и их изотопы на основе пучково-плазменного разряда
title_sort	физико-технические аспекты создания устройств магнитоплазменного разделения вещества на элементы и их изотопы на основе пучково-плазменного разряда
publisher	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
publishDate	2009
topic_facet	Чистые материалы и вакуумные технологии
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/90718
citation_txt	Физико-технические аспекты создания устройств магнитоплазменного разделения вещества на элементы и их изотопы на основе пучково-плазменного разряда / Е.И. Скибенко // Вопросы атомной науки и техники. — 2009. — № 6. — С. 67-85. — Бібліогр.: 57 назв. — рос.
series	Вопросы атомной науки и техники
work_keys_str_mv	AT skibenkoei fizikotehničeskieaspektysozdaniâustrojstvmagnitoplazmennogorazdeleniâveŝestvanaélementyiihizotopynaosnovepučkovoplazmennogorazrâda AT skibenkoei fízikotehníčníaspektistvorennâpristroívmagnítoplazmovogopodílurečovininaelementitaíhízotopinaosnovípučkovoplazmovogorozrâdu AT skibenkoei physicalandengineeringaspectsinthedevelopmentofaseparationapparatusformagnetoplasmaseparationofamaterialintoelementsandtheirisotopsonabeamplasmadischargebase
first_indexed	2025-11-24T03:54:42Z
last_indexed	2025-11-24T03:54:42Z
_version_	1849642432832995328
fulltext	ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2009. №6. Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (18), с. 67-85. 67 УДК 533.951;621.039 ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ СОЗДАНИЯ УСТРОЙСТВ МАГНИТОПЛАЗМЕННОГО РАЗДЕЛЕНИЯ ВЕЩЕСТВА НА ЭЛЕМЕНТЫ И ИХ ИЗОТОПЫ НА ОСНОВЕ ПУЧКОВО-ПЛАЗМЕННОГО РАЗРЯДА Е.И. Скибенко Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт», Харьков, Украина E-mail: Ykovtun@kipt.kharkov.ua Приведены авторские и литературные данные, посвященные изучению возможности создания магнито- плазменного сепарационного устройства на основе пучково-плазменного разряда (ППР), а также возможно- сти его реализации на современном уровне. Сформулированы и обоснованы физические предпосылки (ос- новы) решения подобной задачи в части представления концепции проекта и выбора его параметров, усло- вий создания и нагрева требуемой плазмы, которые должны обеспечиваться развитием физических меха- низмов (процессов) в самой плазме, приводящих к эффективному самовозбуждению СВЧ- и ВЧ-колебаний, ответственных за нагрев электронов и ионов. Проведен сравнительный анализ действующих и разрабаты- ваемых магнитоплазменных сепараторов (МПС). Рассмотрены вопросы инжекции разделяемого вещества с помощью пучково-плазменного разряда для ионно-атомных сепарационных технологий, тепловые и га- зо(паро)динамические характеристики блока фазовых превращений, оценены возможные величины произ- водительности МПС при получении изотопно чистых веществ, и возможность использования их для пере- работки ОЯТ и РАО. ВВЕДЕНИЕ – ВХОЖДЕНИЕ В ПРОБЛЕМУ В мировом производстве электрической энергии ядерная энергетика занимает одно из ведущих мест. Мировая атомная энергетика сосредоточена примерно в 30 странах, где находится 439 ядерных реакторов общей мощностью 372,2 ГВт. В настоя- щее время атомные электростанции (АЭС) обеспе- чивают более 15% мирового производства электро- энергии и значительную часть национального про- изводства электроэнергии в отдельных странах [1]. Существующие АЭС с их системами безопасности являются экологически наиболее чистыми и безо- пасными источниками электрической энергии по сравнению с другими системами ее генерации. В отношении сырьевой базы атомной энергети- ки Украина обладает достаточными природными возможностями [2]. На ее территории имеется 3 выявленных урановых провинции. Кроме того, по запасам циркониевого сырья Украина занимает одно из ведущих мест в мире и первое среди стран СНГ. По производству циркониевого концентрата (циркона) Украина занимает третье место в мире после Австралии и Южной Африки (ЮАР) [3]. Одним из негативных последствий использова- ния ядерной энергии является образование радио- активных отходов (РАО). Дальнейшее развитие атомной энергетики будет зависеть от решения вопроса о технологии обращения с отработанным ядерным топливом (ОЯТ). Для Украины развитие атомной энергетики должно происходить с учетом триединой комбина- ции следующих факторов: 1 - наличие природных возможностей ее развития; 2 - существование на- сущной потребности в этом; 3 - наличие отягощен- ной прошлым (авария на ЧАЭС) труднорешаемой задачи безопасного обращения с ОЯТ и РАО в течение ближайшей и далекой перспективы. Как правило, в этих отходах 90% радиоактив- ности содержится в менее чем 10% массы вещест- ва с атомным числом А>90. Таким образом, ос- новные принципы и требования обращения с РАО (ЖРО) могут быть удовлетворены, если произве- сти разделение легких, менее радиоактивных, фракций РАО (ЖРО) и тяжелых, более радиоак- тивных. Это может быть достигнуто традицион- ным методом химической переработки ОЯТ путем экстракции урана и плутония из водных растворов их нитратов с помощью жидкого органического растворителя. Альтернативой такой (радиохимической) тех- нологии могут стать разрабатываемые магнито- плазменные методы сепарации вещества и уста- новки для их реализации – сепараторы. Идея дос- таточно эффективной селекции или очистки плаз- мы от примесей изотопов за счет осуществления селективного нагрева ионов в плазменной ловуш- ке на ионно-циклотронном резонансе была сфор- мулирована академиком РАН А.А. Рухадзе с со- трудниками в [4]. При этом возможно разделение ионов плазмы, соответственно вещества РАО и ОЯТ, на легкие и тяжелые массовые группы (так называемая услов- но “частичная сепарация”) либо поэлементное разделение, т.е. “полная сепарация”. При “частич- ной сепарации” основная задача заключается в уменьшении удельной доли низко- и среднеак- тивных отходов в хранимых РАО с тем, чтобы снизить количество отходов для последующего остеклования в боросиликатном стекле. mailto:Ykovtun@kipt.kharkov.ua 1. ДЕЙСТВУЮЩИЕ И РАЗРАБАТЫВАЕ- МЫЕ МПС. СРАВНЕНИЕ Использование МПС в процессе переработки ОЯТ и РАО возможно в следующих случаях: в пер- вом – в качестве первой ступени процесса перера- ботки ОЯТ, а именно, отделение диоксида урана от продуктов распада, что позволит сосредоточить вы- сокоактивные отходы (ВАО) в наиболее компактном виде на приемных пластинах в твердой фазе; во вто- ром – переработка РАО, образующихся на радиохи- мических заводах после химической переработки ОЯТ. В обоих случаях рассматривается “частичная сепарация”. В настоящее время основные магнитоплазмен- ные сепарационные установки разрабатываются и действуют в 5–6 странах мира: США, Франции, Рос- сийской Федерации, Японии, Украине и др. Эти ус- тановки (действующие и разрабатываемые) можно разделить на две группы: исследовательские, на ко- торых отрабатываются процессы создания и нагрева плазмы, селективного разделения вещества на эле- менты и их изотопы; производственного назначе- ния, которые предназначены для промышленной переработки ОЯТ и РАО с различными уровнями производительности. В табл. 1 и 2 приведены пара- метры некоторых из этих установок – представите- лей выше поименованных групп. Таблица 1 Исследовательские сепарационные установки Магнитоплазменные сепарационные установки TRW.Inc. USA [5] 1976 ERIC France [6-9] 1989 СИРЕНА РФ [10] 1993 Назначение установки Разделение Обогащение, разделение Разделение Геометрические размеры: L – длина, R – радиус установки, rp – радиус плазмы L – 1 м, 2rp – 5,7 см L – 3,4 м, R – 0,3 м, 2rp – 12 см L – 0,8 м, 2rp – 6 см Тип магнитной системы и напря- женность магнитного поля, кЭ Тепловая ≤4 Сверхпроводящая 30 Тепловая 1 – 2,8 Однородность Н-поля, ΔH/H – 5·10-3 10-2 Способ и механизм создания сепа- рационной плазмы Термическая иони- зация, ВЧ-разряд Термическое испарение, СВЧ – разряд Термическое испаре- ние, дуговой и ВЧ-разряд Диапазон рабочих частот наружных генераторов, Гц (0,8…1) 105 (1…3,75) 1010 (3…6,6) 105 Параметры плазмы: плотность np, см-3; температура Te/Ti, эВ 109…1011 0,2/0,2 1011…1012 1,4/ 1012 4-7/7…10 Удельные затраты на ионизацию / нагрев, эВ/ион; – – 1000/ Рабочее вещество, разделяемые эле- менты, изотопы Ne, Ar, Xe, Cl-, 39K, 41K Ca, Cr, Zn, 132Ba, 179Yb 6Li, 7Li Особенностью МПС, приведенных в табл. 2, яв- ляется разделение и соответственно нагрев ионов плазмы в скрещенных E- и H-полях, при этом созда- ние электрических полей осуществляется на разных принципах. В сепараторе ПС-1 – индукционный, осуществ- ляемый путем наложения на постоянное, однород- ное магнитное поле слабого переменного, которое индуцирует электрическое поле, ускоряющее ионы. - Для проекта PMF – электростатический, в ко- тором разность потенциалов в плазме создается кон- тактом с торцевыми электродами, присоединенными к источнику напряжения. - В ППР – реализуется механизм коллективного пучково-плазменного взаимодействия в разряде, который позволяет наряду с нагревом электронов производить также нагрев ионов в результате само- возбуждающихся электронным пучком электронных и ионных циклотронных колебаний в разряде [11]. Реализация процесса создания плазмы и нагрева ионов по методу ионно-циклотронного резонанса (ИЦР) диктует конструкцию, компоновку, блочный состав установки, а также сценарий ее обслужива- ния и работы. В этих условиях поперечные геомет- рические размеры (внутренние и наружные) плаз- менного образования, вакуумной камеры и магнит- ной системы усредненно соотносятся как 1:3:4,5:5,75. Все это задает также определенные ус- ловия к формированию необходимой структуры и однородности магнитного поля, что, в свою очередь, накладывает жесткие требования на точность изго- товления катушек магнитного поля, их выставку (монтаж), магнитные свойства используемых конст- рукционных материалов (μ≤1,05) [12]. К недостат- кам магнитоплазменных сепарирующих устройств, использующих для создания и нагрева плазмы ВЧ- и СВЧ-системы (технологии) следует отнести: необ- ходимость расположения внутри вакуумной камеры антенных устройств, а снаружи ее – генерирующих, что достаточно сильно усложняет конструкцию и компоновку установки; весьма жесткие требования к точности изготовления и монтажа катушек маг- нитного поля; значительное увеличение энергоза- трат на получение однородного по z и R магнитного объема, значительно превосходящего объем сепара- ции, вследствие увеличения полного объема маг- 68 нитного поля за счет периферийных областей (Rн >>Rвак. >> Rпл., где Rн - внутренний радиус магнит- ной катушки; Rвак. - радиус вакуумной камеры; Rпл. - радиус плазмы). На рис. 1, 2 и 3 приведены фото- графии внешнего вида действующих установок ER- IC Франция, СИРЕНА РФ, Arhsmedes Plasma Mass Filter APMF (DEMO) США. Таблица 2 Сепарационные установки производственного назначения Сепарационные установки ДИС-1 ННЦ ХФТИ, Украина [55-57] 2005 ПС-1, РФ [16] 2004 PMF (DEMO), USA [13- 15] 2001 ОПН-1* ИПЭНМУ ННЦ ХФТИ, Украина [17-20] 2007 Назначение установки Демонстрационно- имитационная пере- работка ОЯТ Переработка РАО и ОЯТ Переработка РАО и ОЯТ Переработка РАО и ОЯТ, обогащение изо- топов Статус установки Действующая Создание Комплексные испытания Концептуальный про- ект Геометрические размеры: L – длина, R – радиус ус- тановки, rp – радиус плаз- мы L – 1,75 м, R – 0,19 м rp – 0,5 м L – 3,89 м, rp – 0,375 м L – 4 м, , rp – 0,5 м Тип магнитной системы и напряженность магнитно- го поля, кЭ Тепловая 3,5 – Тепловая 1,5 Сверхпроводящая ≤ 30 Способ и механизм созда- ния сепарационной плаз- мы Дуговой разряд с накаливаемым като- дом Распыление или испарение, ЭЦР и ИЦР Паровая или ка- пельная фаза, ВЧ- разряд Распыление, испарение, ППР Диапазон рабочих частот наружных генераторов, Гц – – 4…106 – 2…107 – Параметры плазмы: плот- ность np, см-3, Te/Ti, эВ ~1011 ~5/5 >1013 >1013 1,5-2/ ≥1012…1013 50/20 Удельные затраты на ио- низацию/нагрев, эВ/ион; Менее 500 500/500 500/ Энергозатраты на иониза- цию и нагрев плазмы/ общие энергозатраты, МВт 0,01/ 0,6/ 5/7 1…4/ Производительность уста- новки по переработке 280 г./год по аргону 150 т/год по урану (при np >1013 см-3) 0,63…0,99 т/сут (при np >1013 см-3) 30 т/год по урану (при np = 1012 см-3) *Более подробная информация по концепт-проекту ОПН-1 будет изложена в последующих частях обзора. Анализ существующих и разрабатываемых маг- нитоплазменных сепарационных систем [20-22] по- казывает, что принципиально существует два под- хода к их реализации. Первый заключается в том, что для создания и нагрева плазмы требуемых пара- метров в зоне разделения используются технические устройства и средства, частично размещаемые как внутри сепарационных устройств, например спи- ральные ВЧ-антенны, так и снаружи их, например ВЧ-генераторы. Разделение ионов по массам произ- водится в скрещенных электрических и магнитных полях. Рабочее вещество ионизируется с помощью спиральной ВЧ-антенны. По второму варианту реа- лизации магнитоплазменных сепарационных уст- ройств условия создания и нагрева плазмы обеспе- чиваются развитием физических механизмов (про- цессов) в самой плазме, приводящих, например, к самовозбуждению СВЧ- и ВЧ-колебаний, ответст- венных за нагрев электронов и ионов. К ним можно отнести пучково-плазменную неустойчивость, от- ветственную за развитие пучково-плазменных раз- рядов. Таким образом, далее будет приведено опи- сание устройства для разделения вещества на эле- менты, основу которого составляют коллективные процессы, возникающие при пучково-плазменном взаимодействии (ППВ). Кроме того, для заполнения сепарационного объема плазмой определенный ин- терес представляет метод внешней инжекции через магнитную пробку [18]. Для его реализации на уста- новке ДИС-1 [54] были разработаны плазменные источники тяжелых ионов [55, 56], применение ко- торых позволило провести эксперимент по выделе- нию тяжелой компоненты из ионизированной газо- вой смеси [57]. 2. ПУЧКОВО-ПЛАЗМЕННЫЙ РАЗРЯД КАК МЕХАНИЗМ И СРЕДСТВО СОЗДА- НИЯ СЕПАРАЦИОННОЙ ПЛАЗМЫ Одной из наиболее трудных научно-технических задач в резонансных магнитоплазменных сепарато- рах является инжекция плазмы. Поскольку распре- деление магнитного поля в сепараторе [10,13,23] представляет собой несколько видоизмененную пробочную конфигурацию, например несимметрич- ные пробки, то способы инжекции и механизмы за- хвата плазмы сходны с теми, что действуют в проб- котронах. Принципиально существует по меньшей мере две возможности создания плазмы разделяемо- 69 го вещества и соответственно два варианта разме- щения плазменного источника в пределах сепарато- ра. Размещение плазменного источника во входной зоне магнитного поля представляет собой вариант так называемой ″внешней″ инжекции корпускуляр- ных и плазменных потоков в магнитном поле сепа- ратора по терминологии, принятой в описании от- крытых и замкнутых ловушек для удержания термо- ядерной плазмы [24]. Размещение устройств созда- ния плазмы непосредственно в зоне разделения или использование физических механизмов, обеспечи- вающих создание плазмы там же, т.е. в зоне разде- ления, реализует вариант внутренней инжекции плазмы. Рассматриваемый в данной работе фор- источник или фор-инжектор на основе пучково- плазменного разряда [18,46] является примером реализации внутренней инжекции плазмы в сепара- тор. Таким образом, можно считать, что пучково- плазменный разряд применительно к сепаратору – это виртуальный плазменный источник внутреннего размещения. Его достоинства и преимущества по сравнению с внешней инжекцией заключаются в следующем: – электронный пучок в вакууме и продольном магнитном поле распространяется практически без потерь на любые расстояния в пределах названых цифр (несколько погонных метров), т.е. плазма мо- жет быть образована в любой точке транспортного тракта длиной в несколько метров, а именно, в зоне разделения; Рис. 1. Внешний вид установки ERIC, Франция Рис. 2. Внешний вид установки СИРЕНА, РФ Рис. 3. Внешний вид установки APMF (DEMO), США – в массовом составе образуемой плазмы при- сутствуют только частицы (ионы, нейтралы) подан- ного рабочего вещества, и она не загрязняется час- тицами материалов электродов, диафрагм и т.п., как это имеет место при использовании других методов образования плазмы; – в условиях пучково-плазменного разряда дос- тигается 100% выгорание нейтралов [25]; – реализация пучково-плазменного разряда до- пускает использование различных способов подачи рабочего вещества, по сути дела, в любую точку (область) инжекционного тракта. – реализация требуемых параметров плазмы ne, ni, Te, Ti в широком диапазоне значений; – управляемость параметров разряда и соответ- ственно параметров образующейся плазмы, по не- скольким степеням контроля и управления; – в пучково-плазменном разряде самосогласо- ванно формируется поперечное (радиальное) элек- трическое поле, приводящее к вращению плазмы, помещенной в продольное магнитное поле, и нагре- ву ионов плазмы. 2.1. Выбор параметров ППР Основные требования к ППР и, собственно, к се- паратору на его основе должны быть сформулиро- ваны с учетом макропараметров МПС (геометрии, размеров, величины магнитного поля, диагностики на фазе разделения изотопов), а также микропара- метров плазмы (плотности, температуры, их флук- туации, пространственного распределения, зарядно- сти ионов, скорости вращения плазмы, ее устойчи- вости или неустойчивости). Итак, основные требо- вания: – плотность плазмы на уровне 1012 … 1013 см-3; – температура электронов плазмы Те ≤ 50 эВ; – температура ионов Тi ~ 20 эВ; – величина потока плазмы npvps порядка 1 1019с-1; – скорость движения плазменного потока ~ 3 … 5·104 см/с; – поток нейтралов в зону разделения не более 3,5·1018 с-1; – удобство в размещении ионоприемных пластин (электродов) для сбора полезной продукции; – режим работы – стационарный или квазиста- ционарный; – наличие естественного поперечного E-поля в плазме; – обеспечение выхода полезных ионов на ионно- приемные пластины в рабочем режиме без введения 70 дополнительных электрических полей и электродов для их создания; – возможность создания и поддержания на про- тяжении рабочего цикла более равномерного рас- пределения плотности плазмы по сечению плазмен- ной камеры МПС; – возможность регулировки и управления физи- ческими параметрами разряда, т.е. путем изменения его технологических параметров. В разряде такого типа реализуются условия электронно-циклотронного резонанса (ЭЦР) и ИЦР. Источником СВЧ0- и ВЧ-колебаний является ин- жектируемый электронный пучок. Отпадает необ- ходимость во внешних СВЧ-генераторах и антенных устройствах. Известно [11], что образование пучково- плазменного разряда критично к длине взаимодей- ствия. Это объясняется тем, что существует наи- меньшая длина, на которой возможно возбуждение колебаний до заметной амплитуды. Минимальная длина взаимодействия, на которой пучок растрачи- вает свою энергию на возбуждение плазменных ко- лебаний, может быть оценена по формуле [11]: p e n j EvL 80 10−≈≈ γ , (1) где γ – инкремент нарастания амплитуды колебания; v0 – направленная скорость электронов в пучке; Ee – энергия электронов пучка, эВ; j – плотность тока пучка, А/см2; np – концентрация плазмы, см-3. С ростом длины взаимодействия электронного пучка с плазмой амплитуда колебаний растет, и при определенных длинах она может достигать величи- ны, достаточной для дополнительной ионизации газа. Начиная с этой длины и возникает плазменно- пучковый разряд. В работе [26] при изучении функ- ции распределения электронного пучка, при возбу- ждении ВЧ-колебаний в создаваемой им плазме об- наружен эффект перехода системы плазма-пучок в режим с трансформацией энергии в низкочастотную часть спектра при отрицательной производной (df/dve < 0) функции распределения, который под- тверждает квазилинейную теорию пучково- дрейфовой неустойчивости в системах с радиально- ограниченным электронным пучком. Характерным является то, что в режиме с плато на функции рас- пределения (df/dve = 0) величина потерь мощности пучка, нарастая при увеличении ВЧ-колебаний до 30%, при срыве ВЧ-колебаний не уменьшается, а возрастает до величины порядка 70%. На рис. 4, а,б приведены зависимости эффективной длины пучко- во-плазменного взаимодействия от плотности тока электронного пучка в диапазоне значений j = 0 … 50 А/см2 при различных значениях его энергии (1, 5 и 15 кэВ) для плотности плазмы 1010 и 1012 см-3. Вид- но, что диапазон расчетных значений эффективной длины ППВ простирается от долей сантиметров до десятков и сотен сантриметров. Для реально полу- чаемых токов электронного пучка (10 … 20 А) при поперечних размерах 2R ~ 1 см имеем плотность тока j ~ 10 …25 А/см2 и соответственно, длину взаимодействия L ~ 10…20 см. При более высоких значениях плотности тока, например ≤ 100 А/см2, требуемые длины взаимодействия остаются на том же уровне или несколько уменьшаются. 2.2. Создание плазмы методом ППР Исследования пучкового метода создания плот- ной плазмы представляют многогранный интерес, в первую очередь чисто физический, так как интен- сивность взаимодействия электронного пучка с плазмой может возрастать с увеличением плотно- сти, могут увеличиваться инкременты нарастания колебаний в системе плазма-пучок и потери энергии пучка в плазме; в прикладном ключе появляется возможность на получение термоядерных или око- лотермоядерных параметров и определение опти- мальных условий образования и нагрева плотной плазмы при инжекции электронных пучков в маг- нитные ловушки; это важно также и для генерации волн в субмиллиметровом диапазоне, создания эф- фективного ионизатора пучков быстрых нейтраль- ных атомов и т.д. 0 10 20 30 40 50 0 2 4 6 8 10 12 14 16 l, см j, А/см2 Ee= 15 KeV Ee= 5 KeV Ee=1 KeV а 0 10 20 30 40 50 0 20 40 60 80 100 120 140 160 l, см j, A/cm2 Ee = 15KeV Ee = 5KeV Ee = 1KeV б Рис. 4. Зависимость эффективной длины пучково- плазменного взаимодействия от плотности тока электронного пучка для различных значений его энергии при плотности плазмы: а – np = 1010см-3; б – np = 1012см-3 Исследование плотных характеристик пучково- плазменного разряда проводилось с помощью СВЧ, зондовых и корпускулярных методик. Время от на- чала разряда до момента полного запирания микро- волнового сигнала с λ=8 и 4 мм определяется вре- менем нарастания плотности плазмы до величины nкр.≥ 1,8·1013 см-3 и nкр.≥ 7·1013 см-3 соответственно. В эксперименте производилось определение време- ни нарастания Δτ плотной аргоновой плазмы в зави- 71 симости от параметров ППР, таких как ток Ie и энер- гия Ee электронного пучка, напряженность H0 маг- нитного поля в центре ловушки, плотность n0 ней- трального газа (пара или смеси), отношение δ попе- речной энергии электронов пучка к продольной (см. рис. 5,а-д). Установлено, что при токе электронного пучка Ie≥2 А время нарастания Δτ составляет при- мерно 10-30 мкс, а при токах Ie<2 А эти времена возрастают более чем на порядок (см. рис. 5,а). Вы- яснение сущности процессов, происходящих при ионизации плотной нейтральной среды электрон- ным пучком, проведено путем сравнения экспери- ментальных результатов с расчетными. 0 2 4 6 8 10 12 14 0 10 20 30 40 2 1 Ie, A Ha, êÝ b 0 2 4 6 8 10 10 100 Δτ,ì êñ Δτ,ì êñ 1 2 a 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 0 10 20 30 40 d Ee,êýÂ 0 2 4 6 8 0 5 10 15 20 25 ñ 2 1 Δτ,ì êñ Δτ,ì êñ n0 ×10-14,ñì -3 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 0 10 20 30 40 50 e Δτ,ì êñ Δδ=E ⊥ /E \|\| , % Рис.5. Зависимость времени образования плазмы от параметров разряда – тока пучка (a), напряженно- сти магнитного поля (б), плотность нейтрального газа (в), энергии пучка (г) и поперечной составляю- щей энергии электронного пучка (д) Процесс ионизации является двухстадийным и проходит вначале стадию линейного роста плотно- сти плазмы, а затем стадию экспоненциального рос- та. На первой стадии ионизация среды осуществля- ется электронами пучка, а на второй – электронами вновь образованной плазмы. Для импульсных раз- рядов предполагается, что времена ускорения элек- тронов плазмы много меньше времени нарастания плотности плазмы, а потери плазмы при np << n0 пренебрежимо малы, что справедливо для момента времени t<< τ, где τ – время жизни плазмы. В ста- ционаре время нарастания в большей мере опреде- ляется балансом экспоненциального роста плотно- сти и потерями плазмы из ловушки. Как показали проведенные эксперименты, через 5…10 мкс после начала инжекции электронного пучка плотность плазмы достигает значений nкр.≥ 1,8·1013 см-3 и через 10…30 мкс значений nкр.≥ 7·1013 см-3. Измерения с помощью диамагнитных зондов показали, что при плотностях плазмы равных ~1,8·1013 см-3 и 7·1013 см-3 величина произведения npT составляет 5…6·1014 и 2…3·1015 эВ/см2 соответственно. Т.е. можно счи- тать, что энергия электронов (температура электро- нов в предположении Te >> Ti для начального пе- риода разряда) составляет 30…40 эВ. Попутно от- метим, что в более поздние моменты разряда (t~100 мкс) после достижения 100% ионизации ней- тральной среды электронная температура достигает значений 2…3 кэВ. Наряду с определением зависи- мости Δτ=f(Ie) (см. рис. 5,а) производилось также измерение зависимостей Δτ=f(H0) (см. рис. 5,б), Δτ=f(n0) (см. рис. 5,в), Δτ=f(Ee) (см. рис. 5,г), Δτ=f(δ) (см. рис. 5,д). При этом установлено следующее: а б 1) В исследуемом диапазоне напряженностей магнитного поля 0,5…14 кЭ величина магнитного поля слабо влияет на процессы образования плазмы в пучково-плазменном разряде. в 2) С увеличением плотности нейтрального газа (n0.≥ 1·1014 см-3) время нарастания плотности моно- тонно убывает и составляет 5…20 мкс. Такой ход зависимости Δτ=f(n0) связан с тем, что при больших значениях n0 быстрее достигается стартовое значе- ние плотности плазмы, после достижения которого число частиц, участвующих в процессе ионизации, растет экспоненциально; кроме того, частота соуда- рений электрон-нейтрал увеличивается с ростом n0. г 3) Увеличение энергии инжектируемых электро- нов от 9 до 21 кэВ приводит к снижению времени нарастания плотности плазмы почтив 2 раза. 4) Существенное влияние на процессы образова- ния плотной плазмы оказывают условия инжекции электронов пучка, а именно: наличие у электронно- го пучка поперечной составляющей энергии E┴ и ее абсолютная величина или отношение IIE E⊥=0δ . Наблюдено, что при изменении δ от 3 до 40% вели- чина Δτ уменьшилась почти на порядок. Это может объяснятся тем, что при наличии у электронов пучка поперечной составляющей энергии увеличивается их длина пробега в среде нейтрального газа и, как следствие, – увеличивается число соударений элек- трон-нейтрал. Кроме того, возрастает интенсивность (эффективность) нагрева плазменных электронов, производящих ионизацию, так возрастает амплитуда возбуждаемых колебаний в системе плазма-пучок и происходит расширение спектра частот [27-29]. Та- ким образом, соответствующим выбором условий инжекции электронного пуча можно достичь высо- кой эффективности образования плотной плазмы при взаимодействии электронного пучка с газовой д 72 мишенью. Заметим, что в данной серии эксперимен- тов были достигнуты максимальные значения плот- ности аргоновой плазмы равные 1 1015 см-3. 2.3. Нагрев плазмы (e-+i+) методом ППР Известно [11, 22, 29], что эффективность пучко- вого нагрева плазмы плотностью np > nв, где np – плотность плазмы, а nв – плотность пучка, зависит от тока и энергии электронного пучка, плотности плазмы и нейтрального газа, конфигурации и на- пряженности магнитного поля, от способа ввода (инжекции) электронного пучка в зону удерживаю- щего магнитного поля. Рассмотрим детально влияние этих параметров на эффективность нагрева. Итак, коэффициент ос- лабления мощности пучка на плазме или величина полных потерь энергии электронного пучка, харак- теризующие меру их взаимодействия, определяется как 0 10 1 W WW − =η , (2) где W0 – мощность инжектируемого электронного пучка, а W1 – мощность пучка после взаимодействия с плазмой, рассчитываемая по формуле W1 = Je Ee. Эксперименты по определению величины коэф- фициента η1 проводились на установке, состоящей из двух магнитных катушек, электронной пушки, локализованной в пространстве газовой мишени. Электронная пушка в исходном положении распола- галась нормально к магнитной оси. В случае необ- ходимости согласно [19] с помощью поворотного устройства она могла быть ориентирована под уг- лом к оси магнитного поля. Изменяя угол ее про- странственной ориентации, можно было плавным образом изменить отношение E┴ / E║ поперечной энергии пучка к продольной энергии. Для диагно- стики параметров пучка и плазмы использовались следующие средства: пояс Роговского, СВЧ- интерферометр, калориметр, термозонды, рентге- новская и активная корпускулярная методики. Экс- периментально установлено, что при взаимодейст- вии с плазмой плотностью 1014 …1015 см-3 в магнит- ных полях напряженностью H0 ≤ 35 кЭ электронный пучок может потерять до 50…60% своей первона- чальной мощности (рис. 6). 0 5 10 15 20 25 30 35 0 10 20 30 40 50 60 70 H0, кЭ η, % Рис.6. Зависимость коэффициента ослабления мощности электронного пучка от напряженности магнитного поля При плотностях 1012…1013 см-3 и H0 < 10 кЭ уро- вень потерь составляет 10…20%. Характерные вре- мена нагрева плазмы с учетом времени ее образова- ния в зависимости от плотности плазмы простира- ются от 100 до 300 мкс. Изменение величины H0 от 5 до 15 кЭ приводит к увеличению энергосодержа- ния плазмы более чем на два порядка величины, что соответствует увеличению температуры плазмы от нескольких электронвольт до нескольких сотен электронвольт и более (рис. 7), что по сути дела от- вечает основным требованиям [17,36], предъявляе- мым к плазменным источникам для сепарационных технологий. 0 2 4 6 8 10 12 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 H0,кЭ Тe, эВ 1 2 Рис.7. Зависимость электронной температуры плазмы пучково-плазменного разряда от напряжен- ности магнитного поля: 1 – np = 7·1013 см-3, Ee = 30 кэВ, Ie = 7,2 А, δ = E┴/E║ = 6%; 2 – np = 7·1013 см-3, Ee = 30 кэВ, Ie = 10 А, δ = E┴/E║ = 38% При анализе зависимостей энергосодержания плазмы от напряженности магнитного поля можно сделать вывод, что нагрев плазмы сильно зависит от соотношения между электронной плазменной часто- той ω0e и электронной циклотронной частотой ωHe [30, 31]. Такой же вывод следует из зависимости электронной температуры плазмы от ее плотности при постоянном магнитном поле (рис. 8). Важное значение для нагрева плазмы в магнитном поле про- бочной конфигурации имеет наличие поперечной составляющей энергии у электронов пучка. Кроме того, оказывается, что в исследованном диапазоне магнитных полей нагрев сильнее зависит от энергии пучка, чем от его тока. С ростом напряженности магнитного поля разница в получаемом эффекте нагрева все меньше зависит от способа введения энергии в плазму и определяется общим энергосо- держанием (мощностью) пучка. Что касается коэф- фициента полезного действия (КПД) пучка, опреде- ляемого как p в в ppp t Q vTn τ η ⋅=2 , (3) где vp – объем плазмы; τp – время жизни плазмы, то его величина изменяется с увеличением энергосо- держания пучка и достаточно сильно зависит от ве- 73 личины магнитного поля. Иллюстрация: если при H0 = 5 кЭ η2 ≤ 0,1%, то при H0 = 11 кЭ η2 = 15%. Увели- чение КПД η2 с ростом магнитного поля свидетель- ствует об увеличении эффективности взаимодейст- вия электронного пучка с плазмой в сильных маг- нитных полях. Увеличение мощности электронного пучка от 0,3 до 4 МВт и напряженности магнитного поля до 40 кЭ подтвердило приведенную выше за- висимость энергосодержания плазмы от этих пара- метров разряда. Отметим, что при этом плотность электронного тока достигала j = 500 А/см2. 0 2 4 6 0 20 40 60 80 100 120 140 np ∗10-14,см-3 Te, эВ Рис.8. Зависимость электронной температуры плазмы пучково-плазменного разряда от плотности плазмы при H0 = 12 кЭ Как указывалось ранее, [32-35, 37-40], в пучково- плазменном разряде наряду с нагревом электронов происходит также нагрев ионов. Для определения ионной температуры плазмы в ППР использовался анализатор нейтральных частиц, а также термопарный зонд. Анализатор нейтралов располагался поперек магнитного поля; на его вход- ную щель попадали только перезаряженные ионы, вылетающие из плазмы. Анализатор и его детектор калибровались пучком ионов аргона заданной энер- гии. Потери нейтралов в результате обдирки на ос- таточном газе составляли ≤1% при эффективности обдирки внутри анализатора на сверхзвуковой струе Ar более 10%. Для измерения средней энергии ио- нов применялся термопарный зонд, который распо- лагался поперек магнитного поля. Зонд калибровал- ся в импульсном режиме электронным пучком, ин- тенсивность которого измерялась поясом Роговско- го и цилиндром Фарадея, а в стационарном режиме – ионным пучком с известным током. Чувствитель- ность термозонда составила 7·10-3 Дж/мВ. Было проведено разделение вклада корпускулярного и светового излучения, приходящего из плазмы. Для этого торец зонда закрывался кварцевым фильтром. Амплитуда сигнала при этом уменьшалась в 10- 15раз, что позволило сделать выводы о том, что ос- новной вклад в энергетический поток, регистрируе- мый зондом, вносят частицы, излучаемые плазмой разряда. На рис. 9,а приведена зависимость сигнала термозонда от напряженности магнитного поля. В полях при H0≤10 кЭ уровень сигнала практически не изменяется и только при H0>10 кЭ начинается за- метный рост термоЭДС. На основании данных рис. 9,a и других ему подобных зависимостей была вы- числена средняя энергия Ei быстрых частиц плазмы, которая оказалась равной 100…200 эВ. При увели- чении мощности пучка величина Ei возрастала до 400 эВ. На рис. 9,б приведены зависимости средней энергии частиц от напряженности магнитного поля для различных плотностей плазмы. Наряду с изме- рением потока энергии, уносимого из плазмы быст- рыми нейтральными атомами, с помощью детектора нейтралов производились измерения их энергетиче- ского распределения. Как и в случае с термозондом, заметный рост потока нейтралов начинается со зна- чения H0>10 кЭ, а максимум зависимости I0=f(n0) лежит при значениях n0=1,4·1013 см-3. 0 5 10 15 20 25 30 0 50 100 150 np=6 1013 см-3 H, кЭ Ei, эВ b np=3 1013 см-3 0 5 10 15 20 25 30 1 10 U, мВ H, кЭ aа б 0 5 10 15 20 25 30 0 2 4 6 w=wHi H, кЭ H, кЭ Er, кВ/см d 0 5 10 15 20 25 30 0 5 10 15 20 vвр., см/с 106 c w=wHi в г Рис. 9. Зависимость амплитуды сигнала термозонда (a), средней энергии частиц плазмы поперек магнитного поля (б), расчетных величин скорости вращения плазмы (в) и напряженности радиального электрического поля (г) от напряжен- ности продольного магнитного поля По результатам этих измерений было получено энергетическое распределение частиц, вышедших из плазмы. Считая, что распределение ионов плазмы носит максвелловский характер, можно определить их температуру, которая по порядку величины со- гласуется с результатами термозондовых измерений. Были зафиксированы также нейтралы с энергией до 24 кэВ, но количество этих частиц невелико. Появ- ление ионов с такими энергиями свидетельствует о том, что их ускорение проходит на расстоянии мно- го меньше ларморовского радиуса и что ускорение частиц происходит в полях с большой напряженно- стью. Считая, что средняя энергия ионов плазмы, вылетающих из плазмы, примерно равна средней 74 энергии нейтральных атомов, вылетающих из плаз- мы, получаем, что энергосодержание NTi плазмы по ионам составляет 6…8·1016 эВ/см3, что более чем на порядок меньше энергосодержания плазмы по элек- тронам, которое равняется 1,5·1018 эВ/см3. С учетом работ [34, 41] можно указать на два возможных объяснения факта нагрева ионов плаз- мы. Первое связано с возникновением в разряде ра- диального электрического поля, приводящего к вращению плазмы, помещенной в продольное маг- нитное поле, с равновесной круговой частотой: ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ += er mv E rH c вр r z вр 2 ω , (4) где Er – напряженность радиального электрического поля; Hz – напряженность магнитного поля; r – по- перечный размер системы; vвр – скорость вращения плазмы. Влияние центробежной силы, приводящей к вращению электронов и ионов в скрещенных →→ −− HE и полях с разной частотой, учитывается чле- ном ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ er mvвр 2 . Известно [29, 32, 41, 42], что относи- тельное движение различных по заряду и массе компонент плазмы приводит к неустойчивости плазмы относительно продольных колебаний вра- щающейся плазмы и возникновению ионно- циклотронных колебаний с частотами и инкремен- тами порядка ионной циклотронной частоты (ω~ωHi), когда частота вращения становится порядка ωHi. Полагая, что потенциал плазмы порядка kT, т.е. eU~kT, получаем напряженность электрического поля Er = eU/r. Знание величины напряженности электрического поля Er позволяет оценить частоту ωвр и скорость vвр вращения плазмы, среднюю энер- гию ионов, что необходимо для достижения сепара- ционного эффекта. На рис. 9,в и 9,г приведены рас- четные зависимости скорости вращения плазмы в скрещенных − →→ HE и - полях и напряженности ради- ального электрического поля от напряженности магнитного поля для случая ωвр≈ωHi и принятых па- раметров разряда и установки [21]. Второе возмож- ное объяснение нагрева ионов связано с выводом работ [34-35] о том, что высокочастотные волны большой амплитуды, возбуждаемые мощным элек- тронным пучком в плазме, неустойчивы относи- тельно возбуждения низкочастотных волн. Это при- водит к тому, электронные пучки могут эффективно греть электроны и ионы плазмы. 3. АВТОРСКОЕ ПРЕДЛОЖЕНИЕ – МПС НА ОСНОВЕ ППР. ПАРАМЕТРЫ. ОТЛИЧИЯ Расчеты показывают, что эффективная длина торможения первичного электронного пучка при ППВ для np= 1012…1013 см-3 простирается от десят- ков сантиметров до нескольких метров, что в прин- ципе соответствует линейным размерам сепараци- онных устройств и укладывается в пределы области разделения элементов или их изотопов. Экспери- ментально установлено [22], что при взаимодейст- вии с плазмой плотностью 1014 …1015 см-3 в магнит- ных полях напряженностью H0 ≤ 35 кЭ электронный пучок может потерять до 65% своей первоначальной мощности. При плотностях 1012…1013 см-3 и H0 < 10 кЭ уровень потерь составляет 10…20%. Измене- ние величины H0 от 5 до 15 кЭ приводит к увеличе- нию энергосодержания плазмы более чем на два порядка величины, что соответствует увеличению температуры плазмы от нескольких электрон-вольт до нескольких сотен электрон-вольт и более, что по сути дела отвечает основным требованиям, предъ- являемым к МПС [17]. Показано, что эффективность пучкового нагрева плазмы плотностью np>nb, где np – плотность плазмы, а nb – плотность пучка, зависит от тока и энергии пучка, плотности плазмы и ней- тральной среды, конфигурации и напряженности магнитного поля, от способа ввода (инжекции) элек- тронного пучка в зону удерживающего поля. В пуч- ково-плазменном разряде наряду с нагревом элек- тронов происходит нагрев ионов. Основным меха- низмом нагрева обеих компонентов плазмы является циклотронный механизм – циклотронный резонанас. В случае электронной компоненты плазмы нагрев ее сильно зависит от соотношения между электронной плазменной частотой ωoe и электронной циклотрон- ной частотой ωHe (рис. 10). Экспериментально уста- новлено, что максимальный нагрев электронов про- исходит в условиях циклотронного резонанса в точ- ке ωoe = 2ωHe. В то же время нагрев ионов эффекти- вен, когда частота вращения плазмы в скрещенных →→ −− HE и полях становится порядка ионно- циклотронной частоты ωHi, что приводит к возник- новению ионно-циклотронных колебаний с часто- тами и инкрементами порядка ионно-циклотронной частоты ω ~ ωHi. Таким образом, в системе реализу- ется нагрев вследствие ионно-циклотронного резо- нанса. 8 7 6 5 4 3 2 1 10 100 ωOe/ωHe Te, эВ Рис. 10. Зависимость электронной температуры плазмы пучково-плазменного разряда от соотноше- ния электронной плазменной частоты ωOe и электронной циклотронной частоты ωHe Отличительными чертами магнитоплазменного устройства на основе пучково-плазменного разряда от известных устройств подобного типа являются: способ создания и нагрева плазмы; возможность одновременного или раздельного использования испарительных и распылительных механизмов по- 75 дачи рабочего вещества в разряд; конструктивное упрощение при отказе от использования внешних ВЧ-генераторов и внутренних антенных устройств для образования и нагрева плазмы; снижение жест- кости требований к параметрам и топографии маг- нитной системы; снижение энергетических затрат на создание и нагрев плазмы. Действующие ноу-хау связаны с особенностями инжекции электронного пучка, подачи поджигающего газа, геометрии маг- нитной системы и реализации пучково-плазменного взаимодействия. На рис. 11 и 12 приведены различные виды предлагаемого сепарирующего устройства на основе пучково-плазменного разряда, представляющие раз- личные этапы проработки его концептуального про- екта. Рис. 11 – это схематическое изображение сепа- рирующего устройства с обозначением основных функциональных узлов и блоков в их физико- технической связи и взаимодействии. Рис. 12 – объ- емное изображение сепарирующего устройства на основе пучково-плазменного разряда ОПН-1 (кон- цептуальный проект). Параметры этого устройства приведены в табл. 2. Соответствующим выбором условий инжекции электронного пучка можно добиться высокой эф- фективности образования плазмы при взаимодейст- вии электронного пучка с парами разделяемого ве- щества. В целом регулировка параметров плазмы (плотности и температуры) производится путем из- менения энергии и тока пучка, угла его инжекции, плотности (количества) паров разделяемого вещест- ва в объеме вакуумной камеры, напряженности маг- нитного поля. В случае, если разделяемое вещество в своем составе имеет легкую и тяжелую фракцию, то образовавшиеся в разряде ионы разделяются по массам и собираются на приемных пластинах – лег- кие на пластинах в торце камеры, тяжелые ионы в центре камеры на боковой ее поверхности. Более подробно концепция разделения в этом случае мо- жет выглядеть следующим образом Рис. 11. Схема сепарационного устройства ОПН-1 на основе пучково-плазменного разряда: 1 – вакуумная камера; 2 – электронная пушка; 3 – радиационные экраны; 4 – диагностические ок- на; 5 – магнитные катушки; 6 – блок фазовых пре- вращений; 7 – натекатель поджигающего газа; 8 – приемные пластины; 9 – приемник пучка; 10 – криогенный насос; 11 – откачной пост; 12 – лайнер; α – угол пространственной ориентации электронной пушки Рис. 12. Объемное изображение сепарационного устройства ОПН-1 на основе пучково-плазменного разряда - В продольное магнитное поле пробочной кон- фигурации вдоль оси z инжектируется рабочее ве- щество в требуемом фазовом состоянии, например, в виде сверхзвуковой струи. - Электронный пучок, вводимый в магнитную ловушку через пробку, ионизирует рабочее вещест- во и нагревает электроны и ионы образовавшейся плазмы до требуемых температур (а в принципе до несколько сот электронвольт или более) в результа- те развития пучковой неустойчивости с возможной реализацией всех осуществляемых в системе плаз- ма-пучок механизмов и частот (плазменных, цикло- тронных, верхнегибридных, нижнегибридных, их гармоник и др.). - В образовавшейся и нагретой до температуры Ti плазме, находящейся в продольном магнитном поле, ионы с разными массами имеют разные лар- моровские радиусы. Используя различие ларморов- ских радиусов, производится разделение относи- тельно “легких” и “тяжелых” ионов, а именно: “тя- желые” ионы осаждаются на боковых электродах, расположенных вдоль внутренней поверхности ци- линдрической части корпуса установки, а “легкие” уходят и выделяются на торцевых электродах. - В данном варианте разделение вещества произ- водится грубо по массовым группам. Высокая про- изводительность разделения может достигаться в том случае, если в процессе участвуют все ионы плазмы. - В случае необходимости, например Ti – мало, можно дополнительно ввести внешнее радиальное электрическое поле Er, подав соответствующий по- тенциал на торцевые электроды или между анодом электронной пушки и стенкой камеры. 4. СКОРОСТЬ ОБРАЗОВАНИЯ (ИОНИЗАЦИИ) УРАНОВОЙ ПЛАЗМЫ ЭЛЕКТРОНАМИ ПЕРВИЧНОГО ПУЧКА И ВТОРИЧНЫМИ ЭЛЕКТРОНАМИ ПЛАЗМЫ Определенный интерес для сепарационных тех- нологий, предназначенных для переработки РАО и ОЯТ, представляет рассмотрение элементарных процессов, происходящих при ионизации вещества РАО и ОЯТ. Номенклатура частиц, участвующих и образующихся в результате элементарных процес- сов на начальной стадии разряда, состоит из сле- дующих молекул, атомов и ионов: UO2, UO, U, O2, 76 U+, O+, O2 + и др. Среди всего многообразия возмож- ных типов столкновений необходимо выделить ос- новные элементарные процессы физики атомных и электронных столкновений [43]. Это – ионизация и возбуждение электронным ударом, диссоциация и диссоциативная ионизация электронным ударом. На основании вышесказанного проведем расчет плотности плазмы в случае ионизации металличе- ского урана. На рис. 13 приведены расчетные зави- симости плотности плазмы от времени для металли- ческого урана [44, 45]. Рис. 13,а – ионизация урана происходит только за счет электронов первичного пучка, при этом время достижения плотности плаз- мы ~1011см-3 составит 1 мс. Рис. 13,б – при основном вкладе в ионизацию, вносимом вторичными элек- тронами плазмы (экспоненциальная стадия разряда), время достижения плотности плазмы ~2·1011 см-3 составляет 28 мкс при Те=100 эВ и 53 мкс при Те=20 эВ. 1E10 1E11 1E12 n p,с м-3 t 104, с 2 4 6 8 10 5кэВ 10кэВ 15кэВ а 0,0 5,0x1010 1,0x1011 1,5x1011 2,0x1011 2,5x1011 n p, с м-3 t 105, с 1 3 4 5 62 20эВ50эВ100эВ б Рис. 13. Динамика роста плотности плазмы, рассчитанная для металлического урана: а – ионизация электронами первичного пучка; б – ионизация вторичными электронами плазмы 5. КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ МПС НА ОСНОВЕ ППР В рамках проработки концептуального проекта в [21] приведены параметры опытной установки про- изводственного назначения ОПН-1 на основе пучко- во-плазменного разряда, предназначенной для пере- работки ОЯТ и РАО. В то же время ощущается не- обходимость в приведении конструктивных и тех- нологических особенностей проекта и проявляется интерес к обсуждению подобных вопросов. Поэтому для восполнения этого пробела ставится задача опи- сания некоторых конструктивных и технологиче- ских характеристик и особенностей сепарирующего устройства на основе пучково-плазменного разряда (см. рис.11,12). В данном случае остановимся на содержании и описании некоторых основных бло- ков сепарирующего устройства ОПН-1 [17, 19, 20, 21, 46], в частности блока фазовых превращений (БФП), магнитной системы (МС), электронной пуш- ки (ЭП). Итак, в БФП методами физического воздействия (плавления, испарения, корпускулярного распыле- ния) происходит переход рабочего вещества из ис- ходного состояния в парообразное – пригодное для ионизации. Основные требования к БФП следую- щие: достижение необходимых скоростей испарения рабочего вещества для поддержания постоянства величины плазменного потока на уровне ~5·1021 част./с; достижение условий сохранения не- прерывности потока разделяемого вещества на дли- не сепарирующего устройства, включая область БФП и зону ионизации; обеспечение осевой направ- ленности потока испаряемого вещества, вводимого в область ионизации с тем, чтобы минимизировать потери вещества из основного потока его конденса- цией на внутренних элементах сепарирующего уст- ройства. С учетом этих требований рассмотрим реализа- цию модельного варианта БФП, в котором в качест- ве рабочего вещества использовался монометалл – магний (Mg, А=24, z=12, Тпл=650 ○С, Ткип=1100 ○С). Выбор магниевого варианта БФП, предназначенного в основном для отработки и проверки некоторых технических, технологических и расчетных реше- ний, производился на основе изоэнтропического расчета сверхзвуковой струи паров Mg, которая формируется внутри вакуумной камеры с помощью сопла Лаваля с диаметром критического сечения dк=1 мм, диаметром выходного сечения dв=10 мм, отношением длины сверхзвуковой части сопла l к диаметру dв равном ~1/dв=1,5, углом расходимости струи ~20○ и отношением скорости потока в выход- ном и критическом сечениях к в v vV = ~1,9. Давле- ние паров Mg внутри БФП принимается равным давлению насыщенных паров при данной темпера- туре. На рис. 14 приведены расчетные значения плотности частиц паров магния на различных расс- тояниях от среза БФП при разных температурах. 0 5 10 15 20 25 30 1013 1014 1015 1016 l ,см 1 2 3 n, cm-3n, см-3 Рис. 14. Расчетные значения плотности частиц паров магния как функция расстояния от выходного среза БПФ для различных температур: 1 – Т=700 ○С; 2 – Т=800 ○С; 3 – Т=900 ○С 77 Весовым методом были определены радиальные распределения плотности паров магния в сверхзву- ковом потоке для двух различных сопел, геометрия которых была выбрана с учетом наших дополни- тельных исследований по минимизации влияния пограничного слоя на расходимость потока. На рис. 15 приведены результаты таких измерений. Как и следовало ожидать? “оптимальное сопло” с l/d=1 дает наиболее плотную струю с меньшей угловой расходимостью. Как известно, для сверхзвуковых потоков в вакууме характерным является его час- тичная кластеризация, т.е. образование либо твер- дых агрегатов, либо микрокапелек жидкости, либо объединений первичных атомов. В этом случае ме- тодом зондирования сверхзвукового потока пучком тепловых нейтральных атомов в поперечном на- правлении установлено, что при толщинах сверх- звуковой струи n0L~2·1014 см-2 количество первич- ных частиц в кластере составляет порядка 10, при n0L≥1015 см-2 оно увеличивается на порядок и более. Далее, переходим к обсуждению некоторых осо- бенностей магнитной системы сепаратора на основе пучково-плазменного разряда. Прежде всего кос- немся физических аспектов влияния конфигурации и величины магнитного поля на эффективность об- разования и нагрева плазмы в условиях пучково- плазменного разряда, являющегося основой сепара- ционной системы ОПН-1 [21]. Именно это опреде- ляет требования к магнитной системе сепаратора на основе ППР, которые окажутся значительно мягче, чем для систем с ИЦР-нагревом. Основное из них заключается в создании таких магнитных полей, которые необходимы для выполнения резонансных условий нагрева плазмы в области циклотронного и гибридного резонансов [22, 29]. Действительно, электронный пучок со значительной поперечной составляющей энергии в условиях нормального и аномального эффекта Допплера возбуждает в плаз- ме мощные продольные колебания на частотах, близких к гармоникам электронной циклотронной частоты, которые лежат вблизи плазменной и верх- ней гибридной частоты. Поглощение возбуждаемых в плазме волн происходит на неоднородностях маг- нитного поля вдоль оси инжекции пучка и плотно- сти плазмы поперек направления магнитного поля. -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 0 400 800 1200 1600 2000 z, см P, мг/см2 2 1 Рис. 15. Радиальный профиль потока металличе- ских паров на расстоянии 6 см от среза сопла для различных геометрий; 1– l/d=0; 2– l/d=1 Электронная пушка должна обеспечивать ин- жекцию электронного пучка не только заданных энергетических параметров (ток, напряжение, дли- тельность), но и требуемой пространственной ори- ентации, которая задает величину IIE E⊥=δ , от- ношения поперечной составляющей энергии частиц (e-) к продольной, что существенно влияет на эф- фективность создания и нагрева плазмы в условиях пучково-плазменного разряда. Для эффективного образования и нагрева плотной плазмы необходимо иметь источник электронов, удовлетворяющий тре- бованиям, которые сформулированы на основе ав- торского и литературного опыта следующим обра- зом: 1) мощность электронного пучка должна со- ставлять несколько мегаватт, например, Ee≤1…2·104 эВ, Ie≤1…2 102 А; 2) элементы конст- рукции пушки должны выдерживать импульсные нагрузки, появляющиеся вследствие пондеромотор- ных сил в момент включения и выключения сильно- го магнитного поля; 3) катод пушки должен ста- бильно работать в тяжелых вакуумных условиях и быстро восстанавливать свою эмиссионную способ- ность после пребывания на атмосфере; он может быть выполнен либо в твердотельном варианте, на- пример из гексаборида лантана (LaB6), либо в плаз- менном, с большой эмитирующей поверхностью, подобно [47]; 4) конструкция пушки должна обеспе- чивать изменение условий инжекции пучка в маг- нитном поле, а именно: изменение соотношения между продольной и поперечной составляющими энергии электронов пучка. Это достигается тем, что катод и анод электронной пушки располагаются в неоднородном магнитном поле под некоторым уг- лом α к оси магнитной системы. Изменяя этот угол наклона α, можно регулировать отношение попе- речной составляющей E┴ энергии пучка к продоль- ной E║. Величина IIE E⊥=0δ в момент достиже- ния электроном поверхности анода определяется по формулам: 2 2 2 0 2 2 sin ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ⋅= k k tg αδ , (5) 3 0 0 1 cos 59,0 γ γ α − ⋅ ⋅ ⋅ = U dHk a , (6) где k a H H=0γ , Hk и Ha – величины магнитных полей в области катода и анода пушки, U – уско- ряющее напряжение; d – расстояние между анодом и катодом. В реальном случае γ0~1,2…1,5. Выходя- щий из электронной пушки пучок попадает в об- ласть возрастающего магнитного поля. При этом происходит трансформация продольной энергии в 78 поперечную, которая в районе максимума магнит- ного поля определяется соотношением: αγ αγδδ 2 2 0 sin1 cos ⋅− ⋅ == ⊥ II k E E , (7) где aH H max=γ , Hmax – максимальное значение напряженности магнитного поля в пробке. На рис.16 представлены зависимости начальных δ0 и конечных δk значений отношения поперечной энергии к про- дольной для инжектируемых в сепаратор электро- нов от величины угла наклона α электронной пушки к магнитной оси. 0 2 4 6 8 10 12 10-4 10-3 10-2 10-1 100 δk α δ0 E ⊥ / E \|\| Рис. 16. Зависимости начальных δ0 и конечных δk значений отношения поперечной энергии к продольной для инжектируемых в сепаратор электронов от величины угла наклона α электронной пушки к магнитной оси: γ – 10; γ0 – 1,2; U – 10 кВ; Ha – 250 Э; d – 0,3 см 6. ФОРМИРОВАНИЕ ПОТОКОВ РАБОЧЕГО (РАЗДЕЛЯЕМОГО) ВЕЩЕСТВА. СРАВНЕНИЕ С ИЗВЕСТНЫМИ РЕШЕНИЯМИ Проблема формирования потока рабочего веще- ства и его ввода в область ионизации сепарирующе- го устройства рассмотрена путем сравнительного анализа предлагаемого варианта ввода, основанного на сверхзвуковом истечении паров в вакуум, и лите- ратурного прототипа [48]. Известен плазменный испаритель мелкодисперс- ных капель на базе высокочастотного индукционно- го плазмотрона [48], предназначенный для перевода жидких РАО в парообразное состояние с целью их дальнейшего разделения на радионуклиды и безо- пасные вещества по атомному весу. Его работа осу- ществляется с расплавами солей (NaOH, NaOH+Al(OH)3), моделирующими радиоактивные смеси. Модельная смесь 90%NaOH+10%Al(OH)3 наиболее близка по своим свойствам к радиоактив- ным отходам (РАО). Она подается в плазму в виде капель диаметром 10…70 мкм. Генерация плазмы осуществлялась в вертикально расположенном ВЧИ-плазмотроне с частотой 1,76 МГц, мощностью 30 кВт. ВЧИ-разряд зажигался в аргоне с макси- мальным расходом 25 л/мин, затем в зону индуктора снизу вверх вводился тигель, заполненный рабочим веществом. Установлено, что при скорости подачи капли Vso= 10…14 м/с испарения капли в среде ВЧИ аргоновой плазмы не происходит. При значениях Vso= 16…30 м/с происходит их полное испарение при глубине проникновения в плазму 65…113 мм. Предлагается к БФП сепарационных устройств термический испаритель со сверхзвуковым форми- рователем парового потока для ввода его в область ионизации электронным пучком. Предлагаемый ис- паритель пригоден для фазовых превращений как жидких, так и твердых РАО. Его схематический вид показан на рис. 17. Имеются все основания пола- гать, что такой термосверхзвуковой формирователь парового потока будет работать в капельно- кластерном режиме в зависимости от давления пара в его критическом сечении. Таким образом, струя пара в капельно-кластерном состоянии будет попа- дать в область ионизации и взаимодействовать с предварительно созданной плазмой из поджигающе- го газа. По мере увеличения концентрации частиц разделяемого вещества доля частиц поджигающего газа будет уменьшаться и стремиться к нулю. В плазменном столбе из поджигающего газа будет происходить испарение капель и разрушение кла- стеров. Таким образом, все необходимые фазовые переходы будут совершаться в основном плазмен- ном столбе и не потребуются дополнительные плаз- менные устройства, как в обсуждаемом литератур- ном прототипе [48]. Рис. 17. Схематический вид блока фазовых превращений со сверхзвуковым формирователем потока: 1 – металлический блок массой ~1 кг; 2 – тигель; 3 – нагреватель; 4 – внутренний корпус; 5 – мембрана; 6 – многослойная теплоизоляция; 7 – водоохлаждаемый наружный корпус; 8 – сверхзвуковое сопло; 9 – конденсационный насос Заметим, что в литературном прототипе [48] плазменного испарителя мелкодисперсных капель их скорость лежит в диапазоне 10…30 м/с (1…3·103 см/с). В то же время для сверхзвукового формирователя парового потока, работающего в капельно-кластерном режиме, характерные скорости по меньшей мере на порядок и более превосходят 79 приведенные выше. А это, в свою очередь, приве- дет к увеличению глубины проникновения капли в плазменную среду и сокращению полного вре- мени ее пребывания в потоке плазмы, т.е. повысит эффективность предлагаемого метода и устройст- ва преобразования и подачи рабочего вещества (разделяемых жидких РАО) в парообразном со- стоянии в область ионизации и разделения. 7. ТЕПЛОВЫЕ И ГАЗО(ПАРО)ДИНАМИ- ЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ БЛОКА ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ ДЛЯ МПС В БФП методом физического воздействия (плавление, испарение, корпускулярное распыле- ние) происходит переход рабочего вещества из исходного состояния в парообразное – пригодное для ионизации. Поддержание плазменного потока на уровне 4,7·1021 част./с при условии 100% иони- зации будет определять скорость испарения веще- ства. При нагревании вещества в высоком вакуу- ме его масса, испаряющаяся с единицы поверхно- сти за единицу времени, определяется уравнением Ленгмюра [49]: V D SV T MPa ⋅⋅⋅⋅= −4104,4α , (8) где aV - удельная скорость испарения, г/( см2·с); α – коэффициент испарения (для идеального слу- чая α=1); TV – температура вещества, К; PS – упру- гость пара при температуре TV, Па; MD – массовое число испаряемого вещества. Уравнение (8) справедливо в предположении, что ни одна из испаряющихся частиц не возвра- щается на испаряемую поверхность сквозь газ или облако пара над испарителем. При невыполнении этого условия скорость испарения меньше, чем рассчитываемая по (8), и определяется как , где k – коэффициент возврата, кото- рый в зависимости от скорости a VV aka ⋅=1 V и давления газа может принимать значения от 0 до 1. Уже при давлении газа 1 Па его влияние на скорость испа- рения aV1 становится существенным. Согласно [50] коэффициент возврата k при испарении меди в среде аргона с остаточным давлением 10-2, 10-1, 133 Па равняется соответственно 1; 0,92; 0,68. Для оценки скорости испарения, а также энер- гии, затрачиваемой на переход твердое тело-пар, были выбраны следующие элементы и их соеди- нения: из конструкционных материалов Al, Cu; тугоплавких металлов Ti, Zr, Mo, W; легкоплав- ких In, Bi, Cd, Pb, Sn, а также уран и диоксид ура- на. Для рассматриваемых металлов при неизмен- ном плазменном потоке на уровне 4,7·1021 част./с значения требуемого массового расхода вещества , удельной скорости испарения apm • V, температу- ра TV , площадь испарения S приведены в табл. 3. Причем температура TV выбиралась при достиже- нии упругости насыщенного пара на уровне 133 Па. 8. ОЦЕНКА ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ МПС ПРИ ПОЛУЧЕНИИ ИЗОТОПНО-ЧИСТЫХ ВЕЩЕСТВ Пропускная способность (полное число частиц) магнитоплазменного сепаратора по разделяемому веществу определяется следующим выражением: tQN п ⋅= , (9) где N – количество частиц; Qп – плазменный поток, част./с; tн – время накопления элемента, с. Таблица 3 Эле- мент pm • , г/с aV, г/(см2·с) TV, К S, см2 Ti 0,377 8,24 10-3 2464 91,5 Zr 0,719 1 10-2 3189 143,8 Mo 0,756 1 10-2 3362 151,2 W 1,448 1,2 10-2 4250 241,4 U 1,875 1,7 10-2 2781 220,6 UO2 2,127 1,7 10-2 2800 250,24 Расчетное значение пропускной способности се- паратора в зависимости от атомного веса элементов для постоянной плотности и температуры плазмы при неизменной геометрии магнитного поля приве- дено на рис. 18. Для разделения вещества по элементам массо- вую производительность МПС можно записать в следующем виде: нэфп tKQMm ⋅⋅⋅Δ⋅= .μ , (10) где M – вес атома, г; ∆μ – процентное содержание элемента в веществе; Kэф – коэффициент эффектив- ности сепаратора. 0 50 100 150 200 250 0,0 5,0x1021 1,0x1022 1,5x1022 2,0x1022 2,5x1022 3,0x1022 3,5x1022 N ,ч ас ти ц А Рис. 18. Зависимость пропускной способности сепаратора от атомного веса выделяемого вещества Коэффициент Kэф характеризует эффективность превращения парообразного вещества в ионизиро- ванное, разделение ионов плазмы по массам, сбор разделенных ионов на приемных пластинах в сепа- раторе и определяется как 4321 КKKKKэф ⋅⋅⋅= , (11) где К1 – коэффициент ионизации; К2 – коэффициент разделения рабочего вещества; К3 – коэффициент сбора, учитывающий количество осевших ионов на поверхности приемных пластин, за исключением осажденных ионов на поверхности внутрикамерного 80 оборудования; К4 – коэффициент потерь ионов внутри сепаратора в результате рассеивания и пере- зарядки на нейтральных атомах. В случае промышленного использования для оценки производительности разделительной уста- новки удобнее пользоваться календарным временем tк, скорректированным коэффициентом использова- ния рабочего времени установки Квр. Этот коэффи- циент учитывает время накопления элемента, ис- ключая время, затрачиваемое на замену и ремонт технологического оборудования, вакуумную откач- ку камеры, ввод источника в рабочий режим и т.д. Доля извлеченного вещества должна учитываться коэффициентом извлечения Киз, поскольку часть вещества теряется при извлечении вещества с при- емных пластин, очистки от химических примесей. С учетом сделанных замечаний массовая производи- тельность сепаратора определяется следующим вы- ражением: квризэфп tKKKQMm ⋅⋅⋅⋅⋅Δ⋅= μ . (12) Расчетное значение массовой производительно- сти сепаратора по 10 для различных значений Kэф в зависимости от атомного веса показано на рис. 19. Как видно из рис. 18 для магнито-плазменных сепараторов является характерным уменьшение пропускной способности, т.е. общего количества частиц, с увеличением атомного веса выделяемых элементов, причем значительное уменьшение про- пускной способности, а именно в 7 раз, происходит для элементов с атомной массой от 1 до 50, даль- нейшее увеличение массы от 50 до 270 приводит к различию общего количества частиц в 2,3 раза. При этом суточная массовая производительность сепара- тора (см. рис.19) с увеличением атомного веса вы- деляемого вещества растет и составляет для веществ с атомном номером 1, 50, 270 соответственно 4,9, 35,1 ,81 кг. В связи с этим можно отметить, что применение сепараторов для разделения вещества с массой менее 50, с точки зрения производительно- сти, будет менее эффективным, чем веществ с мас- сами больше 50. 50 100 150 200 250 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 m , к г/ ч А Кэф.=0,397 Кэф.=0,576 К эф. =0,729 Кэф.=1 Рис.19. Зависимость массовой производительности сепаратора от атомного веса выделяемого вещества для различных значений коэффициента эффективности При производстве изотопно чистых веществ од- ним из факторов, влияющим на производитель- ность, будет содержание данного изотопа в исход- ном (природном) веществе; чем меньше его началь- ная концентрация, тем больше потребуется перера- ботать вещества. 9. ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОГО ПРОФИЛЯ ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕ- НИЯ ПЛОТНОСТИ ПЛАЗМЫ И ВЛИЯНИЕ ЕГО НА ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ МПС При разделении вещества на элементы произво- дительность магнитоплазменных сепарацион- ных установок можно записать в виде уравнения: Ïm • ( ) ( ) эфPPП KrSvrnMm ⋅⋅⋅⋅Δ⋅= • μ , (13) где M – вес атома, г; ∆μ – процентное содержание элемента в веществе; np(r) – плотность плазмы как функция ее поперечного размера; vp – скорость плазменного потока, см/с ; Sp(r) – площадь попереч- ного сечения плазменного потока, см2; Kэф – коэф- фициент эффективности сепаратора. Распределение плотности плазмы по радиусу устройства можно представить в виде степенной функции: ( ) ,1 max max ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟ ⎠ ⎞⎜ ⎝ ⎛−= γ r rnrnP (14) где rmax - максимальный радиус плазменного образо- вания (потока) и показатель степени γ. С учетом этого после подстановки (14) в (13) по- лучаем: . 2 2 maxmax эфPП KvrnMm ⋅⋅ + ⋅⋅⋅⋅Δ⋅= • γ γπμ (15) Проведено сравнение пространственных профи- лей плотности плазмы в зависимости от методов ее создания и выбор наиболее оптимального на осно- вании экспериментальных данных для трех типов разряда: ВЧ–разряда, ППР и отражательного разря- да (ОР). В первом случае – установка APMF–DEMO (Arhsmedes Plasma Mass Filter) [15], профиль плот- ности плазмы имеет либо один максимум в перифе- рийной области плазменного столба, либо в допол- нение к этому еще один в его центре в зависимости от варианта фазировки (0000 и 0π0π) ВЧ–питания антенных колец (рис. 20, кривые 1 и 2). Кроме того, установлено, что для варианта фазировки витков антенны 0000 величина периферийного максимума плотности плазмы возрастает в 2,5 раза при увели- чении магнитной индукции B от 0,0251 до 0,101Tл. Экспериментальное исследование пространст- венных характеристик пучковой плазмы (ППР) про- водилось с рабочим газом аргоном при давлении 1 10–1…1·10–3 Торр и магнитной индукцией B0<3,5 Tл. Энергия электронного пучка Ee≤ 30 кэВ, ток Ie≤20 А и длительность инжекции ~400 мкс. СВЧ- зондирование проводилось на длинах волн с λ = 4 и 8 мм. Максимальная плотность nmax > 7·1013 cм–3 определялась по току двойного зонда, калиброван- ного по данным СВЧ-зондирования и корпускуляр- ным измерениям. 81 Рис. 20. Радиальное распределение плотности аргоновой плазмы в сепарационных установках различного класса, работающих на разных принципах создания и нагрева плазмы: 1 – установка Архимед, B0=0,16 Tл, фаза 0000, nmax=1,49·1013 см–3 , rmax=0,44 м; 2 – установка Ар- химед, B0=0,16 Tл, фаза 0π0π, nmax=1,49·1013 cм–3 , rmax=0,44 м; 3 – пучково–плазменный разряд, BB0=0,2 Tл, nmax=2,5·10 cм , r14 –3 max=0,024 м; 4 – пучково–плазменный разряд, B0=0,1 Tл, nmax=1,2·1014 cм–3 , rmax=0,024 м; 5 – отражательный разряд, B0=0,15 Tл, nmax=1,7·1013 cм–3 , rmax=0,05 м Из полученных экспериментальных данных бы- ли найдены пространственные распределения плот- ности плазмы в радиальном сечении столба. Оказа- лось, что при малых плотностях нейтрального газа (n0L<1014 cм–2) распределение близко к квадратич- ной параболе. При малых значениях магнитной ин- дукции (BB0 <0,3 Tл), что соответствует режиму “час- тичной сепарации” при работе сепарирующего уст- ройства, распределение плотности плазмы nP=f(r) близко к равномерному (см. рис. 20, кривые 3 и 4) со значительным градиентом плотности вблизи стенки устройства. Профиль пространственного распределения плотности аргоновой плазмы отражательного разря- да получен с помощью СВЧ–интерферометра путем измерения фазы отраженной от плазмы и прошед- шей через нее волны с λ = 8мм (см. рис. 20 кри- вая 5). Видно, что пространственное распределение плотности плазмы имеет однородный характер, по- добно распределению для ППР. Аналогичный про- филь пространственного распределения плотности плазмы был получен также для газовой смеси Kr– Xe–N2, состав которой следующий: Kr – 88,898%; Xe – 7%; N2 – 4%; O2 – 0,1%; галоиды – 0,002%. Анализ полученных и приведенных на рис. 20 профилей распределения плотности плазмы в разря- дах различного типа показывает, что геометриче- ский фактор или, иными словами, площадь попе- речного сечения плазменного столба, для профилей 1 и 5 отличается в 2-2,5 раза, что может существен- но влиять на производительность сепарирующего устройства. Поэтому целесообразно выбирать тип разряда, обеспечивающий профиль распределения nP=f(r), близкий к равномерному (см. кривые 4,5 рис. 20). Таким образом, установлено, что производи- тельность сепарационного устройства в значитель- ной мере зависит от профиля (формы) пространст- венного распределения плотности плазмы в его по- перечном сечении. 10. ВОЗМОЖНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МПС ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ ОЯТ И РАО Идея переработки заключается в следующем: ра- бочее вещество ОЯТ или РАО подготавливается для подачи в блок фазового превращений, где в после- дующем происходит превращение разделяемого вещества из твердого (жидкого) в парообразное, которое вводится в камеру плазменного источника для его ионизации, ионы созданной плазмы, нахо- дящиеся в магнитном поле, селективно нагреваются, что приводит к изменению их траектории движения в магнитном поле, пространственному разделению "горячих" и "холодных" ионов, осаждению их на ионоприемные пластины, с которых в дальнейшем производится удаление осевших элементов. При этом возможно разделение ионов плазмы соответст- венно вещества РАО и ОЯТ, на легкие и тяжелые массовые группы – так называемая условно "час- тичная сепарации" либо поэлементное разделение, т.е. "полная сепарация". При "частичной сепарации" ставится задача уменьшения удельной доли радио- активной части в хранимых отходах РАО и не тре- буется полная переработка. Использование магнитоплазменных сепараторов в процессе переработки ОЯТ и РАО возможно в следующих случаях: в первом – использование МПС в качестве первой ступени процесса перера- ботки ОЯТ, а именно, отделение диоксида урана от продуктов распада, что позволит сосредоточить ВАО в наиболее компактном виде на приемных пла- стинах в твердой фазе; во втором – переработка РАО, образующихся на РХЗ после химической пе- реработки ОЯТ. В обоих случаях рассматривается "частичная сепарация". В проекте Архимед [13-15] предложено использование магнитоплазменного сепаратора на стадии переработки жидких ВАО, что позволит уменьшить их количество для последую- щего остеклования в боросиликатном стекле. В концепт проекте сепаратора на основе ППР предполагается установка МПС на территории атомной электростанции, что позволит отказаться от перевозки высокоактивного отработанного топлива на РХЗ. 11. РЕЖИМЫ РАБОТЫ МПС И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ЭНЕРГОЗАТРАТЫ Произведем оценку энергетических затрат для установки ОПН-1 (см. табл. 2) по следующим кана- лам: превращение твердого вещества в пар Wph; ио- низация паров рабочего вещества и нагрев плазмы Wp; создание магнитного поля WB; поддержание ра- бочего давления в вакуумной камере МПС Wv. Оценка минимальных энергозатрат Wph на пре- вращение твердого вещества в пар в блоке фазовых превращений для поддержания плазменного потока на уровне 2,2·1021 част./с урана при условии ввода пара в камеру ионизации без потерь и 100% иониза- 82 ции дает величину мощности ~70 кВт для электрон- но-лучевого испарителя [52]. Учитывая ранее экспериментально измеренную величину отношения rp/rb ~ 5…10 (rp – радиус плаз- мы, rb – радиус электронного пучка), получаем, что в данном проекте при rp = 50 см rb должен быть не менее 10…5 см. Это потребует получения электрон- ных пучков большой апертуры и соответственно катодов с большой эмитирующей поверхностью ~ 200…400 см2. При плотности тока электронного пучка 1…2 А/см2 мощность, затрачиваемая на его получение, может составить от 1 до 4 МВт. Для создания однородного магнитного поля с индукцией порядка 0,15 Тл в объеме 3,14 м3 потре- буется мощность WB порядка 0,28 МВт. Доля энер- гетических затрат на создание магнитного поля WB не является величиной постоянной для установок с широким диапазоном изменения напряженности магнитного поля, например, для ERIC и ОПН-1, а зависит от цели эксперимента, а также режима и задач работы установки (рис. 21). 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 0,1 1 10 100 B, T WB / Wtotal ,% Archimedes Plasma Mass Filter (DEMO) Рис. 21. Зависимость удельной доли энергозатрат на создание магнитного поля в общем энергетическом балансе обеспечения работы сепарационной установки ОПН-1 от индукции магнитного поля В режиме “частичной сепарации” РАО [13] доля энергозатрат B-поля не превышает 2…3% от сум- марных энергозатрат, в режиме “полной сепарации” тяжелых элементов - до 10%, в режиме обогащения отдельных тяжелых изотопов - до 50%. Высокие значения магнитного поля B > 0.5…1 Тл необходи- мы также для повышения эффективности образова- ния и нагрева плазмы в установках с большими плазменными объемами (>0,5 м3). Энергозатраты Wv на поддержание рабочего дав- ления в вакуумной камере МПС криогенными ваку- умными насосами с быстротой откачки 18000 л/с составят ~20 кВт на насос [53]. ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ 1. Впервые предложена идея создания магнито- плазменного сепаратора на основе пучково- плазменного разряда. 2. Экспериментально исследована возможность создания плотной плазмы с помощью пучка нереля- тивистских электронов в сильных магнитных полях. Анализ результатов проведенных расчетов и экспе- риментов показывает, что пучково-плазменный раз- ряд может быть использован в качестве средства создания многокомпонентной плазмы с самовозбу- ждением электронно-циклотронных и ионно- циклотронных колебаний и самостоятельным нагре- вом электронов и ионов образуемой плазмы. 3. Наработан концептуальный проект сепари- рующего устройства на основе пучково- плазменного разряда и проведено сравнение с про- ектами и устройствами, описанными в литературе. 4. Определены размеры полупромышленного ва- рианта сепарирующего устройства, а также зависи- мость его суточной и массовой производительности от эффективности сепаратора. 5. Количественно определены условия сохране- ния непрерывности потока разделяемого вещества по длине сепарирующего устройства (или его фор- инжектора), включая область блока фазовых пре- вращений и область ионизатора. Для обеспечения постоянства плазменного потока равного 4,7·1021 част./с необходимо поддерживать плотность нейтральных частиц в БФП примерно на порядок выше, чем плотность ионизированных частиц в силу различия скоростей ионизованных и нагретых час- тиц плазмы и нейтральных частиц, движущихся с тепловыми скоростями. 6. Существенным преимуществом (достоинст- вом) данного метода создания плазмы является тот факт, что электронный пучок от внешнего источни- ка (электронной пушки) в вакууме и продольном магнитном поле распространяется практически без потерь на любые расстояния в пределах названных цифр, т.е. плазма может быть образована в любой точке транспортного тракта длиной в несколько метров, а именно, в зоне разделения. Кроме того, использование физических механизмов, приводя- щих к самовозбуждению ВЧ-колебаний, необходи- мых для создания и нагрева сепарационной много- компонентной плазмы, несколько упрощает компо- новку и систему сепаратора и снижает жесткость требований к отдельным его узлам, в частности к магнитной системе. 7. Предложен способ подачи рабочего вещества в область ионизации в капельно-кластерном режиме с использованием сверхзвукового формирователя потока. 8. Проведенный анализ и оценки показывают возможность использования магнитоплазменных сепарационных технологий, в том числе на основе пучково-плазменного разряда, в решении проблемы переработки ОЯТ и РАО. Наилучшим вариантом использования МПС для переработки ОЯТ и РАО может быть вариант его размещения и эксплуатации на близком расстоянии от источника ОЯТ и РАО, т.е. около или на территории АЭС или другого объ- екта, который имеет такую потребность. В заключение хотелось бы выразить надежду на то, что концептуальный проект пучково- плазменного сепаратора для разделения вещества и получения изотопно-чистых его компонентов будет реализован в ННЦ ХФТИ, где было открыто и все- сторонне исследовано уникальное явление пучково- 83 плазменной неустойчивости (разряда), являющихся основой данного проекта. ЛИТЕРАТУРА 1. Nuclear power reactors in the world. 2008 Edi- tion // International Atomic Energy Agency. Vienna, 2008, p. 78 2. Ядерная энергетика. Обращение с отрабо- танным ядерным топливом и радиоактивными от- ходами // Под ред. И.М. Неклюдова. Киев: “Наукова думка”, 2006, 253 с. 3. В.М. Ажажа, П.Н. Вьюгов, С.Д. Лавриненко, К.А. Линд, А.П. Мухачев, Н.Н. Пили- пенко. Цирконий и его сплавы: технологии произ- водства, области применения: Обзор. Харьков: ННЦ ХФТИ. 1998, 89 с. 4. Г.А. Аскаръян, В.А. Намиот, А.А. Рухадзе // Письма в ЖТФ. 1975, т. 1, с. 820. 5. J.M. Dawson, Н.С. Kim, D. Arnush et al. //Phys. Rev. Lett. 1976, v. 37, p. 1547. 6. P. Louvet // II In Proc: 2nd Workshop on Sepa- ration Phenomena in Liquids and Gases. Versailles, 1989, v. I, p. 71. 7. A.C. La Fontaine, P. Louvet // Compte rendu des Journees sur les Isotopes Stables. Saclay. France. 24-25 November 1993, p. 332. 8. P. Louuet, A.С. La Fontaine, B. Larousse, M. Patris // The 4th Int. Workshop on Separation Phenom- ena in Liquids and Gases. Beijing. P.R. China. 19-23 August 1994, p. 83. 9. P. Louvet, A.C. La Fontaine // Proc. of Int. Conf. on Chem. Exchange and Uranium Enrichment. Tokyo. Japan. Bulletin of the Research Lab. for Nucl. Reactors. 1990, p. 289. 10. А.М. Карчевский, В.С. Лазько, Ю.А. Му- ромкин и др. // Физика плазмы. 1993, т. 19, 411 с. 11. Я.Б. Файнберг // Атомная энергия. 1961, т. 11, с. 313. 12. М.Ю. Бредихин, Б.В. Гласов, Р.В. Пайл, и др. // Сб. статей «Физика плазмы и проблемы управляемого термоядерного синтеза». Киев, 1971, в. 2, с. 251-260. 13. A. Litvak, S. Agnev, F. Anderegg, et al. // 30th EPS Conference on Contr. Fusion and Plasma Phys., St. Petersburg,7-11 July 2003 ECA, v. 27A, O-1.6A. 14. US Patent №6.096.220 / T. Ohkawa. Aug. 1. 2000. 15. J. Gilleland, T. Ohkawa, S. Agnew, et al. // WM’02 Conference. February 24-28, 2002, Tucson, AZ. 16. V.A. Zhil’tsov, V.M. Kulygin, N.N. Semashko, et al. // Atomic Energy. 2006, v. 101, № 4, р. 755–759. 17. Е.И. Скибенко, В.Б. Юферов, Ю.В. Ковтун // Сборник докладов ОТТОМ-8. Харьков, 2007, т. 1, с. 232–238. 18. Е.И. Скибенко, В.Б. Юферов, Ю.В. Ковтун // Вестник Национального технического универси- тета ХПИ. Тематический выпуск "Техника и элек- трофизика высоких напряжений". 2007, т. 20, с. 180–199. 19. Ю.В. Ковтун, Є.І. Скібенко, В.Б. Юферов. // Ядерні та радіаційні технології. 2007, т.7, № 1-2, с. 72-80. 20. Пат. UA №24729 от 10.07.2007/ Є.І. Скибенко, Ю.В. Ковтун, В.Б. Юферов // Бюл. № 10, 2007. 21. Ю.В. Ковтун, Е.И. Скибенко, В.Б. Юферов // Вопросы атомной науки и техники. Серия «Физи- ка радиационных повреждений и радиационное ма- териаловедение». 2008, №2, с.149-154. 22. Ю.В. Ковтун, Е.И. Скибенко, В.Б. Юферов // Вісник Харківського університету. Серія фізична: «Ядра, частинки, поля». 2008, № 794, в. 1(37), с. 115 - 120. 23. О.М. Швец, В.Б. Юферов, Е.И. Скибенко и др. // Труды Украинского вакуумного общества. Ки- ев, 1995, т. 1, с. 195. 24. Л.А. Арцимович. Управляемые термоядер- ные реакции. М.: ГИФМЛ, 1961, 468 с. 25. I. Alexeff, K. Estabrook, A. Hirose, et al. // Physical Review Letters. 1970, v. 25, № 13, p. 848-851. 26. Е.Г. Шустин, В.П. Попович, И.Ф. Харченко // ЖТФ. 1969, т. 39, с. 993. 27. M. Seidl, P. Sunka // Nuclear Fusion. 1967, №7, р.237. 28. Е.А. Корнилов, О.Ф Ковпик, Я.Б. Файнберг и д.р. // Взаимодействие пучков заряженных частиц с плазмой. Киев: «Наукова думка», 1965, 312 с. 29. К. Миямото. Основы физики плазмы и управляемого синтеза. М.: «Физматлит», 2007, 424с. 30. E.I. Skibenko, A.I. Maslov, V.B. Yuferov // Sov. Phys. Tech. Phys. 1976, v. 20, № 4, p. 143. 31. M.Yu. Bredikhin, A.I. Maslov, A.I. Skibenko, et al. // Sov. Phys. Tech. Phys. 1971. v. 16, № 4, p.544. 32. Е.А. Корнилов, О.Ф Ковпик, Я.Б.Файнберг, И.Ф. Харченко // Взаимодействие пучков заряжен- ных частиц с плазмой. Киев: «Наукова думка», 1965, с. 24-35. 33. В.Г. Маринин // ЖТФ. 1968, т. 38, № 5, с. 843-845. 34. А.С. Бакай // ЖЭТФ. 1970, т. 59, № 7, с. 116-127. 35. А.С. Бакай, Е.А. Корнилов, С.М. Криво- ручко // Письма в ЖЭТФ. 1970, т.12, №2, с. 69-73. 36. Ю.В. Ковтун, В.Б. Юферов, Е.И. Скибенко //Вестник Национального технического универси- тета ХПИ. Тематический выпуск "Техника и элек- трофизика высоких напряжений". 2007, т. 20, с. 107–113. 37. Г.П. Березина, Я.Б. Файнберг, А.К. Березин // Атомная энергия. 1968, т. 24, № 5, с. 465-466. 38. В.Г. Маринин // УФЖ. 1968, т. 13, № 11, с. 1872-1877. 39. А.Б. Михайловский, В.С. Цыпин // Письма в ЖЭТФ. 1966, т. 3, № 5, с. 247-250. 40. М.Ю. Бредихин, А.И. Маслов, Е.И. Скибен- ко, В.Б. Юферов //ЖТФ. 1973, т. 43, № 3, с. 517. 41. В.В. Долгополов, В.Л. Сизоненко, К.Н. Степанов // УФЖ. 1973, т. 18, № 1, с. 18-28. 42. А.Б. Михайловский. Теория плазменных не- устойчивостей. Т. 2. М.: «Атомиздат», 1977, 360с. 43. Дж. Хастед. Физика атомных столкнове- ний. М.: «Мир», 1965, 710 с. 44. M.J. Higgins, M.A. Lennon, J.G. Hughes, et al. // CLM-R294, 1989. 84 45. Jeffrey C. Halle, H. H.Lo, Wade L. Fite // Phys. Rev. 1981, v. A 23, p. 1708. 53. Ю.В. Холод, Б.В. Гласов, В.И. Курносов и др. // Вопросы атомной науки и техники. Серия «Общая и ядерная физика». 1984, № 1, с. 20–25. 46. E.I. Skibenko, Yu.V. Kovtun, V.B. Yuferov // Ukrainian Journal of Physics. 2008, v. 53, № 4, p. 361- 365. 54. В.Б. Юферов, О.С. Друй, В.О. Ильичева и др. // Вестник Национального технического универ- ситета ХПИ. Тематический выпуск "Электроэнер- гетика и преобразовательная техника". 2004, т. 35, с. 169–179. 47. В.Б. Юферов, Е.И. Скибенко, Л.Г. Сороковой и др. // Вопросы атомной науки и техники. Серия «Плазменная электроника и новые методы ускоре- ния». 2003, № 4, с. 319-322. 55. В.А. Сероштанов, С.В. Шарый, В.Б. Юфе- ров и др. // Вісник Харківського університету. Серія фізична: «Ядра, частинки, поля». 2008, № 794, в. 1(37), с. 111 - 114. 48. О.Н. Фейгенсон: Автореферат диссертации. Санкт-Петербург, 2002 , 18 с. 49. J. Langmuir //Phys. Rev. 1913, v. 2, № 5, p.329- 342. 56. С.В. Шарый, В.А. Сероштанов, В.Б. Юфе- ров и д.р. // Вісник Харківського університету. Серія фізична: «Ядра, частинки, поля». 2008, № 794, в. 1(37), с. 121 - 124. 50. B. Wenzel // Foschungsinstitut M. von Ardenne. Dresden, 1974, personl. Mitt. 51. А.Н. Довбня, А.М. Егоров, В.Б. Юферов и др. // Вопросы атомной науки и техники. Серия «Плаз- менная электроника и новые методы ускорения». 2004, № 4, с. 51–57. 57. A.M. Yegorov, V.B. Yuferov, S.V. Sharij, et al. // Problems of atomic science and technology. Series: «Plasma Physics». 2009, № 1, p. 122-124. 52. С. Григорьев. Препринт ИАЭ 6246/12, 2002. Статья поступила в редакцию 16.10.2009 г. ФІЗИКО-ТЕХНІЧНІ АСПЕКТИ СТВОРЕННЯ ПРИСТРОЇВ МАГНІТО-ПЛАЗМОВОГО ПОДІЛУ РЕЧОВИНИ НА ЕЛЕМЕНТИ ТА ЇХ ІЗОТОПИ НА ОСНОВІ ПУЧКОВО-ПЛАЗМОВОГО РОЗРЯДУ Є.І. Скібенко Наведені авторські та літературні дані, присвячені вивченню можливості створення магніто-плазмового сепараційного пристрою на основі пучково-плазмового розряду (ППР), а також можливості його реалізації на сучасному рівні. Сформульовані та обгрунтовані фізичні засади вирішення подібної задачі в частині представлення концепції проекту та вибору його параметрів, умов створення та нагрівання потрібної плаз- ми, які повинні забезпечуватись розвитком фізичних механізмів в самій плазмі, що приводить до ефективно- го самозбудження НВЧ та ВЧ-коливань, відповідальних за нагрівання електронів та іонів. Проведено порів- няльний аналіз діючих та розроблюваних магнітоплазмових сепараторів (МПС). Розглянуті питання інжекції речовини, що розділяється, за допомогою пучково-плазмового розряду для іонно-атомних сепараційних те- хнологій, теплові та газо(паро)динамічні характеристики блоку фазових перетворень, оцінені можливі вели- чини продуктивності МПС при одержанні ізотопночистих речовин та можливість їх використання для пере- робки ВЯП та РАВ. PHYSICAL AND ENGINEERING ASPECTS IN THE DEVELOPMENT OF A SEPARATION APPARATUS FOR MAGNETO-PLASMA SEPARATION OF A MATERIAL INTO ELEMENTS AND THEIR ISOTOPS ON A BEAM-PLASMA DISCHARGE BASE E.I. Skibenko The review contains the authors’ and literature data about the study of possibilities in the development of a mag- neto-plasma separation apparatus on the beam-plasma discharge (BPD) base and its implementation in the state of the art. There formulated and substantiated is the physical background for solution of such a problem concerning a conception of the project, selection of its characteristics, conditions for required plasma formation and heating which should be provided by the evolution of physical mechanisms (processes) inside the plasma leading to the ef- fective self-excitation of microwave and high-frequency oscillations responsible for the electron- and ion heating. Comparative analysis of existing and magneto-plasma separators (MPS) and being developed ones is carried out. The problems on the separated material injection by means of the beam-plasma discharge for ion-atomic separation technologies, thermal and gas (vapor) dynamic characteristics of the phase transformation unit are considered, the capacity of MPS for production of isotopic-purity materials is estimated, and the prospects of using them for reproc- essing of NW and RAW are discussed. 85

Физико-технические аспекты создания устройств магнитоплазменного разделения вещества на элементы и их изотопы на основе пучково-плазменного разряда

Institution

Similar Items