Плазменные центрифуги

Рис. 7.3.1. Схема импульсной плазменной центрифуги 1 — камера 2 — смотровое окно 3 — плексигласовое кольцо 4 — торцевые изоляторы 5 и 6 — электроды 7 — катушки магнитного поля (Яо — напряжённость продольного магнитного поля) 8 и 9 — отборники 10 — дисковый изолятор

Разделительные характеристики плазменной центрифуги определяли измерением концентрации изотопов в питающем, обогащенном и обедненном потоках в зависимости от экспериментальных пара.метров. В качестве рабочего газа использовался криптон. Относительная концентрация изотопов Kг/ Kг была определена в этих трех потоках с помощью квадрупольного масс-спектрометра. Изменяли коэффициент деления потока (9), параметры дуги (/, В, Ро, I) и положение точек питания н отбора. Как было установлено, эффект разделения изотопов — продольный, что, наиболее вероятно, обусловлено наличием противотока в центрифуге. На рнс. 7.7 приведены коэффициенты разделения для обогащенного и обедненного потоков при так называемых стандартных параметрах дуги. В этих условиях полный разделительный эффект д не зависит от массового потока f и коэффициента егс деления 0 вплоть до F = 6 см /с (при нормальных значениях тем [c.285]

В начале 70-х годов широкое внимание специалистов привлекла идея использования для разделения изотопов враш,ающейся плазмы [3-9]. Интерес к этой теме был связан с возможностью достижения высоких скоростей враш,ения ионизованного газа и больших, чем в механической центрифуге, скоростей разделения и коэффициентов обогащения в одной ступени. Кроме того привлекала простота конструкции и отсутствие механических движущихся узлов. Вращение ионизованной смеси осуществлялось за счёт взаимодействия радиального электрического тока 1г и осевого магнитного поля Bz. В плазменных центрифугах в принципе возможно осуществление разделения изотопов любых элементов, в том числе и не имеющих газообразных соединений с достаточно высокой упругостью пара при комнатных температурах. [c.326]

Основные результаты экспериментальных исследований разделительных процессов в импульсных плазменных центрифугах с частично ионизованной плазмой сводятся к следующему. Наблюдаются изотопические разделительные эффекты, качественно описываемые центробежным механизмом. Они сопровождаются значительными радиальными градиентами плотности при скоростях вращения плазмы порядка нескольких километров в секунду (2-10 10 м/с). Разделительный эффект быстро возрастает при уменьшении массы разделяемых изотопов так, что коэффициент разделения для изотопов гелия и водорода может достигать 5 -ь 10, в то время как для смеси изотопов ксенона Хе- Хе он составлял величину порядка 1,2. [c.329]

Импульсные плазменные центрифуги. Возможность использования центробежных эффектов во вращающейся плазме для разделения изотопов впервые была указана Боневье [3], который работал в области управляемого термоядерного синтеза. На основании многих экспериментов по удержанию плазмы в ловушках со окрещёнными электрическим и магнитным полями было известно, что скорости вращения ионов в таких устройствах достигали несколько километров в секунду. Это существенно превосходило скорости вращения разделяемой газовой смеси в обычных механических центрифугах. [c.326]

При попытке теоретического анализа процессов разделения в импульсных плазменных центрифугах приходится сталкиваться с гидродинамическими аспектами увлечения проводящей газовой смеси в системе с неподвижной внешней стенкой и связанными с этим эффектами нагрева газа вследствие вязкой диссипации, а также с проблемой нестационарности протекающих процессов. [c.329]

Другие проблемы связаны с нестационарностью диффузионного разделительного процесса в импульсной системе. В [16] был проведён расчёт процесса установления радиального градиента концентрации в плазменной центрифуге. При этом впервые учтено влияние радиальной зависимости коэффициента взаимной диффузии компонентов, связанной с перераспределением плотности под действием центробежной силы. При рассмотрении возможности умножения эффекта в импульсной плазменной центрифуге, необходимо учитывать вообще говоря как нестационарность установления продольной циркуляции, так и конечность времени установления продольного диффузионного процесса. Оказывается, что даже если циркуляционный поток сравнительно быстро достигает стационарной величины, время установления осевого градиента концентрации может быть в силу условия [c.330]

Рис. 7.3.2. Схема плазменной центрифуги с высокой ионизацией паров металлов [19]. 1 — масс-спектрометр 2 — вакуумная камера 3 — катушки магнитного поля 4 — излучение лазера 5 — катод

Отличие в характере разделительного эффекта связано лишь с тем, что если в газовой центрифуге тяжёлым изотопом обогащается периферийная область большого давления, то в данной разновидности плазменной центрифуги эффект обогащения наблюдался лишь в зоне исчезающе малой плотности, которая располагалась на периферии вращающегося плазменного столба. Исследования плазменных вращающихся струй продолжались также и последние годы [21, 22. [c.332]

Стационарные устройства. Стационарная плазменная центрифуга со слабой ионизацией среды была создана в Институте атомной энергии им. И. В. Курчатова в конце 70-х годов [23]. Предполагалось, что высокая скорость диффузионных процессов в сильно нагретом газе, а также возможность умножения первичного радиального эффекта путём возбуждения противоточной циркуляции в газе, позволят создать конкурентную по отношению к электромагнитному методу технологию получения ряда стабильных изотопов. Разрядная камера, состоявшая из внешней цилиндрической стенки, торцевых изоляторов и катода, была помещена в откачиваемую водоохлаждаемую камеру. Такое конструктивное решение позволяло снять проблемы, связанные с тепловыми деформациями элементов разрядной камеры тепло-съём осуществлялся за счёт излучения. Аксиальное магнитное поле созда- [c.332]

Специальные измерения осевой составляющей скорости плазмы с помощью трубки Пито в случае гелиевого разряда показали существование вторичных циркуляционных потоков. К сожалению линейное рассмотрение гидродинамических явлений в плазменной центрифуге не учитывает процессов, связанных с возбуждением в объёме разрядной камеры вторичных циркуляционных потоков. Они могут являться следствием тормозящего действия торцов разрядной камеры, осевого градиента температуры, а также неоднородности осевой электромагнитной силы, связанной с током в подводящих шинах [25. Как показано, например, в [26, 27] на основе нелинейного магнитогидродинамического приближения, уменьшение окружной скорости газа вблизи торца камеры должно приводить к разбалансу центробежной силы и градиента давления, что вызывает развитые на весь объём камеры вторичные циркуляционные течения. При этом вблизи торца возникает интенсивный поток, направленный к центру, а в основном объёме — в противоположном направлении. Вторичные течения приводят к снижению скорости вращения газа, однако с ними связан и положительный момент. [c.333]

Поскольку в случае использования плазменных методов при разделении металлических паров обязательно возникнут трудности осуществления внешнего каскадирования, важное значение для плазменной центрифуги имеет возможность умножения радиального эффекта по длине камеры за счёт внутреннего противотока с целью получения значительной степени разделения в отдельном аппарате. Поэтому возбуждаемые в плазменной центрифуге за счёт тормозящего действия торцов противоточные течения могли бы благоприятно воздействовать на массоперенос в объёме камеры, умножая первичный радиальный эффект. Однако использование такой циркуляции при осуществлении внутреннего каскадирования оказалось затруднительным в силу сложности регулирования циркуляционного потока. [c.334]

Заканчивая описание стационарных плазменных центрифуг, упомянем об одной оригинальной конструкции разрядной камеры с симметричными катодами, предложенной в [28] (рис. 7.3.5). На этой установке были проведены тщательные измерения параметров плазмы инертных газов и сравнения [c.334]

Рис. 7.3.5. Схема стационарной плазменной центрифуги

Другие механизмы разделения в плазменных центрифугах. [c.335]

Автор настоящей книги работал в 1962 г. младшим научным сотрудником ВНИИ химической технологи и оказался вовлеченным в это новое направление совершенно случайно, как это часто бывает. Моя трудовая деятельность в области физики, химии и технологии плазмы началась с того, что я был включен в группу физиков, занявшихся плазменной технологией разделения изотопов урана с помощью бегущей электромагнитной волны и плазменной центрифуги. В этой группе я был единственным, имевшим базовое химическое образование (я окончил в 1960 г. химический факультет Ленинградского государственного университета) и возможно поэтому, изучив хрестоматийный материал по свойствам плазмы различных газовых разрядов, обратил внимание на то, чем совершенно пренебрегали физики на радиационно-термическую и фотохимическую неустойчивость объекта разделения — молекул гексафторида урана. По моим расчетам выходило, что в условиях высокочастотных разрядов низкого давления молекулы UFe должны распадаться на молекулы UF5, UF4, UF3, F2 и атомы F кроме того, должны возникать положительно и отрицательно заряженные ионы, так что первоначальная задача разделить изотопы урана в молекулах UFe неизмеримо усложнялась. Однако еще большие осложнения в процессе разделения этих молекул возникали из-за конденсации фрагментов молекул UFe и в объеме. [c.17]

Эксперименты, выполненные на импульсной центрифуге при различной полярности напряжения на разряде [8], позволили установить значительный вклад катафореза в разделение газовых смесей, который обусловлен различием степеней ионизации составляющих смеси, связанным в свою очередь с неодинаковыми потенциалами ионизации компонент. При этом, например, в случае рабочей смеси Нг-Не для небольших значений магнитного поля, когда центробежный эффект незначителен, легкоионизуемым водородом обогащалось прикатодное пространство — периферийная зона при положительной полярности и приосевая при отрицательной полярности приложенного напряжения. Поскольку в рассматриваемой разновидности плазменной центрифуги потери заряженных частиц из разрядного объёма в основном [c.335]

Удельные энергетические затраты. Разделительная мощность плазменной центрифуги 51] оценивалась в ряде работ [15, 28, 45]. В [28] она рассчитывалась на основе известных экспериментальных параметров при разделении изотопов в парах урана. В [45] максимальная разделительная способность определялась на основе формулы Коэна для механической центрифуги. Было показано, что разделительная способность плазменной центрифуги выше, чем механической при тех же геометрических параметрах. Последнее связано в основном с большей скоростью диффузии разделяемых изотопных компонентов в высокотемпературной среде. Однако очевидно, что полные затраты электроэнергии в плазменной центрифуге будут несравненно выше, чем в обычной газовой машине. Поэтому необходимо оценить удельные энергозатраты, которые обычно определяются как отношение потребляемой устройством электрической мощности к его разделительной способности би. Для оценки энергозатрат необходимо выяснить связь требуемого для ускорения плазмы до высоких скоростей напряжения на разряде с магнитным полем и потребляемой мощностью Ж Как было теоретически показано Дробышевским [46] в пренебрежении вязкой диссипацией в нейтралах, напряжение на разряде со скрещёнными радиальным электрическим и осевым магнитным полями зависит от магнитного поля по линейному закону и описывается следующим соотношением [c.337]

В [48] оценены удельные энергозатраты плазменной центрифуги со скрещёнными радиальным электрическим и осевым магнитным полями в условиях слабой ионизации среды. Предполагалось, что разделение осуществляется в пространстве между двумя длинными соосными цилиндрическими электродами. В случае преобладания вязкой диссипации минимальная величина удельных энергетических затрат может быть оценена в соответствии с выра- [c.337]

Тем не менее можно сделать вывод, что плазменная центрифуга будет иметь преимущество перед другими методами в случае разделения изотопов элементов, не имеющих газообразных соединений с высокой упругостью пара, если удастся на практике создать устойчивый однородный в осевом направлении вращающийся плазменный столб. [c.338]

Наличие этой главы в книге объясняется стремлением автора обосновать общую систему реконструкции ядерного топливного цикла па основе новых методов аффинажа и плазменных процессов с включением в него и разделительного уранового производства. В отличие от других глав, построенных преимущественно па основе моих собственных работ, эта глава построена на опубликованных материалах моих коллег из Института молекулярной физики РНЦ Курчатовский институт и зарубежных источниках. Тем не менее следует сказать, что моя работа в области физики, химии и технологии плазмы началась с того, что я был включен в группу физиков, занявшихся плазменной технологией разделения изотопов урана с помощью бегущей электромагнитной волны и плазменной центрифуги. Объектом исследования был газообразный гексафторид урана, в экспериментах по разделению позднее стали использовать смеси гексафторидов урана и вольфрама. В этой группе я был единственным, имевшим базовое химическое образование (я окончил химический факультет Ленинградского государственного университета) возможно, поэтому, изучив хрестоматийный материал по свойствам плазмы различных газовых разрядов, я обратил внимание на то, чем совершенно пренебрегли физики на радиационно-термическую и фотохимическую неустойчивость объекта разделения — молекул гексафторида урана. Но моим расчетам выходило, что в условиях высокочастотных разрядов низкого давления молекулы иГб должны распадаться на молекулы ПРб, иГ4, иГз, Гз и атомы Г кроме того, должны возникать положительно и отрицательно заряженные ионы, так что первоначальная задача разделить изотопы урана в молекулах иГб неизмеримо усложнялась. Еще большие осложнения возникали из-за конденсации фрагментов молекул иГе и в объеме, и на стенках. Эти явления описаны в одном из параграфов следующей главы. Мои попытки минимизировать указанные процессы добавлением фтора в зону разряда позволили несколько уменьшить степень разложения иГб, но не подавить этот процесс даже в статических условиях, пе [c.465]

В работе [3] рассмотрен один из вариантов плазменной центрифуги также для разделения изотопов урана. Врап] епие плазмы осуп] еств-ляют и регулируют силой Лоренца. Урановая плазма создается при инициировании электрической дуги между электродами с различными радиусами. Скорость врап] ения для Нз 10 см/с. Фактор разделения а и работа разделения сильно зависят от W p (работа разделения пропорциональна W ), температуры и плотности плазмы. [c.472]

Разделительная мощность. В грубом приближении разделительную мощность плазменной центрифуги можно подсчитать так же, как и механической. Однако радиальное разделение в силь-ноионизоваиной плазме определяется ион-ионными соударениями в направлении, перпендикулярном. магнитному полю. Соответствующий коэффициент диффузии должен использоваться в формуле для максимальной разделительной мощности [c.282]

Испаренный и ионнзова ннып уран, распространяющийся вдоль дуги, конденсировался в основном на торцевых поверхностях, т. е. на аноде и водоохлаждаемом кварцевом зонде, находящемся в анодном кольце. Была измерена коьщентрация изотопов в различных точках слоя металла, сконденсированного на этом зонде, (рис. 7.12), В измерениях использовали масс-спектрометры двух типов на вторичных ионах и магнитный. Магнитный масс-спектрометр обеспечивал большую точность измерений. Таким путем впервые было продемонстрировано обогащение урана в плазменной центрифуге. [c.288]

Выражение (7.3.7) показывает, что использование плазменной центрифуги предпочтительнее для лёгких газов, нежели для тяжёлых. В то же время, если к тяжёлым изотопам подмешивать лёгкий газ с высокой теплопроводностью, что и делалось в ряде упомянутых выше экспериментов, степень разделения можно существенно увеличить. Таким образом, эксперименты [9] с подмешиванием в разделяемую изотопную смесь водорода можно объяснить снижением температуры газовой смеси вследствие высокой теплопроводности водородной компоненты. Они могут быть истолкованы как первая попытка обойти нежелательный предел Виньяккера для одноэлементной изотопной смеси. [c.330]

Для возбуждения регулируемого противотока в плазменной центрифуге, Боневье предложил использовать осевой стержень, по которому пропускается электрический ток. Циркуляция в этом случае обусловлена радиальной неоднородностью осевой электромагнитной силы, связанной со взаимодействием основного радиального электрического тока с азимутальным магнитным полем, генерируемым осевым стержнем. При этом, изменяя ток в стержне, можно регулировать как направление, так и интенсивность противотока. В [25] применительно к стационарному режиму были выполнены расчёты эффективности процесса умножения первичного эффекта за счёт циркуляции, вызываемой внутренним осевым токонесущим стержнем. Таким образом, в стационарной плазменной центрифуге в принципе возможен не только перевод радиального эффекта в продольный, но и существенное его умножение по длине колонны. [c.334]

Центробежный эффект разделения не является единственным механизмом, который может наблюдаться в плазменной центрифуге. Наличие источников тепловыделения в плазме, связанных с омическими потерями при протекании электрических токов и вязкой диссипацией, приводит к возникновению в разделяемой смеси градиентов температуры, которые в свою очередь вызывают термодиффузионные процессы. Кроме того, в плазменной центрифуге со скре-щёнными радиальным электрическим и осевым магнитным полями радиальный ионный поток в условиях замагниченности электронной составляющей, вызывает разделительные эффекты, связанные с селективностью передачи направленного импульса от ионов к нейтралам ( ионный ветер ) [35-38. Обычно действие ионного ветра приводит к обогащению тяжёлым изотопом прикатодной области. [c.335]

В экспериментах с парами и и иГе показано стабильное суп] ество-вапие плазмы с температурой Т 5700 К. Исследовано испарение урана при различных условиях. Нри использовании урана в качестве материала катода достигнута скорость его испарения 10 кг/Кл. Но мнению авторов можно реализовать плазменную центрифугу в парах частично ионизованного урана ( 10%). Максимальная скорость врап],ения определяет критическую скорость Т кр = 2 10 см/с, при которой а = 1,14. В полностью ионизованной плазме Г = 8000 К. Возможна скорость врап] ения плазмы 10 см/с [а = 1,74). Энергозатраты оцениваются в 120 -г 230 кВт-ч/кг ЕРР для полностью ионизованной плазмы и в 230 340 кВт-ч/кг ЕРР для частично ионизованной плазмы. [c.472]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология