Плазменные центрифуги Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

ПЛАЗМЕННЫЕ ЦЕНТРИФУГИ

В.Н. ЗВЕРЕВ, профессор кафедры физики МГУЛа, д.ф.-м.н.

Изотопы многих элементов широко применяют в атомной энергетике, физике, химии, медицине, биологии и различных технологиях. Промышленными методами в больших количествах производят уран, обо-гащенный изотопом и, а также изотопы

2Д 6Ы, 1()В. В значительных количествах требуются 13С, 15Ы, 180, 48Са, 682п и другие изотопы. Разные изотопы одного элемента имеют одинаковые химические и почти одинаковые физические свойства. Поэтому разделение изотопов, то есть выделение их из природной смеси или обогащение смеси отдельными изотопами, в крупных масштабах при необходимой экологичности и приемлемых затратах является сложной задачей, для решения которой используют разные методы.

Одним из таких методов является метод разделения изотопов во вращающейся плазме, который предложил Слепиан (81ер1ап .1. 1942) [1]. Теоретическому и экспериментальному исследованиям такого разделения в плазменной центрифуге со скрещенными электрическим Е и магнитным В полями было посвящено большое количество работ, в основном, за последние 30 лет.

На кафедре физики МГУЛа были выполнены систематические научные исследования физических процессов в плазменных центрифугах. Результаты исследований опубликованы в центральных отечественных и зарубежных научных изданиях и доложены на крупных международных конференциях.

Данная статья является учебнометодическим материалом по этой новой актуальной области физики и технологии. В статье рассмотрены схема плазменной центрифуги, особенности движения частиц во вращающейся плазме, эффекты разделения в ней и полученные экспериментальные результаты для различных плазменных центрифуг. Обсуждены возможности практического применения плазменной центрифуги.

Схема плазменной центрифуги

Плазменная центрифуга в простейшем случае представляет собой цилиндрическую разрядную камеру в виде коаксиальных металлических электродов 1 и 2 (рис. 1) с разделяющими их двумя дисками изоляторов 3 на торцах. В камеру подают газообразную смесь изотопов. С помощью катушек 4 с током /м и при подключении к источнику электропитания 5 в объеме камеры создают внешние взаимно перпендикулярные (скрещенные) поля: продольное

магнитное поле с индукцией В и электрическое поле с напряженностью Е в радиальном направлении.

При достаточно большой разности потенциалов между электродами и происходит электрический пробой с ионизацией газа, при которой его молекулы и атомы от столкновений с быстрыми электронами распадаются на ионы и электроны. В результате ионизации непроводящий газ превращается в электропроводящую плазму 6, которая в скрещенных В и Е полях приходит во вращательное движение со скоростью Уу под действием силы Ампера /, В (для единичного объема), где У, - плотность разрядного тока. В плазме индуцируется электрическое поле Е; = V,/, В, направленное против вектора внешнего поля Е. Поэтому величина ]г в основном объеме плазмы становится меньше, чем в слоях возле изоляторов. Во вращающейся плазме происходит разделение изотопов: нейтральные атомы и ионы легкого изотопа концентрируются ближе к оси, а тяжелого - к периферии.

Движение частиц

Плазма является совокупностью движущихся и соударяющихся между собой электронов, ионов и нейтральных атомов, причем электроны и ионы совершают дрейф в скрещенных В и Е полях и

Рис. 1. Схема плазменной центрифуги: 1 - катод; 2 - анод; 3 - изолятор; 4 - катушка магнитного поля;

5 - источник электропитания; 6 - вращающаяся плазма; 7 - траектория электрона; 8 - траектория иона; 9 - линия гидродинамического тока около торцевых изоляторов; 10 - линия электрического тока; 11 - вторичное течение

увлекают в направленное движение нейтральные атомы. Заряженная частица в поле В под действием силы Лоренца описывает ларморовскую окружность. При наличии еще поля Е, перпендикулярного к В, на лар-моровское вращение накладывается смещение круговой орбиты с постоянной скоростью электрического дрейфа уе = Е/В, которая направлена перпендикулярно обоим полям В и Е. Траектория движения заряженной частицы в этих полях в промежутках между столкновениями с другими частицами представляет собой трохоиду 7 и 8 (рис.1), расположенную вдоль дрейфа по окружности вокруг оси разрядной камеры. При столкновениях с частицами центры ларморовских кружков смещаются в сторону действия поля Е. Эти смещения приводят к другому упорядоченному движению ионов и электронов радиальному - с плотностью разрядного тока ]г.

Скорость электрического дрейфа уЕ является одинаковой для ионов и электронов. Но во вращающейся плазме, кроме полей В и Е, имеются еще радиально направленные поля центробежной силы т, у^/г и

силы от изменения давления п1 dp/dr, где п -плотность числа ионов или электронов, р -давление. И в этих полях в присутствии поля В возникает свой дрейф частиц, скорости которого для ионов и электронов различны. В результате скорость суммарного дрейфа ионов Vj9 становится меньше скорости дрейфа электронов vetp , что соответствует протеканию азимутального тока с плотностью ]г

Среднемассовая скорость полностью ионизованной плазмы v равна усредненной скорости ионов: v - v,. Обычно ver < vr << vrp < veip = ve, jr < jif Линии гидродинамического и электрического токов, к которым каса-тельны векторы v и j соответственно, имеют вид спиралей 9 и 10 (рис. 1).

В замкнутой цилиндрической камере радиальное движение плазмы возможно только при ее медленной циркуляции между центральной и торцевыми областями. Такую циркуляцию 11 с составляющими скорости уг и v~ называют противотоком или вторичным течением плазмы, которое накладывается на ее основное вращение с составляющей скорости v9.

Эффективность разделения изотопов и показатели заводов

Эффективность разделения изотопов любым методом зависит от производительности разделительного устройства, энергетических затрат и коэффициента разделения, равного

а = П/р П2]& Кп2Р П1Ц/), (1)

где П[р и П2р - плотности числа атомов сорта 1 и 2 в одном из двух получаемых при разделении продуктов - смеси с обогащением целевым изотопом сорта 1; пт и пгк - плотности числа атомов сорта 1 и 2 в другом продукте - с извлечением изотопа сорта 1.

Для большинства методов промышленного разделения величина а-1 << 1, и требуемую концентрацию в конечном продукте достигают путем последовательного разделения в установках, состоящих из многих ступеней. Их количество пропорционально величине 1/(а-1), а производительность пропорциональна величине (а-1)2. Поэтому малая величина а-1 приводит к очень большим размерам завода.

О масштабах и стоимости промышленного разделения изотопов урана газодиффузионным методом при а = 1,004 дают представление следующие показатели действующего комплекса из трех разделительных заводов США, построенных в 1943-1956 гг. в Ок-Ридже, Падьюке и Портсмуте: число ступеней 7500, разделительная мощность до 17 млн. кг ЕР Р/год (соответствует переработке до 20-30 тыс. тонн природного урана в год), мощность потребляемой электроэнергии до 6000 МВт, капиталовложения 2 млрд. долл., стоимость производства до 1 млрд. долл./ год, производимым ураном с обогащением изотопом 235 и обеспечиваются атомные электростанции мощностью до 260000 МВт, численность персонала на первом заводе в 1945 г. была 11000 человек [1].

Практическое применение плазменных центрифуг для разделения изотопов является целесообразным только при большой

величине а-1 и низких энергетических затратах.

Центробежное разделение во вращающейся плазме

Рассмотрим разделение изотопов в поле центробежных сил в слабоионизован-ной смеси двух изотопов с массами атомов гп\п т2 (где т\ < то ), вращающейся между неподвижными цилиндрическими электродами плазменной центрифуги (рис. 2). Ионы при своем азимутальном движении увлекают и нейтральные атомы во вращательное движение со скоростью Уф . Под действием центробежной силы нейтральные атомы сортау (где у = 1,2) отбрасываются к периферии, в результате чего плотность числа атомов п каждого газа увеличивается с удалением от оси.

Рис. 2. Зависимость плотности числа атомов изотопов «( и п2 от радиуса г в плазменной центрифуге при массах атомов гп1<т2

В слое радиусом г, толщиной ¿г и с площадью цилиндрической поверхности 5 на все атомы сорта _/, число которых 5 ёг, действуют центробежная сила ¿й5) = п} 5 йг Ш] Уу/г, и разность сил парциального давления

на обе цилиндрические поверхности слоя, равная 5 с1р] = БкТ йщ (где Т - температура нейтральных атомов, к - постоянная Больцмана). При установившемся вращении плазмы эти силы уравновешиваются:

БкТ ¿п.] = п] 5 с1г mj /г, / = 1, 2.

Интегрируя это выражение в пределах ОТ пр при г - г„ до п, при г и потенцируя, получим

г

щ/щ0 - ехр 1т]^ V,/ /(кТг) с1г/, ] = 1, 2. (2)

ГО

Эта зависимость и, от г изображена на рис. 2 для каждого изотопа. Согласно уравнению (2), в котором положим п} = п]К и Г = Я, отношение П}ц/П]о у легких атомов меньше, чем у тяжелых:

Пщ/Пю < П2ц/П20,

ИЛИ

П!К/П2К < Пк/П-20-

Это означает, что легкие атомы концентрируются ближе К ОСИ при Г = Г о , а тяжелые - на периферии при г = Я, то есть происходит разделение изотопов в радиальном направлении.

Для рассматриваемого разделения изотопов во вращающейся слабоионизо-ванной плазме из зависимости (1) при значениях

П]р — Н]0, и (X (Х^,

с учетом выражения (2), в котором п} = п,ц и г = /?, получим следующее соотношение для коэффициента центробежного разделения в радиальном направлении:

R

a.R - ехр [(m2 - Ш]) J Vy/(kTr)dr]. (3)

га

Для полностью ионизованной плазмы, вращающейся в скрещенных В и Е полях, процессы разделения усложняются. Но коэффициент радиального разделения от центробежного эффекта в такой плазме (Xr, как показал Боневье (Bonnevier В. 1966), определяется по этой же формуле (3).

Другие эффекты разделения во вращающейся плазме

Кроме центробежного механизма, существуют и другие процессы во вращающейся плазме, приводящие к радиальному разделению изотопов или прочих смесей. К ним относятся катафорез, «ионный ветер», поляризационный и термодиффузионный механизмы, разделение за счет некоторой разницы температур у разных атомов и другие эффекты [2, 3]. При одновременном действии нескольких эффектов, число которых равно к, общий радиальный коэффициент равен произведению отдельных коэффициентов, отвечающих каждому механизму:

ОС/j = ОС/ 0.2- -О-К-

Вторичное течение плазмы (противоток) приводит к увеличению эффекта разделения. Для коэффициента продольного разделения в случае оптимального противотока получена зависимость [2, 3]:

где I - длина центрифуги; R - ее радиус; а -коэффициент порядка 1.

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2002

ю

о

Рис. 3. Схемы экспериментальных плазменных центрифуг со скрещенными В и Е полями: а - импульсная [2]; б - импульсная с вращающейся струей [5]; в - стационарная [1]; г - стационарная с пучково-плазменным разрядом [7]: 1 - катод; 2 - анод; 3 - изолятор; 4 - катушка магнитного поля; 5 - разрядная камера; 6 - вращающаяся плазма; 7 - лазерное излучение; 8 - коллектор; 9 - электронная пушка; 10 -электронный пучок

ФИЗИКА

Импульсные плазменные центрифуги

Плазменные центрифуги различных схем и параметров интенсивно исследуют в течение последних 30 лет. В экспериментальных устройствах величина скрещенных полей находилась в пределах В = 0,2-2 Тл и Е = 1-20 кВ/м. Режим разряда был как стационарным, так и импульсным с мощностью в диапазоне 102 - 107 Вт. Для разных изотопных смесей была получена как слабо-, так и полностью ионизованная плазма при плотности числа ионов п = 1019 -1021 м3, скорости вращения v(|l - 2-20 км/с и коэффициенте разделения а = 1,1-5,7. Основные схемы экспериментальных плазменных центрифуг даны на рис. 3, а их параметры приведены в таблице [1, 2, 4-8].

В импульсной центрифуге в Сиднейском университете (Австралия) осуществляли разряд мощностью до 10 МВт и продол-

20

жительностью 0,2 мс. Для изотопов Ые -

22

Ие наибольшую величину а = 1,1 наблюдали через время 0,5 мс после окончания разряда. При добавлении в разряд водорода для этих изотопов получили а = 1,2 [4].

В Институте атомной энергии им. И.В. Курчатова (Москва) изучали разделение изотопов различных инертных газов в импульсной центрифуге (см. рис. 3, а) при разряде мощностью до 1 МВт и продолжительностью 5 мс [2]. При добавлении Не или № к изотопам 129Хе~ 136Хе получили увеличение коэффициента а до 1,2. В доработанной конструкции вдоль ее оси был расположен стержень. По нему пропускали ток до 9 кА, магнитное поле которого В(р действовало на плазму с разрядным током плотностью ]г с силой Ампера ]гВ1р , направленной вдоль оси и пропорциональной величине 1/г2. В результате появлялось противоточное течение, которое приводило к заметному росту продольного коэффициента щ.

Эксперименты по разделению изотопов ряда металлов были проведены в университете г. Йела (США) на плазменной установке со скрещенными В и Е полями (см. рис. 3, б) [5]. Режим разряда был импульс-

ным продолжительностью 3 мс с инициированием пробоя от импульса СО2 -лазера, сфокусированного на катод. Анодом являлась металлическая сетка, отделявшая небольшую зону разряда от длинной основной части вакуумной камеры, из которой откачивали воздух до давления 10'5 Па. Плазма металла, испарившегося из катода от лазерного импульса, вытекала сквозь сетку и распространялась вдоль магнитного поля с одновременным вращением. При радиусе камеры 7 см только ее приосевая часть радиусом 2-3 см была заполнена замагничен-ной плазмой, движущейся с составляющими скорости уг —» 0, = 1-7 км/с и =

6-10 км/с. В потоке плазмы были обнаружены ионы с кратностью заряда 2-4, электрическое поле Ег, направленное радиально к оси, азимутальный ток плотностью и сила Ампера^ В, направленная к оси.

Была измерена толщина металлических пленок, сконденсированных из плазмы на охлаждаемую поверхность, и определен их изотопный состав. По этим измерениям величина уменьшалась с увеличением радиуса г, что отличается от обычного радиального профиля плотности, приведенного на рис. 2. Центробежный эффект разделения устанавливался на длине 50-90 см с 2-3 оборотами плазмы вокруг оси. Были получены высокие значения коэффициента разделения (см. таблицу).

Стационарные плазменные центрифуги

В исследованных стационарных плазменных центрифугах обычной схемы (см. рис. 1) при мощности разряда около 1 кВт плазма была слабоионизованной. На некоторых режимах разряда возникала ионизационная неустойчивость с вращающейся «спицей», по которой проходил разрядный ток, а основная - неионизованная часть газа практически не вращалась. Величина коэффициента разделения в этих центрифугах была мала [2, 6].

Фирмой «Мессершмитг-Бельков-Блом» (Ме88ег8сЬтШ-Во1ко\у - В1от, Мюнхен, Германия) было исследовано разделение изотопов в стационарной плазменной цен-

трифуге (см. рис. 3, в) [1]. Мощность разряда составляла 5-10 кВт, его продолжительность несколько часов. Изучали разделение изотопов 82 Кг - 86Кг, а также 235и - 238и. В последнем случае катод был выполнен из металлического урана. Разряд осуществляли в потоке гелия. Уран испарялся с катода и ионизировался, плазма вращалась, изотопы разделялись и конденсировались на торцевом коллекторе за кольцевым анодом при коэффициенте а = 1,1. Удельный расход энергии на разделение был на 1-2 порядка больше, чем на существующих разделительных заводах. По данным [1], энергозатраты на разделение в данной плазменной центрифуге могут быть снижены до практически приемлемого значения.

В Институте атомной энергии им И. В. Курчатова предложили и исследовали центрифугу со стационарным пучково-плаз-менньм разрядом в скрещенных В и Е полях (см. рис. 3, г) [7]. Плазму создавали с помощью электронного пучка, пропускаемого вдоль оси центрифуги. Этот пучок радиусом 0,4 см при ускоряющем напряжении 8 кВ и силе тока 1-2 А раскачивал высокочастотные ленгмюровские колебания плазмы, от которых нагревались электроны плазмы до температуры около Те = 200000 К. При такой температуре вращающаяся плазма была полностью ионизованной при малой мощности разряда, равной 0,02-1 кВт. Для изотопов

20 22 6 7

Ме - Ые и Ы - Ц были получены высокие значения а (см. таблицу).

Плазмохимический реактор с вращающейся плазмой

Плазмохимическую технологию, то есть производство веществ с помощью химических реакций в плазме, применяют в промышленных масштабах, например, для извлечения металлов из руд и получения различных веществ из трудноперерабаты-ваемого или широкодоступного малоценного сырья (в том числе из воздуха). В плазмохимическом реакторе образуется с высокой скоростью смесь продуктов реакций и непрореагировавших исходных веществ. Получаемые продукты подвергаются закалке (то есть сохранению за счет устранения об-

ратных реакций) и разделению в отдельном блоке с обычно низкой производительностью. В результате общая производительность плазмохимического реактора с блоком закалки и разделения оказывается низкой.

В 1975 г. A.A. Иванов, В.Д. Русанов и их соавторы предложили использовать плазменную центрифугу в качестве плазмохимического реактора [6, 8]. В этом случае в одном устройстве происходят высокоскоростные плазмохимические реакции, пространственное разделение получаемых продуктов и их закалка, что позволяет исключить блок закалки и разделения в технологической установке.

В работе [8] приведены результаты экспериментального исследования поведения химически активных веществ в импульсной плазменной центрифуге со скрещенными В и Е полями. На примере воды и смеси изотопов водорода показано, что в плазмохимическом реакторе с вращающейся плазмой реализуется новый механизм закалки - за счет пространственного разделения продуктов диссоциации. Кроме того, осуществлено разложение паров WFö с разделением и закалкой продуктов, и в результате получен чистый вольфрам.

В настоящее время плазмохимию считают наиболее перспективной областью применения плазменной центрифуги.

Заключение

Перспективным методом разделения изотопов является их разделение в плазменной центрифуге со скрещенными В и Е полями. В импульсных и стационарных плазменных центрифугах различных схем получены значения коэффициента разделения а, равные 1,1 для 235U- 238U, 3,3 для 90Zr- 94Zr и 5,7 для 3Не-4Не. По этим значениям а плазменная центрифуга значительно превосходит промышленные методы разделения, но по удельному расходу энергии она пока уступает им.

Наиболее эффективным является применение плазменной центрифуги в плазмохи-мии в качестве плазмохимического реактора. Исследования и практическое внедрение плазменной центрифуги продолжаются.

Таблица

Плазменные центрифуги со скрещенными В и Е полями

Организация город, год режим разряда RIB1 п см см Тл А М-3 изотопы а

1. Университет Сидней, Австралия 1974-1978 [4] импульсный 10 36 1,5 3000 1021 20Ne- 22Ne 1,2

2. Институт атомной энергии им. И.В. Курчатова, Москва 1976-1980 [2] импульсный 12 40 0,2 5000 Ю20 JIIe 4Не 20Ne-22Ne тХе-шХе 5,7 1,4 1,2

3. Университет Йела, США 1980-1987 [5] импульсный с вращающейся струей 7 100 0,2 3000 1019 бзСи- б5Си 90Zr- 94Zr 2,0 3,3

4. Мессершмитт -Бельков-Блом Мюнхен, Германия 1975-1979 [1] стационарный 2 40 0,5 160 Ю20 82Kr-86Kr 235и-ши 1,3 1,1

5. Институт атомной энергии им. И.В. Курчатова, Москва 1977-1981 [7] стационарный пучковоплазменный 8 70 1,0 2 1019 6Li- 7Li 20Ne-22Ne 1,7 1,3

Обозначения: И - радиус наружного электрода или разрядной камеры; I - длина или высота камеры; В -магнитная индукция; / -ток разряда; п - плотность числа ионов; а - коэффициент разделения изотопов

Литература

1. Беккер Е. и др. Обогащение урана /Беккер Е., Босхотен Ф., Бриголи Б., Дженсен Р., Массиньон Д., Натрат Н.,Робинсон К., Суббарамайер, Вил-лани С. / Под ред. С. Виллани. Пер. с англ. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 320 с.

2. Устинов A. JI. Плазменная центрифуга // Итоги науки и техники. Сер. Физика плазмы. Т. 12. - М.-ВИНИТИ, 1991. - С.42-82.

3. Zverev V.N. Characteristics of the countercurrent plasma centrifuge with intermediate degree of ionization//Physica Scripta. 1993. V.47. P.428-439.

4. James B.W., Simpson S.W. Isotopic separation in a rotating plasma // Physics Letters. 1974. V.46A, No

5. P.347 - 348.

5. Krishnan M. Centrifugal isotope separation in zirconium plasmas // Physics Fluids. 1983. V.26, No 9. P.2676-2682.

6. Бабарицкий А.И., Иванов A.A., Шапкин В.В. Плазменные центрифуги // Химия плазмы. Сб.статей. - Вып.4. - М.: Атомиздат, 1977. -С.98-122.

7. Гадеев К.К., Иванов A.A., Северный В.В., Шапкин В.В. Экспериментальное исследование некоторых характеристик пучково-плазменного разряда в скрещенных электрическом и магнитном полях // Физика плазмы. - 1979. - Т.З, вып.5. -С.1029-1034.

8. Коробцев С.В., Русанов В.Д. Плазменная центрифуга - плазмохимический реактор нового типа // Плазмохимия-87. - М.: Ин-т нефтехимического синтеза АН СССР, 1987. - С.95-144.