Плазменное окисление изотопов углерода в магнитном поле

• Автор: Ижойкин, Дмитрий Александрович
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 155 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1 Обзор литературы
1.1 Углерод
1.2 Магнитный изотопный эффект
1.3 Моделирование плазменных систем и плазмохимических процессов
1.4 Диагностика низкотемпературной плазмы
1.5 Разделение изотопов в низкотемпературной плазме
1.6 Нуклеация и газификация углерода в низкотемпературной плазме
ГЛАВА 2 Моделирование плазменных процессов в аргоновой и гелиевой плазме, содержащей пары углерода
2.1 Термодинамические свойства исследуемых систем
2.2 Газодинамика и химические процессы
2.2.1 Моделирование и оптимизация газодинамики при отборе газовых проб
2.2.2 Моделирование и оптимизация газодинамики при распространении плазменного факела
2.3 Моделирование парамагнитных явлений и молекулярной динамики
ГЛАВА 3 Контроль параметров плазмы при проведении плазмохимических процессов
3.1 Контроль дисперсной фазы в плазменном факеле
3.2 Контроль температуры плазменного факела
3.3 Анализ эмиссионных спектров ВЧФ-разряда
ГЛАВА 4 Экспериментальные исследования сепарации изотопов углерода в аргоновой и гелиевой плазме с добавками кислорода
4.1 Разработка экспериментального стенда
4.2 Методика эксперимента

4.3 Изотопный анализ продуктов плазмохимических процессов
4.4 Анализ плазменных процессов и оценка разделения изотопов при плазменном неполном окислении углерода
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕЕ1ИЙ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЕ А
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы
Изотопы углерода широко используются в различных отраслях. Маркированные изотопом ЬС вещества применяются при исследованиях параметров роста и аккумулирования углерода растениями для оценки степени фотосинтеза при контроле углеродного баланса в экосистемах [1].
Органические соединения, обогащенные по |3С, широко используются для медицинской диагностики [2]. Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) на ядрах 13С является основой методов: измерения скорости тока внутренних жидкостей человека, исследования процессов в коре головного мозга [3].
Изотопы углерода применяются в качестве материала для мишеней ускорителей. |3С является перспективным материалом конвертора нейтронной мишени, вырабатывающим нейтроны под воздействием мощного протонного пучка [4].
Новый перспективный материал на основе углерода (графсн) обладает высокой электропроводностью. При увеличении концентрации ,3С графен приобретает свойства полупроводника. 13С применяется для изучения процесса образования и роста углеродных нанотрубок [5], графена [6].
Сфера применения изотопов углерода будет увеличиваться с развитием исследований и разработки новых углеродных материалов.
Широкому применению обогащенных по изотопам материалов препятствует высокая себестоимость известных методов и технологий разделения изотопов.
Важной задачей также является утилизация облученного ядерного графита. За годы существования уран-графитовых реакторов накоплено более 230 тыс. тонн облученного графита, из них примерно 60 тыс. тонн в России [7]. При использовании технологичных способов сепарации изотопов углерода эффективной может оказаться переработка облученного графита с последующим захоронением наиболее активной части (до 2,5 % от первоначального объема) [8]
Для эффективной работы установки источник ионов должен обеспечивать ионный ток не менее 5 А с энергией ионов 10-40 эВ. Продольная скорость плазменного потока должна быть 1-3-105 см/с при сечении 102—103 см2 и плотности плазмы 1012— 1013 см"3. При таких параметрах установка может обеспечивать, например, до 50-150 кг 157Сс1 (до 15% в продукте) в год [158].
Необходимость нахождения оптимальных параметров обусловлена существенным их влиянием на процесс разделения. Так, авторами [159] теоретически установлено, что увеличение индукции магнитного поля приводит к увеличению селективности при нагреве ионов, что связано с увеличением расстояния между циклотронными частотами.
К основным достоинствам ИЦР-установок относят относительно малые размеры, возможность перестройки на другой изотоп, высокая степень разделения. Метод применялся для разделения изотопов Са, Zn, Сс1, Ва, УЬ, Сг, N1, РсЗ и др. При этом в некоторых случаях однократный коэффициент разделения достигал 24 [11]. Недостатками являются низкая производительность, большое энергопотребление по сравнению с промышленными способами.
Разрабатываются и другие магнитоплазменные методы сепарации изотопов, например, при движении ионов линейно [160]. Теоретические основы и обзор действующих установок для магнитоплазменного разделения изотопов приведены в работах [13, 161].
Исследуются также возможности изменения геометрии магнитного поля для улучшения эффективности метода. Использование встречных аксиальносимметричных магнитных полей описано авторами [162]. Показано, что метод позволяет осуществлять обогащение 1л от 20 до 80% по легкому изотопу. Предполагаемый коэффициент разделения изотопов урана составит 30-40 при 1-2 ступенях и существенном снижении энергопотребления, по сравнению с промышленным центробежным методом (2,5-4 раза). Использование