Плазмооптические масс-сепараторы : методы построения, диагностика

• Автор: Во Ньы Зан
• Шифр специальности: 01.04.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Иркутск
• Количество страниц: 118 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА Е ПЛАЗМООПТИЧЕСКАЯ МАСС-СЕПАРАЦИЯ
1.1. Магнито-плазменные сепараторы
1.2. Плазмооптический масс-сепаратор ПОМС-Е
1.3. Плазмооптический масс-сепаратор ПОМС-ЦВ
1.4. Особенности плазмооптической масс-сепарации немоноэнергетичных многозарядных ионов
1.5. Панорамная плазмооптическая масс-сепарация
ГЛАВА 2. ЭНЕРГО-МАСС-АНАЛИЗАТОРЫ ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ ПРОЦЕССА РАЗДЕЛЕНИЯ ОТРАБОТАННОГО ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА
2.1. Восьмиканальный энерго-масс-анализатор
2.2. Гибридный энерго-масс-анализатор
2.3. Цилиндрический дефлектор с наложенными магнитным и электрическим полями
ГЛАВА 3. РАСЧЕТ СТАЦИОНАРНЫХ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ
3.1. Основные формулы для расчета магнитных полей
3.2. Численные методы расчета полей. Метод конечных элементов
3.3. Расчет магнитного поля осесимметричного плазмооптического масс-сепаратора ПОМС-Е
3.4. Магнитное поле плазменных ускорителей
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Сегодняшние и будущие потребности человеческой деятельности ставят перед исследователями задачу нахождения и промышленного использования высокопроизводительного способа выделения ядерно-чистых веществ, изотопов. В настоящее время наиболее актуальным является разделение отработанного (облученного) ядерного топлива (ОЯТ). Актуальность проблемы ОЯТ состоит в недопущении повышения уровня радиации, повторном использовании его радиоактивной части. Переработка ОЯТ позволяет сохранить до 30% естественного урана. Из ОЯТ можно также выделять препараты стронция, цезия, циркония, ниобия, рутения, иттрия для изготовления источников ионизирующего излучения, широко применяемых в промышленности и медицине.
Ежегодный объем химической переработки ОЯТ составляет около 5000 тонн, в то время как один легко-водный реактор мощностью 1000 МВт производит ежегодно около 25 тонн ОЯТ, а установленная мощность на январь 2010 г. составляла 370394 МВт. Основное количество ОЯТ, таким образом, помещают в хранилища без переработки. Причина - высокая стоимость и, следовательно, нерентабельность химического разделения ОЯТ. Разделение ОЯТ, например, с трех бывших ядерных производств США (Ханфорд, Саванна-Ривер, Айдахская национальная лаборатория; 379 тысяч кубометров ОЯТ) при использовании существующих технологий планируется закончить к 2028 году; цена этого примерно 200 миллиардов долларов. Стоимость химической переработки ОЯТ, переработки радиоактивных отходов (РАО) и затраты на хранение ОЯТ составляют около 29,1% общих затрат ядерного топливного цикла.
Следует упомянуть и о том, что получение изотопно-обогащенных материалов в промышленных количествах (тонны) представляет интерес для атомного машиностроения и энергетики. Так, основным конструкционным материалом для активной зоны реактора является цирконий. При этом технология получе-

ния ядерно-чистого циркония сама по себе достаточно сложна и нуждается в усовершенствовании. Кроме того, природный цирконий содержит 11,22% изотопа 9г, который имеет большее сечение поглощения тепловых нейтронов по сравнению с другими изотопами, поэтому необходимо обогащение циркония по изотопам с минимальным сечением поглощения нейтронов.
В качестве перспективного материала для регулирующих стержней легко-водных реакторов рассматривается гафний. Поскольку его изотопы имеют разное сечение поглощения, имеет смысл обогащение природного гафния изотопами с наибольшим сечением поглощения нейтронов.
Обогащение циркония, гафния, а также других редкоземельных элементов, перспективных для реакторостроения, невозможно выполнить методом центрифугирования (нет соединений в газовой фазе), а применение электромагнитного сепаратора лишено смысла, поскольку потенциальная мировая потребность в этих материалах составляет десятки и даже сотни тонн в год. Поэтому разработка универсальной по отношению к атомному номеру химического элемента плазменной технологии позволит развить данный сегмент рынка и даст толчок применению новых материалов в атомном машиностроении. Плазменные методы сепарации вещества и установки для их реализации - магнитоплазменные и плазмооптические масс-сепараторы могут стать альтернативой химической технологии.
При плазменной масс-сепарации возможно разделение смеси элементов, например, ОЯТ на легкую и тяжелую массовые группы - частичная сепарация, либо поэлементное разделение - полная сепарация [1]. При частичной сепарации основная задача заключается в уменьшении доли низко- и среднеактивных элементов с тем, чтобы снизить количество отходов для последующей витри-фикации. Использование плазменных масс-сепараторов для частичной сепарации позволит отделить трансурановые элементы ОЯТ от продуктов распада; продукты распада разделить на две группы в соответствие с наиболее вероятными массовыми числами.

ковки азимутатора и сепарирующего объема, состоящая в присутствии в переходной области рассеянных магнитных полей, искажающих траектории движения ионов, что приводило к погрешностям при разделении ионов разных масс.
Требуемый технический результат достигается тем, что в способе плазмооптической масс-сепарации, включающем получение квазинейтрального многокомпонентного цилиндрического потока плазмы с помощью плазменного ускорителя, транспортировку потока плазмы через сепарирующий объем со стационарным радиальным электрическим полем и постоянным магнитным полем, компенсацию объемного заряда плазменного потока, собирание ионов на 3 приемника, магнитное поле в сепарирующем объеме создают аксиальносимметричным, имеющим азимутальное направление - поле прямого тока, величину азимутального магнитного поля выбирают достаточной для обеспечения замагниченности ионов и электрического дрейфа плазмы по направлению, совпадающему с направлением движения потока плазмы, разделение многокомпонентного потока плазмы по массам производят воздействием скрещенных радиального электрического и азимутального магнитного полей в процессе движения потока плазмы через сепарирующий объем. В устройстве для плазмооптической масс-сепарации, содержащем плазменный ускоритель, систему создания радиального электрического поля, систему создания магнитного поля, электронную пушку сопровождения и приемники разделенных компонентов пучка, система создания магнитного поля выполнена без азимутатора и имеет вид токопровода, размещенного на оси плазмооптического масс-сепаратора, электронная пушка сопровождения выполнена линейной, вытянутой вдоль оси плазмооптического масс-сепаратора, обеспечивающей инжекцию электронов вдоль азимутального магнитного поля.
Преимуществами заявляемого масс-сепаратора по сравнению с прототипом являются возможность работать с немоноэнергетичными пучками заряженных частиц, надежность обеспечения квазинейтральности плазменного потока и упрощенная конструкция устройства, что обеспечено изменением конфигурации и величины магнитного поля в сепарирующем объеме, устранением