Содержание к диссертации
Введение
1. Исследование разделения изотопов во вращающейся плазме
1.1 Введение
1.2 Экспериментальная установка для изучения процессов разделения изотопов в импульсном разряде
1.3 Экспериментальные результаты исследований в плазме.
1.4. Магнито-гидродинамический подход для оценки разделительных характеристик метода
Литература к главе 1
2. Разработка метода ионно-циклотронного резонанса для разделения изотопов
2.1 Введение, научные основы метода, обзор работ
2.2 Экспериментальные работы на установке «Сирена», результаты по изучению разделения изотопов лития
2.3 Физические аспекты создания полей в плазме для ИЦР метода
2.4 Разработка СВЧ-источника плазмы для ИЦР метода Литература к главе 2
3. Развитие методов ректификации для разделения изотопов углерода и кислорода
3.1 Обоснование подходов при создании комплекса по низкотемпературной ректификации для разделения изотопов углерода
3.2 Исследование разделительных характеристик модулей
3.3 Решение проблемы изотопного обмена в оксиде углерода для получения изотопа С-13 высокого обогащения
3.4 Технико-экономические характеристики комплекса при получении С-13 и С-12 высокого обогащения
3.5 Развитие метода вакуумной ректификации воды для разделения изотопов кислорода
Литература к главе 3
4.3аключение
- Экспериментальная установка для изучения процессов разделения изотопов в импульсном разряде
- Магнито-гидродинамический подход для оценки разделительных характеристик метода
- Физические аспекты создания полей в плазме для ИЦР метода
- Решение проблемы изотопного обмена в оксиде углерода для получения изотопа С-13 высокого обогащения
Введение к работе
В настоящей диссертации представлены исследования, проводившиеся по традиционному для института молекулярной физики направлению, а именно изучение изотопически селективных явлений и процессов, которые можно использовать для целей разделения изотопов. Эти исследования в основном носили экспериментальный и прикладной характер и были связаны с созданием экспериментальных установок и комплексов. Исследования проводились по направлениям, два из которых связаны с изучением новых разделительных процессов в плазме, а третье явилось развитием метода ректификации для разделения изотопов легких масс.
Актуальность работы
Изотопная отрасль динамично развивается благодаря использованию уникальных свойств изотопных материалов в научных исследованиях, технике, медицине. Поскольку постоянно расширяется номенклатура используемых изотопов, возрастают требования к их степени обогащения, а их производство характеризуется значительными капитальными и эксплуатационными затратами, то вопрос о развитии методов их разделения весьма актуален. Плазменные методы, располагая в своей основе рядом уникальных характеристик, рассматриваются как альтернатива традиционным в отношении изотопов большой группы элементов легких и средних масс, в основном металлов. Значительные перспективы связываются с применением резонансного ионно-циклотронного метода. Наряду с этим рост потребления изотопов биогенных элементов углерода и кислорода стимулировал развитие методов ректификации для их обогащения в современных экономических условиях.
Цель работы
Состояла в изучении изотопически селективных процессов и поиска возможности их использования для разделения изотопов. На первом этапе исследовалась возможность разделения изотопов во вращающейся плазме. Перспективы использования «плазменных» центрифуг - аналогов механических, связывались с наблюдавшимися высокими скоростями вращения. Детальное экспериментальное и теоретическое исследование показало существование механизмов ограничения разделительных характеристик. Дальнейшее развитие плазменных методов связано с исследованием резонансного метода на основе ионно-циклотронного нагрева, обладающего высокой селективностью. Для этого на созданной установке были изучены разделительные характеристики метода, а также проведено теоретическое исследование процесса селективного нагрева изотопов и систем, применяемых для нагрева. Наряду с этим разрабатывались способы отбора нагретой компоненты из плазмы и источник плазмы на электронно-циклотронном резонансе. Для последней задачи был создан и апробирован гиротронный комплекс на основе стационарного генератора «Былина». Следующей целью стало изучение возможности создания крупного экспериментального комплекса для производства С-13 высокого обогащения. Оно завершилось разработкой и созданием комплекса «Колонна», основанным на низкотемпературной ректификации оксида углерода. В связи с работами по развитию этого направления был разработан и создан комплекс «Вода» для обогащения кислорода О-18. Эти исследования перешли в стадию многолетней эксплуатации комплексов.
Научная новизна
При исследовании новых методов разделения в плазме впервые были получены следующие результаты:
- в экспериментах на импульсной установке с вращающейся плазмой были получены рекордные коэффициенты разделения изотопов;
-определены механизмы разделения изотопов в многокомпонентной плазме;
-выявлен диссипативный механизм, приводящий к ограничению процессов разделения;
- экспериментально при разделении изотопов лития получены высокие разделительные характеристики метода ИЦР;
-проведен анализ селективности нагрева в том числе спектральных свойств антенн для ИЦР метода, предложен метод решения уравнений для определения полей в плазме и характеристик нагрева.
При развитии метода ректификации впервые было получено:
- разработана концепция разделительного модуля и экспериментального комплекса «Колонна», позволившая уменьшить высоту колонн в 2-3 раза по сравнению с аналогами и снизить стоимость проекта на порядок;
- решена проблема изотопного обмена в оксиде углерода для использования в технологии обогащения С-13 до 99%, эти результаты использованы в многолетней работе комплекса «Колонна».
Практическая ценность
Проведенные исследования носят прикладной характер и направлены на создание новых методов разделения или развитие традиционных. Результаты исследований по методу ИЦР непосредственно использовались для разработки промышленного прототипа (проект «МЦИРИ»). На основе исследований по ректификации, проведенных автором, созданы экспериментальные комплексы «Колонна» и «Вода» для производства изотопов углерода и кислорода. Доведены до стадии технологического применения исследования по проблеме изотопного обмена в оксиде углерода. В процессе работ разработаны и используются приборы анализа изотопного состава на основе диодной лазерной спектроскопии.
Личный вклад автора
в результаты работ, представленных в диссертации, является определяющим. Он состоит в разработке научных идей, в создании установок и комплексов, личном участии в экспериментах, в проведении математических расчетов и моделировании.
Достоверность результатов исследований
основана на отработке методик измерений физических параметров процессов, все работы по разделению изотопов сопровождались масс-спектрометрическим анализом состава отработанными методами и с высокой точностью, результаты расчетов теоретических исследований проходили тщательное сравнение с экспериментом. Например, все заложенные в концепцию разделительного модуля для обогащения изотопов углерода параметры подтвердились при запуске комплекса "Колонна".
Апробация работы
Основные научные результаты докладывались на международных и российских конференциях:
XV ICPIG, Minsk, 1981
XVII ICPIG, Budapest, 1985
XIX ICPIG, Belgrad,1989
XX ICPIG, Pisa,1991
Strong microwaves in plasmas, Nizhny Novgorod, 1994
XXIII ICPIG, Toulouse,1997
7, 8, 9, 10, 11 Всероссийские конференции « Физико-химические процессы при селекции атомов и молекул», Звенигород, 2002-2007
Fifth International Conference on Isotopes, Brussel, 2005
5th International Conference on Tunable diode laser spectroscopy, Florence, 2005
Публикации по теме диссертации
По теме диссертации автором опубликовано более 40 работ в виде статей в научных журналах, докладов на конференциях и препринтов РНЦ «Курчатовский институт» (ИАЭ им. И.В. Курчатова).
Структура и объем диссертации
Экспериментальная установка для изучения процессов разделения изотопов в импульсном разряде
Уже в ранних экспериментах с разрядами в скрещенных полях[9,33,34] был обнаружен эффект «критической» скорости, проявлявшийся в ограничении скорости вращения плазменных компонент величиной е(ріІті (щ,щ потенциал ионизации и масса ионов). Для тяжелых благородных газов эта величина составляет 1-2 км/с, а для водорода превышает 10 км/с. Явление ограничения скорости подробно изучалось позднее различными исследователями [11,39,40], и, как было показано, связано с возникновением ионизационной неустойчивости и азимутальных неоднородностей при достижении кинетической энергии ионов величины порядка потенциала ионизации. Поэтому эксперименты по разделению проводились при использовании в качестве рабочего газа смеси гелия и неона с водородом при молярной концентрации водорода- С 50%. Большинство экспериментальных данных соответствуют использованию смеси 20% Не + 20% Ne + 60% Н2 при выбранных значениях параметров: разрядный ток JR = 4,5 kA, магнитное поле с индукцией В = 0,23 Тл.
Оптические измерения. Электронная плотность, скорость вращения частиц и их температура определялись оптическими» методами, при этом излучение выводилось через смотровое окно средней секции камеры на различных расстояниях от/ оси камеры. Средняя концентрация заряженных частиц в разряде определялась по Штарковскому уширению спектральной линии Нв с длиной волны 4861А и оказалось порядка ne ЗЛО14 см"3 , что при начальном давлении 0,1 мм рт.ст. соответствует степени ионизации 10%. В этих измерениях использовался спектрограф СТЭ-1 с линейной дисперсией 10 А/мм. Температура и скорость нейтральных компонентов определялась по І Допплеровскому уширению и смещению спектральных линий атомов гелия (Неї, 5875 А) и неона (Nel, 5852 А), при этом использовался.спектрограф СТЭ-1, скрещенньй с интерферометром Фабри-Перо. При измерениях температуры,частиц использовалось излучение в диаметральной плоскости. Средняя температура нейтрального газа составила Т=5-7.103оК. При измерениях скорости, вращении газа максимальная величина была получена для атомов гелия на расстоянии от оси 6 см и составила 0,8.104 м/с. Для скорости вращения атомов неона в этой же области было получено всего лишь 1,5.10 м/с. В действительности скорость атомов неона в разряде значительно выше. Поскольку неон, обладающий большей массой в сравнении с гелием, под действием центробежных сил концентрируется в очень узкой зоне на периферии камеры, то регистрируемое световое излучение связано, в основном, с периферийной областью. Здесь скорость вращения меньше из-за торможения газа о боковую поверхность камеры, а также мала проекция вектора скорости вращающегося газа на направление регистрации, и Допплер-эффект измеряется не полностью. Это заключение подтверждается измерениями скорости на расстоянии от оси камеры 11 см. Здесь скорости вращения всех компонент оказались равными 3.10 м/с. Отметим, что именно оптические измерения скоростей вращения компонент плазмы и их температур позволили из широкого диапазона, в пределах которых могли варьироваться основные параметры разряда - электрический разрядный ток, индукция магнитного ноля и рабочее давление газа в камере, выбрать режим перспективный с точки зрения разделения изотопных смесей.
Использование быстродействующего пробоотборника позволило исследовать состав газа во внутренних областях разрядной камеры По количеству, отбираемого газа Q, можно было судить о распределении компонент по радиусу под воздействием поля центробежных сил и о составе газа и изотопных смесей. В таблице 1.1 представлены измерения величин отбора газа при экспериментах в чистых изотопных смесях и с добавкой водорода для радиусов г = 12,5см и г =5см. Таблиц 1. Вращение чисто изотопной смеси Вращение в смеси с водородом Изотопная смесь Не Ne Не Ne Qr=12.5cvi/Qr=5cM 3 -12 -100 -50000 Значительные радиальные градиенты плотности компонент, вызванные центробежной силой, сопровождаются эффективным разделением изотопных компонент. Ниже в таблице 1.2 представлены результаты масс спектрометрических измерений локального изотопного состава гелия Пі/П2 по отношению к составу в исходной смеси Пк/п2о.
Исследования процессов разделения изотопов в низкотемпературной плазме проводились в целом ряде устройств таких как: разряды в бегущем и вращающемся электромагнитном поле, прямой разряд и т.д. [19,24-28]. Наряду с интересными физическими результатами, значительных разделительных эффектов в этих экспериментах достигнуто не было. Коэффициент обогащения обычно составлял не более 10%. Поэтому результаты экспериментов на импульсной центрифуге оценивались довольно высоко и обнадеживающе для развития. Было принято решение продолжить это направление исследований на стационарной установке, схема которой представлена на рис. 1.4. ІХТХіХІ г IXlXtXl =fl
Разрядная камера, изготовленная из тугоплавких материалов, помещалась в центре вакуумной водоохлаждаемой камеры длиной 1.5м и диаметром 0.5м. Цилиндрический корпус разрядной камеры 1, служивший анодом, был изготовлен из ниобиевого листа толщиной 2мм, торцевые изоляторы 4 из алюмонитрида бора, центральный электрод 3- катод был изготовлен из газофазной вольфрамовой трубки, заполненной, прутками из, вольфрама. Инициация разряда осуществлялась с помощью- дополнительного электрода 6 [67,68]. Ресурс ниобиевой камеры из-за высокой рабочей температуры оказался не высоким, и позднее был изготовлен корпус разрядной камеры по специальной технологии из газофазного вольфрама. Длина разрядной1 камеры была 0.5м, диаметр 0.15м. В объеме разрядной камеры1 создавалось продольное магнитное поле с индукцией до 0.15Тл с помощью системы магнитных водоохлаждаемых катушек, располагавшихся соосно с вакуумнойї камерой. Разрядная камера была оснащена пятью газовыми линиями(на схеме места подсоединения обозначены а-д), которые использовались для подачи газа, измерения давления или отбора пробы.
Магнито-гидродинамический подход для оценки разделительных характеристик метода
Метод ионно-циклотронного резонанса (ИЦР) основан на одном из фундаментальных плазменных резонансов- взаимодействии ионов плазмы с электромагнитными колебаниями на ионной циклотронной частоте ю еВ/irij (е-заряд электрона, В- индукция магнитного поля, mi -масса иона). Это взаимодействие проходит наиболее эффективно с электромагнитным полем круговой поляризации по циклотронному вращению ионов в магнитном поле. Преимущества и в том числе- селективность и универсальность метода обусловлены тем, что резонансная частота взаимодействия для однократно ионизованных ионов при выбранной интенсивности і магнитного поля определяется только массой ионов. Идея использования ИЦР дляі разделения изотопов урана обсуждалась еще во времена Манхэтенского проекта, но условий для ее апробации в то время не было. Первые эксперименты по изучению селективного нагрева с использованием ИЦР были опубликованы в 1976 г. [1]. Значительное исследование метод получил в работах фирмы TRW по заказу DOE(CIIIA) по программе разработки новых методов разделения изотопов урана. Эксперименты проводились на крупном сверхпроводящем соленоиде с интенсивностью поля до 1.8 Тл. Результаты этих исследований, к сожалению, не были опубликованы; некоторые отрывочные сведения имеются в [2-4]. Метод, по-видимому, уступил в конкуренции с лазерным(АУЫЗ), и установка была законсервирована на длительный период, а затем перемещена в Ок-Ридж с целью использования для разделения стабильных изотопов. Наряду с этим, исследования ИЦР-метода продолжились во Франции и России. В Сакле, научном центре (СЕА) , была создана установка со сверхпроводящим соленоидом с полем до 3 Тл, на которой удалось провести некоторые эксперименты по изучению селективности нагрева изотопов кальция, бария и позднее гадолиния [5,6]. В России экспериментальное исследование метода проводились на изотопах лития на установке «Сирена» [7,8]. Эти работы позволили определить основные черты метода применительно к наработкам обогащенных изотопов. Для практического использования по разделению изотопов приемлима пролетная система с использованием источника плазмы, зоны селективного нагрева и устройства выделения нагретой компоненты из потока плазмы - рис.2.1.
Принципиальная схема ИЦР метода. 1-соленоид, 2- антенна для нагрева ионов, 3-пластины коллектора нагретых ионов, 4-экраны коллектора, 5-сборник холодных ионов, 6-траектория нерезонансных ионов, 7-траектория резонансных ионов. Каждый из функциональных узлов метода получили развитие, но не все их современные технические характеристики, как представляется, адекватны представлениям о крупном производящем комплексе, ориентированном на работу с широким диапазоном элементов. Наиболее отработанным является система нагрева, к которой можно отнести соленоид с однородным полем и ВЧ-антенну, генерирующую греющее поле. В настоящее время разработаны крупные магнитные системы с полем до 4 Тл, однородностью поля порядка 103, теплым отверстием до 0.5м. Применение последних достижений технической сверхпроводимости (кулеров, шунтов и т.д.) позволяет понизить эксплуатационные издержки по гелию (один из главных сдерживающих факторов) до приемлимых величин. Значительную экспериментальную проверку получил метод нагрева ионной компоненты в» полях винтовой конфигурации, и отработаны конструкции антенн для генерации таких полей. Проработаны основы расчетных моделей для вычисления самосогласованных полей в плазме с учетом нагрева резонансной компоненты. В качестве источника плазмы в первых экспериментах использовались, различные газоразрядные устройства, которые позволяли создавать плазменные пучки небольшого диаметра до - 10 см. В настоящее время общепризнанным считается применение для этих целей разряда на основе электронного циклотронного резонанса (ЭЦР). Разработанные в России в последние годы стационарные генераторы миллиметрового диапазона - гиротроны с мощностью излучения до 10-20 кВт находят различные технологические применения, так как обладают высокими техническими характеристиками. Применение СВЧ-излучения с частотами в диапазоне 30-80 ГГц (резонансное поле -1-3 Тл) и разработанных для них систем ввода позволяет создавать высокоапертурные источники плазмы сечением до 103 см2 в зоне на краю основного магнитного поля. Поскольку перспективы ИЦР метода связываются в первую очередь с разделением изотопов труднолетучих элементов, в основном, металлов, в экспериментах изучалось два метода получения паров: термическим испарением [5] и распылением диска в продольном разряде [4,6,23]. На схеме- рис.2.2 [24] показаны варианты компоновки источника плазмы.
Физические аспекты создания полей в плазме для ИЦР метода
В данном разделе рассмотрим проникновение электромагнитных колебаний, генерируемых антенной, в плазму, создаваемую в приосевой области цилиндрической вакуумной камеры. Разложим электрические и магнитные поля на Фурье-компоненты: (Е, В) j = е ш е \{Е, B)nkJ e" dk , л Здесь j = r,(p,z -цилиндрические координаты, со -частота греющего поля, п-азимутальное волновое число.
Упрощенная модель плазмы.
Плазму будем характеризовать отличными от нуля компонентами тензора диэлектрической проницаемости: єп =є22 =є, єп = -іє21 = ig, є33 = єи. При выполнении селективности нагрева Aw ... я». »kVz m и настройке частоты поля на резонансный изотоп для реальных частей є и g , определяемых доминирующим нерезонансным изотопом, будем использовать выражения для холодной плазмы [12]: со 2Ат где o)pi -плазменная частота, определяемая по плотности нерезонансного изотопа(или нескольких сорта s), а,.-циклотронная частота резонансного, Am = тнерез - т разность масс изотопов. Не конкретизируя пока мнимую часть є и g зададим є = eR (1 + і а), полагая, что радиальная зависимость є сосредоточена в єR, в то время как величина а характеризует содержание нагреваемого изотопа в смеси. Из кинетического тензора [13] можно получить оценку для величины п т о) _ аг = , где п -плотность нагреваемого изотопа. Полезно п Am kV, составить представление о порядке величин основных параметров рассматриваемой задачи. Полагая плотность плазмы пе=1012 см"3, магнитное поле В= 2.5 Тл, длину зоны нагрева L=4 м, для изотопной смеси с относительной разностью масс Am/m = 10 2 и атомным номером около 100, при начальной температуре Тр 2эВ имеем: Rsl05, среднее аксиальное волновое число спектра одноволновой антенны к = 2л:I =1.5 м \параметр продольного замедления iV,2 =(kc/aj)2 = 3 104 ( здесь с-скорость света), Аа); = 3-Ю4 !0kVz. В условиях сильного черенковского поглощения для электронной компоненты можно положить Re(u) Im(u ) = (соре I со()2 103 eR, соре -электронная плазменная частота.
Как известно [12], в неоднородной плазме могут реализоваться области прозрачности магнито-звуковых колебаний и альфвеновских. Первая возникает при N2 s-g co2pi IIco1, что соответствует области малых А; eopi/c О.ЗлГ1. Такие колебания дают малый вклад в циркулярно поляризованное поле, греющее ионы, слабо генерируются спиральными антеннами и в дальнейшем рассматриваться не будут. В тоже же время альфвеновские колебания, существующие при є 0 ( то есть если резонансные ионы обладают большей массой), возбуждаются в пространственно неоднородной плазме в зоне отвечающей условию є N2 2є и соответствуют основной части спектра. Для описаний полей в плазме воспользуемся методом, предложенным в [12] І при этом для Фурье-образов аксиальных компонент имеем(индексы nkz опускаем): 1 d Є-N2 dB пґ 1 п d g п2 є-N2 ik Л d g dE „,n d є-N2 x dx D dx Nz x dx D x D CO x dx D dx x dx D Id g dB n,n d Є-N2 n2 g4 ікЛ d . 1 -N2dE x- + B( z- --2-) = —( (—r + -)— + xdx D dx xdx D x D (O x dx iV, D dx + AA_4(J_+z .)+iiL)) xdxD x2 Nl D N2 здесь x=kr, D = (e-N2)2 -g2.Анализ этих уравнений, как известно, затруднен из-за наличия трех точек сингулярности: точек отсечки магнито-звуковых и альфвеновских колебаний N2 -e = ±g и альфвеновского резонанса(АР) N2 =є. Показано, что вдали от АР эту систему уравнений из-за наличия большого параметра єи/є»1 допустимо разбивать на уравнения, описывающие мелкомасштабные(электронные) колебания и крупномасштабные, проникающие в плазму. Последние описываются первым уравнением системы с правой частью равной нулю. Как увидим далее, наличие поглощения резонансной компонентов мнимая часть є) устраняет сингулярность в АР и позволяет пользоваться упрощенным уравнением , но создает другие трудности. Условия циклотронного резонанса, когда сильно возрастают є и g, а также пренебрежение магнито-звуковыми колебаниями
Решение проблемы изотопного обмена в оксиде углерода для получения изотопа С-13 высокого обогащения
Флегмовыи поток в секции извлечения первой ступени, который вносит основной вклад в энергетические потери каскада в виде потребляемого хладагента, определим из базового уравнения конвективной диффузии [14]: W(l-Cw) = 6 L1(l-C/)f. Полагая = 0.007,0 = 0.8, получаем Ь ООкгСО/сутки, что соответствует орошению жидким оксидом углерода 775 мл/мин. Определение флегмового потока в секции обогащения первой ступени связано с выбором расположения узла сокращения потока. Положим концентрацию обогащаемого изотопа в узле сокращения потока около 5%,. что соответствует максимальному приближению к идеальному каскаду, так как- участок колонны, соответствующий изменению-концентрации от 1% в точке питания до 30% в кубе, разбивается на примерно равные промежутки. Тогда для флегмового потока в концентрирующей части первой ступени получаем: j l.1%/5% - 170мл/мин жидкого оксида углерода.
Аналогично для концентрирующих частейшторой и третьей ступеней получаем величину флегмы порядка 16 мл/мин.
Наряду с выбором принципиальной схемы тщательный анализ имевшихся опубликованных экспериментальных данных о величине ВЭТС (величина эквивалентной теоретической ступени) и температурной зависимости коэффициента обогащения изотопных компонент оксида углерода в области азотных температур позволил сделать ориентиры при выборе конкретного устройства колонн. Наиболее сложным вопросом является зависимость ВЭТС от диаметра колонн, применяемой насадки, величины флегмового потока, длины царг и ряда других факторов. Опубликованные разрозненные данные имеют противоречивый характер, что связано, по-видимому, с различием технологических особенностей изготовления насадки, царг, конденсаторов, теплоизоляции и т.д. Так для труб с диаметром порядка дюйма наблюдалась высота тарелки в диапазоне 20-ЗОмм, с нагрузкой 3мл/см2мин при использовании мелкой спирально-призматической насадки 2x2x0.2мм. При увеличении диаметра колонн до 40мм, нагрузки до 4.5мл/см мин и использовании насадки размером 2.6x2.6x0.2мм наблюдались,значения ВЭТС в диапазоне 25-45мм. При увеличении диаметра до 100мм (характерный диаметр секций начального обогащения производительного комплекса) неопределенность величины ВЭТС становится неприемлимой для проектирования.. Поэтому выбор диаметра колонн для ступеней высокого обогащения, не. вызывает особых проблем, так. как длж полученных величин флегмового потока они попадают в хорошо исследованный, диапазон порядка дюйма. Для получения более надежных разделительных характеристик секции извлечения и начального обогащения первой ступени было принято использование параллельно работающих колонн пониженного диаметра с индивидуальными конденсаторами. Использование параллельно работающих колонн сопряжено с рядом трудностей. Во первых увеличивается пропорционально количеству колонн количество контролируемых потоков питания и отвала, что удорожает оборудование и затрудняет эксплуатацию. Во вторых возникает опасность смешения концентраций вследствие неидентичности колонн и перетекания газа через узел сокращения потоков. При этом требование к точности баланса питания и отвала каждой колонны порядка є, то есть на уровне десятых долей процента, что в принципе не обеспечивается техническими средствами регулирования потоков. Эта проблема была решена путем мероприятий по максимальной идентичности изготовления царг колонн, включая требования к изготовлению насадки и ее упаковки в колонны, а также индивидуальной юстировкой потоков колонн по уравниванию степеней извлечения каждой колонны( по масс-спектрометрическому анализу отвалов). Расчет количества теоретических ступеней проводился по уравнениям Коэна, Фенске [14,16] с апроксимацией на отборный режим. Подробно расчеты приведены в [25], здесь приведем только основные результаты. Для реализации концентраций, соответствующих принципиальной схеме, необходимо в секции извлечения (первой ступениь 200 ступеней, в секции обогащения первой ступени -600 ступеней из них 355 ниже узла сокращения потока. При выборе сокращения в 4 раза эти данные при полной высоте насадочной части колонн около 39 метров позволяют ориентироваться на величину высоты теоретической ступени около 4см и выбрать колонны с внутренним диаметром 72мм с плотностью орошения около 4 мл/сммин. При этом использовать спирально-призматическую насадку среднего размера 2.6x2.6x0.2 мм, изготовленную из проволоки диаметра 0.2 мм с маркой стали 12Х18Н10Т . Для второй ступени в секции обогащения(ниже точки питания) для повышения концентрации С-13 от 30% до 92% требуется около 700 ступеней. В секции извлечения для исчерпывания отвала до концентрации близкой к природной требуется более 800 ступеней. Полагая высоту второй ступени равной первой- 39м, для диаметра колонны 28мм с плотностью орошения около 3 мл/см мин получаем оценочное значение высоты ступени 2.6 см. При этом разумно использовать более мелкую насадку 2.2x2.2x0.2 мм. Реализация этой программы потребовало применение высококачественной насадки нескольких типоразмеров. Поэтому наряду с разработкой оборудования разделительного комплекса, были разработаны, изготовлены и применены станки для производства спирально-призматической насадки с повышенным качеством.
