Введение к работе
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; стоить это может примерно 200 миллиардов долларов. Стоимость химической переработки ОЯТ, переработки РАО и затраты на хранение ОЯТ составляют около 29,1% общих затрат ядерного топливного цикла.
Альтернативой химической технологии могут стать плазменные методы сепарации вещества и установки для их реализации - магнитоплазменные и плазмо- оптические масс-сепараторы. К настоящему, времени в той или иной степени, среди плазменных методов развиты разделение изотопов в плазме с помощью селективного ионно-циклотронного нагрева, плазменные центрифуги, разделение изотопов в положительном столбе газового разряда и в пучково-плазменном разряде. Однако все экспериментально разрабатываемые методы либо малопроизводительны, либо очень «грубы», т.е. не позволяют разделять ионы с близкими массами, разделять сложные вещества на группы элементов, а предназначены для выделения, обычно, целевого наиболее тяжелого элемента. Остальные - собираются на коллекторы в виде смеси элементов («отвала»).
В соответствии с вышесказанным, разработка нового высокопроизводительного плазменного метода получения ядерно-чистых веществ, развитие нового направления в технологии плазменной масс-сепарации являются актуальными задачами.
Целью работы является доказательство возможности реализации плазмо- оптической универсальной высокопроизводительной масс-сепарации потока плазмы из плазменного ускорителя на составляющие его компоненты - изотопы, элементы, группы элементов в стационарном электромагнитном поле.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
-
исследование разделения ионов в найденной для осуществления масс- сепарации конфигурации электромагнитных полей;
-
разработка необходимых средств диагностики;
-
получение данных для конструирования опытно -промышленного электромагнитного плазмооптического масс-сепаратора.
Методы исследования заключались в применении теоретических исследований и численного моделирования.
Объектом исследований являются физические процессы при селекции целевых ионов из плазменного состояния и методы разработки и конструирования плазмооптических масс-сепараторов.
Предмет исследований - теоретическое и численное моделирование траекторий движения ионов различных масс в электромагнитных полях.
Научная новизна работы состоит в следующем:
-
-
найдено новое решение для масс-сепарации смеси элементов, изотопов на три целевые составляющие;
-
впервые показано, что в плазмооптическом масс-сепараторе возможно выделение группы трансурановых элементов, не загрязненных многозарядными ионами соседних элементов;
3 ) найдено новое решение для реализации панорамной сепарации ионов в плазмооптических (ПОМС) масс-сепараторах ПОМС-Е;
-
разработаны новые совмещенные энерго-масс-анализаторы: гибридный, являющийся последовательной комбинацией энергоанализатора Юза-Рожанского и фильтра скоростей Вина с наложенными секторными однородным магнитным и радиальным электрическим полями, и прибор, который образован совмещением цилиндрического дефлектора и секторного фильтра Вина с однородным электрическим и радиальным магнитным полями.
Практическая значимость работы. Результаты выполненных работ применяются для реализации прикладной задачи - проектирования высокопроизводительной опытно-промышленной установки для разделения изотопов и получения ядерно-чистых веществ. Результаты работы также использованы при выполнении проектов №2.1.1/4222 и №2.1.1/11412 - «Разработка физических основ плазмооптической масс-сепарации для разделения изотопов и получения высокочистых веществ» в рамках Аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы». Некоторые результаты работы будут использованы в образовательном процессе Национального исследовательского Иркутского государственного технического университета при проведении лабораторных и практических работ по дисциплинам «Вакуумная и плазменная электроника», «Электрофизические технологии», «Автоматизации установок и измерений».
Личный вклад. Основные результаты диссертации, опубликованы в работах [1-12] и являются оригинальными. Теоретические расчеты проводились автором под руководством соавторов работ. Численные эксперименты и расчеты проводились лично автором в полном объеме: определение методов и средств решения задач, непосредственный счет и анализ результатов. Автор принимал непосредственное участие в подготовке и написании статей и докладов.
Апробация полученных результатов. Материалы диссертационной работы докладывались на XXXVIII, XXXIX Международных (Звенигородских) конференциях по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу (г. Звенигород, Московской области в 2011 и 2012 годах), на IX, X Межвузовских научно- технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные проблемы радиоэлектроники и связи» (г. Иркутск, ИрГТУ, 2010 и 2011 годы), а также на научных семинарах в Национальном исследовательском Иркутском государственном техническом университете.
Публикации. По теме диссертации опубликованы 12 работ, из них 9 [1-9] в журналах, рекомендованных ВАК РФ для опубликования научных результатов диссертаций на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Работа представлена на 118 страницах машинописного текста, включает 52 рисунков, 2 таблицы. Библиографический список включает 70 наименований.
Похожие диссертации на Плазмооптические масс-сепараторы : методы построения, диагностика
-
