Обогащение урана - Беккер Е.
Скачать (прямая ссылка):
6.3.2. Источник атомного пара урана
Испарение металлического урана со скоростью примерно
1 моль/с представляет техническую проблему устрашающей сложности из-за низкой летучести урана и высоких рабочих температур. Дополнительные трудности приносит необычайно высокая химическая активность жидкого урана и его паров, проявляющаяся как при высоких, так и пониженных температурах. Проблема отыскания подходящего материала, способного удерживать расплавленный уран, может быть значительно упрощена, если использовать для нагрева урана электронный луч. Если сфокусировать электронный пучок вдоль оси длинного бруска урана, а периферийные зоны этого же бруска охлаждать, то расплавленный горя-
263
/
/
чий уран будет удерживаться от растекания внешними слоями холодного урана. Таким образом, проблема тигельного материала для источника уранового пара может быть решена. Такое устройство, предложенное авторами патента [6.32], представлено на рис. 6.4. Искривление траектории электронного луча происходит в магнитном поле, направление которого перпендикулярно плоскости чертежа.
Рас. 6.4. Коллектор с широким углом охвата (патент компании «Джерси Нью-клеар АВКО Айзотопс» [6.32])
В лаборатории JNAI недавно разработана жидкая завеса источника уранового пара [6.35]. Титановая матрица существенно снижает теплопередачу к стенкам тигля, что повышает энергетический КПД источника. Конструкция позволяет подпитывать источник свежим ураном и управлять скоростью испарения.
Атом урана обладает примерно двумя десятками метастабиль-ных уровней. Самый низколежащий уровень из них имеет энергию 0,077 эВ (v = 620 см-1). В настоящее время неизвестно, происходит ли заселение этого и других расположенных выше мета-стабильных уровней при электронно-лучевом нагреве урана. Такое заселение может ухудшить селективность процесса и понизить плотность атомов урана, на которые воздействует лазерный луч на стадии ионизации.
264
6 3.3. Ионизация
Атом урана с его 92 электронами обладает очень богатым оптическим спектром, который состоит нз многих тысяч переходов (спектральных линий), связывающих несколько сотен уровней. Потенциал ионизации атома урана равен 6,2 эВ. Во многих предложенных схемах должно быть использовано более двух длин волн, чтобы достигнуть энергии 6,2 эВ, необходимой для ионизации атомов урана. Общая селективность многоступенчатых процессов выше, чем двухступенчатого, поскольку она равна произведению селективностей, достигаемых на отдельных ступенях.
К сожалению, достигнутая при лазерном воздействии селективность может ухудшиться из-за протекания реакций обмена энергией возбуждения при столкновении атомов урана:
235у* _|_ 238JJ 23SJJ 238^*^
Особенно сильно деселектирующее действие процесса перезарядки ионов урана на нейтральных атомах урана:
235JJ+ 238JJ 235(J 238JJ+_
Условия проведения реального процесса разделения изотопов урана должны быть тщательно оптимизированы на минимум потерь селективности при протекании этого процесса.
При оптимизации процесса ЛРИ по экономному использованию лазерного излучения следует добиваться, чтобы скорости возбуждения атомов 235U на каждом из переходов были примерно одинаковы. Для этого необходимо, чтобы энергия импульсов каждого из лазеров была достаточна для насыщения соответствующего перехода, а спектральная ширина линии излучения соответствовала ширине сверхтонкой структуры для каждого из переходов.
Следует также иметь в виду возможность самопроизвольного лазерного эффекта из верхних уровней, так как при интенсивном возбуждении атомов урана может возникнуть инверсия заселенностей верхнего и какого-либо из расположенных ниже уровнен [6.36, 6.37].
6.3.4. Экстракция фотоионов
Чтобы максимально использовать испаренный уран и повысить эффективность сбора фотоионов урана, был разработан специальный коллектор ионов с большим углом охвата [6.32]. По своему действию это устройство аналогично многокамерному МГД-уско-рителю со скрещенными полями [6.32]. Поле коллектора — пульсирующее. Импульсы напряжения на коллекторе следуют непосредственно за лазерными вспышками. Импульс тока индуцирует своим магнитным полем азимутальное электрическое поле, направленное перпендикулярно плоскостям коллекторов. Действие скре-
265
щепных полей вызывает движение фотоионов по направлению к коллекторным пластинам. Короткий (порядка 2 мкс) экстрагирующий импульс способен произвести первичное ускорение фотононов по направлению к коллекторным пластинам прежде, чем процесс перезарядки сможет уменьшить обогащение продукта. Удаление металла с коллекторов и другие операции, по-видимому, будут разработаны позднее.
6.3.5. Лазеры для атомного процесса
Лазеры на красителях играют важнейшую роль в атомном варианте ЛРИ [6.38]. Лазерная генерация на красителях впервые была получена в середине 60-х годов, и с тех пор характеристики лазеров на красителях непрерывно улучшаются [6.39].
Перестраиваемые лазеры на красителях способны перекрыть весь видимый и ближний ультрафиолетовый диапазон спектра. Тот факт, что лазеры на красителях имеют легко восстанавливающуюся жидкую рабочую среду, удобен для их промышленного использования, несмотря на то что в жидкой фазе оптические неоднородности развиваются легче, чем в газах или твердых телах. Для получения большой частоты следования лазерных импульсов или непрерывного режима работы применяют быстро движущуюся струю раствора красителя, что позволяет охлаждать лазерную среду и очищать ее от случайных загрязнений.
