1291

Вакуумная система плазменного сепаратора элементов ДИС

Контрольная

Производство и промышленные технологии

Выбор параметров плазменного источника и вакуумной системы. Конструкция и параметры крионасосов. Схематический вид установки ДИС.

Русский

2013-01-06

89.5 KB

4 чел.

вакуумная система плазменного сепаратора элементов ДИС


1. ВВЕДЕНИЕ

За год на Украине образуется 350т отработанного ядерного топлива (ОЯТ), со средним молекулярным весом 90 г/моль. В процессе выгорания топлива в ТВЭЛАХ образуется практически вся таблица Менделеева, при этом в ТВЭЛе максимумы распределения по элементам располагаются в диапазоне масс 235-238, 120-130, 85-90, 16, т.е. элементы, в своем большинстве, имеют отношения масс 3/2/1. При коэффициенте выгорании около10%, которое достигнуто в современных реакторах, в топливном элементе, содержащем UO2, появляется около 20% других элементов. Для регенерации ОЯТ необходимо удалить эти 20% более легких элементов. По-видимому, при регенерации плазменным методом будет удален и кислород. Основная цель экспериментов на демонстрационно-имитационном плазменном сепараторе ДИС заключается в разработке физических основ методов обработки отработанного ядерного топлива с целью отделения топлива от осколков деления, определения возможных энергетических величин, которые в настоящее время допустимы для 1 моль – 30100 кВт/ч, или 1-3103 эВ/атом. Для упрощения и удешевления экспериментов на плазменном сепараторе ДИС на первом этапе выбрана смесь Хе-Кr-Ar с отношением масс 3/2/1 и процентным содержанием, соответственно, 80, 10 и 10%, являющаяся моделью ОЯТ. Возможен выбор и других масс, например, металлов Pb-Ві, или Pb-Sn, или др. Выбор модели ОЯТ определяется не только магнитно-вакуумной системой и системой диагностики, но еще и наличием плазменного источника (ПИ) с параметрами, удовлетворяющими требованиям эксперимента на сепараторе. Поэтому при создании сепараторов одной из основных задач является выбор ПИ и его рабочих параметров. Они будут определять параметры плазмы в сепараторе, а следовательно и выбор параметров магнитной и вакуумной систем. Ранее была определена и выбрана магнитная система и ее конфигурация[1-3].

2. ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ ПЛАЗМЕННОГО ИСТОЧНИКА И ВАКУУМНОЙ СИСТЕМЫ

Оценки показывают, что для переработки 350 т ОЯТ с молекулярным весом около 90 г/моль в течение года необходима производительность около 450 моль/час. Моделирующая установка может работать на уровне производительностей около 0,01-1 моль/час. Эта производительность определяется энергетикой и размерами установки, вакуумная камера и магнитная система которой в настоящее время функционируют. На рис.1.а представлен схематический вид установки ДИС с использованием газовых ионов, имитирующих ОЯТ. Трехкомпонентная плазма из ПИ двигается вдоль силовых линий убывающего магнитного поля. При включении радиального электрического поля Еr плазма начинает вращаться в скрещенных радиальном электрическом поле Е и аксиальном магнитном поле Н с частотой Е  Е/Н. При достижении условия Е  СI/2, где СI – циклотронная частота иона массой I, в магнитном поле Н происходит ускорение резонансных ионов, благодаря чему может достигаться пространственное выделение ускоренных ионов Хе из трехкомпонентной плазмы. По одной из версий теории, в процессе ускорения эти резонансные ионы приобретают поперечную компоненту энергии. Т.о. резонансно ускоренные ионы Хе должны выйти из плазмы на стенки вакуумной камеры в кольцевой области 13. Диаметр вакуумной камеры 380мм, длина – 1650мм. Ожидаемое место прихода резонансных ионов Хе на стенку камеры находится приблизительно на ее середине, т.е. на расстоянии 700-800 мм от плазменного источника. Предполагается замкнутый цикл работы со смесью. Крионасосы 7 исполняют функцию системы дифференциальной откачки, а 10 и 11 – обеспечивают циклическую работу замкнутой вакуумной системы по смеси Хе-Кr-Ar. Крионасос 10 является ловушкой для компонентов рабочей смеси, поскольку для откачки водорода, всегда присутствующего в плазменных разрядах, используется насос – 9. При отеплении криопанелей насосов 7 вся смесь остается в насосе 10. В дальнейшем смесь переконденсируется в насос-компрессор 11, откуда вновь подается в ПИ.

На рис.1.б представлены ожидаемые зависимости на магнитных анализаторах. Кривая Хе1 для нейтральной компоненты на магнитном анализаторе 5 показывает момент выхода резонансно ускоренных ионов Хе на стенки вакуумной камеры в кольцевой области 13. Кривая Хе2 показывает уменьшение количества ионов ксенона, регистрируемых на магнитном анализаторе 6. Временная задержка dt связана со временем пролета ионов вдоль камеры


  а)       б)

Рис.1.  Схематический вид установки ДИС (а) и зависимости на магнитных анализаторах (б)

1,2,3 – соленоиды для создания определенной конфигурации магнитного поля и магнитный экран; 4 – плазменный источник; 5,6 – магнитные анализаторы нейтральной и ионной компонент плазмы; 7 – крионасосы для откачки смеси Хе-Кr-Ar; 8 – вакуумные клапана; 9 – высоковакуумный диффузионный насос с жидкоазотной ловушкой; 10 – насос накопитель для откачки смеси; 11 – крионасос-компрессор, для закачки смеси в баллоны 12; 13 – кольцевая область на внутренней поверхности вакуумной камеры, куда должны выходить ионы Хе; 14 – система формирования радиального электрического поля.


Производительность сепаратора может быть определена как:

,

где – атомный вес; Vll – продольная скорость плазмы; ni – концентрация ионов плазмы; S –сечение плазмы; α – КПД ускорения ионов; β – КПД сбора ионов; t – время работы.

Для упрощения принимаем αβ = 1. Исходя из производительности 1 моль/час, Vll = 106 см/с и S = 103 см2, получаем ni  21011 см3 и ионный ток около 30 А. Для упрощения в этих оценках не учитывается многокомпонентность плазмы. На рис.2. представлена производительность сепаратора в зависимости от плотности плазмы для различных энергий ионов из плазменного источника. Энергия ионов ПИ зависит от напряжения разряда и, для различных типов источников, может достигать величин 500 эВ.

Рис.2. – Производительность сепаратора

1 – 100 эВ; 2 – 50 эВ; 3 – 10 эВ

Как отмечалось, выбор ПИ определяется его совместимостью с магнитной системой, в которой он должен работать, вакуумной системой и системой диагностики, способной установить факт разделения. Важен также состав и состояние элементов, которые могут быть выбраны для моделирования и имитации – газы или металлы. В настоящее время вакуумно-дуговые распылители, один из вариантов ПИ, способны работать практически со всеми металлами, однако у них есть существенный недостаток – они не исследовались в достаточно сильных магнитных полях, которые необходимы для сепарации в ДИС, кроме того, в газо-плазменной фазе имеется значительное количество капельной фазы. Но в плане выбора насосов системы откачки, использование металлической плазмы упрощает вакуумную систему. Металлические конденсаты также будут усложнять диагностику. Газовые источники на соответствующую производительность в продольном магнитном поле, также отсутствуют. Более чем амперные ионные токи газовых источников требуют значительных производительностей по скоростям откачки и достаточно высоких вакуумных условий, чтобы уменьшить влияние процессов резонансной перезарядки ионов. Поскольку ионы плазмы в сепараторе замагничены, длины их траекторий до выхода на стенку в месте резонанса могут достигать 2-3 метров, что требует поддержания вакуумных условий на уровне давлений 1-210-5 Торр.

Следует заметить, что резонансная перезарядка не меняет состава плазмы и не изменяет резонансных частот, что может привести к смягчению требований к вакуумным условиям.

3. КОНСТРУКЦИЯ И ПАРАМЕТРЫ КРИОНАСОСОВ

Согласно рис.1.а, насосы 7, играющие роль системы дифференциальной откачки, при отношении d/L, диаметра к длине, на уровне 0,5 должны иметь производительность на уровне (1-2)104 л/сек, которая может быть достигнута при использовании криогенных конденсационных или сорбционных насосов с температурами ниже 30 и 80 К соответственно. На рис.3. представлен схематический вид конструкции крионасосов 7.

Существенную сложность при создании этих насосов вносят процессы бомбардировки плазмой конденсационных или сорбирующих криоповерхностей. Удельные коэффициенты прилипания газа на криоповерхностях будут на уровне  0,3 для конденсации и 0,1 для сорбционной откачивающей панели. Коэффициент десорбции криоосадка Хе, ионами ксенона с энергией 100-200 эВ, может составлять около 10-20. В то же время, при бомбардировке частицами одного знака, как показано в работе[4], диэлектрические слои могут самозащищаться. Предусматривается также подача положительного потенциала на криопанель с целью уменьшения десорбции криослоев при ионной бомбардировке. Поэтому в крионасосах предусматриваются съемные радиационные экраны шевронного типа. При их исключении скорость откачки для всех газов возрастет в 3 раза.

Рис. 3. – Схематический вид конструкции крионасосов

1 – плазменный источник; 2 – изоляционный фланец; 3 – защитный радиационный экран крионасоса; 4 – магнитная система; 5 – корпус вакуумной камеры; 6 – откачивающий элемент крионасоса; 7 – шевронные радиационные экраны; 8 – траектории ионов без магнитного поля

Радиационные экраны обоих насосов имеют следующие тепловые характеристики: теплоподвод около 50 Вт (1,2 лLN2 /час); теплоподвод к откачивающим панелям около 2 Вт.

Дополнительным средством откачки паразитных активных газов является лист титана, располагаемый в торце по обечайке, который распыляется ионами плазмы. Распыленные атомы титана откачивают водород и азот, которые появляются в системе при включении ПИ. Хотя энергия ионов лежит на уровне 100 эВ, коэффициент распыления составляет 0,01-0,1 за счет малоуглового попадания ионов на поверхнось. На меди, конструкционном материале крионасосов, ион Хе даст при нормальном падении величины коэффициентов распыления на уровне 0,15, а при малых углах – до 0,5. Т.е. медные пластины, формирующие радиальное электрическое поле Ер, будут сильно эродироваться. Для обеспечения работы конденсационных насосов с криопанелями на уровне 30 К предусматривается система криообеспечения сепаратора ДИС, представленная на рис.4.


Рис.4. Схематический вид системы криообеспечения сепаратора ДИС

1 – газгольдер; 2 - компрессор; 3 - блок очистки; 4 - неоновый ожижитель; 5 - неоновый дюар; 6 - болк баллонов; 7 - насос накопитель; 8 - крионасос-компрессор; 9 - крионасосы для откачки смеси

Хе-Кr-Ar


ЛИТЕРАТУРА

1. А.Н. Довбня, О.С. Друй, А.М. Егоров, В.О. Ильичева, В.И. Лапшин, М.В. Сосипатров, О.М. Швец, В.Б.Юферов, Д.В. Винников, Ю.В. Ковтун. Сравнительный анализ проектов плазменных сепараторов изотопов, с колебаниями на циклотронных частотах. // ВАНТ. Серия: Плазменная электроника и новые методы ускорения №4, 2004 г., с. 5157.

2. В.Б.Юферов, О.С. Друй, В.О. Ильичева, О.М. Швец, Д.В. Винников, Ю.В. Ковтун. Резонансный плазменный сепаратор для разделения изотопов. Выбор параметров. // Вестник НТУ ХПИ. Серия: Электроэнергетика и преобразовательная техника. №35, 2004 г., с. 169-179.

3. Звіт про науково-дослідну роботу по програмі „ЯМРТ”. „Розробка, дослідження фізичних принципів роботи та виготовлення електромагнітних сепараторів нового покоління”. Проект Х-863. НАНУкраїни, ННЦ ХФТІ, ІПЄНП, держреєстраційний № 080999UP0009, 2005 р.

4. В.Б.Юферов, Л.Г. Сороковой. Влияние электронной бомбардировки на сорбционные свойства углекислого газа, сконденсированного при 20 К. // ЖТФ. №10, 1971 г., с. 21912195.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

20843. Технологічні процеси ручної і механічної обробки деталей виробів. ТВ-6, призначення та використання. Правила безпечної роботи на верстаті 197 KB
  Складові власного капіталу відбивають суму, яку власники (засновники) передали в розпорядження підприємства як внески чи залишили у формі нерозподіленого прибутку, або суму, що її підприємство одержало у своє розпорядження ззовні (від інших підприємств) без повернення.
20844. З’єднання деталей з деревини. Шипові з’єднання. Види шипового з’єднання, призначення та порядок їх виконання 59 KB
  Шипові з’єднання. Види шипового з’єднання призначення та порядок їх виконання. На сьогоднішньому уроці ми вивчаємо З’єднання деталей з деревини.
20848. Підготовка верстата СТД 120м до роботи 51 KB
  Заготовки з деревини як правило мають квадратний переріз оскільки вони нарізуються з дощок на кругло пильному верстаті. Але такі заготовки небезпечні для токарної обробки оскільки виникає велике биття кутів по різцю. Із заготовки квадратного перерізу необхідно зробити заготовку восьмикутного перерізу. В цьому випадку підручник можна наблизити до заготовки на безпечну відстань – 3 мм.
20849. Деревина як конструкційний матеріал: породи деревини, властивості, вади деревини, пиломатеріали 46.5 KB
  Залежно від кількості пропиляних сторін вони бувають двохмал. 18 а тримал. 18 б і чотири кантовімал. Бруски мал.
20851. ОСНОВИ УПРАВЛІНСЬКОГО ОБЛІКУ 354.5 KB
  Концепція, зміст та об’єкти управлінського обліку. Системи обліку витрат і калькулювання собівартості. Облік і контроль за центрами відповідальності. Аналіз релевантної інформації для прийняття управлінських рішень.