Прислать материал
Исследование диффузной вакуумной дуги, как источника плазмы для создания технологии плазменной сепарации ОЯТ
Решением проблемы перевода конденсированного вещества ОЯТ в плазменное состояние для задач плазменной сепарации ОЯТ[1] может выступать источник плазмы на основе вакуумной дуги с диффузной катодной привязкой, особенностями которой являются отсутствие микрокапельной фракции в продуктах эрозии катода и высокая степень ионизации плазмы [2]. Дуга исследовалась на модельных катодных материалах. Основным из них являлся гадолиний, первые три потенциала ионизации которого близки к урану [3], также отношение потоков испаряющихся атомов к электронам термоэмиссии для U и Gd много меньше единицы [4]. Веществом, имитирующем динамику движения тяжелых ионов, являлся свинец. Материалами, моделирующими оксидное топливо выступали оксиды ниобия и титана.
Принципиальная схема эксперимента изображена на рисунке 1.
Рисунок 1. Принципиальная схема эксперимента.
Разряд зажигался в вакуумной камере объемом 100 л с давлением остаточных газов менее 10 мПа. Катодом дуги являлось рабочее вещество, помещаемое в молибденовый тигель внешним диаметром 25 мм. Под тиглем располагался электронно-лучевой подогреватель (ЭЛП) мощностью до 1 кВт, позволяющий менять температуру катода и напряжение на дуге при постоянном токе разряда. Максимальная температура тигля составляла 2.1 кК. Анодом дуги являлся водоохлаждаемый стальной диск, имеющий центральное отверстие диаметром 32 мм. Межэлектродное расстояние составляло около 3 см.
Система диагностики разряда включала измерение температуры тигля яркостным пирометром. По оценкам отличие измеряемой температуры от средней температуры рабочей поверхности катода не превышало 3%. Также производился контроль ВАХ разряда и параметров ЭЛП. Излучение плазмы дуги регистрировалось спектрометром в диапазоне длин волн 250-600 нм. Температура электронов плазмы измерялась при помощи одиночного зонда Ленгмюра, а средний заряд ионов вылетающих из отверстия в аноде конденсационным зондом. Методом взвешиваний измерялась скорость испарения катода. Определение тепловой мощности, поступающей из плазмы на катод дуги производилось по методу [5].
Дуговой разряд в зависимости от используемого катода исследовался в диапазоне токов от 10 до 160 А и напряжений от 3 до 50 В.
На катоде из Gd были измерены зависимости среднего заряда ионов заанодной плазмы, а также интенсивности излучения линий атомов и ионов Gd в зависимости от напряжения на дуге (рисунок 2).
Рисунок 2. Поведение интенсивности излучения атомов и ионов Gd, а также среднего заряда ионов заанодной плазмы от напряжения на дуге (I = 50 A).
Показано, что при напряжениях на дуге в диапазоне 5-6 В, средний заряд ионов плазмы близок к единице, что свидетельствует о большой (близкой к 100 %) степени ее ионизации в этом режиме. В этом же диапазоне 5-6 В наблюдается максимум интенсивности излучения для однократно ионизованного Gd, а излучение двукратных ионов не зарегистрировано. Температура электронов плазмы в этом режиме находится на уровне 1 эВ, а тепловая мощность поступающая из плазмы на катод сравнивается с потерями энергии за счет термоэмисии, т.е. вольтов эквивалент мощности близок к 0. Средняя скорость испарения Gd в дуге находилась в диапазоне от 5.4 до 7.9 г/ч. Это значение примерно на порядок меньше, чем требуемое, однако оно может быть увеличено при использовании катода большей площади. Приведенные экспериментальные данные на катоде из Gd позволяют сделать вывод о том, что на модельном металле показана принципиальная возможность создания требуемой плазмы для сепаратора ОЯТ (степень ионизации 100%, плазма представлена однозарядными ионами, производительность переработки ОЯТ 100 г/ч ).
Длительный стабильный разряд на катоде из чистого оксида получить не удалось, но спектральный анализ излучения плазмы в случае с оксидом титана показал наличие линий ионов Ti. Для улучшения условий пробоя промежутка к оксиду ниобия был добавлен хром. Рентгеновский анализ состава пленки вещества, осевшей на поверхность анода выявил присутствие в ее составе таких элементов как Cr, Nb и Mo. Проведенные эксперименты на оксидных катодах показали, что оксидная компонента поступает в разрядный промежуток и является компонентом плазмообразующей среды.
Свинец, с точки зрения катодного материала, является нетермоэмиссионным [4], т.е. в свойствах разряда должен проявляться недостаток тока электронов термоэмиссии с катода. В опытах с Pb экспериментально показано двукратное сокращение скорости испарения Pb в дуговом разряде по сравнению со скоростью термического испарения в вакуум в отсутствии разряда. Измерения параметров заанодной плазмы показали, что степень ионизации плазмы Pb не превосходит 30% при максимальной температуре электронов 1.2 эВ. Увеличение степени ионизации плазмы в данном разряде возможно добиться путем уменьшением рабочей температуры катода при том же токе дуги.
Полученные результаты могут быть применены при создании источников плазмы на основе вакуумных дуг с ДКП, в том числе и для отработки метода плазменной сепарации ОЯТ на нерадиоактивных веществах.
2. Васин А. И., Дороднов А. М., Петросов В. А. // Письма в ЖТФ. – 1979. Т. 5, вып. 24. – С. 1499-1505.
3. Физические величины: справочник / под редакцией И. С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. - М.: Энергоиздат, 1991.
4. Полищук В. П., Сердюкова О.К., Ярцев И.М. // ЖТФ. – 1993. - Т. 63, вып. 3. – С. 66-74.
5. Паранин С.Н., Полищук В.П., Сычев П.Е., Шабашов В.И., Ярцев И.М. // ТВТ. 1986. Т. 24. № 3. С. 422–429.