Speakers
Description
Создание технологии плазменной сепарации отработавшего ядерного топлива подразумевает под собой решение трех принципиальных задач: испарения и ионизации конденсированного вещества топлива или отходов, пространственного разделения потоков тяжелых и легких ионов и сбора отсепарированного вещества [1]. В рамках решения первой задачи необходимо создать источник, генерирующий поток однократно ионизованной плазмы со степенью ионизации близкой к 100%. В качестве такого источника предлагается использовать диффузную вакуумную дугу на подогреваемом катоде, так как она является перспективным вариантом решения данной задачи [2].
Плазмообразующей средой в данном типе разряда является пар катода. Таким образом, в катодном слое, являющимся областью наиболее интенсивных ионизационных процессов, наибольшая концентрация нейтральной компоненты. В результате чего достигается высокая степень ионизации выходящего из источника потока плазмы (до 100% [3]).
Разряд инициируется в цилиндрической вакуумной камере при давлении остаточных газов ⁓10—5 Торр. В эксперименте материал катода помещается в тугоплавкий тигель из молибдена, который разогревается при помощи электронно-лучевого подогрева. Температура варьируется от 1800 до 2500 К, подводимая к катоду мощность – до 2 кВт. Анод представляет собой молибденовый диск диаметром 100 мм с центральным отверстием диаметром 14 мм. Расстояние между катодов и анодом – 50 мм. Магнитное поле создается горизонтально расположенными катушками Гельмгольца. В ходе экспериментов ток разряда может варьироваться от 30 до 60 А, напряжение разряда от 5 до 40 В, магнитное поле от 0 до 500 Гс.
В данной работе был проведен спектральный анализ излучения плазмы дугового разряда с катодом из гадолиния для получения зависимости ионного состава плазмы от величины тока и напряжения разряда и внешнего аксиального магнитного поля. Для анализа зарядового состава плазмы были выбраны разрешаемые линии Gd, его однократного (Gd+) и двукратного (Gd++) ионов. Для сбора излучения плазмы использовался двухканальный спектрометр AvaSpec-ULS2048L-2-USB2: диапазон измерений – 200—965 нм, разрешение – 0,14—0,38 нм. Пример спектра излучения плазмы представлен на рис.1.
В приближении локального термодинамического равновесия, считая температуру электронов неизменной, интенсивности линий излучения ионов пропорциональны концентрациям соответствующих компонент [4]. Таким образом, из анализа изменения нормированных интенсивностей можно делать выводы о динамике изменения концентрации отдельных компонент.
Было проведено 2 серии экспериментов: в первой серии при фиксированном токе разряда (I1 = 40 A, I2 = 30 А) и магнитном поле (B1 = 0 Гс, B2 = 100 Гс) регистрировались эмиссионные спектры плазмы при изменении напряжения разряда от 5 до 30 В; во второй серии – при фиксированных напряжении и токе разряда (U = 6 В, I = 40 А) снимались спектры при изменении магнитного поля от 0 до 200 Гс. Пример полученных результатов представлен на рис.2.
По результатам экспериментов было обнаружено, что максимальным концентрациям однозарядной и нейтральной компоненты соответствуют напряжения разряда 5—7 В, что согласуется с ранее полученными результатами в отсутствии магнитного поля [5]. При увеличении магнитного поля интенсивности всех линий возрастают, причем интенсивность линии Gd+ остается на порядок больше других.
Таким образом, напряжения разряда 5—7 В (при токах разряда 30, 40 А) соответствуют максимальной концентрации однозарядных ионов, что удовлетворяет требованиям плазменной сепарации. Причем, было показано, что в магнитном поле возможно реализовать режимы с низким напряжением 5—6 В, увеличивая мощность ЭЛП. Таким образом, при повышении магнитного поля (до 200 Гс) увеличивается доля только однократных ионов. Это делает диффузную вакуумную дугу в магнитном поле одним из возможных источников плазмы, подходящим для задачи плазменной сепарации.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 23-72-10073, https://rscf.ru/project/23-72-10073/
[1] Liziakin G. [et al.]. Plasma mass separation in configuration with potential well //Journal of Physics D: Applied Physics. 2021. V. 54(41): 414005.
[2] Usmanov R. A. [et al.]. Diffuse vacuum arc with heated cathode made of ceramic (CeO2) and metal (Cr) mixture //Plasma Sources Science and Technology. 2020. V. 29(1): 015004.
[3] Amirov R. K. [et al.]. Diffuse vacuum arc on the nonthermionic lead cathode //IEEE Transactions on Plasma Science. 2016. V. 45(1). P. 140—147.
[4] Лохте-Хольтгревен В. Методы исследования плазмы. Спектроскопия, лазеры, зонды. 1971.
[5] Амиров Р. Х. [и др.]. Исследование возможности применения диффузной вакуумной дуги как источника плазмы для разработки технологии плазменной сепарации ОЯТ и РАО //Ядерная физика и инжиниринг. 2014. V. 5(11—12). P. 952—952.
