核束分离器中等离子体电磁控制机理研究

论文摘要

同位素已经广泛应用到国民经济的各个领域,而同位素分离是同位素生产的重要环节。目前广泛采用的同位素分离方法主要有气体扩散法、气体离心法、化学交换法等,由于这部分方法能耗高、分离效率低且环境污染严重已经难以满足对高纯度、特殊同位素的需求。等离子体射流质量分离是以霍尔推进器作为离子源,以等离子体作为工质束流。等离子体射流质量分离具有电流大、分离度高等优点。所以等离子体射流质量分离可以实现高纯度、高生产率分离,该分离机理适用各种同位素的分离及高纯物质的制备。本文主要研究等离子体射流质量分离结构设计及电磁场控制下粒子运动轨迹、聚焦位置等实现同位素分离的关键技术难题。单粒子轨道理论是分析等离子体最普遍的理论,所以利用单粒子轨道理论分析等离子体运动特性简单、方便。为此本文采用单粒子轨道理论分析电磁场控制下的等离子体束流运动特性。本文依据离子在单粒子轨道下的运动方程,推导出轴对称等离子体射流质量分离中离子在纵截面、横截面的运动方程、离子聚焦半径表达式及质量色散表达式。应用MATLAB数值模拟出离子在各聚焦平面上的运动,进而得出离子在正交电磁场中的运动轨迹和聚焦半径的跟踪轨迹。以235U、238U及6Li、7Li等同位素为例分析其运动轨迹,计算出相应质量色散。通过与传统电磁同位素分离法中的质量色散相比较后,证明了此方法理论上的可行性。本文还分析了非均匀电磁场对离子聚焦半径及质量色散的影响,为后续分析非线性电磁场下离子运动规律奠定基础。为实际设计出等离子体射流质量分离模型,本文基于ANSYS有限元分析软件设计出能够达到较好分离效果的磁场位形。文中给出了分离器的磁路结构及磁感应强度分布曲线。本文所得出的等离子体射流质量分离中离子运动规律为分析电磁场中高密度等离子体运动特性可奠定坚实的基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.2 课题背景及研究目的和意义
• 1.2.1 课题背景
• 1.2.2 研究目的和意义
• 1.3 国内外研究状况
• 1.3.1 国内研究现状
• 1.3.2 国外研究现状
• 1.4 主要研究内容
• 第2章 等离子体射流电磁控制方程建立与特性分析
• 2.1 引言
• 2.2 等离子体射流质量分离器结构及原理
• 2.3 等离子体射流质量分离器中离子的运动特性
• 2.3.1 周向仪中离子的偏转特性
• 2.3.2 纯电场系统中离子的径向运动特性
• 2.3.3 纯磁场系统中离子的轴向运动特性
• 2.4 本章小结
• 第3章 离子运动轨迹的仿真分析
• 3.1 引言
• 3.2 运动轨迹数学模型建立
• 3.3 不同中心质量离子的运动轨迹跟踪模拟
• 3.4 特种质量离子运动轨迹跟踪模拟
• 3.4.1 铀同位素运动轨迹跟踪模拟与分析
• 3.4.2 锂同位素运动轨迹跟踪模拟与分析
• 3.4.3 其他同位素离子运动轨迹跟踪模拟与分析
• 3.5 等离子体射流质量分离的可行性验证
• 3.6 本章小结
• 第4章 特种位形磁场的设计与构造
• 4.1 引言
• 4.2 周向仪磁路结构设计
• 4.2.1 周向仪结构设计
• 4.2.2 ANSYS仿真分析
• 4.3 纯磁场磁路结构设计
• 4.3.1 分离区结构设计
• 4.3.2 ANSYS仿真分析
• 4.4 纯电场磁路结构设计
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢