eng
Выпуск #6/2023
В. М. Баев, Л. В. Бодакин, А. А. Воронкова, А. В. Васильев, С. М. Котов, В. А. Кубасов, А. В. Павленко, Ф. П. Подтыкан, П. В. Томашевич, В. В. Хухарев
Компактная автоматизированная CO2-лазерная установка для разделения изотопов средних масс
Компактная автоматизированная CO2-лазерная установка для разделения изотопов средних масс
Просмотры: 568
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2023.17.6.454.461
Компактная автоматизированная CO2-лазерная установка для разделения изотопов средних масс
В. М. Баев, Л. В. Бодакин, А. А. Воронкова, А. В. Васильев, С. М. Котов, В. А. Кубасов, А. В. Павленко, Ф. П. Подтыкан, П. В. Томашевич, В. В. Хухарев
АО «НИИЭФА им. Д. В. Ефремова» ГК Росатом,
Санкт-Петербург, Россия
Создана малогабаритная установка с автоматизированным управлением на базе компактного импульсно-периодического СО2‑лазера, применяемая для выделения изотопа углерода 14С при отработке процесса очистки реакторного графита. В основе принципа работы установки лежит метод селективной многофотонной лазерной диссоциации. Показано, что функциональные возможности установки значительно шире, и она может быть использована для разделения изотопов средних масс и других химических элементов. Прецизионная настройка по длинам волн обеспечивается конструкцией специального узла дифракционной решетки с автоматическим управлением.
Ключевые слова: разделения изотопов, лазерная многофотонная селективная химическая фотодиссоциация газа, СО2‑лазер
Статья получена:01.05.2023
Статья принята:09.07.2023
ВВЕДЕНИЕ
Главная проблема вывода из эксплуатации ядерных установок с уран-графитовым реактором связана с необходимостью выбора оптимальных методов обращения с большими объемами отработавшего графита, который занимает особое место при работе с накопленными радиоактивными отходами (РАО). Основные радиоактивные компоненты графитовых стержней атомных реакторов – долгоживущие радионуклеиды. Это изотопы 14С и хлора 36Cl. При невысоком процентном содержании и периодом полураспада во много столетий 14С существует проблема его извлечения, кондиционирования, дезактивации с последующим захоронением самого отработанного графита. Это связано прежде всего с большим количеством радиоактивного материала, исчисляемого десятками тысяч тонн. С точки зрения радиоактивной безопасности и экологии захоронение такой массы облученного графита возможно только после снижения концентрации радионуклеида 14С в десятки раз. Получение 14С в чистом виде из смеси изотопов осуществляется их разделением. Существует целый ряд методов такого разделения [1], из них два при работе с облученным графитом (ОГ) используются чаще, исходя из свойств РАО:
упаковка некондиционированного ОГ в контейнеры с последующим захоронением;
кондиционирование ОГ (сжигание, включение в инертную матрицу и т. п.) с раздельным удалением и последующей утилизацией / захоронением всех полученных фракций РАО.
Проблема обращения с ОГ связана прежде всего с решением задачи его очистки от 14С.
ЛАЗЕРНАЯ УСТАНОВКА
ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ИЗОТОПОВ
Ранее экспериментально было доказано [2, 3], что в условиях получения изотопов углерода из-за их малого различия в величине масс и, соответственно, изотопического сдвига в спектре, наиболее эффективен спектрально-селективный метод многофотонной диссоциации молекул, обладающий высокой избирательностью. Позже для очистки от изотопа 14С были разработаны лазерные установки для разделения изотопов углерода и выделения изотопа 13С [4, 5]: «Дятел» (г. Троицк), «Спектр» (г. Санкт-Петербург) и «Углерод» (г. Калининград). Конструкции этих установок стали прототипами для новой разработки модуля для очистки ОГ от 14С и получения 14С в обогащенном виде. В основе используемой технологии – метод лазерной многофотонной селективной химической фотодиссоциации газа, получаемого при химической конверсии ОГ с одновременной очисткой от других радионуклидов. Только при лазерном методе возможно выделение конкретного изотопа из смеси изотопов с практически одинаковой массой – в данном случае 14С. Прототип лабораторной лазерной установки (ЛЛУ) уже прошел испытания.
Основу новой компактной автоматизированной установки составляет также импульсно-периодический СО2‑лазер с перестройкой спектра генерации в диапазоне длин волн 9–11 мкм. Общий вид установки (в разрезе) приведен на рис. 1. В блоке химической конверсии модуля осуществляется переработка ОГ в рабочий газ (Фреон‑22). Лазерный блок модуля обеспечивает выделение 14С из рабочего газа с регулируемым расходом и стабилизацией параметров рабочего вещества, регулированием плотности мощности с автоматизированной настройкой длины волны и юстировкой. Выделенный 14С может быть захоронен или использован в иных технических задачах.
Излучение лазера (1), резонатор которого образован дифракционной решеткой (2) и сферическим зеркалом (7), фокусируется линзой (5) из соли KCl или селенида цинка в центральную часть специальной кюветы (реактора) (6), в которую подается газ фреон‑22. Фокусное расстояние линзы выбирается таким образом, чтобы область эффективного взаимодействия излучения лазера с фреоном была не менее 150 мм. Под взаимодействием понимается ступенчатая фотодиссоциация молекул фреона.
Реактор расположен между лазером (1) и глухим зеркалом (7), таким образом осуществляется внутрирезонаторное преобразование. Все объемы расположены соосно друг с другом, имеют вакуумные уплотнения в местах соединения и образуют единый замкнутый объем лазерной установки с реактором. Зона взаимодействия (10) в фокусе линзы (5) имеет поперечный размер (диаметр каустики) порядка 2 мм, протяженность 150–200 мм.
Важная особенность установки – объединение в одно целое разделительного реактора и резонатора CO2‑лазера, когда реактор располагается внутри лазерного резонатора. Это позволяет реализовать высокую плотность лазерного излучения в большом объеме, наиболее эффективно его использовать и тем самым повысить производительность процесса разделения. Основу установки составляет газоразрядный модуль (1). В ЛЛУ возможен режим с использованием двух таких модулей, что расширяет функциональные возможности системы.
Параметры лазерного излучения: энергия в импульсе 0,2–0,5 Дж.; длительность 100–200 нс (начальный участок микросекундного импульса); частота следования импульсов изменяется в пределах 0–600 Гц; основная рабочая частота 100 Гц; мощность в импульсе – несколько мегаватт.
ВОЗМОЖНОСТИ ЛЛУ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ИЗОТОПОВ СРЕДНИХ МАСС
В ходе модельных расчетов оказалось, что использование разработанной СО2-ЛЛУ проявляет высокую эффективность при разделении изотопов химических элементов средних масс (бор, углерод, сера и др.). Изотопы этих химических элементов и их молекулярных соединений обладают линиями поглощения в ИК-области и широко используются в биологии, химии, медицине, например, в качестве меток. Но используемые для разделения изотопов распространенные методы центрифугирования в случае получения изотопов средних масс затруднены из-за малого различия в величине масс изотопов одного элемента и, соответственно, трудно идентифицируемого изотопического сдвига в спектре.
Для многих изотопов средних масс линии поглощения, находящиеся в ИК-области, совпадают с линиями генерации излучения СО2‑лазера [6]. Кроме того, в системе гармонического осциллятора частота колебаний ω связана с массой m зависимостью ω ~ m−1/2. Рассматривается приведенная масса mпр., от которой зависит колебательная энергия. Разность частот двух осцилляторов Δω пропорциональна отношению
(mпр.2)1/2 − (mпр.1)1/2
(mпр.2 · mпр.1)1/2
Поэтому для тяжелых элементов при больших значениях mпр. данное выражение стремится к нулю, и, соответственно, измерение частотного сдвига Δω в излучении двух изотопов известными спектральными методами представляет большие трудности. Влияет также ангармонизм колебаний, вызывающий перекрытие спектров. Для легких химических элементов это отношение велико, например, для изотопов водорода дейтерия и трития значение массы одного порядка с ее изменением. Значит, достаточно большой и сдвиг частоты излучения, однако для разделения таких изотопов давно и успешно применяются более простые методы разделения по массе – по отклонению в магнитном поле. Разделение же изотопов элементов средних масс благодаря многочастотному спектру СО2 лазера, высокому спектральному разрешению дифракционной решетки с прецизионным автоматизированным управлением и методом селективной многофотонной диссоциации представляется перспективным.
Возможность регулирования в ЛЛУ в широких пределах частоты следования лазерных импульсов (0–600 Гц) и энергии от долей до нескольких джоулей (в режиме включении второго газоразрядного модуля 1 см. рис. 1) превращают метод лазерного разделения изотопов в универсальный [3].
Процесс лазерного обогащения осуществляется путем перевода фреона‑22 в тетрафторэтилен с повышенным содержанием изотопа 14С. Схема процесса, осуществляемого в ЛЛУ, иллюстрирует рис. 2. Она во многом схожа со схемой процесса обогащения углерода по изотопу 13С. Общий вид ЛЛУ представлен на рис. 3.
ОСОБЕННОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ ИЗОТОПА 14С
Для селективного возбуждения изотопа 14С используется коротковолновая часть спектра генерации СО2 лазера. Оптимальными рабочими линиями возбуждения спектра служат линии 9Р(20) – 9Р(36) из уже низкой области интенсивности генерации СО2‑лазера [3]. Методическая особенность измерений 14С – малый изотопический сдвиг 14С относительно 13С и весьма низкая концентрация целевого изотопа 14С в смеси различных химических соединений.
Для селективного возбуждения изотопа 14С и оптимизации процесса его наработки требуется гибкая перестройка длины волны в диапазоне 9–11 мкм, которая осуществляется при помощи автоматизированного управления дифракционной решеткой.
Прецизионная настройка по длинам волн обеспечивается конструкцией специального узла дифракционной решетки с автоматическим регулированием и программируемым управлением (рис. 4).
Дифракционная решетка и поворотное зеркало под заданным углом друг к другу жестко крепятся на пластине, которая установлена на моторизованной платформе, имеющей две оси поворота. С помощью двух приводов производится юстировка (поворот и фиксация) платформы по двум осям c разрешением менее 1 угловой секунды. Дистанционно юстировка осуществляется с помощью контроллера. Установочная юстировка дифракционного узла выполняется в диапазоне линейных перемещений ±3 мм с точностью ±0,5 мм, угловых ±1,5° с точностью ±1,5′. Изменение угла между оптической осью резонатора и нормалью к поверхности дифракционной решетки осуществляется в пределах 26,7°−33,4°, что соответствует перестройке длины волны излучения 9–11 мкм. Оперативная дистанционная юстировка дифракционного узла вокруг вертикальной оси обеспечивает изменение угла в пределах ±30′ относительно предварительно установленного положения с точностью ±10′′.
Вместо дифракционной решетки с коэффициентом отражения ≤70% в первый порядок дифракции, который обычно применяется в селективном резонаторе для вывода излучения, в реализованной нами схеме использована дифракционная решетка, отражающая основное излучение (до 95%) в первый дифракционный порядок. Малая часть излучения (5–7%), неизбежно выходящая в нулевой порядок, выводится из резонатора для диагностики параметров лазерного излучения.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Разработана автоматизированная ЛЛУ для отработки процесса очистки реакторного графита от изотопа 14С методом селективной многофотонной лазерной диссоциации молекулы 14CHClF2. Результаты, полученные при физическом пуске ЛЛУ и природном содержании 14С в CHClF2, подтвердили результаты численного моделирования. Расчеты показали, что масштабируемость процесса способна обеспечить возможность обработки до 3 кг/час графита (переработанного во фреон‑22) с уменьшением концентрации 14С на 2–3 порядка. Прецизионная настройка по длинам волн обеспечивается конструкцией специального узла дифракционной решетки с автоматическим регулированием и программируемым управлением.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Бодров О. В., Кузнецов В. Н., Муратов О. Э., Талевлин А. А. Обращение с графитом при выводе из эксплуатации реакторов РБМК. Атомная стратегия XXI. 2020;159:4–9.
Велихов Е. П., Баранов В. Ю., Летохов В. С., Рябов Е. А., Старостин А. Н. Импульсные СО2 – лазеры и их применение для разделения изотопов. – М.: Наука.1983. 304 с
Бохан П.А., Бучанов В. В., Закревский Д. Э., Казарян М. А., Калугин А. М., Прохоров А. М., Фатеев Н. В. Лазерное разделение изотопов в атомарных парах. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004. 208 с. ISSN 5‑9221‑0497‑7.
Баранов Г. А., Кучинский А. А. Мощные импульсные СО2 – лазеры высокого давления и их применения. Квантовая электроника. 2005; 35(3):219–229.
Баранов Г. А., Астахов А. В., Зинченко А. К., Кучинский А. А., Шевченко Ю. И., Соколов Е. Н., Калитиевский А. К., Годисов О. Н., Федичев С. В., Баранов В. Ю., Дядькин А. П., Рябов Е. А. Технологический комплекс для лазерного разделения изотопов углерода. Рос. хим. ж.. 2001; 5–6:89–95.
Петухов В.О., Горобец В. А. Автоматизированная настройка СО2 – лазера на заданную линию генерации без спектрального прибора. Квантовая электроника. 2005; 35(2):149–152.
Г. Н. Макаров, А. Н. Петин. Взаимное сильное увеличение эффективности изотопно-селективной лазерной ИК диссоциации молекул в неравновесных термодинамических условиях скачка уплотнения при облучении в бимолекулярной смеси, Квантовая электроника, 50:11 (2020), 1036–1042.
Вклад авторов
Работа выполнена в АО «НИИЭФА им. Д. В. Ефремова» ГК Росатом, Санкт-Петербург, Россия
Баев В. М. Нач. лаборатории – разработка принципиальных схем автоматического управления системами лазера
Бодакин Л. В. Главный специалист – сборка газовой системы установки ЛЛУ, юстировка оптического резонатора и диагностического тракта
Воронкова А. А. Инженер-программист – разработка концепции автоматизации и создание алгоритма управления системами ЛЛУ
Васильев А. В. Вед. исследователь – оптимизация параметров рабочей газовой смеси ЛЛУ, выведение на частотный режим
Котов С. М. Вед. исследователь – проектирование и изготовление высоковольтной части электропитания лазера
Кубасов В. А. Вед. научный сотрудник, канд. физ.-мат. наук – разработка оптической схемы лазера, проектирование и выбор элементов резонатора (линзы, зеркала)
Павленко А. В. нач. отдела, канд. физ.-мат. наук – общее руководство работой по созданию ЛЛУ
Подтыкан Ф. П. Нач. лаборатории – теоретическое обоснование возможности выделения изотопа 14С с использованием опыта работы с изотопом 13С
Томашевич П. В. Научный руководитель проекта, нач. лаборатории – расчетные работы по оптимизации выходных характеристик ЛЛУ, определение энергии излучения, необходимой для многофотонной диссоциации
Хухарев В. В. вед. научный сотрудник, канд. физ.-мат. наук – теоретическое обоснование параметров газовой смеси, процессов взаимодействия лазерного излучения с фреоном‑22
В. М. Баев, Л. В. Бодакин, А. А. Воронкова, А. В. Васильев, С. М. Котов, В. А. Кубасов, А. В. Павленко, Ф. П. Подтыкан, П. В. Томашевич, В. В. Хухарев
АО «НИИЭФА им. Д. В. Ефремова» ГК Росатом,
Санкт-Петербург, Россия
Создана малогабаритная установка с автоматизированным управлением на базе компактного импульсно-периодического СО2‑лазера, применяемая для выделения изотопа углерода 14С при отработке процесса очистки реакторного графита. В основе принципа работы установки лежит метод селективной многофотонной лазерной диссоциации. Показано, что функциональные возможности установки значительно шире, и она может быть использована для разделения изотопов средних масс и других химических элементов. Прецизионная настройка по длинам волн обеспечивается конструкцией специального узла дифракционной решетки с автоматическим управлением.
Ключевые слова: разделения изотопов, лазерная многофотонная селективная химическая фотодиссоциация газа, СО2‑лазер
Статья получена:01.05.2023
Статья принята:09.07.2023
ВВЕДЕНИЕ
Главная проблема вывода из эксплуатации ядерных установок с уран-графитовым реактором связана с необходимостью выбора оптимальных методов обращения с большими объемами отработавшего графита, который занимает особое место при работе с накопленными радиоактивными отходами (РАО). Основные радиоактивные компоненты графитовых стержней атомных реакторов – долгоживущие радионуклеиды. Это изотопы 14С и хлора 36Cl. При невысоком процентном содержании и периодом полураспада во много столетий 14С существует проблема его извлечения, кондиционирования, дезактивации с последующим захоронением самого отработанного графита. Это связано прежде всего с большим количеством радиоактивного материала, исчисляемого десятками тысяч тонн. С точки зрения радиоактивной безопасности и экологии захоронение такой массы облученного графита возможно только после снижения концентрации радионуклеида 14С в десятки раз. Получение 14С в чистом виде из смеси изотопов осуществляется их разделением. Существует целый ряд методов такого разделения [1], из них два при работе с облученным графитом (ОГ) используются чаще, исходя из свойств РАО:
упаковка некондиционированного ОГ в контейнеры с последующим захоронением;
кондиционирование ОГ (сжигание, включение в инертную матрицу и т. п.) с раздельным удалением и последующей утилизацией / захоронением всех полученных фракций РАО.
Проблема обращения с ОГ связана прежде всего с решением задачи его очистки от 14С.
ЛАЗЕРНАЯ УСТАНОВКА
ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ИЗОТОПОВ
Ранее экспериментально было доказано [2, 3], что в условиях получения изотопов углерода из-за их малого различия в величине масс и, соответственно, изотопического сдвига в спектре, наиболее эффективен спектрально-селективный метод многофотонной диссоциации молекул, обладающий высокой избирательностью. Позже для очистки от изотопа 14С были разработаны лазерные установки для разделения изотопов углерода и выделения изотопа 13С [4, 5]: «Дятел» (г. Троицк), «Спектр» (г. Санкт-Петербург) и «Углерод» (г. Калининград). Конструкции этих установок стали прототипами для новой разработки модуля для очистки ОГ от 14С и получения 14С в обогащенном виде. В основе используемой технологии – метод лазерной многофотонной селективной химической фотодиссоциации газа, получаемого при химической конверсии ОГ с одновременной очисткой от других радионуклидов. Только при лазерном методе возможно выделение конкретного изотопа из смеси изотопов с практически одинаковой массой – в данном случае 14С. Прототип лабораторной лазерной установки (ЛЛУ) уже прошел испытания.
Основу новой компактной автоматизированной установки составляет также импульсно-периодический СО2‑лазер с перестройкой спектра генерации в диапазоне длин волн 9–11 мкм. Общий вид установки (в разрезе) приведен на рис. 1. В блоке химической конверсии модуля осуществляется переработка ОГ в рабочий газ (Фреон‑22). Лазерный блок модуля обеспечивает выделение 14С из рабочего газа с регулируемым расходом и стабилизацией параметров рабочего вещества, регулированием плотности мощности с автоматизированной настройкой длины волны и юстировкой. Выделенный 14С может быть захоронен или использован в иных технических задачах.
Излучение лазера (1), резонатор которого образован дифракционной решеткой (2) и сферическим зеркалом (7), фокусируется линзой (5) из соли KCl или селенида цинка в центральную часть специальной кюветы (реактора) (6), в которую подается газ фреон‑22. Фокусное расстояние линзы выбирается таким образом, чтобы область эффективного взаимодействия излучения лазера с фреоном была не менее 150 мм. Под взаимодействием понимается ступенчатая фотодиссоциация молекул фреона.
Реактор расположен между лазером (1) и глухим зеркалом (7), таким образом осуществляется внутрирезонаторное преобразование. Все объемы расположены соосно друг с другом, имеют вакуумные уплотнения в местах соединения и образуют единый замкнутый объем лазерной установки с реактором. Зона взаимодействия (10) в фокусе линзы (5) имеет поперечный размер (диаметр каустики) порядка 2 мм, протяженность 150–200 мм.
Важная особенность установки – объединение в одно целое разделительного реактора и резонатора CO2‑лазера, когда реактор располагается внутри лазерного резонатора. Это позволяет реализовать высокую плотность лазерного излучения в большом объеме, наиболее эффективно его использовать и тем самым повысить производительность процесса разделения. Основу установки составляет газоразрядный модуль (1). В ЛЛУ возможен режим с использованием двух таких модулей, что расширяет функциональные возможности системы.
Параметры лазерного излучения: энергия в импульсе 0,2–0,5 Дж.; длительность 100–200 нс (начальный участок микросекундного импульса); частота следования импульсов изменяется в пределах 0–600 Гц; основная рабочая частота 100 Гц; мощность в импульсе – несколько мегаватт.
ВОЗМОЖНОСТИ ЛЛУ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ИЗОТОПОВ СРЕДНИХ МАСС
В ходе модельных расчетов оказалось, что использование разработанной СО2-ЛЛУ проявляет высокую эффективность при разделении изотопов химических элементов средних масс (бор, углерод, сера и др.). Изотопы этих химических элементов и их молекулярных соединений обладают линиями поглощения в ИК-области и широко используются в биологии, химии, медицине, например, в качестве меток. Но используемые для разделения изотопов распространенные методы центрифугирования в случае получения изотопов средних масс затруднены из-за малого различия в величине масс изотопов одного элемента и, соответственно, трудно идентифицируемого изотопического сдвига в спектре.
Для многих изотопов средних масс линии поглощения, находящиеся в ИК-области, совпадают с линиями генерации излучения СО2‑лазера [6]. Кроме того, в системе гармонического осциллятора частота колебаний ω связана с массой m зависимостью ω ~ m−1/2. Рассматривается приведенная масса mпр., от которой зависит колебательная энергия. Разность частот двух осцилляторов Δω пропорциональна отношению
(mпр.2)1/2 − (mпр.1)1/2
(mпр.2 · mпр.1)1/2
Поэтому для тяжелых элементов при больших значениях mпр. данное выражение стремится к нулю, и, соответственно, измерение частотного сдвига Δω в излучении двух изотопов известными спектральными методами представляет большие трудности. Влияет также ангармонизм колебаний, вызывающий перекрытие спектров. Для легких химических элементов это отношение велико, например, для изотопов водорода дейтерия и трития значение массы одного порядка с ее изменением. Значит, достаточно большой и сдвиг частоты излучения, однако для разделения таких изотопов давно и успешно применяются более простые методы разделения по массе – по отклонению в магнитном поле. Разделение же изотопов элементов средних масс благодаря многочастотному спектру СО2 лазера, высокому спектральному разрешению дифракционной решетки с прецизионным автоматизированным управлением и методом селективной многофотонной диссоциации представляется перспективным.
Возможность регулирования в ЛЛУ в широких пределах частоты следования лазерных импульсов (0–600 Гц) и энергии от долей до нескольких джоулей (в режиме включении второго газоразрядного модуля 1 см. рис. 1) превращают метод лазерного разделения изотопов в универсальный [3].
Процесс лазерного обогащения осуществляется путем перевода фреона‑22 в тетрафторэтилен с повышенным содержанием изотопа 14С. Схема процесса, осуществляемого в ЛЛУ, иллюстрирует рис. 2. Она во многом схожа со схемой процесса обогащения углерода по изотопу 13С. Общий вид ЛЛУ представлен на рис. 3.
ОСОБЕННОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ ИЗОТОПА 14С
Для селективного возбуждения изотопа 14С используется коротковолновая часть спектра генерации СО2 лазера. Оптимальными рабочими линиями возбуждения спектра служат линии 9Р(20) – 9Р(36) из уже низкой области интенсивности генерации СО2‑лазера [3]. Методическая особенность измерений 14С – малый изотопический сдвиг 14С относительно 13С и весьма низкая концентрация целевого изотопа 14С в смеси различных химических соединений.
Для селективного возбуждения изотопа 14С и оптимизации процесса его наработки требуется гибкая перестройка длины волны в диапазоне 9–11 мкм, которая осуществляется при помощи автоматизированного управления дифракционной решеткой.
Прецизионная настройка по длинам волн обеспечивается конструкцией специального узла дифракционной решетки с автоматическим регулированием и программируемым управлением (рис. 4).
Дифракционная решетка и поворотное зеркало под заданным углом друг к другу жестко крепятся на пластине, которая установлена на моторизованной платформе, имеющей две оси поворота. С помощью двух приводов производится юстировка (поворот и фиксация) платформы по двум осям c разрешением менее 1 угловой секунды. Дистанционно юстировка осуществляется с помощью контроллера. Установочная юстировка дифракционного узла выполняется в диапазоне линейных перемещений ±3 мм с точностью ±0,5 мм, угловых ±1,5° с точностью ±1,5′. Изменение угла между оптической осью резонатора и нормалью к поверхности дифракционной решетки осуществляется в пределах 26,7°−33,4°, что соответствует перестройке длины волны излучения 9–11 мкм. Оперативная дистанционная юстировка дифракционного узла вокруг вертикальной оси обеспечивает изменение угла в пределах ±30′ относительно предварительно установленного положения с точностью ±10′′.
Вместо дифракционной решетки с коэффициентом отражения ≤70% в первый порядок дифракции, который обычно применяется в селективном резонаторе для вывода излучения, в реализованной нами схеме использована дифракционная решетка, отражающая основное излучение (до 95%) в первый дифракционный порядок. Малая часть излучения (5–7%), неизбежно выходящая в нулевой порядок, выводится из резонатора для диагностики параметров лазерного излучения.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Разработана автоматизированная ЛЛУ для отработки процесса очистки реакторного графита от изотопа 14С методом селективной многофотонной лазерной диссоциации молекулы 14CHClF2. Результаты, полученные при физическом пуске ЛЛУ и природном содержании 14С в CHClF2, подтвердили результаты численного моделирования. Расчеты показали, что масштабируемость процесса способна обеспечить возможность обработки до 3 кг/час графита (переработанного во фреон‑22) с уменьшением концентрации 14С на 2–3 порядка. Прецизионная настройка по длинам волн обеспечивается конструкцией специального узла дифракционной решетки с автоматическим регулированием и программируемым управлением.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Бодров О. В., Кузнецов В. Н., Муратов О. Э., Талевлин А. А. Обращение с графитом при выводе из эксплуатации реакторов РБМК. Атомная стратегия XXI. 2020;159:4–9.
Велихов Е. П., Баранов В. Ю., Летохов В. С., Рябов Е. А., Старостин А. Н. Импульсные СО2 – лазеры и их применение для разделения изотопов. – М.: Наука.1983. 304 с
Бохан П.А., Бучанов В. В., Закревский Д. Э., Казарян М. А., Калугин А. М., Прохоров А. М., Фатеев Н. В. Лазерное разделение изотопов в атомарных парах. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004. 208 с. ISSN 5‑9221‑0497‑7.
Баранов Г. А., Кучинский А. А. Мощные импульсные СО2 – лазеры высокого давления и их применения. Квантовая электроника. 2005; 35(3):219–229.
Баранов Г. А., Астахов А. В., Зинченко А. К., Кучинский А. А., Шевченко Ю. И., Соколов Е. Н., Калитиевский А. К., Годисов О. Н., Федичев С. В., Баранов В. Ю., Дядькин А. П., Рябов Е. А. Технологический комплекс для лазерного разделения изотопов углерода. Рос. хим. ж.. 2001; 5–6:89–95.
Петухов В.О., Горобец В. А. Автоматизированная настройка СО2 – лазера на заданную линию генерации без спектрального прибора. Квантовая электроника. 2005; 35(2):149–152.
Г. Н. Макаров, А. Н. Петин. Взаимное сильное увеличение эффективности изотопно-селективной лазерной ИК диссоциации молекул в неравновесных термодинамических условиях скачка уплотнения при облучении в бимолекулярной смеси, Квантовая электроника, 50:11 (2020), 1036–1042.
Вклад авторов
Работа выполнена в АО «НИИЭФА им. Д. В. Ефремова» ГК Росатом, Санкт-Петербург, Россия
Баев В. М. Нач. лаборатории – разработка принципиальных схем автоматического управления системами лазера
Бодакин Л. В. Главный специалист – сборка газовой системы установки ЛЛУ, юстировка оптического резонатора и диагностического тракта
Воронкова А. А. Инженер-программист – разработка концепции автоматизации и создание алгоритма управления системами ЛЛУ
Васильев А. В. Вед. исследователь – оптимизация параметров рабочей газовой смеси ЛЛУ, выведение на частотный режим
Котов С. М. Вед. исследователь – проектирование и изготовление высоковольтной части электропитания лазера
Кубасов В. А. Вед. научный сотрудник, канд. физ.-мат. наук – разработка оптической схемы лазера, проектирование и выбор элементов резонатора (линзы, зеркала)
Павленко А. В. нач. отдела, канд. физ.-мат. наук – общее руководство работой по созданию ЛЛУ
Подтыкан Ф. П. Нач. лаборатории – теоретическое обоснование возможности выделения изотопа 14С с использованием опыта работы с изотопом 13С
Томашевич П. В. Научный руководитель проекта, нач. лаборатории – расчетные работы по оптимизации выходных характеристик ЛЛУ, определение энергии излучения, необходимой для многофотонной диссоциации
Хухарев В. В. вед. научный сотрудник, канд. физ.-мат. наук – теоретическое обоснование параметров газовой смеси, процессов взаимодействия лазерного излучения с фреоном‑22
Отзывы читателей
