Формирование ионизированных потоков веществ для плазменного разделения компонентов, моделирующих отработавшее ядерное топливо, и исследование их распространения в буферной плазме со стационарным электрическим полем

Работа посвящена формированию и исследованию характеристик направленных плазменных потоков веществ, моделирующих компоненты отработавшего ядерного топлива (ОЯТ), в буферной плазме с пространственным распределением электростатического потенциала. Исследования процессов конвертации конденсированного вещества в плазменный поток с заданными свойствами, параметров движения направленных плазменных потоков в скрещенных электрическом и магнитном полях в буферной плазме, а также процессов осаждения и сбора разделенных элементов являются актуальными задачами для развиваемого метода плазменной переработки ОЯТ (плазмооптической масс-сепарации с потенциальной ямой). Создан источник плазмы, позволяющий инжектировать мультикомпонентный плазменный поток в буферную плазму с учетом создаваемого в ней электростатического поля. Экспериментально получены плазменные струи свинца, серебра, а также их смеси, отвечающие следующим требованиям: концентрация плазмы в потоке 10¹¹ - 10¹² см⁻³, отсутствие многократно ионизированных атомов, энергия ионов в потоке ≈ 20 эВ, плотность тока ионов до 100 мА/см². Для диагностики плазмы применялись оптические и зондовые методы. Выполнена экспериментальная проверка корректности созданной численной модели, описывающей поведение разряда в парах свинца с накаливаемым катодом. Получено хорошее качественное и количественное совпадение расчетных и экспериментальных данных в определенном диапазоне параметров. Получены новые экспериментальные данные о пространственном распределении электрического потенциала в аргоновой плазме отражательного разряда (диаметр разрядного столба ≈ 40 см, концентрация плазмы ≈ 10¹⁰ см⁻³) при инжекции в ее объем плазменной струи свинца (диаметр ≈ 1 см, концентрация плазмы ≈ 10¹² см⁻³). Установлено, что при заземленном катоде источника плазменная струя существенно изменяет распределение потенциала, увеличивая максимальное значение в радиальном профиле с -325 В до -70 В и уменьшая характерное значение электрического поля с 80 В/см до 16 В/см. Также были получены новые экспериментальные данные о влиянии электрического поля, созданного торцевыми электродами в буферной плазме отражательного разряда, на распространение плазменной струи свинца, инжектируемой вдоль силовых линий магнитного поля. Экспериментально была продемонстрирована возможность отклонения более 95% ионов потока плазмы свинца от первоначального направления движения. Были получены новые экспериментальные данные об эффективности осаждения направленных потоков нейтралов свинца с тепловыми энергиями на различные подложки. Для анализа экспериментальных данных была создана численная модель на основе метода Монте-Карло. Проведенные исследования представляют самостоятельный интерес с точки зрения понимания процессов распространения потоков многокомпонентного ионизированного вещества в буферной плазме с замагниченными электронами и макроскопическими скрещенными полями. Полученные экспериментальные данные позволяют осуществить выбор режимов и параметров работы созданного источника плазмы для экспериментальной отработки метода плазменной масс-сепарации отработавшего ядерного топлива на модельных веществах.