Научный руководитель: Вергун А. П., д. ф.- м. н., профессор, ТПУ, ФТФ, каф.23

(1)

Однократный коэффициент обогащения для термодиффузионного метода определяется по формуле[2]:

(4)

-температура горячей и холодной стенок соответственно.

Обычно температура горячей стенки в термодиффузионной колонке =700K(температура нити, раскалённой электрическим током).Если удастся увеличить температуру горячей стенки, то удастся повысить эффективность разделения. Предлагается следующий метод повышения температуры горячей стенки.

Рассмотрим двухкомпонентную смесь лёгкого и тяжёлого газов, в котором концентрация лёгких частиц n<<N-концентрации тяжёлых. Разогреем газ электромагнитным излучением(на сотые доли процента от его равновесной температуры T⁰). Возмущением конечной длительности и большой амплитуды можно возбудить автосолитон (сильно неравновесное локализованное самоподдерживающееся состояние) в виде локальной устойчивой области, температура частиц в центре которой на несколько порядков превосходит T⁰. Существование автосолитона в такой смеси связано с эффектом скопления лёгкого газа в области локального разогрева, который реализуется вследствии отрицательного коэффициента термодиффузии лёгкого газа в тяжёлом. В слабо разогретом электромагнитным излучением газе область высокой температуры и концентрации лёгкого газа может не исчезать после выключения дополнительного источника локального разогрева, а трансформироваться в устойчивый автосолитон. Существование автосолитона определяется тем, что в области, где высока концентрация лёгкого газа, происходит наибольшее поглощение электромагнитного излучения, то есть осуществляется наибольший разогрев, а диффузионному расплыванию концентрации лёгкого газа препятствует термодиффузионный поток частиц лёгкого газа, направленный от периферии в центр горячей области. В результате при заданной интенсивности однородного излучения I образуется самоподдерживающееся состояние[4].

Рассмотрим случай, когда газ, разогреваемый излучением, селективно поглощающемся частицами лёгкого газа, заключён в трубке малого радиуса. Распределение температуры T вдоль такой трубки газа длины L определяется усреднённым по радиусу трубки уравнением теплопроводности[1]

(5)

где k-теплопроводность газа и стенок трубки, l_T и -характерные длина и время изменения температуры, -сечение поглощения излучения лёгкими частицами газа. Верхний индекс нуль у величины означает, что она взята при T=T⁰.

Решая совместно систему из уравнений (1) и (5) находим максимальную температуру T_max в автосолитоне. Рассмотрим случай, когда k и не зависят от T, а =-2[4]. Тогда, если , то

(6)

Отсюда следует, что эффект увеличения T_max с ростом отношения L/l_T, связан с тем, что чем больше размер L, тем с большего объёма собирается лёгкий газ в автосолитон, размер которого определяется величиной l_T.

Из уравнения (6) определим максимальную температуру в автосолитоне (при L/l_T=50, T⁰=300K): T_max1840K, то есть температура увеличится более чем в 2.5 раза.

Однократный эффект изотопного разделения, наблюдаемый в данном способе разделения, может быть многократно умножен за счёт организации конвективных потоков в разделительном устройстве[2], а также возможен выбор резонансных частот электромагнитного излучения[3], которым генерируется автосолитон.

3. Велихов Е.П. Импульсные СО₂ –лазеры и их применение для разделения изотопов, Москва, 1983.