L_16

Применение лазеров в ядерных технологиях
Лазерное разделение изотопов
Лазерное разделение изотопов - возможность селективного возбуждения
лазерным излучением атомов и молекул определенного изотопного состава
Двухступенчатая селективная фотоионизация
Излучением первого лазера возбуждается уровень 1 изотопа А. Затем
излучением второго лазера этот изотоп ионизуется, после чего выводится из
смеси различными методами
Применение лазеров в ядерных технологиях
Лазерное разделение изотопов
Пучок атомов влетает с определенной скоростью v в область взаимодействия
с лазерным излучением, длина которой равна L вдоль по поток
Пучок последовательно взаимодействует с излучением двух лазеров, в
результате чего на выходе из области взаимодействия концентрация ионов
нужного изотопа увеличивается
Применение лазеров в ядерных технологиях
Лазерное разделение изотопов
Многоступенчатая фотоионизация – излучение нескольких лазеров
последовательно переводит атомы нужного изотопа в возбужденные
состояния. На последнем шаге атом ионизируется
Столкновение возбужденного лазерным излучением изотопа с частицей
буферного атома в скрещенных пучках, в результате которого происходит
ионизация:

A * M  A  M  e
Ионизация возбужденных изотопов в сильных электростатических полях:
излучением лазера (или нескольких лазеров) возбуждаются состояния,
близкие к энергии ионизации. Прикладываемое затем электрическое поле
так меняет энергетические состояния атома, что возбужденное лазером
состояние попадает в непрерывный спектр, и атом ионизируется
Многоступенчатая селективная фотоионизация может быть использована
для разделения изотопов как атомов, так и молекул
Применение лазеров в ядерных технологиях
Лазерное разделение изотопов
Схема селективной
фотодиссоциации палладия
Схема селективной
фотодиссоциации иттербия
Применение лазеров в ядерных технологиях
Лазерное разделение изотопов
Одноступенчатые методы
1. Сначала излучением лазера нужный изотоп переводится в возбужденное
состояние. Далее возбужденный изотоп вступает в химическую реакцию с
неким веществом (если изотоп находится в основном состоянии,
химическая реакция не идет) и переходит в другое агрегатное состояние
2. Одноступенчатая фотопредиссоциация: если возбужденное связанное
электронное состояние молекулы пересекается с отталкивательным, то
вероятность предиссоциации велика в небольшом диапазоне
колебательных квантовых чисел возбужденного электронного состояния.
Это позволяет изотопически-селективно возбуждать нужный диапазон
колебательных состояний при получении смеси изотопов
монохроматическим лазерным излучением
Пучковые методы
Химические реакции происходят в скрещенных молекулярных пучках.
В пучках практически исключаются все столкновения, кроме столкновений
между частицами-реагентами химических реакций
Применение лазеров в ядерных технологиях
Лазерный термоядерный синтез
Управляемый термоядерный синтез - при синтезе ядер дейтерия и трития
выделяется большое количество энергии – 17.6 МэВ в одной реакции
Для начала термоядерной реакции синтеза необходимо сблизить ядра
дейтерия и трития на расстояния порядка 10-13 см – это можно обеспечить
путем сильного нагрева и сжатия вещества
Идея лазерного термоядерного синтеза заключался в импульсном
воздействии лазерным излучением на вещество (мишень), при котором за
короткое время в малом объеме вещества создаются очень высокие
плотности и температуры
Имеющиеся на сегодняшний день лазерные источники пока не позволяют
приблизиться к требуемым плотностям и температурам термоядерного
топлива. Для успешной реализации ЛТС необходимы лазеры с энергией в
несколько МДж в импульсе длительностью в доли наносекунд и с частотой
повторения импульсов в несколько герц
Применение лазеров в ядерных технологиях
Лазерная очистка поверхности
Очистка поверхностей - очистка от загрязнений, являющихся результатом
различных аспектов человеческой деятельности
Традиционные способы очистки
Механическое удаление
загрязнений
Химическое удаление
загрязнений
Недостатки
1. В результате обработки поверхностей возникают большие объемы
отработанных ядовитых или радиоактивных материалов, которые нужно в
дальнейшем каким-либо образом утилизировать
2. Процесс очистки является небезопасным, поскольку при его проведении
возможно разбрызгивание вредных веществ
3. В процессе дезактивации задействуется большое количество персонала,
который при проведении работ подвергается воздействию вредных
химических веществ и (или) радиационному облучению
Применение лазеров в ядерных технологиях
Лазерная очистка поверхности
Сущность метода лазерной очистки - при воздействии на поверхность
импульсом лазера достаточной мощности излучение поглощается в тонком
порверхностном слое, вызывая испарение и ионизацию вещества,
которое вылетает с поверхности в виде плазменного факела
Для сбора разлетающихся частиц используются специальные коллекторы
Взаимодействие лазерного излучения с материалом
1. Испарение вещества с поверхностного слоя
2. Разогрев испаренной фракции лазерным излучением до состояния плазмы
3. Расширение плазменного факела в окружающую атмосферу
Применение лазеров в ядерных технологиях
Лазерная очистка поверхности
Наиболее широко распространенными в сегодняшних промышленных
приложениях лазерами являются:
-лазер на двуокиси углерода (длина волны излучения 10.6 мкм),
- неодимовый лазер (1.06 мкм),
- эксимерные лазеры (190-350 нм).
Длительности импульсов излучения находятся в интервале от пико- до
наносекунд, характерные энергии в импульсе составляют несколько
джоулей на единицу площади
Характерные параметры лазерной технологической установки
Высота установки составляет 2 м, ширина – 1.3 м, длина – 1.8 м.
В качестве лазерного источника используется промышленный XeCl лазер
марки CILAS 635, излучающий на длине волны 308 нм в виде импульсов
длительностью 70 нс с частотой повторения 400 Гц и средней мощностью
импульса 1 кВт. Длительность волоконного световода составляет 5 м.
В состав установки входят насос с фильтром, предназначенный для сбора
удаляемых с поверхностей загрязнений и робот-манипулятор,
обеспечивающий дистанционное управление процессом очистки.
Данная установка в зависимости от вида загрязнений способна очищать
поверхности со скоростями от 2 м2/ч до 6 м2/ч.
Применение лазеров в ядерных технологиях
Лазерная очистка поверхности
Внешний вид лазерной технологической установки
Применение лазеров в ядерных технологиях
Лазерная очистка поверхности
Участок окисленной пверхности образца нержавеющей стали до (слева)
и после (справа) очистки