On the Concept of Plasma Mass-Separation in Crossed E × B Fields with a Potential Well (a Review)

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

One of the relevant tasks of nuclear power industry is the reprocessing of spent nuclear fuel. Such processing implies the separation of actinides from uranium fission products. One of the processing methods can be plasma mass separation. In the last 10 years, research aimed at the development of various aspects related to plasma mass separation has been actively conducted at the Joint Institute for High Temperatures of the Russian Academy of Sciences. The article provides an overview of the main results of these studies in four areas: numerical calculations and analysis of separation schemes; generation of background plasma and formation of plasma potential distribution; plasma source for injection of a mixture of separated substances; and demonstration of the model substances separation.

About the authors

G. D. Liziakin

Joint Institute for High Temperatures of the Russian Academy of Sciences

Email: glizyakin@gmail.com
127412, Moscow, Russia

R. A. Timirkhanov

Joint Institute for High Temperatures of the Russian Academy of Sciences

Email: glizyakin@gmail.com
127412, Moscow, Russia

V. P. Smirnov

Joint Institute for High Temperatures of the Russian Academy of Sciences

Email: glizyakin@gmail.com
127412, Moscow, Russia

A. P. Oiler

Joint Institute for High Temperatures of the Russian Academy of Sciences; Moscow Institute of Physics and Technology (National Research University)

Email: glizyakin@gmail.com
127412, Moscow, Russia; 141700, Dolgoprudny, Russia

A. D. Melnikov

Joint Institute for High Temperatures of the Russian Academy of Sciences; Moscow Institute of Physics and Technology (National Research University)

Email: glizyakin@gmail.com
127412, Moscow, Russia; 141700, Dolgoprudny, Russia

S. D. Kuzmichev

Joint Institute for High Temperatures of the Russian Academy of Sciences; Moscow Institute of Physics and Technology (National Research University)

Email: glizyakin@gmail.com
127412, Moscow, Russia; 141700, Dolgoprudny, Russia

S. A. Kislenko

Joint Institute for High Temperatures of the Russian Academy of Sciences

Email: glizyakin@gmail.com
127412, Moscow, Russia

A. V. Gavrikov

Joint Institute for High Temperatures of the Russian Academy of Sciences

Email: glizyakin@gmail.com
127412, Moscow, Russia

N. A. Vorona

Joint Institute for High Temperatures of the Russian Academy of Sciences

Email: glizyakin@gmail.com
127412, Moscow, Russia

N. N. Antonov

Joint Institute for High Temperatures of the Russian Academy of Sciences

Email: glizyakin@gmail.com
127412, Moscow, Russia

R. A. Usmanov

Joint Institute for High Temperatures of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: glizyakin@gmail.com
127412, Moscow, Russia

References

  1. Алексеев П.Н., Алексеев С.В., Андрианова Е.А., Асмолов В.Г., Декусар В.М., Зродников А.В., Каграма-нян В.С., Колтун О.В., Павлов А.С., Пономарев-Степной Н.Н., Субботин С.А., Темишев Р.Р., Теп-лов П.С., Усанов В.И., Цибульский В.Ф. Двухкомпонентная ядерная энергетическая система с тепловыми и быстрыми реакторами в замкнутом ядерном топливном цикле. М.: Техносфера, 2016.
  2. Рачков В.И., Поплавский В.М., Цибуля А.М., Багдасаров Ю.Е., Васильев Б.А., Каманин Ю.Л., Осипов С.Л., Кузавков Н.Г., Ершов В.Н., Аширметов М.Р. // Атомная энергия. 2010. Т. 108. С. 201. https://doi.org/10.1007/s10512-010-9286-z
  3. Драгунов Ю.Г., Лемехов В.В., Смирнов В.С., Чернецов Н.Г. // Атомная энергия. 2012. Т. 113. С. 58. https://doi.org/10.1007/s10512-012-9597-3
  4. Воронцова О.В., Гольцов А.Е., Молоканов Н.А., Оценка стоимости оборудования зданий реактора, машинного зала и АСУ ТП АЭС ПЭК с РУ БР-1200 Научно-технический годовой отчет Научно-исследовательский и конструкторский институт энерготехники им. Н.А. Доллежаля. 2017. Москва, С. 262.
  5. Адамов Е.О., Лопаткин А.В., Муравьев Е.В., Рачков В.И., Хомяков Ю.С. // Известия Российской академии наук. Энергетика. 2019. Т. 1. С. 3. https://doi.org/10.1134/S0002331019010035
  6. Шадрин А.Ю., Двоеглазов К.Н., Иванов В.Б., Волк В.И., Шаталов В.В. // ВАНТ. Серия: Материаловедение и новые материалы. 2014. Т. 76. С. 69.
  7. Долголенко Д.А., Муромкин Ю.А. // УФН. 2017. Т. 187. С. 1071. https://doi.org/10.3367/UFNr.2016.12.038016
  8. Zweben S.J., Gueroult R., Fisch N.J. // Phys. Plasmas. 2018. T. 25. C. 090901. https://doi.org/10.1063/1.5042845
  9. Смирнов В.П., Самохин А.А., Гавриков А.В., Кузьмичев С.Д., Усманов Р.А., Ворона Н.А. // Физика плазмы. 2019. Т. 45. С. 452. https://doi.org/10.1134/S0367292119050123
  10. Koning A., Forrest R., Kellett M., Mills R., Henriksson H., Rugama Y., JEFF Report 21, Nuclear energy agency organisation for economic co-operation and development, Paris, France, 2006, ISBN 92-64-02314-3.
  11. Paperny V.L., Krasov V.I., Lebedev N.V., Astrakchan-tsev N.V. // Plasma Sources Sci. Technol. 2011. T. 20. C. 35005. https://doi.org/10.1088/0963-0252/20/3/035005
  12. Timofeev A.V. // Plasma Phys. Rep. 2000. T. 26. C. 626. https://doi.org/10.1134/1.952900
  13. Fetterman A.J., Fisch N.J. // Phys. Plasmas. 2011. T. 18. C. 94503. https://doi.org/10.1063/1.3631793
  14. Gueroult R., Fisch N.J. // Phys. Plasmas. 2012. T. 19. C. 122503. https://doi.org/10.1063/1.4771674
  15. Gueroult R., Fisch N.J. // Plasma Sources Sci. Technol. 2014. T. 23. C. 35002. https://doi.org/10.1088/0963-0252/23/3/035002
  16. Жильцов В.А., Кулыгин В.М., Семашко Н.Н., Сковорода А.А., Смирнов В.П., Тимофеев А.В., Кудряв-цев Е.Г., Рачков В.И., Орлов В.В. // Атомная энергия. 2006. Т. 104. С. 302.
  17. Тимофеев А.В. // УФН. 2014. Т. 184. С. 1101. https://doi.org/10.3367/UFNr.0184.201410g.1101
  18. Тимофеев А.В. // Физика плазмы. 2007. Т. 33. С. 971. https://doi.org/10.1134/S1063780X07110025
  19. Muromkin Y.A. // J. Energy Power Eng. 2013. T. 7. C. 306.
  20. La Fontaine A.C., Louvet P., Le Gourrierec P., Pail-loux A. // J. Phys. D. Appl. Phys. 1998. T. 31. C. 847. https://doi.org/10.1088/0022-3727/31/7/014
  21. Ковтун Ю.В., Скибенко Е.И., Скибенко А.И., Ла-рин Ю.В., Юферов В.Б. // ЖТФ. 2011. Т. 81 (5). С. 35. https://doi.org/10.1134/S1063784211050197
  22. Borisevich V.D., Potanin E.P. // Phys. Scr. 2017. T. 92. C. 75601. https://doi.org/10.1088/1402-4896/aa71d2
  23. Borisevich V., Potanin E., Whichello J.V. // IEEE Trans. Plasma Sci. 2020. T. 48. C. 3472. https://doi.org/10.1109/TPS.2020.3023799
  24. Долголенко Д.А., Муромкин Ю.А. // УФН. 2009. Т. 179. С. 369.
  25. Grossman M.W., Shepp T.A. // IEEE Trans. Plasma Sci. 1991. T. 19. C. 1114. https://doi.org/10.1109/27.125034
  26. Gueroult R., Zweben S.J., Fisch N.J., Rax J.-M. // Phys. Plasmas. 2019. T. 26. C. 43511. https://doi.org/10.1063/1.5083229
  27. Gueroult R., Rax J.-M., Fisch N.J. // Phys. Plasmas. 2014. T. 21. C. 20701. https://doi.org/10.1063/1.4864325
  28. Ohkawa T. and Miller R.L. // Phys. Plasmas. 2002. T. 9. C. 5116. https://doi.org/10.1063/1.1523930
  29. Gilleland J., Agnew S., Cluggish B., Freeman R., Mil-ler R., Putvinski S., Sevier L., Umstadter K. // Proc. to Waste Management Conference, Tucson, USA, 2002.
  30. Смирнов В.П., Самохин А.А., Ворона Н.А., Гаври-ков А.В. // Физика плазмы. 2013. Т. 39. С. 523. https://doi.org/10.7868/S0367292113050107
  31. Строкин Н.А., Бардаков В.М. // Физика плазмы. 2019. Т. 45. С. 51. https://doi.org/10.1134/S0367292119010141
  32. Morozov A.I. Introduction to Plasma Dynamics. Boca Raton, USA: CRC Press, 2012.
  33. Gueroult R., Rax J.-M., Fisch N.J. // Phys. Plasmas. 2019. T. 26. C. 122106. https://doi.org/10.1063/1.5126083
  34. Самохин А.А., Смирнов В.П., Гавриков А.В., Воро-на Н.А. // ЖТФ. 2016. Т. 86. С. 127. https://doi.org/10.1134/S1063784216020298
  35. Samokhin A., Gavrikov A., Kuzmichev S., Timirkha-nov R., Vorona N., Smirnov V., Usmanov R. // IEEE Trans. Plasma Sci. 2019. T. 47. C. 1546. https://doi.org/10.1109/TPS.2019.2897146
  36. Смирнов В.П., Гавриков А.В., Сидоров В.С., Тараканов В.П., Тимирханов Р.А., Кузьмичев С.Д., Усма-нов Р.А., Ворона Н.А. // Физика плазмы. 2018. Т. 55. С. 961. https://doi.org/10.1134/S0367292118120120
  37. Gavrikov A.V., Sidorov V.S., Smirnov V.P., Taraka-nov V.P. // J. Phys.: Conf. Ser. 2019. T. 1147 C. 012132. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1147/1/012132
  38. Smirnov V.S., Egorov R.O., Kislenko S.A., Antonov N.N., Smirnov V.P., Gavrikov A.V. // Phys. Plasmas. 2020. T. 27. C. 113503. https://doi.org/10.1063/5.0020001
  39. Vorona N.A., Gavrikov A.V., Kuzmichev S.D., Lizia-kin G.D., Melnikov A.D., Murzaev Y.A., Smirnov V.P., Timirkhanov R.A., Usmanov R.A. // IEEE Trans. Plasma Sci. 2019. T. 47. C. 1223. https://doi.org/10.1109/TPS.2018.2890341
  40. Мельников А.Д., Усманов Р.А., Ворона Н.А., Гаври-ков А.В., Лизякин Г.Д., Смирнов В.П., Тимирха-нов Р.А. // Ядерная физика и инжиниринг. 2018. Т. 9. С. 117. https://doi.org/10.1134/S2079562917060185
  41. Melnikov A.D., Usmanov R.A., Gavrikov A.V., Lizia-kin G.D., Smirnov V.P., Timirkhanov R.A., Vorona N.A. // J. Phys.: Conf. Ser. 2019. T. 1147. C. 012131. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1147/1/012131
  42. Гавриков А.В., Ворона Н.А., Кузьмичев С.Д., Лизя-кин Г.Д., Тимирханов Р.А. // Вестник ОИВТ РАН. 2019. Т. 3. С. 10. https://doi.org/10.33849/2019202
  43. Liziakin G.D., Gavrikov A.V., Murzaev Y.A., Usma-nov R.A., Smirnov V.P. // Phys. Plasmas. 2016. T. 23. C. 123502.
  44. Liziakin G., Gavrikov A., Usmanov R., Timirkhanov R., Smirnov V. // AIP Adv. 2017. T. 7. C. 125108. https://doi.org/10.1063/1.4998806
  45. Liziakin G., Gavrikov A., Smirnov V. // Plasma Sources Sci. Technol. 2020. T. 29. C. 15008. https://doi.org/10.1088 / 1361-6595 / ab5ad5
  46. Liziakin G., Oiler A., Gavrikov A., Antonov N., Smir-nov V. // J. Plasma Phys. 2021. T. 87. C. 905870414. https://doi.org/10.1017/S0022377821000829
  47. Ворона Н.А., Гавриков А.В., Самохин А.А., Смир-нов В.П., Хомяков Ю.С. // Ядерная физика и инжиниринг. 2014. Т. 5. С. 944. https://doi.org/10.1134/S2079562914090176
  48. Полищук В.П., Усманов Р.А., Мельников А.Д., Ворона Н.А., Ярцев И.М., Амиров Р.Х., Гавриков А.В., Лизякин Г.Д., Самойлов И.С., Смирнов В.П., Анто-нов Н.Н. // ТВТ. 2020. Т. 58. С. 515. https://doi.org/10.31857/S0040364420040122
  49. Amirov R.K., Gavrikov A.V., Liziakin G.D., Poli-shchuk V.P., Samoylov I.S., Smirnov V.P., Usmanov R.A., Vorona N.A., Yartsev I.M. // IEEE Trans. Plasma Sci. 2017. T. 45. C. 140. https://doi.org/10.1109/TPS.2016.2634627
  50. Volkov L.S., Babaeva N.Y., Antonov N.N. // J. Phys. D. Appl. Phys. 2021. T. 54. C. 105202. https://doi.org/10.1088/1361-6463/abc715
  51. Амиров Р.Х., Ворона Н.А., Гавриков А.В., Лизя-кин Г.Д., Полищук В.П., Самойлов И.С., Смирнов В.П., Усманов Р.А., Ярцев И.М. // Ядерная физика и инжиниринг. 2014. Т. 5. С. 952. https://doi.org/10.1134/S2079562914090024
  52. Амиров Р.Х., Ворона Н.А., Гавриков А.В., Лизякин Г.Д., Полищук В.П., Самойлов И.С., Смирнов В.П., Усманов Р.А., Ярцев И.М. // Физика плазмы. 2015. Т. 41. С. 877. https://doi.org/10.7868/S0367292115100017
  53. Мельников А.Д., Усманов Р.А., Амиров Р.Х., Анто-нов Н.Н., Гавриков А.В., Лизякин Г.Д., Полищук В.П., Смирнов В.П. // Физика плазмы. 2020. Т. 46. С. 510. https://doi.org/10.31857/S0367292120060050
  54. Usmanov R.A., Amirov R.K., Gavrikov A.V., Lizia-kin G.D., Polistchook V.P., Samoylov I.S., Smirnov V.P., Vorona N.A., Yartsev I.M. // Phys. Plasmas. 2018. T. 25. C. 063524. https://doi.org/10.1063/1.5037674
  55. Usmanov R.A., Amirov R. K., Gavrikov A.V., Liziakin G.D., Melnikov A.D., Polistchook V.P., Samoylov I.S., Smir-nov V.P., Vorona N.A., Yartsev I.M. // Plasma Sources Sci. Technol. 2020. T. 29. C. 015004. https://doi.org/10.1088 / 1361-6595 / ab5f33
  56. Антонов Н.Н., Ворона Н.А., Гавриков А.В., Само-хин А.А., Смирнов В.П. // ЖТФ. 2016. Т. 86 (2). С. 23. https://doi.org/10.1134/S1063784216020031
  57. Антонов Н.Н., Гавриков А.В., Самохин А.А., Смир-нов В.П. // Ядерная физика и инжиниринг. 2015. Т. 6. С. 601. https://doi.org/10.1134/S2079562915060020
  58. Antonov N.N., Usmanov R.A., Gavrikov A.V., Smir-nov V.P. // J. Phys.: Conf. Ser. 2019. T. 1147. C. 12133. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1147/1/012133
  59. Antonov N., Liziakin G., Usmanov R., Gavrikov A., Voro-na N., Smirnov V. // Phys. Plasmas. 2018. T. 25. C. 123506. https://doi.org/10.1063/1.5050883
  60. Liziakin G., Antonov N., Usmanov R., Melnikov A., Timirkhanov R., Vorona N., Smirnov V.S., Oiler A., Kislenko S., Gavrikov A., Smirnov V.P. // Plasma Phys. Control. Fusion. 2021. T. 63. C. 032002. https://doi.org/10.1088/1361-6587/abd25e
  61. Liziakin G., Antonov N., Smirnov V.S., Timirkhanov R., Oiler A., Usmanov R., Melnikov A., Vorona N., Kislenko S., Gavrikov A., Smirnov V.P. // J. Phys. D. Appl. Phys. 2021. T. 54. C. 414005. https://doi.org/10.1088/1361-6463/ac128e
  62. Liziakin G., Antonov N., Gavrikov A., Oiler A., Melni-kov A., Smirnov V., Timirkhanov R., Usmanov R., Vol-kov L., Vorona N. // Proc. Plasma Processing and Thechnology, Barcelona, Spain, 2022. C. 142.
  63. Usmanov R., Antonov N., Gavrikov A., Liziakin G., Melnikov A., Oiler A., Smirnov V., Timirkhanov R., Vol-kov L., Vorona N. // Plasma Sci. Technol. 2022. T. 24. C. 085504. https://doi.org/10.1088/2058-6272/ac62a8
  64. Акопов Ф.А., Боровкова Л.Б. // ТВТ. 2011. Т. 49. С. 893. https://doi.org/10.1134/S0018151X11060022
  65. Oiler A.P., Liziakin G.D., Gavrikov A.V., Smirnov V.P. // Molecules. 2022. T. 27. C. 6824. https://doi.org/10.3390/molecules27206824

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2.

Download (199KB)
Indexing metadata
3.

Download (143KB)
Indexing metadata
4.

Download (122KB)
Indexing metadata
5.

Download (216KB)
Indexing metadata
6.

Download (45KB)
Indexing metadata
7.

Download (56KB)
Indexing metadata
8.

Download (59KB)
Indexing metadata
9.

Download (252KB)
Indexing metadata
10.

Download (672KB)
Indexing metadata
11.

Download (404KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2023 Russian Academy of Sciences