Проблемы взаимодействия лазерного излучения с веществом

Российская академия наук

Уральское отделение

Коми научный центр

Институт геологии

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

 

 

 

 

 

 

Проблемы взаимодействия лазерного излучения с веществом

 

Специальность: 25.00.05 – «Минералогия, кристаллография»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                            Исполнитель: Вахрушев С.В.

 

                                              Предполагаемый научный          руководитель: Котова О.Б.

 

 

 

 

 

 

Сыктывкар 2014 
Содержание

 

Введение

Технический прогресс требует получения материалов с определёнными свойствами, так как материалы фактически служат основой всех остальных отраслей техники. С одной стороны, возникает потребность в новых материалах с улучшенными свойствам или в материалах с заданными значениями физических параметров, которые раньше вообще не нормировались. С другой стороны, более широкому внедрению уже известных материалов способствует совершенствование технологии их получения.

Лазеры отражают уникальные возможности в технологии материалов, включая экстремальные возможности плотности потока энергии и времени воздействия, высокую пространственную точность обработки и избирательность, а также лёгкость управления лазерным инструментом, возможность автоматизации. Также лазерное излучение позволяет обеспечивать высокие скорости локальных изменений температуры в облучаемой среде и градиенты температуры как на локализированных участках поверхностей, так и по глубине проникновения излучения. Лазеры могут использоваться для извлечения ценных компонентов при комплексной переработке минерального сырья, в том числе золота и других благородных металлов. Благодаря этому в настоящее время интенсивно развивается направление лазерной технологии материалов.

Цель работы – выявить механизмы лазерного взаимодействия с веществом, построить математическую модель взаимодействия лазерного излучения с дисперсными минеральными средами. 
1.Использование лазерного излучения для взаимодействия с веществом

Применяемые сегодня способы обогащения урана разработаны чуть ли не во Вторую мировую; они дороги и сложны. В США близок к внедрению новый, лазерный метод, значительно выигрывающий по простоте и эффективности. Эксперименты с лазерным обогащением начались более 40 лет назад и проводились во многих странах: в США, СССР, Германии, ЮАР, Японии, Франции, Австралии, Израиле и других. Наибольший размах эти работы имели в США, где они велись в том числе в рамках программы Минэнерго по исследованию инновационных методов разделения изотопов. Принцип разделения с помощью лазера прорабатывали в те годы Лос-Аламосская национальная лаборатория, Окриджская национальная лаборатория, Ливерморская национальная лаборатория, исследовательская лаборатория Avco-Everett совместно с нефтяной компанией Exxon и другими. К основным технологиям, которые тогда исследовались, относятся AVLIS и MLIS.

В середине 1980-х годов в качестве технологии для перспективного внедрения была выбрана AVLIS. Однако в 2000 году компания USEC, бывшая государственная, а впоследствии частная, отказалась от лазерного разделения, вернувшись к рассмотрению центробежных методов обогащения. Позже планы внедрения лазера в процесс обогащения появились у других компаний. В сентябре 2012 года компания Global Laser Enrichment LLC (GLE) – консорциум General Electric, Hitachi и Cameco – получила лицензию Комиссии по ядерному регулированию (NRC) США на строительство лазерного разделительного завода мощностью до 6 млн ЕРР на площадке действующего совместного предприятия GE, Toshiba и Hitachi по фабрикации топлива в Уилмингтоне, штат Северная Каролина. Проект, допускающий обогащение урана до 8 %, базируется на лазерной технологии SILEX, разработанной официально в Австралии; право на ее внедрение в США получено в 2006 году у австралийской компании Silex Systems в обмен на выплату периодических бонусов. Кроме того, в начале 2013 года GLE предложила Минэнерго обсудить возможность строительства на территории ныне остановленного газодиффузионного завода в Падьюке, штат Кентукки, предприятия по обогащению хвостов гексафторида урана на основе лазерной технологии. В настоящее время GLE осуществляет программу строительства и эксплуатации демонстрационной установки, использующей технологию SILEX. Согласно отчетам компании, демонстрационная программа осуществляется по плану и находится на этапе демонстрации технической состоятельности технологии. За этим последует доводка демонстрационной установки с целью определить экономические показатели будущего промышленного предприятия.

Между тем именно экономика лазерного обогащения – один из ключевых пунктов, вызывающих вопросы у специалистов. Техническая осуществимость сепарации изотопов урана с помощью лазера была доказана лет сорок назад, демонстрационные установки строились и раньше (например, подобная линия была пущена в 1990-е годы в Ливерморской национальной лаборатории и давала небольшие партии продукции по технологии AVLIS). Однако экономическая эффективность таких процессов неоднократно ставилась под сомнение.

Принцип разделения изотопов урана с помощью лазерного излучения, пригодный для большинства других элементов, основан на возможности избирательного перевода атомов или молекул с помощью лазера в возбужденное состояние, которое позволяет отделить нужный изотоп (или соединение с ним) от смеси с другими. Принцип базируется на небольшом отличии (сдвиге) квантовых переходов для разных изотопов одного и того же вещества, что дает возможность настроить характеристики лазера для возбуждения нужных изотопов. При всем разнообразии вариантов, подобные технологии делятся на ряд групп по схожести используемых методов. К первой относятся способы ионизации урана, прежде всего атомарного пара, с последующим отбором U235 с помощью магнитного поля. К технологиям этого рода относится AVLIS. Вторая группа способов основана на избирательной диссоциации (развале) молекул урансодержащего вещества (того же UF6) с помощью лазера. При этом варианте молекулы с U235 возбуждаются лазером, затем с помощью интенсивного электромагнитного излучения производится их диссоциация. Новообразованные компоненты могут быть удалены из смеси химическим способом. Подобные принципы использовались в американской технологии MLIS, французской MOLIS, японской RIMLIS и др.

К другой группе относятся способы разделения, заключающиеся в активации с помощью лазера молекул с нужным изотопом, которые в возбужденном состоянии склонны к вступлению в химическую связь с определенным реагентом. К таким процессам относится CRISLA. Технология SILEX, внедрение которой в настоящее время планируется в США и детальный механизм действия которой держится в секрете, вероятно, относится к способам, использующим фотохимическую реакцию с участием гексафторида урана. К достоинствам лазерного метода можно отнести высокий коэффициент разделения, который позволяет минимизировать потребность в каскадировании, резко снизить содержание U235 в хвостах, обеспечить относительную компактность разделительных комплексов. Энергозатраты лазерного процесса могут быть в разы ниже центрифуг. Другим потенциальным преимуществом является высокая избирательность (селективность), которая позволяет адресно выбирать нужный изотоп из различных по составу смесей. Более того, лазерный метод в принципе дает возможность разделять ядерные изомеры (одинаковые изотопы одного элемента, отличающиеся энергетическим состоянием ядра). Последние два достоинства открывают новые перспективы для процессов обогащения и переработки ОЯТ(отработанное ядерное топливо), позволяя осуществлять более эффективное выделение тех или иных компонентов смеси, добиться лучшей очистки от ненужных примесей.

Еще одним преимуществом может стать быстрый переход лазерной разделительной установки на стационарный режим работы и быстрый выход из него, что позволяет оперативно перестраивать участки производства под конкретные нужды. К проблемам лазерного принципа обогащения относятся его неясные и по сей день экономические параметры. Предыдущие попытки создать технологию промышленного уровня наталкивались на недостаточную производительность и низкий ресурс оборудования, а также на трудности увеличения масштаба процесса от лабораторного уровня до промышленного производства.

Стоит отметить что работы использующие лазерную обработку ведутся и в России. Так в работе [1] применялся метод лазерной плавки, для обработки бокситов, с целью получения чистого алюминия или новых промпродуктов. Было показано, что при лазерной обработке наблюдается перераспределение бокситового вещества с концентрацией титана в спёке. Проводились работы по моделированию теплового воздействия лазерного излучения на минеральные среды [2], в которой были определены основные закономерности лазерного воздействия на минеральные среды и процессов агломерации и концентрирования субмикронного золота. Также лазер может быть использован для получения синтетических алмазов из нефтяного сырья, в патенте [3] зарегистрировано изобретение, относящееся к технологии получения синтетических алмазов. Способ синтеза заключается в том, что монокристалл алмаза покрывается нефтяной пленкой и облучается миллисекундным рубиновым лазером.

 

2.Воздействие лазерного излучения на бокситы

Воздействие лазерного излучения на минеральное вещество еще недостаточно изучено и несет в себе много потенциальных возможностей. В Институте геологии Коми НЦ УрО РАН развивать это направление начали Б. А. Остащенко и В. Н. Каликов. В работах Каликова (1986) показано, что при облучении минерального вещества лазером возможно получать спёки различного состава, в том числе и чистый металл. В работах О. Б. Котовой и др. изучены механизмы образования новых фаз под действием плазмы на минеральное вещество (Котова, Петраков, Тропников, 2009).

В работе [13] использовалось высокоэнергетическое воздействие лазерного излучения на минеральное вещество боксита.

До обработки образец представлял собой породу с преобладанием бёмита, что видно на дифрактограмме необлученного образца (рис. 11). Химический состав образца представлен в табл. 1.

При микрорентгеноспектральном исследовании облученной поверхности выяснилось, что зона облучения представляет собой спёк, обогащенный титаном. В составе спёка преобладает алюминий (его содержание примерно соответствует содержанию в исходном образце), содержание титана увеличивается до 9.8 % (среднее содержание титана в образце 5.45 %), так же возрастает количество кремния. Таким образом, происходит перераспределение вещества с образованием новой фазы и обогащением образовавшегося спёка титаном.

 

Химический состав исходного образца

Компонент	Содержание %	Компонент	Содержание %
SiO2	6.54	K2O	0.33
TiO2	5.45	Na2O	0.28
Al2O3	70.56	P2O5	0.23
Fe2O3общ	1,01	П.п.п.	14.23
MnO	0,018	FeO	4
CaO	<0.5	H2O-	6.1
MgO	<0.5

Табл. 1

Рис 1. Дифрактограммы исходного боксита и обработанного лазерным излучением.

 

Рассмотрим теперь математическую модель взаимодействия лазерного излучения с дисперсными минеральными средами:

Эффективность лазерной агломерации ультрадисперсного вещества во многом зависит от температурного распределения в облучаемом образце, которое, в свою очередь, определяется параметрами лазерного излучения.

Для решения задач, связанных с нахождением температурного поля, необходимо составить дифференциальное уравнение теплопроводности. Под дифференциальным уравнением обычно понимают математическую зависимость, выражаемую дифференциальным уравнением между физическими величинами, характеризующими изучаемое явление, причем эти физические величины являются функциями пространства и времени. Такое уравнение описывает протекание физического явления в любой точке тела в любой момент времени. Для описания температурных полей, возникающих в минеральных средах под действием лазерного излучения, применяется уравнение теплопроводности:

,                                            (1)

где     - оператор Лапласа, - коэффициент температуропроводности, - коэффициент теплопроводности, - удельная теплоемкость; - плотность облучаемого материала.

Пусть удельная мощность (количество поглощаемого или выделяемого тепла в единицу времени и в единице объема тела) лазерного источника составит (Вт/м3). Тогда количество тепла, выделяемого в элементарном объеме в единицу времени, будет равно ; это количество тепла достаточно, чтобы сохранить равенство (1). После аналогичных преобразований дифференциальное уравнение теплопроводности с источниками тепла будет иметь вид:

,                                                                                        (2)

Если радиус пятна нагрева на поверхности образца существенно больше толщины зоны лазерного воздействия, то при рассмотрении процессов распространения температурного поля в облучаемом веществе можно ограничиться одномерным случаем уравнения теплопроводности:

,                                                          (3)

 

где - плотность поглощенного светового потока.

,                                                                   (4)

где - мощность лазерного излучения, W - энергия в импульсе, S - площадь пятна нагрева, - длительность лазерного воздействия.

Длительность воздействия лазеров, работающих в непрерывном режиме, зависит от скорости сканирования лазерного пучка по поверхности материала .

Таким    образом,    процесс    агломерации    описываем    нелинейным    уравнением теплопроводности в одномерном случае, учитывающим параметры лазерного излучения: