DD301805A9 - Verfahren und vorrichtung zum trennen von isotopen, insbesondere uranisotopen - Google Patents

Abstract

Während es das Ziel ist, eine ökonomische Trennung bei geringer Umweltbelastung zu erreichen, besteht die Aufgabe darin, eine Trennung bei verhältnismäßig geringem Druck der Gase mit einfachen, robusten und ruhenden Bauelementen zu ermöglichen. Als Lösung ist vorgesehen, daß zu trennendes Isotopengemisch (z. B. UF ind 6) in einem ersten Raum verdampft und mit einem Druck von mehreren Atmosphären durch eine Düse als gesättigter Dampf in einen Niederdruckraum geleitet wird. In dem mit einem Hilfsgas (z. B. Helium) gefüllten Niederdruckraum, wobei die Hilfsgastemperatur ca. 40 Grad C niedriger ist als die des Dampfstrahles, bildet sich durch Abkühlung des eingeleiteten Isotopengemisches ein Nebel. Die sich mit den Nebelteilchen verbindende insbesondere leichte Fraktion des zu trennenden Isotopengemisches wandert in den der Düse gegenüberliegenden Raum des Niederdruckraumes, während die insbesondere schwere Fraktion zusammen mit dem Hilfsgas in die tangential zur Düse angeordneten und einander gegenüberliegenden Räume gelangt. An den Wänden dieser Räume kondensieren die Fraktionen und fließen zum Boden derselben. Fig. 1

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnungen

Anwendungsgeblot der Erfindung

Die Erfindung kann zum Trennen von Isotopen, insbesondere Uranisotopen angewendet worden. Besonders eignet sich das Verfahren und die Vorrichtung zum Trennen von Uranhexafluorid UFe-

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Durch die DE-PS 1 055508 ist ein Verfahren zur Trennung von Gasen und Isotopengemischen beschrieben, wobei die Trennung durch Entspannen des Gemisches über eine Düse in ein evakuiertes Gefäß, das quer zur Strahlenrichtung eine Trennwand mit einer der Düse gegenüberliegenden Öffnung aufweist, erfolgt. Dabei soll die Trennung weder durch die Verwendung von Vakuumpumpen noch von Abschäldüsen erfolgen. Dieses wird im vorliegenden Fall dadurch erreicht, daß der größte Teil der Gefäßwand durch Kühlung auf einer Temperatur gehalten wird, die so niedrig liegt, daß die aus dem eingeströmten Gas auf die Wand treffenden Moleküle zum größten Teil niedergeschlagen werden. Bei dieser Lösung ist ein hoher Energieverbrauch für das Komprimieren des durch nachfolgende Entspannung zu trennenden Isotopengemisches notwendig.

Des weiteren ist durch die DE-OS 1964783 ein Verfahren zur Anreicherung eines Isotops eines chemischen Elementes, insbesondere zur Anreicherung des Uranisotops U 235, beschrieben worden. Die Aufgabo dieser Lösung besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens zur Isotopenanreicherung mit geringem apparativen und energetischen Aufwand. Dieses wird im wesentlichen dadurch erreicht, daß die Enthalpie einer gasförmigen Verbindung des anzureichernden chemischen Elementes unterteilweiser Erstarrung vermindert wird und dali der erstarrte Anteil des Gases vom nicht erstarrten Anteil getrennt wird, 'n einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, daß das Gas, welches das anzureichendernde Element enthält, aus einem Gemisch einer Verbindung dieses Elementes und mindestens einem Hilfsgas, beispielsweise Helium, besteht. Ein Vorteil dieses Hilfsgases besteht u.a. darin, daß es während der Entspannung Warme der gasförmigen Verbindung des anzureichernden chemischen Elementes absorbieren kann, so daß die Kristallisation oder die Erstarrung dieser Verbindung begünstigt wird. Zur Durchführung oes. Verfahrens wird eino Anordnung verwendet, durch die das Gasgemisch geleitet wird. Die Mischung wird zunächst einer Kompression durch einen Kompressor unterworfen und gelangt danach in einen Wärmeaustauscher, wonach es dann einer Entspannung in einer Turbine unterworfen wi:d. Durch die Entspannung gelangt das Gas aus der gasförmigen Phase in eine Mischphase, charakterisiert ciurch eine gasförmig-feste Zone, in der UF₆ kristallisiert. Dieser Anteil mit festem UF₆ wird vom Gas in einem nachgeschalteton Separator getronnt und anschließend in einem Wärmeaustauscher subiimiert. Nachteilig ist hierbei, daß neben dem zu trennenden Gasgemisch auch das verwendete Hilfsgas zusammen mit dem Gasgemisch komprimiert werden muß, wodurch das Gesamtvolumen de? zu trennenden Gasgemisches und damit der erforderliche Energieaufwand erheblich anwachsen.

Weiterhin sind aus der DE-OS 2064655 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Anreichern eines chemischen Elementes an einem seiner Isotopen und besondors des Urans an Uran 235 bekannt, wobei vorfahrensgemäß eine Verbindung eines anzureichernden chemischen Elementes in gasförmigen Zustand entspannt wird, wodurch eine hohe Translationsgeschwindigkeit erreichbar ist. Die sich bildenden festen Partikel der Verbindung des chemischen Elementes werden dann durch physikalische Wirkung abgeschieden und entfernt. Die Verbindung des chemischen Elementes ist gegebenenfalls mit einem indifferenten Gas wie Helium vermischt. Dieses Gas dient während der Entspannung zur Wärmeabsorption, wodurch die Kristallisierung eines Teils der Verbindung des chemischen Elementes bewirkt wird. Die Vorrichtung weist einen Behälter auf, in dem die gegebenenfalls mit dem indifferenten Gas gemischte Verbindung des chemischen Elementes unter Druck stehend eingeschlossen ist. Dieser Behälter ist über ein Gasentspannungs- und Führungselement mit einem Niederdruckbehälter verbunden, wobei die Druckdifferenz so groß sein muß, daß die Verbindung des chemischen Elementes mit Überschallgeschwindigkeit die Düso durchfließt. Das Gasentspannungs- und Führungselement ist dabei so ausgebildet, daß eine mechanische oder elektrostatische Abscheidung möglich ist. Als nachteilig ist hierbei anzusehen, daß zumindest der hohe Energiebedarf für die Komprimierung des zu trennenden Gases und damit für die Aufrechterhaltung einer hohen Druckdifferenz erforderlich ist, wobei dieser Energiebedarf bei Verwendung eines Hilfsgases noch erheblich ansteigt.

Zusammenfassend ist festzustellen, daß bei den vorstehend beschriebenen Lösungen eine Trennung des Gasgemisches nur durch Entspannen des vorher komprimierten Gasgemisches bzw. des Gasgemisches und des verwendeten Hilfsgases möglich ist.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung t'steht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Trennen von Isoiopen, insbesondere Uranisotopen so auszubilden, daß mit einfachen Mitteln eine ökonomische Trennung bei möglichst geringer Umweltbelastung erreicht wird.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Trennen von Isotopen, insbesondere Uranisotopen zu schaffen, die eine Trennung der Isotope bei verhältnismäßig niedrigem Druck der Gase mit einfachen, robusten und ruhenden Bauelementen, die keinem Verschleiß unterliegen, ermöglichen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe verfahrensseitig dadurch gelöst, daß das Isotopengemisch, beispielsweise Uri'nhexafluorid UF₆, zum Beispiel durch eine Pumpe, in einen ersten Raum geleitet wird. In diesem Raum wird das isc'opengemisch verdampft und als gesättigter Dampf mit einem Druck von mehreren Atmosphären durch eine Düse in einen Niederdruckraum geleitet. Der Niederdruckraum ist mit Hilfsgas mit einem Druck von weniger als einer Atmosphäre gefüllt, wobei eine gesonderte Evakuierung des Niederdruckraumes nicht erforderlich ist. Das Hilfsgas wird auf einer Temperatur gehalten, die niedriger ist als die des verdampften Gases. Die Temperatur des Hilfsgases muß dabei um soviel niedriger als die des verdampften Gases sein, daß beim Eintritt des verdampften Gases in den Niederdruckraum durch Abkühlung des Dampfstrahles eine Nebelbildung eintritt. Die sich mit den Nebelteilchen verbindenden leichten bzw. auch schwereren Fraktionen des zu trennenden Isotopengemisches kondensieren an den Wandungen des Niederdruckraumes und sammeln sich als kondensierte Phase an den Böden des Niederdruckraumes. Dabei sammeln sich trägheitsbedingt die leichte Fraktion bevorzugt an der Wand des zweiten, der Düse gegenüberliegenden Raumes und die schwere Fraktion bevorzugt an den Wänden der tangential zur Düse angeordneten Räume. Von dort werden diese Phasen in bekannter Weise über Pumpen weiteren Trennstufen zugeführt. Die Ableitung der Fraktionen ist insbesondere deshalb vorteilhaft, weil das Hilfsgas mit der flüssigen Phase keine Verbindung eingeht und somit ständig im Niederdruckraum verbleibt. Vorteilhafterweise ist damit eine ständigo Zuführung von Hilfsgas nicht erforderlich.

Besonders zweckmäßig ist es bei der Trennung von Uranhexafluorid UF₆, wenn das Isotopengemisch bei ca. 100⁰C verdampft wird und das dampfförmige Uranhexafluorid in einen mit Helium als Hilfsgas gefüllten Niederdruckraum eingeleitet wird. Dabei werden die Wände des Niederdruckraumes auf einer Temperatur gehalten, die ca. 4O⁰C niedriger ist, als die des eingeleiteten Uranhexafluorids, so daß das Uranhexafluorid UF₆ in die flüssige Phase kondensiert.

Es ist möglich, daß das Hilfsgas vor Einleitung des Isotopengemisches durch dessen Zulauf eingeleitet wird, wobei dieses Hilfsgas unmittelbar nach Zuführung des zu trennenden Isotopengemisches im wesentlichen nur noch in den tangential zu der

Düsenmündung angeordneten Räumen vorhanden ist. Das in den Niederdruckraum einströmende Isotopengemisoh ist nur so hoch ju komprimieren, daß eine Überleitung der sich mit den Nebelteilchen verbindenden leichten Fraktion in den der Düsenmündung gegenüberliegenden Raum gesichert ist. Dabei ist es wesentlich, daß eine Kondensation durch Abkühlung und nicht durch Entspannung des in den Niederdruckraum eingeleiteten Dampfstrahls erfolgt.

Zweckrnäßigerwoise ist die Anzahl der Kondonsetionszentren so groß, daß nach kurzer Zeit ca. 50% des in den Niederdruckraum eingeleiteten Isotopengomisches kondensiert. Die Anzahl der Kondensationszentren kann gegebenenfalls durch ionisierende Strahlung variiert werden, wobei dieses mittels radioaktiver Schlacke möglich ist.

Vorrichtiingsseitig wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Vorrichtung im wos^ii.uchen einen mit einem Zulauf, dom eine Pumpe zuordenbar ist, versehenen länglichen zylindrischen Raum aufweist, dci ".>. mindestens eine im oberen Beroich angeordnete Düse mit einm parallelen Niederdruckraum verbunden ist. Dieser'. ' rdruckraum ist in zwei gegenüberliegende tangential an der Düse angeordnete zylindrische Räume und in einen der Düse im ». sontlichen gegenüberliegenden zylindrischen Raum unterteilt. Diese drei tangential aneinanderliegenden Räume sind zu einer gedachten Mittcüimo u. Niederdruckraumes durch eine im oberen Bereich vorgesehene Öffnung miteinander verbunden. Dem Raum vor der Düse ist eine das Isotopengemisch verdampfende Wärmequelle zugeordnet. Außerdem weist der Niedordruckraum eine Einrichtung zur Aufrechterhaltung einer möglichst konstanten Hilfsgastemperatur auf. Am Boden der Räume des Niederdruckraumes sind an sich bekannte Anordnungen zur Ableitung der jeweiligen flüssigen Fraktionen zu einer weiteren Trennstufe vorgesehen. Der wesentliche Vorteil der Vorrichtung ist darin zu sehen, daß grundsätzlich ruhende und damit nicht verschleißende Elemente vorgesehen sind, die kaum einen Wartungsaufwand erfordern. Weiterhin zeichnet sich die Vorrichtung durch einen sehr einfachen Aufbau aus.

Im Sinne dor Erfindung ist es, daß sich die Düse radial zum ersten Raum erstreckt, wobei ihr Querschnitt eine derartige Form aufweist, daß aus der Düse ein Flachdampfstrahl austritt.

Zweckmäßigerweise schließen sich die Öffnungen der einander gegenüberliegende Räume des Niederdruckraumes im wesentlichen an die Mündungsöffnung der Düse an. Der dritte Raum des Niederdruckraumes weist eine der Mündungsöffnung gegenüberliegende öffnung auf. Es ist möglich, dem Niederdruckraum eine Zuleitung zur Zuführung des Hilfsgases zuzuordnen.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher boschrieben werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen

Fig. 1: die Draufsicht der Vorrichtung schematisch und geschnitten dargestellt Fig. 2: die Vorderansicht nach Fig. 1 schematisch und teilweise geschnitten dargestellt.

Über eine Zuleitung wird mittels einor Pumpe (1) zu trennendes Isotopengemisch, beispielsweise Uranhexafluorid UFg, in einen Raum 2 der η-ten Trennstufe geleitet, in dem es bei einer Temperatur von ca. 100⁰C verdampft wird. Für dieses Verdampfen ist dem Raum 2 eine nicht näher dargestellte Wärmequelle zugeordnet. Das verdampfte und einen Druck von mehreren Atmosphären aufweisende Isotopengemisch wird über eine im oberen Bereich des zylindrischen Raumes 2 befindliche Düse 3 in einen Niederdruckraum 4 eingeleitet. Die Düse 3 weist einen länglichen, sich parallel zur gedachten Mittellinie des Raumes 2 erstreckenden Querschnitt auf. Die Düse 3 ist so ausgebildet, daß sie einen Flachdampfstrahl erzeugt. Das im Niederdruckraum 4 befindliche Hilfsgas, z. B. Helium, wird zweckmäßigerweise vor Einleitung des Isotopengemisches über die Zuleitung des Raumes 2 und über die Düse 3 dem Niederdruckraum 4 zugeführt. Bei nachfolgender Zuführung des Isotopengervrisches wird das Hilfsgas vollständig aus dem Raum 2 verdrängt. Es ist aber auch möglich, daß das Hilfsgas vor Einleitung des Isotopengemisches in den Raum 2 über eine gesonderte Zuleitung dom Niederdruckraum 4 zugeführt wird. Zur Aufrechterhaltung einer konstanten Hilfsgastemperatur, die beispielsweise bei der Verwendung von Uranhexafluorid UF₆ und Helium als Hilfsgas ca. 4O⁰C niedriger als die Verdampfungstemperatur im Raum 2 liegt, ist dem Niederdruckraum B eine nicht näher dargestellte Einrichtung zugeordnet.

Der über die Düse 3 in den Niederdruckraum 4, welcher einen Druck von weniger als einer Atmosphäre aufweist, eindringende Dampfstrahl wird in dem gut wärmeleitenden Helium stärker als nur durch adiabatische Expansion abgekühlt und bildet einen Nebel aus kloinen Tröpfchen. Dabei verlieren die Moleküle mit dem leichten Isotop bei Zusammenstößen mit den He-Atomen ihre Wärme wegen des kleineren Massenverhältnisses zum Atomgewicht des Helium und der größeren Häufigkeit solcher Zusammenstöße rascher und sind auch deswegen stärker an der Tröpfchenbildung beteiligt als die des schweren Isotops. Die entstandenen Nebelteilchen fliegen als leichte Traktion geradeaus weiter in den Raum 5, wohin der gasförmig gebliebene UF₆-Anteil nicht gelangen kann, denn in diesen Raum 5 ist durch Impulsübertragung aus dem Dampfstrahl so viel Helium gedrückt worden, daß alles weitere Gas - also Helium und nichtkondensiertes UF₆ - umgelenkt wird und entsprechend den eingezeichneten Pfeilen längs der Wand der Räume 6 abströmt. Dabei muß die Geschwindigkeit der die vorwiegend leichte Fraktion beinhaltenden Nebelteilchen so groß bemessen Fein, daß sie durch ihre Massenträgheit in den Raum 5 gelangen. Entsprechend ist der Druck des in den Niederdruckrau;n 4 einst-ömenden C-rnpistrah's auszulegen. An dieser Wand kondensiert das restliche UF₆, also die schwere Fraktion, bis auf einen dem Sättigungsdruck der Wandtemperatur entsprechenden Pyrtialdruck. Das zurückströmende, wieder abgekühlte Heliurr vermischt sich erneut mit dem UF6-Dampfstrahl. Am unteren Ende des in vertikaler Richtung genügend langen Raumes 5 sammelt sich die in kondensierter Phase an den Wänden herabrinnende vorwiegend leichte Fraktion und wird der Pumpe 1 der folgenden Trennstufe zugeführt. Analog gelangt die vorwiegend schwere Fraktion zur Pumpe 1. Das Helium verbleibt vollständig im Niederdruckraum B der n-ten Trennstufe.

Die Arbeitstomperaturen für diese Betriebsweise ohne Gaskompressoren werden durch den Schmelzpunkt des Isotopengomisches (UF₆) festgolegt. Boi dem großen Muterialdurchfluß durch dio Düse 3 ist ein hohes Oruckverhttltnis zwischen dem Raum 2 und dem Niederdruckraum 4 oiner Trennstufe nicht erforderlich.

Dioses Verfahren zur Isotopentrennung kann besonders vorteilhaft angewendet wurden, wenn in dor Natur vorhandene Wärmoqucllon genutzt werden können.

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen

1 Pumpe

2 Raum

3 Düse

4 Niederdruckraum

5 Raum

6 Raum

Claims (7)

1. Verfahren zum Trennen von Isotopen, insbesondere Uranisotopen, wobei das Gas durch eine Düse von einem Raum höheren Druckes in einen Raum niedrigen Druckes unter Strahlbildung strömt und der Raum niedrigen Druckes für die getrennte Abscheidung der schwereren und der leichteren Komponente unterteilt wird, gekennzeichnet dadurch, daß das Isotopengemisch, vorzugsweise Uranhexafluorid UF₆, in flüssiger Phase vorzugsweise in einen Raum (2) geleitet wird, in welchem es verdampft und als gesättigter Dampf mit einem Druck von mehreren Atmosphären durch eine Düse (3) in einen Niederdruckraum (4) geleitet wird, der mit einem Hilfsgas gefüllt ist, dessen Temperatur um so viel niedriger als die des verdampften Gases gehalten wird, daß beim Abkühlen des in den Niederdruckraum (4) eingeleiteten Gases eine Nebelbildung auftritt, mit bevorzugtem Gehalt des leichten Isotops in der kondensierten Phase, wobei es trägheitsbedingt in eine leichte und schwere Fraktion duich Kondensation getrennt, in bekannter Weise abgeleitet und weiteren Trennstufen zugeführt wird.

2. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß Uranhexafluorid UF₆ in den Raum 12) geleitet und bei ca. 100⁰C verdampft wird und das verdampfte Uranhexafluorid in einen mit Helium als Hilfsgas gefüll^n Niederdruckraum (4) geleitet wiM, dessen Wände auf einer Temperatur, die ca. 4O⁰C niedriger ^is die des eingeleiteten Uranhexafk vids ist, gehalten wird, so daß das Uranhexafluorid in die flüssige Phase kondensiert.

3. Verfahren nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurm, daß das Hilfsgas vor Einleitung des geschmolzenen Gases durch dessen Zulauf eingeleitet wird.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Punkt 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß sie einen mit einem Zulauf versehenen länglichen zylindrischen Raum (2) aufweist, der über mindestens eine im oberen Bereich angeordnete Düse (3) mit einem parallelen Niederdruckraum (4) verbunden ist, wobei der Niederdruckraum (4) in zwei gegenüberliegende, tangential an der Düse (3) angeordnete zylindrische Räume (6) und einen der Düse gegenüberliegenden zylindrischen Raum (5) unterteilt ist und die tangential aneinanderliegenden Räume (5, 6) zu einer gedachten Mittellinie des Niederdruckraumes (4) durch eine im oberen Bereich vorgesehene Öffnung miteinander verbunden sind, wobei dem Raum (2) eine das geschmolzene Gas verdampfende Wärmequelle zugeordnet ist, die Räume (6) eine Einrichtung zur Aufrechterhaltung einer möglichst konstanten Hilfsgastemperatur aufweisen und am Boden der Räume (5, 6) an sich bekannte Anordnungen zur Ableitung der jeweiligen flüssigen Fraktionen zu einer weiteren Trennstufe vorgesehen sind.

5. Vorrichtung nach Punkt 4, gekennzeichnet dadurch, daß die Düse (3) sich radial zum Raum (2) erstreckt und einen, einen Flachdampfstrahl ermöglichenden Querschnitt aufweist.

6. Vorrichtung nach Punkt 4, gekennzeichnet dadurch, daß sich die Öffnungen der Räume (6) im wesentlichen an die Mündungsöffnung der Düse (3) anschließen und die Öffnung des Raumes (5) dieser Mündungsöffnung gegenüberliegt.

7. Vorrichtung nach Punkt 4, gekennzeichnet dadurch, daß der Niederdruckrai m (4) eine die Z' führung des Hilfsgases ermöglichende Zuleitung aufweist.