DE1719539A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Anreicherung von Isotopen - Google Patents

Description

DIETRICH LEWINSKY

8München2l»Gotthard«r.81 ^: ■» .

τ*«» κ η« ,29.

Nationale des Petrol«» d'Aqultaiiict, Ceurbevolr, ί (Fvvuiltreich)

"Verfahren und Vorrichtung sur An- -

roloherung von Isotopen"

Priorität voa 17* J»n«uuK 19^7 fm* der Ffttcntttnrcpldung Nr. 91 501 (Sein*);

priorität voa 20· Februar 1*6'/ att» der franse« siechen Fntentsnmaldung Nr. 95 £48

Priorität von 7. August 196? aus der franjiS-slachen Patentanmeldung Nr* 117 Οβί (Seins«)

Bekanntlich kosuaen viele Stoffe in der Natur in form einer Mischung aus »»hreran Isotopeaaiten

Da die verschiedenen Isotopen in chemischer Hlnslohfc gtroßo Ähnlichkeit ausreisen and sich in bestirnten phyel- ™

kallechen Eigenschaften nur gering unterseJieidan, 1st es in aügOKieinen sahr sishirer, Bio asu trennen. Fflr besonder» tpohnleche Anwendungen 1st man Jedooh petwungeij., aue einer natOriichmi Isotopenniochung dl· eine Is«to#enart oehr odfr weniger rein xu isolieren oder ein interessantes isotop anzureichern ,

4/1790 _BAD original

Dins gilt hauptsfiohlleli fflr die Elenente der Gruppen O, XII, IV, V und VI des Periodensystems der Elemente und vor allem für die Boriaotopen 10 und 11 und fdr die Uranieotopon der Masaa 235 und 238. Um solche Isotopentrennungen durchzuführen, hat man aloh bisher hauptsfichlloh einer Technik bedient, die darin besteht, eine gasförmig« Isotopenntlschung durch eine porflee Hand diffundieren su lassen und Jen Unterschied dor Dlffuslonsgesehvlndlgkeiten der beiden Isotopenarten zu Ihrer Anreicherung auszunutzen. '■

Nach einer anderen bekannten Technik kann man auch Zentrifugenvorrichtungen eur Anreicherung einer der Isotopenarten benutzen, da die Zentrifugalkräfte auf die beiden Isotopenarten wegen lhror et*as unterschiedlichen Massen verschieden stark olnwlrken.

Man kennt auch die Isotopenanrelaherung durch Isotopenauatausch, bei dem man ein swelphaslges Olelohgewicht swlschen swel chemischen Arten herstellt. Man erhfll% so üln InoiopengleIchgewicht, das von den Ausgangsbedingu/igcm verschieden lot, wenn man die Temperatur verändert.

Diese Anreicherungen sind immer,nur sehr gering. Man hat beobachtet, daß das Phlnomen der Anreicherung direkt verknüpffist mit dem Phfinonxm der Adsorption. Dio zwei Isotopen haben verschiedene AdaorpMonakonsäan^ea. !lan hat z.B. für dia tnldan isotopen Je? Massen M₁ und M^ zu.il

0 09884/179 0

Adeorptlonskonstsnton λ und A ♦ ΔΑ. Dm Verhältnis —

konnte In Laboratorium gesessen werden und entspricht der relativen Xndarung des Xeotopenverhältnlsses, dargestellt

rjO »♦ *

<Surch_o·* « " 2- · So konnte man s.B· das Verhältnis

J gO

-jy- rar dia BoAotopen 10 und 11 bestirmen. Bei Verwendung des Systeme Dortrifluorld - organ! nche Sulfide beträgt «o «twa o,G2. For die KohlenstoffIsotopen 12 und 13 beträgt es bei Kotilenaonoxvd In Xontakt mit Holekularsleben 0,00$. Dieses Verhältnis ändert sioh alt der Temperatur.

Han kennt ferner die Verdränguneeohroeatogrmphi·, bei der eine dasalsehung In einen feit eine« Adsorbens gefüllten Raua eingeführt wird. Kan bringt das su trennende Oenisoh in diesen Rau« and verdrängt es dann durch ein das, das durch das Adsorbens stärker adsorbiert wird als der aa stärksten adsorbierte Bestandteil der Mischung. Diese Chromatographie 1st sur Trennung von künstliehen Hisohungen von Wasserstoff« Deuterium· und Tritium verwendet worden.

Die Erfindung betrifft ein anderes Verfahren, bei den das Verhältnis der Adsorptionskonstanten beträchtlieh vergrößert 1st. Daher kann «an beträehtllobe Anreicherungen ersielen. Die Anreicherung kann wiederholt durchgeführt

und optimiert werden«

Das Verfahren gestattet eine wirtschaftliche technische Herstellung von künstlichen Iaotopenmisohungen, die sowohl

0C988A/1790

su einer reinen Xeotopenart wie aueh au Mischungen mit einer gegenüber der Auagangamlaehung veränderten Zueaamensetsung rohren kennen.

Das erfindungsgemäfte Verfahren hat den Vorteil, auf außerordentlich leichte Welee und mit einer relativ wenig aufwendigen Apparatur durchgeführt werden su können, und lot geeignet, grOAere Mengen von Isotopenmi schlingen su behandeln. Daraus geht hervor, daft das erflndungsgeraäAe Verfahren besondere daeu geeignet 1st, eine Isotopentrennung In technisohem Haftetab durchsufOhren.

Die Erfindung hat «in Verfahren sun Gegenstand, bei dem aus einer Oasnlsehung mit Bestandteilen, deren Molekulargewichte nahe beieinander liegen, einer dieser Bestandteile angereichert wird und ist dadurch gekennzeichnet, daft man das Gasgemisch In einen mit einem Adsorbens gefüllten Raum einbringt, bis wenigstens eine Fraktion, genannt Kopffraktion, am Ausgang aufgefangen wird, daft man dann die Zuführung des su trennenden Oemieches unterbricht, wenn diese Fraktion aufgefangen 1st, daft man dann ein Qas, genannt Puffergas, einfuhrt, das gegenüber dem su trennenden Gasgemisch und dem Adsorbens inert 1st, und daft man dann getrennt am Ausgang des Raumes die verschiedenen Fraktionen auff engt.

Oemttft einem Merkmal des erfindenesgemtften Verfahrens

009884/1790

B* Π Pl O ! /"^ I M Λ Ι

werden die verschiedenen Operationen bei solchen Bedingungen durchgeführt, daß die Retentionskapaeität, die bestimmt ist durch das Volumen des Adsorbens und desaen Adsorptlonseigena ο halten in dem Raum, einen höheren Wor1; erreicht.

einem bevorzugten Merkmal dee erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Verhältnis der Retentionskapazität des Adsorbens in den Raum »um Volumen der aufgefangenen Kopffraktion größer ala 2.

Man hat tatsächlich festgestellt, daß im Verlauf der Adsorption von Mischungen mit Verbindungen sehr ähnlicher Atommassen,wie s.B. Isotope des gleichen Elemente, eine An-

in
ralcherung der Kopffraktion/oinem Durchgang der Mischung von

mehr ala 20 % erreicht wird.

Gemäß einen Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens 1st das Gasgemisch aus Bestandteilen mit sehr ähnlichen Atommassen ein Isotopengamisoh des gleichen Elements.

. Gemäß einem anderen speziellen Merkmal des erflndungsgtmäßen Verfahrens 1st das Isotopengemisch des gleichen Elemente ein natürlich vorkommendes Gemisch.

Erfindungsgemäß ist das Adsorbens in einem Raum untergebracht, der vorzugsweise eine längliche Form und Je eine

Eintritts- und Austrittsöffnung hat..

- 6 .. 009884/1780

BAD ΟΓ'

Weiterhin kann man erfindungsgemaA den Raum vlhrend der " Einführung des Puffergaees auf eine höhere Temperatur bringen als während der Sättigung mit dem Isotopengemlsoh. Das Puffergas 1st erfindungagemSB inert gegenüber dem Adsorbens.

Weiterhin vilrd erflndungsgerafiA das Adsorbens mit Puffergao vor der Kinführung dee laotopengemiochoß geoättißt.

Bei einer Aueführungsform dea erflndungsgemäAen Verfahren· wird daa Isotopengemlsch In solcher Menge in das Adsorbens eingebracht, da* die Strömung dieser Mischung In dem Adsorbens sah 1st.

Bei einer Ausführung»form des erflndungsgemlften Verfahrens wird das Isotopengemlsch mit konstanter Henge In das Adsorbens eingebracht*

Bei einer bevorzugten Ausführungaform verwendet man ein gereinigtes Isotopeh-Gasgemlsch, das vom größten Teil der adsorbierbaren Verunreinigungen, die es enthalten kann, befreit 1st.

Bei einer Ausführung«form des «rfindungsgemäßen Verfahrens fangt man gleichseitig und unabhängig die Kopffraktion auf, die an der durch das Adsorbens weniger fixierten Art angereichert 1st, sowie die Schwänzfraktion, das 1st die Fraktion

009884/1790 - ~~ ·

BAO ORiGIiMAL

dee Ieotopengeiilaeliea. die ale lettte die Kolonne verläßt und die an der durch das Adsorbens weniger fixierten Art verarmt lot.

Nach einer weiter auegearbeiteten AusfOhrungsform ffingt man nacheinander und unabhängig voneinander auf die Kopffraktion - angereichert an der weniger fixierten Art - die Mittelfraktion mit nur wenig verändertem mittleren Isotopenverhältnis und die Schwan«fraktion, die an der starker fixierten Art angereichert let.

Nach einer noch weiter aufgearbeiteten Ausftthrungsform fingt man nacheinander und unabhängig voneinander die Kopffraktlon, die Nlttelfraktlott und die Sohwanafraktlon auf und unterwirft Jede dieser Fraktionen einer Reinigung, bei der diese Fraktion von de« Puffergaa getrennt wird, mit dem sie gemischt sein kann·

Naoh den Angaben dea erfindungagemäAen Verfahrene 1st erkenntlich, daft man durch die Wahl der Zeitpunkte, bei denen man die Veränderungen des Bin- und Austritts der Oase in drei Fraktionen vornimmt, den Anreleherungegrad an Isotopen in den verschiedenen Fraktionen in »1eelIch weiten Grenzen

regeln kann, ober- und unterhalb de· Wertes, den man bei der Fraktionierung Im Augenblick der vollständigen Sättigung der Kolonnen erholt.

009884/1790

η/" 0:'^:.'GlNAL

Bel einer bevorzugten AusfOhrungsform dleter Reinigung lftftt nan da« iBotopengefeiisoh In einen Baum einströmen, der metallische Einbauten enthalt. Diese werden auf eine Temperatur abgekühlt, die hinreichend tief 1st, um den Danpfdruck des Xsotopengemlsohes sehr niedrig «u halten. Dann bringt man diesen Raum auf «ine Temperatur, bei der das Iaotopengemlsoh gasförmig 1st«

Brfindungsgea&ft kann man wenigstens eine Fraktion des IsotopengemlBches, die an einen Bettandteil angereichert 1st und aus einer Stufe der Trennvorrichtung auetritt, in eine «weite Stufe einfahren und das obige Verfahren wiederholen, wobei die verschiedenen Stufen mit den notwendigen Ansohlassen versehen sind.

Erfliidungogem&A ftthrt man eine aolohe Aufeinanderfolge einzelner Anroloherungsstufen mit Hilfe von Kolonnen durch, die mit dem Adsorbens gefallt und In Form einer Kaskade aufgestellt sind.

' Bei einer Ausführung·form des erfindungegemäßen Verfahrens führt man die Anreicherung an Isotopen In einer Kaskade durch, indem man in einen ersten Raum das aneurelchtrode gasförmige Xsotopengemlseh einführt, die Kopffraktion auffingt und in einen swelten Raum einfahrt, die Mittelfraktion auffangt und wieder in den ersten Raum einfahrt, die Schwansfraktion auffangt und In einen dritten Raum einführt und die

009884/1790

BAD ORIGINAL

genannten Fraktionen, die In die einseinen Rfiume elnge/Ohrt werden, dort dor Behandlung nach dem oben beschriebenen Verfahren unterwirft, wobei der swelte und dritte Raum auf bei-, den Seiten des ersten Raumes angebracht und mit den erforderlichem Verbindungen versehen sind.

Bel diester Ausftlhrungaforra dos erflndungagemäßen Verfahrens führt man ein Isotopengemisch In einen gegebenen Raum ein, das die Kopffraktion einen innerhalb der Kaskade vorher gelegenen Raumes 1st, ferner ein Xsotopengemlsch, das die Mittelfraktion des genannton Raumes 1st, und schließlich ein Isotopengemisch, das die Schwansfraktion eines Innerhalb der Kaskade nachher gelegenen Raumes 1st.

Unter Adsorbens ist hler ein Produkt su verstehen, das auf bestimmte Welse fähig 1st, eine gewisse Menge einer gasförmigen Verbindung su fixioren, welcher Art diese Fii/«rung auch immer sein mag· ^:

Die Fixierung kann bei einer gegebenen Temperatur reversibel sein. Sie kann bei dieser Temperatur auch Irreversibel sein und erst bei einer höheren Temperatur reversibel werden.

Han ist Obereihgekoamen, unter Rückführung olnen Vorgang su verstehen, der darin besteht, irgendeine Fraktion, die einen Raum verlaßt, absuswelgen, um sie in denselben Raum l einzufahren. Xm Oegensats dasu bezeichnet man mit dem

009884/1780 "

EAD

Ausdruck RUckflufi einen Vorgang, der darin booteht, daß man irgendeine Fraktion, die einen ersten Raun verlBßt, abswelgt, um sie in einen «weiten Raum wieder elneufOhren, d: im Sinne einer wachsenden Anreicherung an den weniger adso: blerten Iaotcp vor dem erstem Raum liegt.

Rajtnl&i-'.ng virrt die Trennung dos Xsotopitngemlschea vom Pufforgas bezeichnet, die nur Im Wiedereinfuhren des voinen Iaotopengeralochns In die folgende Stufo besteht.

Unter der folgenden Stufe versteht man diejenige, die im Sinne einer wachsenden Anreicherung an dem weniger adsorbierten Isotop hinter der betrachteten Stufe liegt.

Unter der vorhergehet den Stufe versteht man diejenige, die In Sinne einer waohecnden Anreicherung an den weniger adsorbierten Isotop vor der betrachteten Stufo liegt.

Um die Ausdrucke "vor" und "hinter" su definieren, besieht man sich auf die wachsende Anreicherung an dem weniger adsorbierten Isotop.

Als Anreicherungegrad beseiohnet man den relativen Unterschied im Inotopenverh&ltnls der Jeweiligen Fraktion «u dander Au·gengo«Ιβchung. Csktnntllch versteht raan unter den Iβotoponvorhältnie das Verhältnis der Atomxahl doo einon

Isotops su der der anderen Isotopenort. Man let also beetreV;,

- 11 ■■ 00988A/1790

BAD ORIGINAL

at \ Anroioberungagrad der einen Isotopenart · owe it alt. : & U^h cut erhoben, «renn mui diet« Art abtrennen will.

Neon eine? Au·führung»form dee erflndungsgonBAen V·:* !uhren· kann »an auch das Avaganga-Xsotopengealach in einai mit einem Adsorbens' gefüllten Raum einfahren, der etwa In Ί.-r Mif.te der K&aki£e liegt. Dloa* Variante erlaubt es besonders, die Sehwjnsfraktionen, die nan in die Raune surfick- fließen lfiftt, die vor de» Rau« liegen, In den däi XülgaTgi-ZtotopengeitSiah eingeführt wird, »ehr und »ehr «n dar Ζαο· ..:- .*£·*· topenart, die »an abtrennen will, vertnwn iu laaten. . V

·■:■ •■-^■■■- · .· ;3i*

Die Kaikade lat ao dureh dem eriten Rau« Sn iwei TeJXe **

'getrennt, von denen 4er eine dar Anreioheruuf der adftorbierten liotopeeart und der af*ei>e d«r der starker adeorbierten laotopenart dient.

dtp Kaakadt

folgend· weite idteli)an4er verbunden t Dl· ertte «tufe, ntnnt Bliwptltwigtetiir·, wird »it dem Aufganfageniioh fiapelat, dl« Kopf fraktion dioier Stufe wird naeh Reinigt r._s in die folgend· S*ufe geführt, dlt Mittel fraktion wird raoh Rtlnlgune tUMiMWii »it de* Aiwgmngtitaliah «leder in die ttnspeliungattuf· eingeführt, und die aehwansfraktioo vird naeh Reinigung In die vorhergehende Stufe eingeführt.

Bel einer bevorzugten AupftlhrungefoXT* de· erflndung&tfi-

00988 4/17 90

bad

1719539 ■Men Verfahren* let da* Puffergas ein Edelgas, ein« halogenierte und TOrSUgStMiSe₄ eine fluorierte Verbindung oder ein das wie Stickstoff oder Fluor.

Bei einor bevorzugten Auβführung·fora doe erfindungsge-KfiAen Verfahrens eweigt nan an Auegang eine» mit Adsorbens gefällten Raumes eine Kopffraktion ab, die % - HO t des Zsotopengenisehes enthalt, mit dem das Adsorbens gesättigt war, und fallt sie in den ebenfalls mit Adsorbens gefällten Raum ein, der dem erstgenannten in der Kaskade folgt.

ErflndungsgemfiA kann man aueh am Ausgang eines mit porösem Adsorbens gefeilten Raumes eine ßehwan*fraktion auffangen, .die 1-60 Volumonprosent des Xsotopengemisob.es enthält, mit der die Kolonne gesättigt war, um sie in einen ebenfalls mit Adsorbens gefüllten Raum einsufOhren, der in der Kaskade vor dem eratgenaimtan liegt.

Bei elnor AusfOhrungsformdis erflndungsgemBAen Verfahrens verwandet man sur Trennung der verschiedenen Xsotopenarten ein Adsorbensa das for die Vlbrationseigensohaften der versehiedenen Xsotopenarten empfänglich ist. Wan kamt aueh einen festen KOrper verwenden, den man mit einer Flüssigkeit imprSgntert hat, die im Molekül wenigstens ein Atom enthalt, das Elektronen abgeben oder aufnehmen kann.

Bei einer AusfQhrungsform des erflndungsgem&Aen Verfah-

- 13 -

009884/1790

BAD ORJGIMAL

rat» beataht da« »aria· Adaorbeoe, am in dim B*m* füllt Sat» au· pulverisierten Holakalaraieben, die Oramilometrie reoht homogen geaaeht aind und daran Jnoerer Porendurchmeeoer swlaehen 3 und 100 I !*·&. Dia··« Ad«orbans wird vorteilhaft stir Trennung von JCohlenetoff-Ieotopan verwendet, wie s.B. ale Kohlenaonoxid In Oaefom vorliegen, um erfindungügemüß behandelt cu werden, Olaaea Adaorbana kann ebenso zur Trennung von Noon-Iaotopen verwandet warden·

Bel einer »weiten Auefflhrungefore dap arflndiaigsgaalBaii Verfahrene verwendet «tan al» Adaorbana Feststoffe, dia durch Oranulometrle raoht hoeogen alnd und dia definiert »ind durch dia allgemeine Vonaal »Λ» 1» &** H ein Halogen, H ein Netall und χ und y ganee Zahle« darateilen.

Dlaaaa Mlaorbana kamt «nr txmmmt «on aran~I«otopen la Fom ihrer Hexafluoride verwendet werden.

BaI einer dritten Auaftthrungsfor» daa erflndun«aee««lAae Verfahren« verwendet «aui einen faaten Trlgar, dar durch Oranuloawtrle hoaugen «erteilt i»% und dar mit einer Fia«»ig-Jcal* leprÄgniert let.

Xn minttv Variante dlaaer dritten Auafühnangafore lit dia verwendete fiaaalgfcal« eine organi«ehe Verbindunf, 41a wenlgaten« ain Atoej enthält,-dm» Ilaktronen abgeben kann. DIa Oewiehtekoneentration dieser orfanleohen Verbindmjf kann 5 - «0 % da« TrÄgergewiehte» batftajan, dia

005884/1710 I ,. " **-··

BAD OFIlGiNAL

• ι« -

1719539 b*nd«n Ata«· können Sofavefsl· Sauerstoff, stickstoff, fielen.

Tellur u.a. sein.

Bei einer AuafOhrungsforn dieser Variant· enthalt die organische Vorbindung ein Ate«, das Elektronen abgeben kann, dor Rsafc Äao Moleküle UZ wenigotem ·%μ Alkyl-Arylgruppe alt 2-30 Kohlenstoffatomen. Diese Variante 5at vorteilhaft sur Trennung von Bor-Isotopen elnsusetsen.

Eine Aunführungafon» de· Verfahren· tür Trennung eine· Gasgemische·. s.B. eines Zsotopengeoisohee, trlrd la folgenden beschrieben.

Xa ein Adsorbens, das sieh In ein·« Raue befindet und das vertier alt Pufferga* goslttlgt ist. röhrt nea ein einheltllebee esessh eeleben eedlngungen ein, des Adeerptlon von Oestandteilen dieser Ntsehung aa Adsorbens stattfindet, und swar in konstanter Hence. Nennen wir an, dleso llnftQirung findet In Soltpvnkt 0 statt. Zn einer ersten Periode adsorbiert das Adsorbens das aassealseh» dss das Pufferges vor sieh her sehiebt. Die MoXekdle der gssfOmigen Verbindung «erden fixiert, wodareh der Verlust an Beladung in 6er Kolonne verändert wird· Diese erste Periode dsnsrt so lana)·, bis ein Bestandteil 4er gasfOndgon Ntsehung an Ausgang der sisn ankönnt. Dies wird s.B. dureh ein vameleltfihlgkeltsgerit sam leitpunkt t_R angeselgt. Man lint eine bestlnnto Menge bis sun Zeitpunkt t_n hindurch-

BAD ORIGINAL ' ι

- 15 -

009884/1790

1713539

ströson, und awar so« da» man eine Fraktion mit der gewtlnseh* ten Anreicherung erhalt. Zn diesen Zeitpunkt tg ereetxt «ar. am Eingang 'ies BlnepeUungsraume* di· Zuführung dot Isotopen*. £öialaohes dureh Zuführung *«» Pufferst». Wan laßt eine bestlmmte 3cit die Mischung ausetjrOmen, dio den Rau» unter de» Di-ucx sens r\a'fex»gasea wrltXt. Pieee Fraktion wird Mittelfraktion genannt. Sie beaittt ein ähnliches lootopmrtfar- ,

hältnie wlQ die Ausganganieehong. Zu οinen Zeltpunkt fc_£, wenn die Kenge an Iaotopongeeinoh οJoh am Ausgang des Hauaeo verulnJirt, leitet «an den Oetctroe su einem dritten Raum um und gewinnt so die Schwans fraktion. . . ' . Ά

Das tcrhlltnis der Xonsentrationen #er Bestandteile in dor nJoht fixierten Qasphaat su denon in der .adsorbierten Phase bentlieit dio Adsorptionskonotante A.

Als RctentlonsvolusMn V_p des Itausea in Besug auf einen gaafflrmieen Bestandteil bezeichnet aan das Sattlgunasvolumen den Raumes bei Raumtemperatur und Normaldruck. Die Kapazi tät V_r, gesteasan unter Noncalbedlngungon, 1st eleo d*.a Volumen eines gaafOraigea Bestandteiles, das in den Rau« eingeströmt ist, bis sein Wjoderaustritt angecelgt wird. Wenn man Jetst statt eines einheltliohen Oases ein Qeml3oh von swei gasförmigen Isotopen der Hassen K^ und M₂ in den Raum einführt, die die Adsorptlonskoefflslenten A und A*4 A haben, wobei Δ A sehr klein let, so beobachtet man ewei Retentionskapasuilten V_p und V_r*4v_r, deron mittlerer W*rt weiterhin

- 16 009884/179 0

- 16 nit Y boceichnet wird.

Ea gibt nun «in« Zeitperlode, während der die Konzentration der Verbindung mlIt der Adoorptionskonatantf;n A in dem Gemisch, dau der. Rauif verlftßt, grflüer lot aln im Efnapelnungsgcmisch< Dito kann man unter Verwendung eino3 Iiaesimepekfcroiuetttrs nach-

In den Zeitpunkt, In dem die Konzentration des GauaustrJtln vclocler der rtec Eintritte gleich wird, hat man csin Volumen V mit eln.jm IaotopenverhlUtnie R auf go fange Ta, daa eich von dem Xsotopenverhältnla R_Q des AuegangegeraJechoe unterscheidet.

Man beselchnet ale Anrelcherungagrad die relative Änderung dee IaotopenrarhS KnI sees R. Nun «elgt man erflmlunge gemäß, daß:

R°

In früheren Arbeiten ssur Tiennung τοη Isotopen hatte man beobachtet ^- . Im erfindungsgeeaeen Verfahren dagegen 1st das

Orundphanooen ralt einem Verstärkungsfaktor ^ multlpllslert,

V ein Verfahren, bei den» der Verstärkungsfaktor regelbar ist

durch dfee abgenommene Volumen, das Volumen dca Adsorbent! in der Kolonne und der« Grundoechanismua, der dae Volumen V* bestiwra

- 17 -

(J:, 3 Ö 8 U I 1 7 9 0

3AD ORIGINAL

Entsprechend beobachtet man, daß dia Sehwansfraktlon an der Isotope M₁ verarmt und an der Isotope M₂ angereichert la;

Die Erfindung besieht sieh außerdem auf eine neue technische Vorrichtung, die geeignet ist aur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens. Diese Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet5 daß sie in Kombination aus folgendem besteht:

Ein Raum, der das Adsorbens enthält und eine Eintrittsund eine AustrlttaoTfnung besitzt, die vorzugsweise an zwei entgegengesetzten Selten des Raumes angebracht oind,

eine erste Vorrichtung, die es gestattet, in den Raum 'nacheinander das zu trennende Isotopengemisch und ein gegenüber dem Isotopengemisch und gegenüber dem Adsorbens Inertes Gas, im folgenden als Puffergas bezeichnet, einzuführen,

eine aweite Vorrichtung, die es gestattet, die aus dem Raum austretenden Gase einerseits In wenigstens eine Rohrleitung zu führen, die dazu bestimmt ist, eine an einem Isotop angereicherte Fraktion zu sammeln, andererseits in eine Rohrleitung zur Zuführung des Puffergases und eventuell in eine Rohrleitung zur Zuführung des Iaofcopengemisches su führen,

eine dritte Vorrichtung, die es gestattet, die genannte erste und zweite Vorrichtung im geeigneten Augenblick zu

■ »

- 18 -

009884/1790

Bau OFlIC

steuern, und awar 00, da* nan die verschiedenen abgenommenen Fraktionen auf das Isotopeηgenlach hin lenken kann.

Bei einer besonderen AusfOhrungsform besteht die erste Vorrichtung, die am Eingang des Raunee angebracht ist, aus einem Wechselhahn, der ferngesteuert werden kann, z.B. mittels eines elektrischen Perokommandoa.

Erfindungsgemäß kann die iweite Vorrichtung aus einem Weohselhahn bestehen, der ebenfalls ferngesteuert werden kann und der es erlaubt, wie noch ausrufUhren sein wird, die aus dem Raum austretenden Oase in die verschieder.en Rohrleitungen au fOhren.

ErflndungsgemäA kann die dritte Vorrichtung Irgendein Anseigegerat sein, das am Ausgans des Raumes angebracht ist und das auf Änderungen in der Zusammensetzung des aus dem Raum austretenden Oases anspricht.

Dieses Anzeigegerät kann vorteilhafterweise aus einem Katharometor besteh·«, das bekanntlich eine Vorrichtung ist, b^l der an einem erhitzten Metallfaden ein Gasstrom vorbeistreicht, dessen Temperaturänderungen sich a^s Widerstands-

änderungen des Metallfadeno bemerkbar machen.

Solche Vorrichtungen sprechen sehr empfind11oh auf Änderungen der Natur der Qaoo an, denen sie auogesetzt sind, denn

- 19 »

009884/1790 bad or.'gina·"

die Natur dieses Oases hat olnon bedeutenden Einfluß auf das therm!ache Gleichgewicht des Fadens.

kann die dritte Vorrichtung auch eine

Ohr hab^n, dlo mit d^ra Anzeigegerät verbunden Set und die ■('.ic voT'nchlttd'juen geeigneten Stellungen der Wochselhfihne anordnen Kann, und »war In vorßffebenen Abstanden nach dem Dracheinen dec Iaotopengemiechca, dao den Raum verlflßt.

ErfJndungsgernSft kann das Aneelgegeröt eraetzt werden durch ein Zeltscheltwerk, daa durch die Einführung deβ anzureichernden laotopengemlachee In den Raun auagelöat wird.

In dleeem Falle können die Zeltperloden, In denen das laotopongemlach dem Raus lugeführt wird und die sieh abwechseln mit den Perloden der Zuführung des Puffergasea, mittels einer Uhr beatlrant und In Abhängigkeit von den Bedingungen der gewünschten Trennung geregelt werden.

Diese Uhr kann erflndungagemflft auch dazu dienen, das aus dem Raum austretende das zu den verschiedenen Sammelbehältern zu leiten, und Bwar ala Funktion des Zeltpunktee, an dem das Anzeigegerat auf das Durchströmen des Isotopengemlschea anspricht. ,

Die vorliegende Erfindung besieht sich auch auf eine Anlage, die sue einer Kaakada besteht, die eine Reihe von Ein-

- 20 -

■ 0 C 9 fc 8 4 / 1 7 9 0

8AD RGlN

selaggregaten enthalt, und die 1« wesentlichen dadurch gekcnnselehnet ist, da* sie in Kotfblnation eine Reihe von Rfiumen enthält, die alt einen Adsorbent gefallt sind un<i dl« so aufgestellt sind, daA der Ausgang Jedes Raums Über ein Rohrleitungssystem mit einer Vorrichtung verbunden lot, mit der man die diesen flaum verlassende Fraktion lenken kann neon:

Dem Eintritt eines Raumes, der hinter dem genannten Raum llogt, dem Eintritt des genannten Raumes,

dem Eintritt eines Raumas, der vor dem genannten Raun liegt, und einer Rohrleitung sur Entfernung de? Pufforgase, wobei der Eintritt des genannten Raumes weiterhin mit einer yorriohtung verbunden 1st sur Aufnahm« der verschiedenen Fraktionen, die nach dem erflndvngsgemftften Verfahren aus den verschiedenen Rflumen kommen, und des Puffergaees. Weiterhin enthält die Kaskade ein sentrales Regelorgan, das die Qas-βtrö?oe su dem genannten Raum su Zeltpunkten lenkt, die durch den Zyklus des beschriebenen Verfahrens bestimmt sind, wöbe) die Zelten regelbar sind.

Die Dimensionen des Raumes, der das Adsorbens enthält, können groß sein. Man verwendet vorteilhafterweise sylindrieche Kolonnen, deren Lange »wischen 0,5 und 15 Metern, vorsugswelse «wischen l und 5 Metern, liegen kann und deren

9 ' 9

Querschnitt zwischen weniger als einem cm und mehreren m liegen kann.

Bei einer besonderen AusfOhrungsform der erfindungsgemäßen

■ >

- 21 -

GO9884/1790

BAD OR₁ ¹GINAL

Verrichtung wird eine IWhigujiggijvorrJtahfeung:, die daasi* stimmt ist, dae leotopengeraiucli während deiner »cm Pui'fergaa ku trennan, in Jede "der -Rohrleltismpit, ill.»? Gactranoporfc dienen, und die dcü Ay§g#ng «Ines Räumte mit den Eintritten benachbarter Munw verbinden,

!lach iiner Variante kann «Ina Helnlgungitvorrlehtun? iflr verschiedene Fraktionen verwendet worden.

Xn der Zeichnung 1st das erfindungegeeöÄe Verfahren und Jj die VojTichtung su dessen Durohfflhrung sehematlsoh verancchaul:loht. Ss «eigen:
PLg. 1 ein Trennelement, d.h. einen Raum nlt seiner Bin- _r

tritts- und Auetritfcsöffilling, .

Fig. 2 In βcheaatlocher Darstellung die an Ausgang einen

Raumes beobachteten Mengen als Punktion der **<♦ Pig. 3 die Mengen der swel Isotopen der Nass« M^ und M₂ am

Ausgang der Kolonne als Funktion der Zelt, Pig. 4 die beobachtete Zsotopenanreleherung wfihrend der Erscheinung der Desorption, " 11g. 5 die Anreicherung und den beobachteten Verstfirkungs-

faktor als Funktion des Querschnittes des Raumes, Flg. 6 den Anreicherungsfaktor als Funktion des Korndurcn*

messorti deo Adsorbens und
Flg. 7 ein Schema der Einrichtung der drei Elemente, aus denen ein Teil der Kaskadu beatoht. '

Vorliegend wivd dieses Element für die Trennung von Boritotopen beschrieben. Dia Aufstellung «Ir die Trermung von Isotopen

0 0 9 8 8 A / 1 7 9 0 " ³"'

jedes anderen Elements verlangt nur kleinere Abänderungen und* 1st »eist identisch mit der bier gezeigten Aufstellung.

Anmni <s©i* Einholten einer Kaskade 1st variabel als der ms Ende gewünschten Qehalte an den gesuchten

Elementen.

Pig· 1 neigt einen Raum 1, der B.B* eine Kolonne aus lonel In Zylinäerform 1st. Die Dimensionen dieser Kolonne kennen verschieden sein. Xn dem gewählten Beispiel beträgt der Durchmesse? 15 om und die Länge 3 ra. Dieser Raum 1 1st alt eine» Adsorbens gefallt, das s.B. Terrakotta sein kann, die unter HeU«in-Atmosphäre bei 2OO°C dohydratlslert ist und auf dar stan 30 Oew.2 Dloctylsulfld aufgetragen hat.

Diese Kolonne ist auf einer Seite mit einer Einführungen leitung 2 verbunden, an die ein Wechselhahn 3 angebracht 1st. Dieser Hahn ist seinerseits mit zwei Leitungen H und 5 verbunden , die sur Zuführung von Puffergas und au trennendem Sasgemlseh dienen.

Trennmittel 6 befindet sieh Im Inneren des Raumes, der am Ausgang mit einer Leitung 7 verbunden 1st, die am anderen Ende tu einer Wechselvorrichtung 8 und su einem Hahn fOhrt, dessen Ausgang wiederum mit einem Wärneleitfähigkeltsgorflt 10 verbunden 1st· Dl· Wechselvorrichtung 8 1st mit vier Ausgängen versehen, 11, 12, 13 und I¹I. Austritt 14 1st s.B. der Austritt dta Puffergases und 1st mit einer Zuftthrungs«

- 23 -

0 09884/1790 ~ - - -

D Λ Γι Γ^¹"' ·~'"^^! Λ!

liitung 15 verbunden, in der sieh eine Kreislaufpumpe 27 be- -indot. Das warmeleitfahigkeltsgerät 10 let *uf der anderen Saite rait einer Uhr 16 verbunden, dl· den Arbeitnablcof steuert. Diese Uhr l6 bestimmt die Stellung der WeeheölVorrichtung 8 so, daß der FIuA der verschiedenen Fraktionen, ^i e den Raun verlassen, Ober die Rohrleitung 7 «u den wer-.tshlcdfinon Ausgängen 11, 12, 13 und 1* gelenkt wird. Die Ar·· beitswaiae dieser Vorrichtung iet folgende: Vor dem Zeltpunkt 0 könnt das Puffergas durch die Rohrleitung Ί, die Wechselvorrichtung 3 und die Rohrleitung ?. in '!on Raun 1, den ea gans erfüllt .Dieee· Oaa geht dann ufer "* die Rohrleitung 7 und die Wechselvorrichtung 8 in die 1*1-tung 1* und schliofit damit den Kreie. Zun Zeltpunkt 0 zchllnbt loan dio Zuführung an Puffergaa duroh SteXlungaflnderung dea ) und leitet durch ihn 200 on* pro Sekunde zu trennendes -eotopongeolBch, das folgenden Weg geht. Ankörnend durch die Leitung 5 durchquert es den Weohtelhahn 3 und dl« KInt ritt β !leitung 2 und tritt dann In das Innere des Raunen 1 ein, sUttlgt dort das Adsorbens und sehlebt das Pufferte vor eich her. Das Xsotopengewlsch rückt in einer Front vor ind breitet sloh in Inneren der Kolonne so aus, daß es daa fuffersas wie ein Kolben vor sloh her schiebt. Dabei sättigt floh das Adsorbens mit den Genisch. Hierbei werden die MoIe-Küle, die weniger stark adsorbiert werden, durch die Marker adsorbierten Moleküle verdrängt. Dieses Phänomen setst sich solange fort, wie der Raun noch nicht vollständig gesättigt 1st, d.h. solange, wie noch keine Moleküle des Isotopen^a-

■leches den Raum duroh dl« Leitung 7 verlassen haben, was durch dae Kath&rometer 10 angeeeigt wird.

Τλ dem Moment, In dem solehe Mol υ IcOXo durch dna Kathororoetcr 10 angezeigt werden, lOst man da· Zeltechaltwerk 16 cus. Dieses varaiilafit die Wechselvorrichtung 8, die Eintritteleitung 7 alt dem Ausgang 11 tu verbinden. Eine bestimmte Zelt .danach IaAt dau Zeltschaltwerk den Hahn 3 sieh so drohen, daß das Piiffergas von neuen kreist« Wiederum eine bestimmte Zelt clanaoh wird die Wechselvorrichtung B so geschaltet, daft die Eintrittsleitung 7 mit dom Ausgang verbunden 1st. Hooh r.pftter wird dl· Leitung 7 mit dem Ausgang 13 verbunden, bis schließlich das Zeitschaltwerk l6 die Eintrittsleitung 7 der Wachs«!vorrichtung 8 mit dem Aus·« gang It verbindet. .

Bei einer Ausführung·fore schließt man, sobald daa Anselgeger&t 10 die Ankunft der ersten Moleküle angeselgf. hat, den Verachlußhahn 9, wodurch das Katharometer 10 getrennt wird. Der Hahn 9 wlru neuerlich geöffnet, wenn die Verbindung swlschen dar Elntrl^tsleltung 7, der Wechselvorrichtung und dem Ausgang Ii hergestellt 1st. Diese SohaltvorgSnge des Hahnes 9 weirden von dem ZeltschaXtwerk 16 gesteuert.

Dl« verschiedenen Schaltvorg&nge worden in de? folgenden Beschreibung der Zeichnungen näher erläutert.

• ι - 25 -

009884/1790

BAD ORIGINAL

In Fig. 2 sind die Mengen der verschiedenen Osse In Höhe des Anselgegerfitos IO dargestellt. Satst man den Anfahraeitpunkt ale Zeitpunkt O, d.h. den Augenblick, in dam dia Zufuhr dos Puffergasee durch Elnnpelsung dos Iootcpengaschsiischee ersetzt vivä, sättigt dan Ieotopengcmlsch die Kolonne in einem bestimmten Zeitraum, indem es das Puffergas vor sich h#r schiebt. Die ersten Moleküle des Isotopengemleehsn koranen im Zeitpunkt t_R beim AnselgngerUt 10 an und besfclnanen so das Retensionsvolumen, wie es weiter oben beschrieben 1st. Zu diesem Zeltpunkt t_R wird die Verbindung 7-14 der Wechselvorrichtung 8 durch die Verbindung 7-11 ersetzt. Nun steigt die Konsentration des Isotopengemisches in dem das an und erreicht ein Maximum, das eine bestimmte Zelt Über konstant bleibt. Dieses Maximum wird im Zeltpunkt tp erreicht« Nach diesem Zeltpunkt schaltet man die Wechselvorrichtung 8 auf 7 - 12, das Isotopengemisch strömt hindurch, dann nimmt seine Konzentration in dem Puffergas vom Zeitpunkt t_Q an ab, währenddessen man die Wechselvorrichtung 8 auf 7-13 schaltet. Das anrangliche Gasgemisch 1st zum Zeltpunkt t_N vollständig aus dar Kolonne ausgetreten. Zu diesem Zeltpunkt schaltet man din Wechselvorrichtung 8 auf 7 - 1*.

Fig. 5 zeigt einen Teil der Flg. 2, in dem die Zelt zwischen t_R und t_p Im eineelnen dargestellt 1st. Der aufgetragene Zeltpunkt O entspricht ebenso wie in der Flg. 2 dam Beginn dor Einführung des ϊποtopengoralaohaa. Der ZnXt-

00988Λ/1790

BAD

punkt t_R entspricht dem Bracheintη der ersten Moleküle dos Iaotopengemiachea in Höh· des An»·ig·gerätea 10. Der leifcpunkt tj, entspricht dem Konsentratlonsmaxlmum dea Isotopengemlsohes, das einige ZoIt konstant bleibt. Die erste Kurve N₁ 1st die Ankunft de? ersten Molekülart M₁; das 1st r.B. die Ankunft der Moleküle de» Borisotops 11. Man beobachtet eine swolte Front, als Mj bezeichnet, die der Ankunft der MolekQlart M₂ entspricht, das 1st b.B. die Ankunft der Moleküle des Borleotops 10. Zwischen den Zoltpuiüten t_R und ty trennt man sun Zeltpunkt t_c die Kopffraktion ab. Dlea wird durch Umschaltung der Wechselvorrichtung 8 auf 7-12 bewerkstelligt. Dieser Zeitpunkt t_c 1st wählbar; dadurch kann man Kopffraktionen des Isotopengemlsches erhalten, die mehr oder weniger angereichert alnd. Wählt nan den Zeitpunkt s_c sehr nahe bei t_R> bo erh&lt man ein Oemlach, das stark am Isotop M₁ angereichert, aber nur gering der Menge naoh ist, während, wann man t_ß und t_p zusammenfallen läßt, die Anreicherung des deralsches schwacher, aber die angereicherte Mange grOßer ist.

PIg. 4 eeigt den Teil swlsohen t_D und t_N der Pig. 2. In dieser Zeichnung stellt die Kurve 21 die Konzentration an Isotopongemlsoh dar, das bis t_Q don Raum allein verläßt, wahrend es zwischen t_Q und t_N mit Puffergas gemischt ist.

DIo Menge an Isotopengemlsoh, die im jewailigen Augenblick den'Raum varlflflt, vermindert sich nach einer annähernden

- 27 -

0 0 9 8 8 4/1790 _BAD original

Exponentialkurve. Man beobachtet in diesem letzt»η la Iiiotope:igenieohes eine Verarmmg, die auf der Kurv« 2? ti*:igen Js5. Dlcee experimentell gefundene Verarmung IrL' cwlsshet 0 und 6 %,

Im FtIl des Kohlen-oonoxlds alnd die entuprechendon .Verto aln Ordinate auf der Xurve aufgetragen: Sie eind In Pr<::;*mte ι

FJ fj. i selgt die wahrend der untersuchung dea Kohlenv monoxlda experimentell gefundenen Kurven. Die Oerade 2V selgt dlo Xnderung des Anreicherung«grades der Kopffra'iülon, die wie folgt gemessen wurde, und «war als Punktion den ^;. .Kolonnenqueraohnlttes:

⁵R⁰

Diese Ocrade let sehr genau eine Parallele sur Abtlsae und zeigt, c.oÄ der Anreloherungagrad der Kopffraktion nur wenig vor. Kolonnenquerschnitt abhängig 1st. Die experimentell gefundenen Punkte sind mit Kreisen wiedergegeben; diese Kreise liegen in der Nflhe der Geraden 23. Die Gerade 24 zeigt Al3

Xnderung des Verstärkungsfaktors ^- als Punktion des l'.&lonmt- Querschnittes, wie er aus folgender Formel hervorgeht:

Die für den Vei'otBrkurtsnfaktor "als Oinrndphflnoraen des ei t<ndunsog«nJlßen Vurf&hrer.s experlmontoli. gefundenen Horte 3,.pd

- 28 -

E 'D OHIGiNAL

In do? !tlchnung mit Kreusen wiedergegeben. Dieser ffiktos* 1st ziemlich unabhängig vom Kolonnenquerachnitt

· 6 gifct M* Kwvo 26 ul«dnr, die eine Ändeauuig <tea yfcr» stiirkunss faktor s ii3a Funktion dea Korndurohnossera den /idsorbans ϋβίρΐ. Man nicht boaondera, dafi der Verat&rkungsfAktor fux· Korndurc^ttJuaer untor 0,5 ran konstant bleibt und eich hinaus stark verringert.

7 iseigt oi no Dekade von drei Trenne lemon ten, din Ir aageordnot sind. Dleae drei Element· aind ale Eliwanfc ρ q ind r besolchnet.

Xn einer kompletten Rotte würden sie mit einen Elenraut c 'am vorderen Ende und mit einem Element a am hinteren Ende banden sein. In einer Kreisleitung Il wird dna Puffergas alt einer Pumpe 46 In Bewegung geaetst. Das Xaotopengemisch \iln3 durch eine Kreisleitung 42 eingeführt, die die Einspeisung*- leitung 1st. Dies» Leitung fahrt sum Eintritt einer Ρυπψβ Ί^ Dar Ausgang dieser Pumpe ist Bit einer Vorrichtung zui D?uottconstanthaltung 37q verbunden, ferner mit einem Fahn und «iner Weohaelvorrlohtung 45q, die in direkter Vertrtndim nit den n&um 27q ritoh;, dar βαβ Adaorbona enthalt. Der Λ»ιβ-gang dleeea Raums la's ein Eloment 28q.

Daa Ventil 38q wirrt durch ein ZeitschalfcwirH

solnqrneit« durch ein Anzeigegerät in Tätigkeit gt Bittt κίνα, so wie «e für die Zeichnung 1 gouagt 1st,

CC388£/1790

RAn ORIGINAL

•in Einsöloleraent darstellt. Dieses Ventil 5Sq ist mit der Wechselvorrichtung *5q verbunden, die ihrerseits mit der Kolonne 27q verbunden ist. Ebenso ist die Vorrichtung *5q »it einer Leitung verbunden, die das Puffergas der Kreisleitung 4l durch den Wechselhahn 4Oq zuführt. Die Hahne 38q und *0q arbeiten tnachsolseltlg, no daß der eine geschlossen 1st, trenn der andere geöffnet ist, und ungekehrt.

In einer ersten Phase 1st der Hahn 58q geöffnet, und Ban fChrt Isotopengemlsoh In den Rau» 27q ein. Nach einer gewlasen Zelt erscheinen die ersten Moleküle des Isotopen· gemisches bei 28q, und man fangt die Kopffraktion an Ausgang des Trennelements 27q auf. Diese Fraktion wird nun in eine Kühlfalle 34r geleitet, wo sie von Puffergas getrennt wird,

das Ober die Leitung 39r In die Hauptpuff θrgaeleitung Hl surückkehrt.

Im Zeitpunkt t_c schließt nan das Ventil 3Oq und öffnet das Ventil 31q. Die Mittelfraktion dos Isotopengemlsehes wird nun In eine Kühlfalle 34q geleitet und kehrt von dort In das Element q zurück. Im Zeltpunkt t_B schließt nan das Ventil 3Jq und Offnet das Ventil 29q. Von diesen Moment an wird das übriggebliebene Isotopengemlsch Ober die Leitung In eine KOhIfalle 34p geleitet, um dann Im Element p- behandelt su werden.

Im Zeltpunkt t_ß hat man auch das Ventil 3ßq geaohloaaen

■ ♦

009884/1790

-5°- 1719530

und gleichseitig das Ventil 4Oq geöffnet, eo daß d&o im Raun 27q vorhandene Isouopengemlaoh durch daa Puffergas ausgestoßen wirrt₉ wodurch man die Mittelfraktion und dl« Schwanefraktion erhält.

Hach dem Zeitpunkt t_H wird man das Ventil 29q schließen und da& Ventil 48q Offnen, das die Vorrichtung 28q über die Leitung; 47q Alt der Leitung 41, der Hauptleitung das Puffergases, verbindet. Das Puffergas strömt so durch den Raun 27q, und «war wahrend eines Zeitraumes, der einige Minuten betragen kann.

Die Orundoperatlon an Element q 1st damit beendet. Die Operationen mit den Elementen ρ und r spielen sieh auf gleiche Welse ab. Die drei Operationen an den Elementen p, q und r können synchron ablaufen. Die Operationen, die einem neuen Zyklus vorangehen, bestehen darin, die nelnigungselement« 3¹Iq, 54p und 34r wieder su erwärmen und dann, wenn das Isotopengemisch gasförmig 1st, die Ventile 35p, 35q und 35* su Offnen. Das Isotopengemisoh wird nun durch dl· Pumpen 36p, 36q und 36r komprimiert und In einem neuen Zeitpunkt O in die Räume eingeführt, der den Anfang den Anreicherungssyklus bestimmt. Dieser Zeitpunkt O ist duroh den Augenblick bestimmt, in dem man die Ventile 38p', 383 und 38 r Offnet und die Ventile 40p, 4Oq und 4Or schlleBt. Wenn einmal die Kaskade eingefahren 1st, d.h. nach einigen Pullsykleri, fängt man an den beiden äußoron Enden der Rankade an den Stellen 43 und 44 die an einem

009884/1790 »31-

BAD ORIGINAL

1719533

Zeotopen angereicherten bsw. verarmten Fraktionen auf. Der Oehalt an den gesuchten Isotop In Joder der beiden Fraktionen ist elna Funktion der Stufensahl der Kaskade, der Entnahmecolt, d.h. U9V /.uootrörazoit εwischen don Zeitpunkten t_R und t_c'einerseits und C_E und t_R andererseits. Eine geeignete Regelung cilcaar beiden Zeltrflumc (Ausotröraneit der Kopffra-ciioii und Aunetrönnoit <Jcr Schwan ε fraktion) ntellt ein Mitte), !ur Optimierung der Kaskade dar, das es erlaubt,bei Kenntnis öce Isotoponverhfiltnlsces der eingeführten Mischung und des an boiden Enden der Kaskade gewünschten IsotopSenverhflltniaaeo unter Berücksichtigung der Leistungen eines Elementj, die erforderliche Ansah! der Elenente der Kaskade und das Qeearatvolumen der Einrichtung su bestimmen.

Zur Erläuterung des oben beschriebenen Verfahrens wird im folgenden als Beispiel die Xsotopenanroloherung mehrerer Miachunijen beschrieben.

Es wf>rd die erflndungegem&Ae Isotopenanreloherung von Kohlenmonoaid durchgeführt. Hierzu verwendet man ein 58-Nolekulnralcb der Union Carbide Company. Dieses Holekul*J>sieb wli*d gekörnt, so daß die Korngröße swlechen 0,14 und 0,28 ηπ liegt. Dann wird es bei einer Temperatur von 20O⁰C ι? Stunden lang unter·Hellumatmosphfire dehydrautialert.

Han füllt mit diesem Molekularsieb olnen Kupferbehälter mit einem inneren Durchmesser von 4 ms und einer Länge von 3 Metern. Dieser Raum wird auf einer Temperatur von 22°C gohßltor. Msji fGl»tt den Raun ni% Helium und führt dann «um

00956^/1790

- 32 -

Zeitpunkt O Kohlenmonoxid In einer Menge von etwa lern* pro £ »künde,In diesen ein.

Wenn man flie Sache sich selber überltfit, ändert sieh tile Menge von selbst in kleinerem Umfange. Man kann βίο regeln, »wnn man die Einströaöffnung auf eine feste Menge einteilt Mach 550 Sekunden bemerkt man mittels eines Katbarometers, das am Ausgang tier Kolonne angebracht 1st, das Erscheinen von Kohlenmonoxid, das das Helium aus der Kolonne vertrieben hat. Die Menge an Kohlenmonoxid stabilisiert sich $65 Sekunden nach Beginn der Einführung. Daraus ergibt sich ein Retentionsvolumen von 126cm³.

Wenn man vom Zeltpunkt +550 Sekunden an die Fraktionen, die den Raum verlaoeen, abnimmt, so stellt man durch Kaoaenspektrometrie fest, daß diese Fraktionen an Kohlenstoff 12 angereichert sind. Diese Verhfiltnlsflnderung dauert vom Zeitpunkt -»550 Sekunden bis etwa turn Zeitpunkt *59O Sekunden. Nseh dieser Zeit nimmt das Isotopenverhältnie wieder «einen uvsprOngllchen Wert an.

Man kann in djeaem Fell folgende oharakterlstlscher Vi rte messen:

f ■ 7 t (Anroloherungafaktor) V e 30 cnr (angereicherte Menge) 31,? (Verstärkungsfaktor)

V*

Man l«ßt nun 370 cm³ Kohlenmonoxid denorbieren, deepen ÜÜÜC34/1790 ρ,, _on:GiNA!;

Inοtopenverhältnis sieh nicht verändert hat, und ffingt dorn 150 cm³ Sehwanefraktion auf, die an Kohlenstoff 12 verurmt In-,.

Dtu* Verarmung*faktor let etwa 1 K und der VerstÄrkunge raktir etwa 2.

• ·

Man kann andere Beispiele sur Isotopentrennung von Kohlen« bonoχid mittels Molekularsieben anführen, bei denen die Temperatur geändert wird unter Konstanthaltung der anderen Bedingungen. Das Retentlonavolumen und parallel dazu dl? Retentlonazelt flndern aich mit den realproken Wert des, Logarithmus der absoluten Temperatur unterhalb JO⁰C, dann folgt sie demselben assets, aber darüber mit abweichender Neigung. Man kann «wischen -100 und +10O⁰G arbeiten. l>»r Var · .stUrkungsfaktor schwankt !wischen 13,5 für 10O⁰C und 11 für -10O⁰C. Rr nimmt-fast gleichmaßig iu, wenn die Temperatur raut.

Bei Verwendung des gleichen Systeme Kohlenmonoxid - Molekularsieb kann man den Durchmesser der Kolonne bei konntante.-Wi^ige verändern, oder die Lttnge bei konstantem Querschnitt oder gleichseitig LSnge und Durchmesser bei konstantem Volumer. und sohllefilloh kann man die Menge des Kohlenmonoxldn verändern. Man hat din Lange /ler Kolonne von 0,75 auf 9 Meter vorfcndart und die Geschwindigkeit des Strones von Kohlennonoxid tuf 16 cm pro Sekunde am Ausgang der Kolonne erhöht, wenn sie geuanigt ist. *

009884/1790 _mai

1713530

Nan hat dabol folgend« Phänomene beobachtet: Retentlonevolumen der Kolonne iteigt »it der Länge der Kolonne wonige:* ale linear; die angoroleherte Menge V steigt nur tranig, von 25 cm⁵ bei einer Kolonno von 0,75 m Lflnge auf 55 cm' für eine Kolonne von 9 m Lflnge; der Anreicherungfaktor etelgfc von 3 auf 11 X; die relative Abweichung der Adsorptlonskoefflslanton bleibt konstant.

Del konstanter Länge der Kolonne wurde deren Querschnitt von 5 nun auf !5 du vergrößert. Dabei hat man beobachtet, daß bei Erhöhung der Geschwindigkeit daa Kohlenmonoxid» der Anralchorungafaktor οloh als Funktion des Querschnittes der Kolonne nur wenig ändert. Imifegentoil, bei gleichbleibender Hange bleibt auch die Anrelohung konstant.

Die Menge an angerelohertera Oae vermehrt sieh mit dem Queraohnitt der Kolonne. POr einen Raum von 1,14 dm erhalt man 30 Liter üae, für die tier Anrelcherungskoeffizleni; 8 % betragt.

Bs wurde gefunden, daß das Rotentionsvolunen abnimmt, wenn die Oasmenge steigt. Bs lieft sieh selgen, daß dieses PhSnomen mit der Änderung des mittleren Druokee in der

Kolonne zusammenhangt, nobel Mengeiiflnderungen swan gel 3uf Ig

man

Druckänderungen nach sieh ziehen, wenn/alle übrigen Bedingungen konstant halt. Es wurde gefunden, daß das angereicherte Volumen mit der Menge des Kohlenmonoxids steigt, daft aber

009884/1790

- 35 -

PAD ORIGINAL

4er Ai«reieb«run#ea»effi»ie«* leieat aeniaa*. aftalltli von 8 % ffe. eine Geschwindigkeit von 8 oa pro saa wf 5 I f«r ein· Oetchwinrfigkeit von 80 em pro Sekunde.

Vn Munis eine andere Anreicherung von Kohlenmonoxid auf Moi«i:ulm-eleben unter folgenden Bedingungen durchgeführt: Kolonne mit b vm Durchneeser und 3 m Lfinge, 5 A-Molekularmit einer KorngrSAe luiechen 0,42 und 0,50 mm,

Temperatur -i25°C. Die Menge an Kohlenmonoxid wurde bei gesättigter Kolonne an deren Ausgang ees#en unä konstant bei l cw? pro etkunde gehalten. Dta Retentionevolujeen betrug unter dleeen Bedingungen etwa 2500 ca³.

Itetentionasolt 2570 Sekunden Anreicherung·faktor 1<,6 I

angereicherte Menge 220 car

Verstärkungsfaktor ii,*

Wenn nen nur den ersten Teil der Kopffraktion von 10 auffing, betrug die Anreicherung 38 f.

Die Rctentlonekapasltfit war dieselbe wie oben, der Verstärkungsfaktor betrug nun· 250.

Die oben beschriebene Anreicherung let die einer einreinen Stufe. Man Kann sie twischen mehrere solcher einieInen Stufen aohalten. Das Ame lohe rungsphBnoaen steigt nut der Stufenzahl.

^! - 36 -

Pf JLo-',/17U0

Venn Mn t.B. t>el -125⁰O eine Kaakada von 5 elntelnen Stufen alt eentr&ler Einführung entsprechen* den Kaskadenrerfahren und bei den oben beschriebenen Bedingungen verwendet, erhalt man ein Kohlenmonoxid, deaeen Qehalt an Isotop eohlleftlloh 99,7 % betragt.

Aa anderen Auegang erhält man ein Kohlenmonoxid, dessen Gehalt an Isotop 13 2,9 * errelohen keim. Unter weniger guten Bedingungen nimmt er bit auf 1,6 % ab· Bekanntlich 1st da· natürliche Verhältnis 98,92 t Kohlenstoff 12 und 1,08 % Kohlenstoff 13· - - -

Bs wurden auch Versuche tür Anreicherung von Neon -an ^;; '^: Neon 20 und Neon 22 durchgeführt. .· '

FQr eine solohe Anreicherung wird folgendes Beispiel gegeben. Man arbeitet bei der Temperatur des flässigen Stickstoffes und führt in einen Raum (Durchmesser 0,4 ob, Länge 3 Meter), der alt Molekularsieben alt einer KorngrOAe ewischen 0,3 und 0,4 mm gefüllt 1st, einen Liter Neon in 16 Minuten ein. Das verwendete Puffergaa 1st Helium. Man fängt am Ausgang 50 ca' Neon auf, das eine Anreicherung von 40 JE an

Neon 20 seigt. Der so erhaltene Verstärkungsfaktor beträgt

Man kann die Operation s.B. dreimal wiederholen, Indem man als Blnspelsungsgas das bei der 'vorhergehenden Operation aufge-

■ » - 37 -

00988W1790 '

" - 37 -

fangene aas verwendet. Am Bode der dritten Operation hat man eine Mlaonung von Neon 20 und 22 erhalten, dessen Gehalt an Neon 20 unter 98 % liegt.

Ein anderes Beispiel 1st die Anreicherung des Isotop 11 aus einer Mischung der Borisotopen 10 und 11. Man arbeitet bei 10 ⁰C. Es konnte festgestellt werden, daft es ein Anrel- ■ chorungsmaxlmum als Punktion der Temperatur gibt. Dieses Maximum liegt «wischen -20 und +20⁰C. Die Anreicherung»* "£' operation ward in einer Honelkolonne durchgeführt, die '"·* einen hexagonalen Querschnitt mit einer Seltenlinge von einem Zentimeter hat. Diese Kolonne 1st mit einem Inerten Stoff gefüllt, dessen Körner einen Durchmesser swlsohen 0,25 und 0,* mm haben und der mit symmertrischem Octylsul- ^; * fid in einer Menge von 20 Gramm auf 100 Gramm Chromosorb VAW Imprägniert 1st. Die 0si*uführung dauert 16 Minuten, in welcher Zelt 6,8 Liter Bortrlfluorld mit einer Cesohwlndlgkelt von etwa 7,5 om^ pro Sekunde eingeführt sind. Man nimmt am Ausgang der Kolonne eine Kopffraktion von 0,6 Liter ab, deren Anreicherung an Bor 11 32 % beträgt. Der YertYir«· kungsfaktor 1st unter diesen Bedingungen 11,1.

Man kann auch nur 0,15 Liter abnehmen. Die Anreicherung 1st dann 50 *. Zn diesem letsten Beispiel wurden in einer einsigen Operation 0,15 Liter Bortrifluorid abgenommen, deren Gehalt an der Isotope 11 von 8i % auf etwa 87 % ge-

stiegen lot. Das natürliche Isotopenverh&ltnla liegt bei etwa 4,3, hier let es auf 6,5 gestiegen.

- 38 -

009884/1790

BAD CFlO

Bin weitere· Beispiel betrifft ebenfalls Bortriflvorid. Ba verwendet eine «askad· aur Anreicherung von Bor 11.

Di· Kaskade beat«ht aua den drei Elementen a, b und o. Daa Element a lat da· Binepeieungsele«ent. Der Querschnitt betragt 42 ora² und aeln· Liege *,5 ■»· Daa Element b hat einen Querschnitt von 28 oa² und ebenfalla eine Lange von *,5 n; daa Eleaent ο hat einen Querschnitt von 1* on² und abernala _; eine Lange von 1,5 as die Verbindung der v«raohl«d«n«n Elemente erfolgte enttpreehend de* Kaakadenaehema - Teilanreicherung« Während einer Operation bei 10° C wurden folgend« Oaenengen behandeltt

1. atufe: .■.·,'■■■'." ^s

Einspeisung 2,15 Liter In 30 mnutent WokfOhrung aur ersten Stufe 14,1 Liter in 15 Minuten j RBekfluA der «raten Stuf· (AueetoÄ) 1,$ LlUr in 25 mnuten» RÄoknua der iweiten Stuf· aur ereten. Stuf· Ι,Οθ Liter in 25 Minuten; Kopf fraktion 1,6 Liter_vln 5 Minuten. Dieae Fraktion lat ta 23 % angereichert. Daa leotopenverbHtnla lat von 1,3 auf 5,3 gestiegen.

2. Stufet

Praktlon aua der eraten Stufe 1.6 Liter; BOokfOnrung der ■weiten Stuf· 9.5 Liter; Rflokflu* der aweiten stuf« aur eraten Stuf« 1,08 Litor; RüekfluA dor dritten Stuf· aur ■weiten Stuf· 0,5% Liter; aufg*fiingene Kopf fraktion 1,08 Liter »it eine« I sot open Verhältnis, daa. von 5,3 auf β,5 gestiegen let.

009884/1790

BAD ORfGiNAL

3. Stufet

Fraktion au· der straiten Stufe 1,08 Uteri RttokfOhrung der dritten Stufe H,75 Literj RüokfluÄ der dritten Stufe lur «weiten Stufe 1,08 Litärj lopffraktion 0,5* Uttr Bit eine« XaotopenverhältnU, de· von 6,5 auf B gestiegen let·

Kan entnlnet also 5*0 ea³ Dortrlfluorld, dessen Kon*entra-

11 V

tionen an den beiden Isotopen 69 % Bor/und 11 % Bor 10 betragen. Die Dauer des Zyklus beträgt 1 Stunde und JO Wnuten.

Diese umfassen 30 Minuten Oaselnfflhrung, Innerhalb derer «an λ

wahrend der loteten 5 Minuten die Kopf fraktion abnisMt, 15 Minuten Abnahme der Mittelfraktion, die durch Stickstoff bei 50°C ausgestoßen wird, der als Pufferges verwendet wird, 25 Minuten ROokfluft bei 50⁰C und 20 Minuten WMerabfcflhlung der Element· auf 10°C.

Ein weiteren Beispiel 1st die Xeotopenanreioherung des Uran. Man füllt eine Kolonne von 1 bsi Durehasseer und 3 a Lange alt Körnern von ffatrltmfluorld mit einen Kdnduroh-BMsser f.wieohen 0,3- und 0,5 on· DIo aaselnfflhrung erfolgt (| bei 70°C. Der Elntrlttsdruek beträgt 1,1 Bar absolut und die Menge 0,5 em* pro Sekunde. Die OaselnfOhrung wird Ober 1000 Sekunden durchgeführt. Die RetentionskapasltSt der Kolonne beträgt *50 c»³. Bei der Abnahme von *0 cm³,Dranhexafluorld an Ausgang der Kolonne findet man einen Verstärkungsfaktor von Ii und eine Anreicherung Von s»hr als 6 f. Das, verwendete Puffergas 1st eine Mischung von Stickstoff und Fluor. Die Mitte!fraktion wird bei *00°C aufge-

QG 9 88 W₄TV 90 . " *° "

fangen» ebenso 41· Sehvan·fraktion.

tür Erläuterung werden dl· Kenndaten einer Kaskade angegeben, die, auegehend von natürlich«« Uran, ein Uran liefert, das an Uran 235 um 3,5 ί angereiehert 1st. Der AusstoA dieser Kaskade lat «In Uran, 4at 0,23 % dran 235 enthalt.

Dae ROokfluftTerhÄltnia, d.h. da· VolvawnverhÄltnla dslr Schwans fraktion nut Kopf fraktion 1st 1,17 In dm Anreicherung« teil und 0,95 In da« Veraraungetell. Man verwendet 30 Stufen, dl· wie folgt aufgeteilt alnd: 15 Anreioherunga-•tufen, 1* Verareungaetufen, bald· Teile alnd durch die Blngangaatafe nitelnandar Tarbund*n. Paa Volumen dee Anreioharttngataile· 1st ungefähr 300 mi so groft «1· da· Toluaen der letzten Stufe, und da· Tolueen dea Verarmmgatellee ist etwa 460 aal so groft wie da· Voluaan dieser l«tstgenannten Stuf··

BAD ORIGINAL

009884/1790

Claims (11)

1. DIiTRlCH LEWINSKY Uj

   PATENTANWALT ■ ^f 29, Mal 1970

   M0nch«o2l· eotthorditr. 81

   TrtfMt?«

   P 17 1?

   SooiSte Nationale des PStroles d'Aquitaine

   Patentansprüche;

   1, Verfahren zum Anreichern eines Isotopengemisohes an einem der Bestandteile des Gemisches, bei welchem das Isotopengemisch in gasförmigem Zustand in e ine mit einem adsorbierenden Medium angefüllte Kammer« und dann in die gleiche Kammer ein gegenüber dem Isotopengemisch und dem adsorbierenden Medium inertes Puffergas eingeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dafl man eine erste Fraktion des Isotopengemisohes (sog· Kopffraktion), welche an dem am wenigsten adsorbierten Bestandteil angereichert ist, am Ausgang der Kammer sammelt, daß man das Puffergas am Schluß des Sammelns der Kopffraktion in die Kammer einführt, daß man eine zweite Fraktion (sog. Herzfraktion), von dem Augenblick des Einführens des Puffergases an, bis zum Augenblick von dessen Auftreten am Ausgang der Kolonne gewinnt, und daß man schließlich eine dritte Fraktion (sog, Schwanzfraktion), welche an am wenigsten adsorbierten Isotop verarmt ist, vom Auftreten des Trägergases an gewinnt, während sie aus der Kammer, im Gemisch mit letzterem, austritt.
2. 2. Verfahren nach Anspruoh 1, dadurch gekennzeichnet, dafl man als Isotopengemisch eine gasförmige Verbindung eines natürlichen chemischen Elements verwendet.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das Volumen der ersten Fraktion durch das Erzielen eines maximalen Anreicherungsgrades bestimmt.

   — 2 —

   009884/1790
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Wiederholung der Arbeitsgänge in mindestens einer Reihe von drei Kanunern, von denen die erste Kammer in der Mitte, die zweite Kammer in Anreicherungeriohtung stromabwärts der ersten, und die dritte Kammer in Anreicherungsriohtung stromaufwärts der ersten liegt, wobei man die Kopffraktion einer Anreicherung in der zweiten Kammer unterwirft, die Herzfraktion zum Eingang der treten Kammer rückführt, und die Sohwanzfraktion zum Eingang der dritten Kammer rückleitet (sog. Kaskadenanreicherung)·
5. 5* Verfahren nach.Anspruch 4, daduroh gekennzeichnet, dad man in eine gegebene Kammer des Kaskade einfuhrt: die Kopffraktion, welche aus derjenigen Kammer stammt, die unmittelbar stromaufwärts dieser gegebenen Kammer liegt; eine Herzfraktion, welche aus der gegebenen Kammer stammt) und eine Schwanzfraktion, welche aus derjenigen Kammer stammt, die unmittelbar stromabwärts liegt.
6. 6.Verfahren nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß man als angereichertes chemisches Element das Bor wählt.
7. 7. Verfahren nach Anspruch 4 und 5* dadurch gekennzeichnet, daß man als angereichertes chemisches Element den Kohlenstoff wählt.
8. 8. Verfahren nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dafl man als angereichertes chemisches Element das Uran oder das Molybdän wählt.
9. 9« Verfahren nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß man als angereichertes chemisches Element ein solches wählt, welches der Gruppe der Edelgase angehört.
10. 10. Vorrichtung #tur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 4 und 5, gekennzeichnet durch die Kombination einer Reihe an Kammern, welche mit einem adsorbierenden Medium angefüllt und

    - 3 009884/1790

    in Kaskadenformation angeordnet sind, wobei der Ausgang jeder Kammer an eine Reihe von Leitungen angeschlossen 1st, welche nacheinander über einen Umschalthahn verbunden sind:

    a) mit dem Eingang der Kammer, welche unmittelbar stromabwärts gegenüber der Anreicherungsrichtung des am wenigsten adsorbierten Isotops liegt;

    b) mit ihrem eigenen Eingang;

    c) mit dem Eingang der unmittelbar stromaufwärts liegenden. Kolonne; 'M

    d) mit einer Leitung» welche an das allgemeine Leitungsnetz ^ des Trägergases angesohlossen 1st, wobei der Eingang jeder Kammer mit einer EinfUhrungsleitung für das Puffergas verbunden ist, und wobei ein Umschalthahn am Eingang der Kammer liegt und die verschiedenen Kopf-, Herz- und Schwanzfraktionen aufnimmt und deren Einführung in die Kammer sicherstellt, wobei auf diese Einführung eine Einführung von Puffergas folgt.
11. 11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschalthähne auf ein elektromagnetisches Steuerwerk ansprechen, welches die von einem Zeitmessungsmechanismus kommenden Signale empfängt, wobei dieser Mechanismus durch das Auftreten der A Kofffraktion ausgelöst wird.

    009884/1790

    Leerseite