DE1943588C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Trennung eines wenigstens teilweise ionisierten Gasgemisches in eine leichtere und eine schwerere Fraktion - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Trennung eines wenigstens teilweise ionisierten Gasgemisches in eine leichtere und eine schwerere Fraktion

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DE1943588C1 DE19691943588 DE1943588A DE1943588C1 DE 1943588 C1 DE1943588 C1 DE 1943588C1 DE 19691943588 DE19691943588 DE 19691943588 DE 1943588 A DE1943588 A DE 1943588A DE 1943588 C1 DE1943588 C1 DE 1943588C1
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Trennung eines wenigstens teilweise ionisierten Gasgemisches in eine leichtere und eine schwere Fraktion durch schnelle Rotation um eine Achse mittels magnetischer und elektrischer Felder.
Aus der DT-AS 11 64 988 ist es bekannt, das ionisierte Gasgemisch innerhalb des Trennungsraumes einem magnetischen und einem elektrischen Drehfeld zu unterwerfen. Die damit z. B. für Luft erzielbaren Geschwindigkeiten liegen in der Größenordnung von 1000 m/sec oder höher.
In der »Zeitschrift für Naturforschung«, Band 22a, Juli 1967, Heft 7, S. 1599 bis 1612, wird eine Einrichtung beschrieben, die im wesentlichen aus einer Feldspule und einem von dieser umschlossenen Entladungsrohr besteht, dessen Enden von einer Kathode und einer Anode mit sich zur Spule hin verjüngenden Führungstrichtern gebildet werden. Auch bei dieser Konfiguration wurde eine Rotation des Plasmas vor den beiden Trichterausgängen beobachtet (s. S. 1610, rechte Spalte, der obengenannten Zeitschrift).
Ebenfalls in der »Zeitschrift für Naturforschung«, Band 23a, 1968, S. 874 bis 880, ist eine Konfiguration beschrieben, bei der,'bedingt durch die Geometrie der Ringanode, r-Komponenten des Stroms auftreten, die zusammen mit dem ßz-Feld eine Kraft auf das Plasma in azimutaler Richtung ausüben. Als Folge hiervon entsteht eine Rotation des Plasmas mit Geschwindigkeiten bis zu einigen 106 cm/sec (s. z. B. S. 878 und 879). Diese Werte gelten jedoch nur für ionisierten Wasserstoff als Plasma.
In der Zeitschrift »Arkiv för Fysik«, Band 33 (1967), S. 255 bis 270, wird eine offene Magnetfeld-Konfiguration mit gekrümmten Feldlinien erörtert, in der ein elektrisches Feld eine Rotation des Plasmas um die Symmetrieachse bewirkt, so daß aufgrund der entstehenden Zentrifugalkräfte Ionen verschiedener Massen voneinander getrennt werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung anzugeben, die einen wesentlich größeren elementaren Trenneffekt ergeben als die bekannten Methoden.
Das Verfahren zur Lösung dieser Aufgabe sieht vor, daß das Gasgemisch in einer geschlossenen rotationssymmetrischen Magnetfeldkonfiguration eingeschlossen und von einem von außen angelegten elektrischen Feld durchsetzt wird, dessen Feldlinien in durch die Achse gehenden Ebenen liegen und zum Magnetfeld senkrecht stehende Komponenten enthalten.
Vorteilhafterweise wird dabei die Feldstärke der Magnetfeldkonfiguration so eingestellt, daß coe-ve> 1 und ω,·· Vi ^ 1 werden, wobei coe und ω,· die Gyrationsfrequenz der Elektronen bzw. Ionen und ve und τ; die Stoßzeit der Elektronen bzw. Ionen im ionisierten Gas sind. Weiterhin wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, in den Trennraum zusätzlich zu dem zu trennenden
Gasgemisch ein leichtes Zusatzgas, wie Wasserstoff oder Helium, einzuleiten. Die Ionisation kann z. B. durch eine elektrische Entladung in dem von außen angelegten elektrischen Feld erfolgen. Bei Anwendung des Verfahrens auf die Trennung von Isotopen eines bei ·> Raumtemperatur festen Materials werden vorzugsweise Elektroden verwendet, von denen mindestens eine, insbesondere die Kathode, aus dem Material, dessen Isotopen zu trennen sind, besteht. Das Material wird dann durch die Gasentladung verdampft und ionisiert, ι ο so daß ein Plasma entsteht, das durch das erfindungsgemäße Zusammenwirken der Magnetfeldkonfiguration mit dem elektrischen Feld in schnelle Rotation versetzt wird.
Mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen können ι-3 auch für schwerere Elemente, wie z. B. Uran, Rotationsgeschwindigkeiten in der Größenordnung von etwa 6 · 106cm/sec erreicht werden, d.h. Geschwindigkeiten, die bisher nur bei einem reinen Wasserstoff-Plasma beobachtet wurden. Damit wird aber im Vergleich zu bekannten Methoden die Trennleistung wesentlich erhöht, da diese stark von der Rotationsgeschwindigkeit abhängt.
Das Verfahren gemäß der Erfindung und ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Durchfüh- 2> rung dieses Verfahrens werden im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert.
Die in der Figur dargestellte Vorrichtung enthält einen zylinderförmigen Trennraum 10, in dem koaxial zu seiner Achse 14 eine hohlzylinderförmige, an eine so Gleichstromquelle angeschlossene Spule 26 angeordnet ist. Die Spule 26 ist durch ein Keramikrohr 28 und Streben 30, von denen mindestens eine hohl ist, gehaltert. Das Keramikrohr und die hohle Strebe dienen zur Aufnahme und zum Schutz von Stromzuführungen 32 für die Spule 26 und einer Stromzuführung 29 für eine am unteren Ende der Spule befestigte ringförmige Kupferelektrode 34. Außen ist die Spule 26 von einem Zylinder umgeben, dessen Außenwand eine Kondensationsfläche bildet.
Die der Elektrode 34 gegenüberliegende Stirnwand 38 des Trennraumes hat eine kreisringförmige Öffnung, durch die eine hohlzylinderförmige Elektrode 40 in den Trennraum reicht. Die Elektrode 40 besteht bei diesem Ausführungsbeispiel aus dem Material, dessen Isotopen zu trennen sind, insbesondere metallischem Uran. Die Elektrode 34 ist mit dem positiven und die Elektrode 40 mit dem negativen Pol einer nicht dargestellten Gleichspannungsquelle verbunden, die eine genügend hohe Spannung liefert, um einen Lichtbogen zwischen den Elektroden 34 und 40 aufrechterhalten zu können. Die aus massivem Uran bestehende Kathode 40 wird durch eine nicht dargestellte Vorrichtung gehaltert, die sie entsprechend ihrem Verbrauch in den Trennraum nachzuschieben gestattet.
Der Trennraum ist von einer an eine Gleichstromquelle angeschlossene, vom Strom in entgegengesetztem Sinne wie die Spule 26 durchflossene Hilfsspulenanordnung 42 umgeben, die eine innere Zylinderspule 42a und an deren Enden angeordnete kurze zylinderförmige Spulen 426 umfaßt. Die Hilfsspulenanordnung 42 ist so ausgebildet, daß die magnetische Feldstärke im Bereich der Spulen 426 stärker ist als im Bereich 42a, so daß das Magnetfeld ein Spiegelverhalten aufweist, wie es zum magnetischen Einschluß eines Plasmas erforderlich ist.
Im Betrieb wird ein Lichtbogen zwischen den Elektroden 34 und 40 gezündet, und das dabei entstehende Plasma wird durch das elektrische Feld zwischen den Elektroden 34 und 40 zusammen mit dem Magnetfeld B5 der Spule 26 angetrieben.
Die Rotationsgeschwindigkeit ist durch die Ungleichung
m 1 TT
-j-v1 < e U1
begrenzt, wobei m die Ionenmasse, ν die Rotationsgeschwindigkeit, e die Elementarladung und U,- die Ionisationsspannung sind. Diese Bedingung gilt jedoch nur für die Stelle, an der die Magnetfeldlinien den die' Spule 26 einschließenden Isolator schneiden, so daß in den Außenbereichen Rotationsgeschwindigkeiten erreicht werden können, die etwa um den Faktor drei größer sind.
Zusätzlich wird in den Trennraum 10 noch ein leichteres Gas, wie Wasserstoff oder Helium, eingeleitet, so daß sich z. B. ein Uran-Wasserstoff-Plasma ergibt. Wegen des großen Massenunterschieds befindet sich aufgrund der Zentrifugalkraft angrenzend an die Spule 26 praktisch nur noch Wasserstoff, während sich das Uran in dem Raum zwischen dem Zylinder 36 und der Innenwand des Trennraumes 10 aufhält. Dadurch kann eine Rotationsgeschwindigkeit erreicht werden, die nahe an die mit reinem Wasserstoff erzielbaren Werte herankommt, d. h. in der Größenordnung von etwa 6 · lOcm/sec liegt.
Die Mischung von Uran und Wasserstoff geschieht während der Entladung. Die Entladung wird in reinem Wasserstoff gezündet, und das Mischungsverhältnis wird durch thermische Kontrolle des Uranabbrandes an der vertikal beweglichen Kathode 40 gesteuert. Die Kathode 40 kann hierzu mit einer nicht dargestellten Kühlvorrichtung, z. B. einem Gebläse oder einer Wasserkühlung, versehen sein.
Die leichtere Komponente des Gasgemisches diffundiert aus dem rotierenden Plasma bevorzugt zu dem als Auffänger wirkenden inneren Bauteil 36, während sich die schwerere Komponente an der als Abscheidefläche dienenden äußeren Wand 44 des Trennraumes niederschlägt. Dadurch ist sowohl ein kontinuierlicher als auch ein impulsmäßiger Betrieb möglich.
Das Magnetfeld der Einrichtung muß so groß gewählt werden, daß einerseits das Plasma zusammengehalten wird und andererseits so klein, daß das elektrische Feld nicht zu hoch sein muß und die Selbstdiffusion der Ionen im Plasma durch das Magnetfeld nicht zu stark behindert wird.
Vorzugsweise sind folgende Bedingungen zu erfüllen:
ü)e Te > 1
Dabei bedeuten a>e bzw. ω-,die Gyrationsfrequenz der Elektronen bzw. Ionen, und Tebzw. τ/die Stoßzeit für die Elektronen bzw. Ionen im Plasma. Das Produkt ω,τν kann in der Praxis etwas kleiner als 1 gewählt werden, da dann die Selbstdiffusion der Ionen im Plasma durch das Magnetfeld nicht zu stark behindert wird.
Das oben beschriebene Ausführungsbeispiel läßt sich selbstverständlich in der verschiedensten Weise abwandeln, ohne den Rahmen der Erfindung zu überschreiten. So kann z. B. für die Halterung der Spule 26 auch eine andere Anordnung verwendet werden. Vorzugsweise ist die Halterung jedoch so ausgebildet, daß das im Inneren der Spule 26 rotierende Gas möglichst wenig gestört und verwirbelt wird, da solche Störungen, wenn sie auf den Raum zwischen der Spule 26 und der Innenwand 44 des Trennraumes 10 einwirken, den Trenneffekt stören
können. Die in der Figur dargestellte Anordnung, bei der die Spule durch das axiale Keramikrohr 28 und zwei etwa in der Mitte der Spule diagonal zu deren Querschnitt verlaufende Streben 30 gehaltert wird, dürfte ein Minimum an Störungen gewährleisten.
Die Spule 26, der Zylinder 36 und die Elektrode 34 können mit einer nicht dargestellten Kühlung, insbesondere einer Wasserkühlung, versehen sein.
Statt eine oder beide Elektroden aus einem Material, dessen Isotopen zu trennen sind, herzustellen und dieses Material dadurch in das Plasma einzuführen, kann man auch das betreffende Material auf andere Weise in das Plasma einbringen, z. B. in Form eines Pulvers, als Dampf oder als Draht, der in den Lichtbogenbereich vorgeschoben wird.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (12)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Trennung eines wenigstens teilweise ionisierten Gasgemisches in eine leichtere ι und eine schwerere Fraktion durch schnelle Rotation um eine Achse mittels magnetischer und elektrischer Felder, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasgemisch in einer geschlossenen rotationssymmetrischen Magnetfeldkonfiguration ι ο eingeschlossen und von einem von außen angelegten elektrischen Feld durchsetzt wird, dessen Feldlinien in durch die Achse gehenden Ebenen liegen und zum Magnetfeld senkrecht stehende Komponenten enthalten. I")
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldstärke der Magnetfeldkonfiguration so eingestellt wird, daß aeve > 1 und ω,τ,· ;= 1 werden, wobei (Ue und ω,-die Gyrationsfrequenz der Elektronen bzw. Ionen und ve und τ,- die Stoßzeit der Elektronen bzw. Ionen im ionisierten Gas sind.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasgemisch durch eine elektrische Entladung in dem von außen angelegten elektrischen Feld ionisiert wird.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3 zur Trennung der Isotope eines bei Raumtemperatur festen Materials, dadurch gekennzeichnet, daß für mindestens eine der beiden die Entladung aufrechterhaltenden Elektroden das Material, dessen ω Isotope zu trennen sind, verwendet wird.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in den Trennraum zusätzlich ein leichtes Gas eingeleitet wird.
6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens y> nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Trennraum (10) eine hohlzylinderförmige, an eine Gleichstromquelle angeschlossene Spule (26) angeordnet ist, daß an einem Ende dieser Spule eine Lichtbogenelektrode (34) angeordnet ist, daß an der der Lichtbogenelektrode (34) gegenüberliegenden Seite des Trennraums eine zweite Lichtbogenelektrode (40) angeordnet ist und daß der Trennraum von einer an eine Gleichstromquelle angeschlossenen, vom Strom im entgegengesetzten 4r, Sinne wie die Spule (26) durchflossenen Hilfsspulenanordnung (42) umgeben ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsspulenanordnung (42) an ihren Enden (426,7 eine größere magnetische Feldstärke als im mittleren Bereich (42a^ aufweist.
8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtbogenelektroden (34,40) zur Achse (14) rotationssymmetrisch angeordnet sind. f
9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die als Kathode dienende Lichtbogenelektrode (40) aus dem zu trennenden Material besteht und daß an der Innenwand (44) des Trennraumes (10) sowie der Außenwand (36) der im Trennraum angeordneten Spule (26) Abscheideflächen angeordnet sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Lichtbogenelektrode (40) aus einem Hohlzylinder besteht, der in axialer Richtung verschiebbar gehaltert ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die hohlzylinderförmige Spule
(26) durch einen axialen Stab (28) und mindestens eine radiale Strebe (30) gehaltert ist, die in Axialrichtung gerechnet etwa in der Mitte der Spule (26) angeordnet ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Stab (28) und die Strebe (30) Stromzuführungen für die Spule (26) und die bei der Spule angeordnete Elektrode (34) enthalten.
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