DE2062385C1

DE2062385C1 -

Info

Publication number: DE2062385C1
Application number: DE2062385A
Authority: DE
Inventors: Rainer Dr.Rer.Nat. 8046 Garching De Schwenn; John Jerry Dr.Rer.Nat. Mc Clure; Norbert Dr.-Ing. 8000 Muenchen De Nathrath
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1970-12-18
Filing date: 1970-12-18
Publication date: 1993-04-15
Anticipated expiration: 1990-12-19

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Trennen von Isotopen eines als Plasma vorliegenden Isotopengemisches, das in einem Trennraum gehalten und durch Wechselwirkung zwischen einem elektrischen und magnetischen Feld in Rotation versetzt wird, wobei die einzelnen Isotopensorten durch die Zentrifugalkraft und die Diffusions- und Strömungseigenschaften des Plasmas an unterschiedlichen Orten des Trennraumes angesammelt und abgeführt werden, und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.The invention relates to a method for separation of isotopes of an isotope mixture present as plasma, that is kept in a separation space and through interaction between an electric and magnetic field is rotated, the individual isotope types by the centrifugal force and the diffusion and Flow properties of the plasma at different Locations of the separation space are accumulated and removed, and an apparatus for performing the method.

Es ist bekannt, siehe z. B. B. Bonnevier, Arkiv för Fysik, Band 33, Nr. 15, S. 255ff, Stockholm, 1967, die auf ein rotierendes Plasma wirkenden Zentrifugalkräfte und die Diffusionseigenschaften innerhalb des rotierenden Plasmas zur Isotopentrennung auszunutzen. Dabei ergibt sich die Schwierigkeit, daß bedingt durch die hohen Zentrifugalbeschleunigungen das gesamte Plasma radial nach außen an die Trennraumwand gedrückt wird. Wenn es dort kondensieren kann, wird das Leistungsvermögen einer derartigen Plasmazentrifuge reduziert, wenn nicht überhaupt zunichte gemacht. Deshalb muß der Niederschlag des ionisierten Isotopengemisches an der Trennraumwand gering gehalten werden.It is known, see e.g. B. B. Bonnevier, Arkiv för Fysik, Volume 33, No. 15, pp. 255ff, Stockholm, 1967, on a rotating plasma acting centrifugal forces and the diffusion properties within the rotating plasma To use isotope separation. The difficulty arises that due to the high centrifugal accelerations the entire plasma radially outwards to the partition wall is pressed. If it can condense there becomes the performance of such a plasma centrifuge reduced, if not nullified. Therefore the precipitation of the ionized isotope mixture be kept low on the partition wall.

Dazu sind generell drei Möglichkeiten denkbar: Zum einen kann das Isotopengemisch von der Trennraumwand dadurch ferngehalten werden, daß an dieser eine Pufferschicht aus einem Gas aufgebaut wird, dessen Atomgewicht höher als das des Isotopengemisches ist. Für Isotopengemische mit hohem Atomgewicht, insbesondere Uran, besteht diese Möglichkeit jedoch nicht, weil Uran bekanntlich das schwerste stabile Element ist.There are generally three ways to do this: First can cause the mixture of isotopes from the separation wall be kept away from this that a buffer layer a gas is built whose atomic weight is higher than that of the isotope mixture. For high isotope mixtures Nuclear weight, especially uranium, is possible but not because uranium is known to be the heaviest stable Element is.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, daß die Trennraumwand auf eine Temperatur oberhalb der Siedetemperatur des Isotopengemisches aufgeheizt wird. Die auf die Trennraumwand treffenden ionisierten Atome rekombinieren in diesem Falle, schlagen sich aber nicht an der Trennwand nieder, sondern kehren in Gasform wieder in das Plasma zurück. Für manche Elemente liegen jedoch die Siedetemperaturen derart hoch, so z. B. für Uran bei etwa 4100 K, daß besonders für einen langdauernden Betrieb derart temperaturbeständige Werkstoffe für die Trennraumwände oft nicht vorhanden sind.Another possibility is that the partition wall to a temperature above the boiling point of the Isotope mixture is heated. The on the partition wall hit ionized atoms recombine in this Trap, but don't hit the partition, but return to the plasma in gas form. For however, some elements have such boiling temperatures high, e.g. B. for uranium at about 4100 K that especially for long-term operation such temperature resistant Materials for the partition walls are often not available.

Des weiteren ist es möglich, ein Plasma mit Hilfe eines starken Magnetfeldes innerhalb des Trennraums einzuschließen.Furthermore, it is possible to use a strong plasma Include magnetic field within the separation space.

Ein solcher magnetischer Einschluß ist insbesondere bei schweren Ionen nur bei sehr kleinen Teilchendichten möglich, bei denen die durch Stöße der Ionen und Elektronen bedingte Diffusion des Isotopengemisches aus dem Magnetfeld gering ist. Eine wirtschaftlich vertretbare Nutzung einer auf diese Weise betriebenen Plasmazentrifuge ist damit kaum zu er reichen.Such a magnetic confinement is particularly in heavy ions only possible with very small particle densities, where the caused by collisions of ions and electrons Diffusion of the isotope mixture from the magnetic field is low is. An economically justifiable use of this It is hardly possible to operate a plasma centrifuge in this way pass.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Trennen von Isotopen in einer Plasmazentrifuge anzugeben, bei dem durch eine geeignete Zusammensetzung und geeigneten Zustand des Plasmas die Trennung von Isotopen, insbesondere von schweren Isotopen realisierbar ist.The object of the invention is to provide a method for separating Specify isotopes in a plasma centrifuge, in which an appropriate composition and condition of Plasma separation of isotopes, especially heavy ones Isotopes can be realized.

Ausgehend von der Erkenntnis, daß in einem rotierenden Plasma die Teilchendichte als Funktion des Radius unter anderem vom Atomgewicht und Ionisierungszustand der einzelnen Komponenten des Plasmas im Trennraum abhängig sind, ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß in das Plasma ein Zusatzgas eingebracht wird, das während des Trennvorgangs aufgrund der Atomgewichte und Ionisierungszustände von Isotopengemisch und Zusatzgas bevorzugt an die Trennraumwand in die äußeren achsenfernen Bereiche des Plasmas bewegt wird.Based on the knowledge that in a rotating plasma the particle density as a function of the radius among others on the atomic weight and ionization state of the individual components of the plasma in the separation space is this Task solved in that an additional gas in the plasma is brought in due to the separation process the atomic weights and ionization states of isotope mixture and additional gas preferably to the separation chamber wall in the outer regions away from the axis of the plasma is moved.

Aus den Bewegungsgleichungen für die einzelnen Komponenten des Plasmas, vgl. die Gleichung (1) in der obenerwähnten Literaturstelle, kann man unter Vernachlässigung radialer Massenströmungen, radialer elektrischer Ströme und Temperaturgradienten und unter Berücksichtigung der Quasineutralität des Plasmas die radiale Verteilung der einzelnen Teilchendichten berechnen und in zwei Grenzfällen die Lösung in geschlossener Form angeben. Für ein Plasma, das mit der Winkelgeschwindigkeit w starr rotiert und für den Radius r n_i z_i-fach geladene Ionen des zu trennenden Isotopengemisches und n_g z_g-fach geladene Ionen des Zusatzgases pro cm³ ent hält, gilt für den Grenzfall, daß n_g sehr groß gegen n_i istFrom the equations of motion for the individual components of the plasma, cf. Equation (1) in the above-mentioned literature reference can be calculated by ignoring radial mass flows, radial electrical currents and temperature gradients and taking into account the quasi-neutrality of the plasma, the radial distribution of the individual particle densities and, in two borderline cases, the solution in closed form. For a plasma that rotates rigidly at the angular velocity w and contains ions of the isotope mixture to be separated and n _g z _g -charged ions of the additional gas per cm³ for the radius rn _i z _i , the limit case applies that n _{g is} very large against n _i

Für den Fall, daß n_g sehr klein gegen n_i ist, gilt:If n _{g is} very small compared to n _i , the following applies:

In den Gleichungen (1) bis (4) sind dabei k die Boltzmannkonstante, T die Temperatur in Grad Kelvin, m_p die Protonenmasse und A_i bzw. A_g jeweils die Atomgewichte des Isotopengemisches und des Zusatzgases.In equations (1) to (4), k is the Boltzmann constant, T is the temperature in degrees Kelvin, m _{p is} the proton mass and A _i and A _g are the atomic weights of the isotope mixture and the additional gas.

Aus den Gleichungen (2) und (4) ist ersichtlich, daß der jeweilige Exponent sowohl positiv als auch negativ werden kann, d. h., daß das Verhältnis der Teilchendichten des Isotopengemisches und des Zusatzgases radial nach außen zu- bzw. abnimmt. Indem das aus Isotopengemisch und Zusatzgas bestehende Plasma in einen derartigen Zustand überführt wird, daß die Bedingung A_g/(1+z_g)<A_i/(1+z_i) erfüllt ist, wird erreicht, daß der Anteil des Isotopengemisches am Gesamtplasma zur Trennraumwand hin ab-, der des Zusatzgases jedoch zunimmt. It can be seen from equations (2) and (4) that the respective exponent can become both positive and negative, ie that the ratio of the particle densities of the isotope mixture and the additional gas increases or decreases radially outward. By converting the plasma consisting of the isotope mixture and the additional gas into such a state that the condition A _g / (1 + z _g ) <A _i / (1 + z _i ) is met, the proportion of the isotope mixture in the total plasma is achieved towards the partition wall, but that of the additional gas increases.

Die folgende Tabelle zeigt für einige in Frage kommende Elemente die Energien der niedrigsten Ionisierungsstufen z in Elektronenvolt. Ihr ist zu entnehmen, daß z. B. für Uran als Isotopengemsich die Plasmaparameter, vor allem die Temperatur, so gewählt werden können, daß das Zusatzgas nur einfach, das Uran aber schon mehrfach ionisiert ist, derart, daß die genannte Bedingung erfüllt ist.The following table shows some of them Elements the energies of the lowest levels of ionization z in electron volts. You can see that z. B. for Uranium as isotopes, especially plasma parameters the temperature, can be chosen so that the additional gas just simple, but the uranium has been ionized several times, such that the condition mentioned is fulfilled.

Unter diesen Bedingungen des Plasmas bildet sich an der Trennraumwand, deren Temperatur nur über der Siedetemperatur des Zusatzgases liegen muß, eine Schicht aus neutralem Zusatzgas, deren Teilchendichte um Größenordnungen höher sein kann als die des Isotopengemisches. Diese "Pufferschicht" behindert die radiale Diffusion der Ionen des Isotopengemisches und verringert so dessen an der Trennraumwand kondensierenden Anteil.Under these conditions the plasma forms on the Partition wall, the temperature of which is only above the boiling point of the additional gas must be a layer of neutral Additional gas, whose particle density is orders of magnitude higher can be than that of the isotope mixture. This "buffer layer" hinders the radial diffusion of the ions of the Isotope mixture and thus reduces it on the partition wall condensing portion.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das gesamte Plasma in einen derartigen Zustand, z. B. durch weitere Erhöhung der Plasmatemperatur, gebracht, daß die Bedingung A_g/(1+z_g)<A_i/z_i erfüllt ist. Wie aus Gleichung (1) in Verbindung mit der obigen Tabelle ersichtlich, nimmt in diesem Fall auch der Absolutwert der Teilchendichte des Isotopengemisches radial nach außen ab. Der geschilderte Einschlußeffekt wird dadurch erheblich verstärkt. Außerdem wird das Mengenverhältnis von angereichertem zu abgereichertem Anteil des Isotopengemisches vergrößert.According to a further preferred embodiment of the invention, the entire plasma is in such a state, e.g. B. by further increasing the plasma temperature, that the condition A _g / (1 + z _g ) <A _i / z _{i is} fulfilled. As can be seen from equation (1) in connection with the table above, the absolute value of the particle density of the isotope mixture also decreases radially outwards in this case. The inclusion effect described is thereby considerably enhanced. In addition, the ratio of the enriched to the depleted portion of the isotope mixture is increased.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Trennraumwand auf einer Temperatur gehalten, die zwischen der Schmelz- und der Siedetemperatur des Isotopengemisches liegt. Auf diese Weise kann der geringe Anteil des Isotopengemisches, der durch die Pufferschicht des neutralen Zusatzgases an die Trennraumwand diffundiert, in flüssiger Form gesammelt und an geeigneter Stelle wieder in den Trennraum eingebracht werden. Dadurch kann z. B. innerhalb des Trennraumes ein Gleich- oder Gegenstrombetrieb aufgebaut, bzw. ein - durch entsprechende Einleitung des Zusatzgases - bereits vorhandener verstärkt werden, so daß der Trennfaktor einer derartigen Plasmazentrifuge gesteigert wird.According to a further embodiment of the invention the partition wall is kept at a temperature that between the melting and the boiling temperature of the isotope mixture lies. In this way, the small proportion of the isotope mixture passing through the buffer layer the neutral additional gas diffuses to the partition wall, collected in liquid form and in a suitable place again be brought into the separation space. This can, for. B. a co-current or counter-current operation within the separation space built up, or a - by appropriate introduction of the additional gas - already existing are strengthened, so that the separation factor of such a plasma centrifuge is increased becomes.

Zur Durchführung des beschriebenen Isotopentrennverfahrens wird eine Vorrichtung verwendet, bei der gemäß der Erfindung im Trennraum eine das Isotopengemisch aufnehmende Kathode und ihr gegenüber in axialer Richtung eine Anode zur Erzeugung einer kontinuierlichen Lichtbogenentladung angeordnet sind, wobei der Trennraum Öffnungen für einen kontinuierlichen Durchsatz eines Zusatzgases aufweist.To carry out the described isotope separation process a device is used in which according to the invention in the separation room one that receives the isotope mixture Cathode and an anode opposite to it in the axial direction to generate a continuous arc discharge are arranged, the separation space openings for one has continuous throughput of an additional gas.

Weitere Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen.Further refinements of the device according to the invention result from the subclaims.

Die Erfindung ist in zwei Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung näher erläutert.The invention is based on two exemplary embodiments the drawing explained in more detail.

Dabei zeigen im einzelnen Show in detail

Fig. 1 schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung und Fig. 1 shows schematically a first embodiment of the invention and

Fig. 2 ebenfalls schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung. Fig. 2 also schematically shows a second embodiment of the invention.

Ein zylinderförmiger Trennraum 1, dessen Wand 2 z. B. aus einer hitzebeständigen Keramik besteht, weist an seiner Stirnseite 3 eine zentrisch angeordnete rohrförmige Kathode 4 auf, in deren Öffnung ein Stab 5 aus einem festen Gemisch von Uran 238 und Uran 235 verschiebbar gelagert ist; selbstverständlich kann als Kathode auch der Uranstab selbst verwendet werden. In axialer Richtung des Trennraumes 1 ist der Kathode 4 gegenüber eine ringförmige Anode 6 angebracht, die mit der Trennraumwand 2 verbunden ist. Zwischen Kathode 4 und Anode 6 ist eine Spannung angelegt, so daß sich in dem Trennraum 1 durch Verdampfen und Ionisierung des Uranstabes 5 eine kontinuierliche Lichtbogenentladung aufbaut, die durch Nachschieben des Uranstabes 5 kontinuierlich aufrechterhalten wird.A cylindrical separation space 1 , the wall 2 z. B. consists of a heat-resistant ceramic, has on its end face 3 a centrally arranged tubular cathode 4 , in the opening of which a rod 5 made of a solid mixture of uranium 238 and uranium 235 is slidably mounted; Of course, the uranium rod itself can also be used as the cathode. In the axial direction of the separating space 1 , the cathode 4 is opposite an annular anode 6 which is connected to the separating space wall 2 . A voltage is applied between the cathode 4 and the anode 6 , so that a continuous arc discharge is built up in the separation space 1 by evaporation and ionization of the uranium rod 5 , which is continuously maintained by pushing the uranium rod 5 forward.

Um die Kathode 4 befinden sich an der Stirnseite 3 des Trennraumes 1 Einlaßöffnungen 7, durch die ein Zusatzgas G, z. B. Xenon oder gasförmiges Quecksilber strömt, das durch die Lichtbogenentladung ebenfalls ionisiert wird. Gleichzeitig kann durch Stärke und Richtung der Zufuhrströmung des Zusatzgases die Kathode 4 und der Uranstab 5 gekühlt und somit der Verdampfungsprozeß des Urans gesteuert werden.To the cathode 4 of the separation chamber located at the front end 3 1 inlet openings 7, through which an additional gas G z. B. Xenon or gaseous mercury flows, which is also ionized by the arc discharge. At the same time, the cathode 4 and the uranium rod 5 can be cooled by the strength and direction of the feed flow of the additional gas, and thus the evaporation process of the uranium can be controlled.

Am Umfang des Trennraumes 1 ist eine Anordnung aus mehreren Magnetspulen 11 vorgesehen, die im Trennraum ein homogenes axiales Magnetfeld B erzeugen. Da der zwischen Kathode 4 und Anode 6 fließende Lichtbogenstrom aufgrund der unterschiedlichen Durchmesser von Kathode 4 und Anode 6 eine radiale Komponente hat, entsteht durch deren Wechselwirkung mit dem axialen Magnetfeld B eine Lorentzkraft, die das gesamte aus Ionen und Elektronen des Isotopengemisches und des Zusatzgases bestehende Plasma in Rotation versetzt. Gleichzeitig bewirkt das Eigenmagnetfeld des Lichtbogenstromes durch Wechselwirkung mit der radialen Stromkomponente eine axial gerichtete Lorentzkraft, so daß das Plasma von der Kathode 4 in Richtung zur Anode 6 strömt.An arrangement of a plurality of magnetic coils 11 is provided on the circumference of the separating space 1 , which generate a homogeneous axial magnetic field B in the separating space. Since the current flowing between the cathode 4 and the anode 6 arc current due to the different diameter of the cathode 4 and the anode 6, a radial component has, caused by their interaction with the axial magnetic field B, a Lorentz force existing the whole of ions and electrons of the isotopic mixture and the additional gas Plasma set in rotation. At the same time, the intrinsic magnetic field of the arc current causes an axially directed Lorentz force through interaction with the radial current component, so that the plasma flows from the cathode 4 in the direction of the anode 6 .

Die Wirkungsweise der beschriebenen Anordnung ist folgende:The arrangement described works as follows:

Das gesamte Plasma wird in der Lichtbogenentladung auf eine derartige Temperatur aufgeheizt, bei der das Uranisotopengemisch bereits mehrfach, das Zusatzgas jedoch nur ein- oder zweifach ionisiert ist. Mit Hilfe der Saha-Gleichung, die den Ionisierungszustand eines Gases als Funktion der Temperatur angibt, ist aus der oben angegebenen Tabelle berechenbar, daß bei Temperaturen von etwa 15 000 K Quecksilber einfach, Uran bereits zweifach ionisiert ist. Bei etwa 20 000 K ist Xenon als verwendetes Zusatzgas einfach, Uran bereits dreifach ionisiert.The entire plasma is in the arc discharge to one heated to such temperature at which the uranium isotope mixture already several times, but the additional gas only or is double ionized. Using the Saha equation, which show the ionization state of a gas as a function of Temperature indicates is from the table above predictable that at temperatures of about 15,000 K Mercury is simple, uranium is already double ionized. At about 20,000 K, xenon is used as the additional gas simple, uranium is already triple ionized.

Bei diesen Temperaturen ist jeweils die Bedingung A_i/(1+z_i)<A_g/(1+z_g) erfüllt, so daß der oben beschriebene Einschluß des Uranplasmas durch das Zusatzgas erreicht wird.At these temperatures the condition A _i / (1 + z _i ) <A _g / (1 + z _g ) is fulfilled so that the above-described inclusion of the uranium plasma is achieved by the additional gas.

Durch weitere Steigerung der Plasmatemperaturen über 20 000 K kann ferner erreicht werden, daß Quecksilber bzw. Xenon jeweils einfach, das Uran jedoch schon drei- bzw. vierfach ionisiert ist. Bei dieser Betriebsweise genügt das Plasma auch der Bedingung A_i/z_i<A_g/(1+z_g); damit nimmt sowohl das Verhältnis der Teilchendichten von Uranisotopengemisch und Zusatzgas, als auch die absolute Teilchendichte des Uranisotopengemisches im Trennraum 1 radial nach außen ab.By further increasing the plasma temperatures above 20,000 K, it can also be achieved that mercury or xenon is single in each case, but the uranium is already ionized three or four times. In this mode of operation, the plasma also satisfies the condition A _i / z _i <A _g / (1 + z _g ); thus both the ratio of the particle densities of the uranium isotope mixture and the additional gas, as well as the absolute particle density of the uranium isotope mixture in the separation space 1 decrease radially outwards.

Aufgrund der Zentrifugalkraft tritt eine Trennung der Uranisotope in einen wandnäheren, abgereicherten und einen achsennahen mit Uran 235 angereicherten Anteil auf, wobei die Trennung wegen der axialen Strömung des Plasmas durch den Trennraum mit wachsender Entfernung von der Kathode 4 zunimmt. Der angereicherte Anteil I_an des Urans wird durch ein hinter der Anode 6 zentrisch angeordnetes Abscheiderohr 12, der abgereicherte Anteil I_ab außerhalb des Abscheiderohres 12 abgeführt, wonach beide Anteile in hier nicht gezeigten getrennten Kühlsystemen kondensieren.Due to the centrifugal force, the uranium isotopes are separated into a portion closer to the wall, depleted and a portion close to the axis enriched with uranium 235, the separation increasing with increasing distance from the cathode 4 due to the axial flow of the plasma through the separation space. The enriched fraction I _of the uranium is removed through a centrally arranged behind the anode 6 separating pipe 12, the depleted portion I _from outside the Abscheiderohres 12, after which both components condense in not shown here, separate cooling systems.

Ein geringer Teil des abgereicherten Anteils, der durch die Pufferschicht aus neutralem Zusatzgas an die Trennraumwand 2 diffundiert ist, kann durch Halten der Trennraumwand 2 auf einer zwischen 1400 und 4100 K liegenden Temperatur an dieser kondensieren und von hier z. B. durch die Gasströmung oder die Schwerkraft in das entsprechende Kühlsystem geleitet werden.A small part of the depleted portion, which has diffused through the buffer layer made of neutral additional gas to the partition wall 2 , can condense by keeping the partition wall 2 at a temperature between 1400 and 4100 K and from here z. B. by the gas flow or gravity in the corresponding cooling system.

Grundsätzlich kann, wie beschrieben, die Plasmazentrifuge im Gleichstromprinzip betrieben werden, d. h. daß Uran und Zusatzgas gleichgerichtete achsenparallele Strömungen im Trennraum 1 aufweisen. Es ist jedoch auch ein Gegenstrombetrieb möglich, d. h. daß diese Strömungen einander entgegengerichtet sind. Dazu wird ein Anteil des Zusatzgases G außerhalb des Abscheiderohres 12 in der Nähe der Trennraumwand 2 in Richtung auf die Kathode 4 in den Trennraum 1 eingeblasen. Zusammen mit dem abgereicherten Anteil I_ab wird das Zusatzgas durch wandnahe Öffnungen 13 auf der Stirnseite 3 des Trennraumes 1 abgeführt; siehe die strichpunktierten Pfeile G′ und I′_ab in der Fig. 1. Durch eine Regelung des Durchsatzes des dem Uran entgegenströmenden Zusatzgases können die Strömungen im Trennraum und das Mengenverhältnis von an- zu abgereichertem Uran geregelt werden. Allgemein kann durch Regelung des Durchsatzes des Zusatzgases die Menge des an der Trennraumwand 2 kondensierenden Anteils von Uran geregelt werden; dieser Anteil kann durch erneute Verdampfung wiederum in den Trennraum 1 gebracht werden, so daß der Gegenstrombetrieb verstärkt wird.Basically, as described, the plasma centrifuge can be operated in the direct current principle, ie uranium and additional gas have parallel-axis flows in the separation chamber 1 . However, countercurrent operation is also possible, ie these flows are directed in opposite directions. For this purpose, a portion of the additional gas G is blown into the separating space 1 outside the separator tube 12 in the vicinity of the separating space wall 2 in the direction of the cathode 4 . Together with the depleted portion I _ab , the additional gas is discharged through openings 13 near the wall on the end face 3 of the separation space 1 ; see the dash-dotted arrows G 'and I' _from in Fig. 1. By regulating the flow rate of the additional gas flowing towards the uranium, the flows in the separation space and the ratio of enriched uranium to be regulated. In general, by regulating the throughput of the additional gas, the amount of the portion of uranium condensing on the partition wall 2 can be regulated; this portion can again be brought into the separation space 1 by renewed evaporation, so that the counterflow operation is increased.

In einem zweiten Ausführungsbeispiel, vgl. die Fig. 2, ist der zylinderförmige Trennraum 21 auf seiner Stirn- und Rückseite jeweils mit einem Deckel 22 bzw. 23 abgeschlossen, der jeweils eine zentrische Öffnung 24 bzw. 25 aufweist. Auf dem Deckel 22 ist eine ringförmige Kathode 26, auf dem Deckel 23 eine ebensolche Anode 27 angeordnet. Die Kathode 26 nimmt dabei, wie bei Fig. 1 beschrieben, in Öffnungen einen oder mehrere in den Trennraum 21 schiebbare Uranstäbe 28 auf, oder ist selbst aus Uran gefertigt. Außerdem sind jeweils an der Stirn- und Rückseite des Trennraumes Magnetspulen 29 in kreisringförmiger Anordnung vorgesehen, derart, daß im Trennraum 21 ein rotationssymmetrisches Magnetfeld B mit starken radialen Komponenten erzeugt wird; siehe den schematisch angedeuteten Verlauf in der Fig. 2.In a second embodiment, cf. Fig. 2, has been completed, the cylindrical separation chamber 21 at its front and rear panels each with a lid 22 and 23 respectively, each having a central opening 24 and 25 respectively. An annular cathode 26 is arranged on the cover 22 , and an anode 27 of this type is arranged on the cover 23 . As described in FIG. 1, the cathode 26 accommodates one or more uranium rods 28 which can be pushed into the separation space 21 in openings, or is itself made of uranium. In addition, magnetic coils 29 are provided in a circular arrangement on the front and rear of the separating space, such that a rotationally symmetrical magnetic field B with strong radial components is generated in the separating space 21 ; see the schematically indicated course in FIG. 2.

Durch eine zwischen Kathode 26 und Anode 27 angelegte Spannung wird im Trennraum eine Lichtbogenentladung erzeugt, in der das Uran verdampft und ionisiert wird. Durch die Öffnung 24 strömendes Zusatzgas, siehe den Pfeil G, wird ebenfalls in der Lichtbogenentladung ionisiert.An arc discharge is generated in the separating space by a voltage applied between cathode 26 and anode 27 , in which the uranium is vaporized and ionized. Additional gas flowing through the opening 24 , see arrow G, is also ionized in the arc discharge.

Die Temperatur des dadurch entstehenden Plasmas wird, wie oben beschrieben, wiederum so hoch gewählt, daß das Uran bereits mehrfach, das Zusatzgas jedoch lediglich ein- oder zweifach ionisiert ist. The temperature of the resulting plasma becomes like described above, again chosen so high that the uranium already several times, but the additional gas only one or is ionized twice.

Durch die Wechselwirkung des axialen Lichtbogenstromes mit den radialen Komponenten des Magnetfeldes B entsteht eine Lorentzkraft, die das Plasma in Rotation versetzt, wobei gleichzeitig die axiale Geschwindigkeit des Plasmas durch die weitgehende Symmetrie des Magnetfeldes in bezug auf Kathode 26 und Anode 27 klein bleibt.The interaction of the axial arc current with the radial components of the magnetic field B creates a Lorentz force which sets the plasma in rotation, while at the same time the axial velocity of the plasma remains low due to the extensive symmetry of the magnetic field with respect to the cathode 26 and anode 27 .

Die Wirkungsweise dieser Anordnung ist die gleich wie beim ersten Ausführungsbeispiel, so daß sich auch hier das Zusatzgas in den Außenbereichen des Trennraumes 21 in der Nähe der Trennraumwand 30 ansammelt und durch den Aufbau einer neutralen Pufferschicht die radiale Diffusion des Uranisotopengemisches weitgehend verhindert.The operation of this arrangement is the same as in the first embodiment, so that the additional gas also accumulates in the outer regions of the separation space 21 in the vicinity of the separation space wall 30 and largely prevents the radial diffusion of the uranium isotope mixture by the construction of a neutral buffer layer.

Im Gleichstrombetrieb, bei dem das Zusatzgas durch in Wandnähe des Deckels 23 angeordnete Öffnungen 31 zusammen mit dem abgereicherten Anteil des Uranisotopengemisches I_ab abgesaugt wird, verläßt der angereicherte Anteil I_an den Trennraum 21 durch die zentrale Öffnung 25 des Deckels 23.In DC operation, wherein the additional gas is sucked through arranged near the wall of the lid 23 openings 31 together with the depleted portion of the uranium isotopes mixture I _from the enriched fraction I leaves _the separation chamber 21 through the central opening 25 of the lid 23rd

Um die Anordnung im Gegenstrombetrieb zu verwenden, sind in dem Deckel 22 in der Nähe der Trennraumwand 30 Öffnungen 32 angebracht, durch die ein Teil des Zusatzgases zusammen mit dem abgereicherten Anteil I′_ab des Uranisotopengemisches abgesaugt wird (strichpunktiert gezeichnet), während der angereicherte Anteil I_an den Trennraum 21 durch die Öffnung 25 verläßt.In order to use the arrangement in countercurrent operation, openings 32 are made in the cover 22 in the vicinity of the partition wall 30 , through which part of the additional gas is drawn off together with the depleted portion I ' _from the uranium isotope mixture (shown in broken lines), while the enriched portion I leaves _the separation chamber 21 through the opening 25th

Bei Plasmazentrifugen ist der Trennfaktor der Isotopentrennung unter anderem abhängig von der erzielbaren Rotationsgeschwindigkeit v_ϕ, die aber, wie Versuche gezeigt haben, nicht beliebig groß gemacht werden kann, sondern durch einen kritischen WertIn the case of plasma centrifuges, the separation factor of the isotope separation depends, among other things, on the achievable rotational speed v _ϕ , which, as tests have shown, cannot be made arbitrarily large, but rather by a critical value

begrenzt ist. Dabei bedeuten E_k die Ionisierungsenergie der Teilchensorte k und m_k die zugehörige Masse. So beträgt für Uran diese Grenzgeschwindigkeit ungefähr 2,2 · 10⁵ cm/sec, für Quecksilber 3,1 · 10⁵ cm/sec und für Xenon etwa 4,2 · 10⁵ cm/sec.is limited. E _{k means} the ionization energy of the particle type k and m _k the associated mass. This limit speed is about 2.2 · 10⁵ cm / sec for uranium, 3.1 · 10 3 cm / sec for mercury and about 4.2 · 10 etwa cm / sec for xenon.

Die Begrenzung der Rotationsgeschwindigkeit ist durch die Wechselwirkung des an der Trennraumwand ruhenden Neutralgases mit dem rotierenden Plasma bestimmt. Wird der Anteil des Zusatzgases im gesamten Plasma geeignet gewählt, so wird die Wechselwirkungszone in das Zusatzgas verlegt, so daß die erreichbare Geschwindigkeit des rotierenden Uranisotopengemisches durch die kritische Geschwindigkeit des Zusatzgases begrenzt wird. Wie aus den oben angeführten Werten hervorgeht, kann die erzielbare Rotationsgeschwindigkeit des Uranisotopengemisches auf diese Weise etwa um den Faktor 1,4 bis 1,9 gesteigert werden, wodurch der Trennfaktor erheblich anwächst.The limitation of the rotational speed is due to the Interaction of the neutral gas resting on the partition wall determined with the rotating plasma. Will the share of the additional gas in the entire plasma is chosen appropriately, so the interaction zone is moved to the make-up gas, so that the achievable speed of the rotating uranium isotope mixture by the critical speed of the Additional gas is limited. As from the above Values, the achievable rotation speed of the uranium isotope mixture in this way around the Factor 1.4 to 1.9 can be increased, reducing the separation factor grows significantly.

Obwohl hier zur Gewinnung des Uranplasmas ein in einer Lichtbogenentladung verdampfender Uranstab benutzt wurde, ist es selbstverständlich, daß das Uran bzw. ein anderes Isotopengemisch auch in anderer Form in den Trennraum gebracht werden kann, so z. B. flüssig, gasförmig oder in Form einer chemischen Verbindung.Although here in one for the extraction of the uranium plasma Arc vaporized uranium rod was used, it goes without saying that the uranium or another Isotope mixture also brought into the separation space in another form can be so. B. liquid, gaseous or in Form of a chemical compound.

Mit dem in der Erfindung angegebenen Verfahren zur Isotopentrennung ist es durch die Zugabe eines geeigneten Zusatzgases möglich, ein rotierendes Plasma, dessen einzelne Komponenten ein hohes Atomgewicht besitzen, einzuschließen und von der Wand des Trennraumes fernzuhalten.With the isotope separation method specified in the invention it is by adding a suitable one Additional gas possible, a rotating plasma, the individual Components with a high atomic weight are included and keep away from the wall of the separation room.

Durch dieses Verfahren kann der technische Aufwand für den Bau von Plasmazentrifugen erheblich reduziert und deren wirtschaftlicher Betrieb ermöglicht werden.The technical effort for the Construction of plasma centrifuges significantly reduced and their economic operation are made possible.

Claims

1.Procedure for separating isotopes of a mixture of isotopes present as plasma, which is kept in a separation space and caused to rotate by interaction between an electric and magnetic field, the individual types of isotope being separated by the centrifugal force and the diffusion and flow properties of the plasma of the separation space are collected and discharged, characterized in that an additional gas is introduced into the plasma, which is preferably moved to the separation space wall into the outer regions of the plasma away from the axis due to the atomic weights and ionization states of the isotope mixture and additional gas during the separation process.

2. The method according to claim 1, characterized in that the plasma consisting of isotope mixture and additional gas is brought into a state which fulfills the condition A _g / (1 + z _g ) <A _i / (1 + z _i ), where A _g and A _{i are} the atomic weights of the z _g -fold and z _i -fold ionized atoms of the additional gas or the isotope mixture.

3. The method according to any one of claims 1 to 2, characterized in that the plasma consisting of isotope mixture and additional gas is brought into a state which fulfills the condition A _g / (1 + z _g ) <A _i / z _i .

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized characterized that the partition wall is kept at a temperature between the melting and boiling temperature of the isotope mixture lies.

5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized characterized in that the additional gas in Countercurrent to the isotope mixture passed through the separation space becomes.

6. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized characterized in that the additional gas in Direct current to the isotope mixture through the separation space is directed.

7. Device for performing the method according to one of claims 1 to 6, characterized in that in the separation space ( 1, 21 ) receiving the isotope mixture cathode ( 4, 26 ) and an anode ( 6, 27 ) opposite to it in the axial direction Generation of a continuous arc discharge are arranged, and that the separating space ( 1, 21 ) has openings ( 7, 13; 24, 25, 31, 32 ) for a continuous throughput of the additional gas.

8. The device according to claim 7, characterized in that in the separation space ( 1 ) a centrally arranged, hollow, the isotope mixture in rod shape ( 5 ) receiving cathode ( 4 ) and an annular anode ( 6 ) are arranged opposite it, and that magnets ( 11 ) are provided for generating a homogeneous axial magnetic field (B).

9. The device according to claim 7, characterized in that in the separation space ( 21 ) an annular cathode ( 26 ) and opposite to it an annular anode ( 27 ) and outside the separation space ( 21 ) magnets ( 29 ) for generating a rotationally symmetrical magnetic field (B) are arranged with strong radial components.

10. The device according to claim 7, characterized in that the openings ( 7, 24 ) for the additional gas are at least partially near the cathode to cool the cathode, and that the throughput of the additional gas through the openings ( 7, 24 ) is adjustable .

11. The device according to claim 7, characterized in that the throughput of the additional gas through the separation chamber ( 1, 21 ) is adjustable.