DE2120401A1

DE2120401A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Trennung von Isotopen

Info

Publication number: DE2120401A1
Application number: DE19712120401
Authority: DE
Inventors: Richard Harold Boston Janes George Sargent Lincoln; Mass. Levy (V.St.A.)
Original assignee: Avco Corp
Current assignee: Avco Corp
Priority date: 1970-03-25
Filing date: 1971-04-26
Publication date: 1972-11-02
Also published as: CH534538A; NL171231C; FR2094967A5; NL171231B; CA945273A; GB1355714A; DE2120401C2; NL7105640A; BE782085Q; US3772519A

Description

DR. ING. E. HOFFMANN · DIPL. ING. W. EITLE · DR. RER. NAT. K. HOFFMANN

PATENTANWiLTE D-8000 MDNCHEN 81 · ARABELLASTRASSE 4 · TELEFON (0811) 9Π087

AVCO CORPORATION, Greenwich, Conn. / V. St. A.

Verfahren und Vorrichtung zur Trennung von Isotopen

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Trennung von Isotopen eines Materials mit einem ersten und einem zweiten Isotop.

Die Trennung von Uranmengen in zwei Teilen, von denen der eine mit dem spaltbaren Isotop U ** angereichert ist, während der andere Teil entsprechend an U -^ verarmt ist, stellt ein wichtiges Verfahren für nukleare Anwendungen dar. Das einzige, zur Zeit in der Industrie benutzte Trennungsverfahren ist das Gas-Diffusions verfahren. Es wurden zwar noch verschiedene andere Verfahren vorgeschlagen, wie beispielsweise eine elektromagnetische Trennung, eine Zentrifugaltren-

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.nung, oder eine Trennung durch thermische Diffusion, aber keines dieses Verfahren brachte irgendwelche T£rteile gegenüber dem Trennungsverfahren mittels Gasdiffusion.

Die Erfindung stellt eine Verbesserung eines anderen Isotopen-Trennungsverfahrene dar, das im einzelnen in der USA-Patentschrift 3 44-3 08? beschrieben und dargestellt ist. Die Isotopenverschiebung, die die Spektren von Elementen oder Molekularverbindungen betrifft, stellt einen wichtigen Effekt in der angeführten Patentschrift sowie in der vorliegenden Erfindung dar. Ausgeprägte Linien in dem Spektrum eines besonderen Isotops eines vorgegebenen Elements besitzen Wellenlängen, die sich geringfügig von den Wellenlängen der entsprechenden Linien in dem Spektrum eines anderen Isotops desselbenElements unterscheiden. Selbst wenn die Elemente, aus denen eine Molekularverbindung gebildet wird, isotopisch reinjsind, ergibt die Spektraluntersuchung der Verbindungen mit verschiedenen Isotopen geringfügige Verschiebungen in den Wellenlängen der einzelnen Linien injdem Spektrum der Verbindung.

Die Isotopenverschiebung ist sowohl bei der Emission als auch bei der Absorption von Licht vorhanden. Bei der Emission wird dieser Effekt zur Messung der Isotopenzusammensetzung von Proben verschiedener Elemente verwendet. Beim Uran gibt es beispielsweise eine geeignete Linie, die eine Wellenlänge von 5027.4-X besitzt. Diese Linie ist für das spaltbare Isotop U²⁵^ bei 5-027,295 Ä und für Uran U²^⁸ bei 5027.298& mittig eingestellt. Die entsprechende Isotopenverschiebung beträgt in diesem Fall 0,103&. Andere Linien weisen ebenfalls Isotopen-

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verschiebungen auf. Bei der Absorption kann ein aus einer Isotopenmischung zusammengesetztes Gas mit Licht beleuchtet werden, das einen schmalen Wellenbereich bei oder injder" Nähe der natürlichen Wellenlänge eines einzelnen Isotops enthält. Eine Probe Urandampf mit Atomen U^ und U * kann beispielsweise mit einem Lichtstrahl beleuchtet werden, dessenWellenlängen auf ein schmales Band von O,O1Ä beschränkt und auf eine Durchschnittswellenlänge von 5027.295Ä mittig eingestellt sind. Dieses Licht wird von den TJ -^-Atomen stark, aber vonjden

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U ^ -Atomen nur schwach absorbiert. Die die Lichtquanten absorbierenden Atome werden derafc erregt, daß durch die Beleuchtung eine Gasmischung entsteht, die aus erregten und unerregten (im Grundzustand befindliche) Atome zusammengesetzt ist, wodurch die Population von erregten Atomen im Uran U^ angereichert und die Population von

235 Atomen im Grundzustand entsprechend in dem Uran U ^y verarmt ist.

Die Isotopenverschiebung in der vorerwähnten amerik. Patentschrift wird durch die Beleuchtung eines Gases, das aus einer Uran-Molekülverbindung, wie beispielsweise Uran-Hexafluorid UFg, zusammengesetzt ist, mittels zwei Lichtquellen erreicht. Hierbei ist die Bandbreite der ersten Lichtquelle schmal und ihre Wellenlänge so gewählt, daß vorzugsweise die UF_C-Moleküle erregt werden, die ein Atom U -^ enthalten. Die zweite Lichtquelle dient nur zur Ionisierung der Moleküle in der Mischung, die sich in erregtem Zustand befinden, während die Moleküle im Grundzustand nicht beeinflußt werden. Da die Besetzung der erregten Moleküle, die von der ersten Lichtquelle erzeugt werden, in dem Uran U -^ angereichert wird, wird hierdurch die Besetzung der Molekular-

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ionen, die von der zweiten Lichtquelle erzeugt werden, im uran U ^ angereichert. Die auf die beschriebene Weise erzeugtenMolekularionen können dann von den neutralen Molekülen mittels elektrischer oder magnetischer Felder getrennt werden.

Gemäß der Erfindung ist ein Verfahren zur Trennung von Isotopen eines Materials mit einem ersten und einem zweiten Isotop vorgesehen, bei dem

(a) Dampf mit Atomen dieses Materials erzeugt wird;

der Dampf einer von einer ersten Strahlungsquelle emittierten Strahlung vorbestimmter Frequenz ausgesetzt wird, durch die die Atome des ersten Isotops, aber im wesentlichen nicht die Atome des zweiten Isotops, erregt werden;

(c) der Dampf einer von einer zweiten Strahlungsquelle emittierten Strahlung vorbestimmter Frequenz ausgesetzt wird, die die erregten Atome des ersten Isotops, aber im wesentlichen nicht die Atome des zweiten Isotops, ionisiert; und

(d) die ionisierten Atome von den nicht ionisierten Atomen getrennt werden.

Weiterhin ist gemäß der Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Trennung von Isotopen eines Materials mit einem ersten Isotop und einem zweiten Isotop vorgesehen mit

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(a) einem dicht verschließbaren, an eine Vakuumpumpe anschließbaren Behälter mit einer zu einer optischen Achse konzentrischen öffnung, durch die die Strahlung in das Innere des Behälters gelangt;

(b) einer in dem Behälter untergebrachten Einrichtung zur Erzeugung eines atom^aren Strahls aus dem Material, der senkrecht zu der optischen Achse verläuft und parallel zu der Achse eine Ausdehnung aufweist, die groß ist im Vergleich zu der Ausdehnung senkrecht zu der optischen Achse;

(c) in dem Behälter angeordneten Auffangplatten zur Aufnahme des atomaren Strahls;

(d) in dem Behälter angeordneten weiteren Auffangplatt#en neben dem Strahl;

(e) einer ersten Strahlungsquelle zur Erzeugung eines ersten Strahlenbündels vorbestimmter Frequenz, durch die die Atome des ersten Isotops, aber im wesentlichen nicht die Atome des zweiten Isotops, erregt werden;

(f) einer zweiten Strahlungsquelle zur Erzeugung eines zweiten Strahlenbündels vorbestimmter Frequenz, das die erregten Atome des ersten Isotops, aber im wesentlichen nicht die Atome des zweiten Isotops, ionisiert;

(g) einer Einrichtung zur Ausrichtung der Strahlenbündel in den Behälter entlang der optischen Achse; und

(h) einer Einrichtung zur Ausrichtung der ionisierten Atome in Richtung der zweiten Auffangplatten.

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Während in dem in der vorerwähnten Patentschrift beschriebenen Verfahren als Arbeitsmedium eine molekulare Verbindung verwendet ist, werden bei dem Verfahren gemäß der Erfindung als Arbeitsmedium Atome, beispielsweise Uranatome, verwendet, deren Isotopen zu trennen sind. Die Verwendung· von Uranatomen anstelle von Molekularverbindungen, die Uran enthalten, ist aus verschiedenen Gründen vorteilhaft.

Die Tatsache, daß Laser verfügbar sind, die als Lichtquellen für die primäre Beleuchtung geeignet sind, stellt einen der Grühd-e dar. Das Spektrum der Uranatome weist viele Beispiele für die Isotopenverschiebung im sichtbaren Bereich des Spektrums auf; hierbei befinden sich die feststellbaren Isotopenverschiebungen in den molekularen Uranverbindungen größtenteils in dem Infrarotbereich des Spektrums. Auf diesem Anwendungsgebiet sind Laser"als Lichtquellen aufgrund der großen verfügbaren Intensität geeignet; wegen der schmalen Bandbreite und der hohen Anforderungen an die erste Lichtquelle bezüglich ihrer Wellenlänge muß im allgemeinen ein fein abstimmbarer Laser verwendet werden. Zur Zeit verfügbare Farbstofflaser mit Bandbreiten von O,OiS können über dem gesamten sichtbaren Spektrum abgestimmt werden. Sogenannte "Dial-a-line"-Laser, die von Avco Everett Research Laboratory, Everett, Massachusetts, hergestellt und vertrieben werden, können als Quellen zur Erregung und Ionisierung von Atomen verwendet werden. Falls kleinere Abänderungen dieser Laseranordnung notwendig sind, um die erforderliche schmale Bandbreite und Intensität zu erhalten, kann dies mittels eines herkömmlichen "Etalon"-Filters erreicht werden; hierbei ist der Laser in einem Oszillator-Leistungsverstärker angeordnet, in dem ein Laser zur Steuerung eines anderen verwendet wird, um so die zusätzlich erforderliche Intensität für die Erregungsquelle

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zu erhalten. Derartige Laser können für die selektive Erregung von ü -^-Atooen gemäß der Erfindung verwendet werden. Insbesondere weist das Spektrum des Uranatoms wenigstens eine in Verbindung mit der Erfindung verwendbare Linie auf und zwar die oben erwähnte Linie bei 5027.4-Ä. Diese Wellenlänge ist durch die erwähnten Farbstofflaser realisierbar. Die durch die Farbstofflaser erreichbare Bandbreite von ungefähr Ο,Ο1& ist viel schmaler als die Isotopenverschiebung von O,1O3Ä zwischen dem Uran U ·>■>

O7.Q 27)^

und U^. Eine selektive Erregung des Urans U -^ ist also möglich.

Es ist aber, soweit bekannt ist, kein abstimmbarer Laser mit der erforderlichen schmalen Bandbreite verfügbar,der im Infrarotbereich des Spektrums arbeitet. Es ist daher nicht sicher, ob für das in der angeführten USA-Patentschrift beschriebene Verfahren schon ein geeigneter Laser verfügbar war oder jetzt verfügbar ist.

Ein zweiter Vorteil bei der Verwendung von Uranatomen zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung besteht in der relativen Freiheit bei der Wahl der Wellenlänge des zweiten oder Ionisierungslasers. Diese Freiheit' ist unter dsr Voraussetzung gegeben, daß der erste oder Erregungs-Laser auf die vorerwähnte Wellenlänge von 5027.4-S abgestimmt ist. Die Ionisierungsspannung von Uran beträgt ungefähr -M- eV. Die Energie, die erforderlich ist, um ein Uranatom zu ionisieren, das durch Absorption eines Photons bei 5027.4-Ä erregt wird, ist daher etwas größer als 1,5 eV. Die Photonen des zweiten oder Ionisierungslasers müssen daher zur Ionisierung der erregten Atome eine Energie von etwas mehr als 1,5 eV besitzen; andererseits sollten sie keine Energie von mehr als 4 eV besitzen, damit keine direkte Ionisierung der Uranatome im Grundzustand statt-

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findet. Der entsprechende zulässige Wellenbereich reicht daher etwa von 31Oo£ bis ungefähr 8000Ä. Im Unterschied zu der Größenbereichsauswahl, die verfügbar ist, wenn Uranatome zur Durchführung der Erfindung verwendet wer-, den, ist bei der Verwendung von molekularen Verbindungen, die gemäß dem wiederholt angeführten Verfahren selektiv im Infrarotbereich erregt sind, eine Ionisationsstrahlung erforderlich, die in einem schmalen Band im ultravioletten Bereich liegt. Innerhalb des großen in Verbindung mit dem Verfahren und der Vorrichtung gemäß der Erfindung zur Verfugung stehenden Wellenbereichs ist nur darauf zu achten, daß die für die zweite Lichtquelle ausgewählten Wellenlängennicht einer Resonanzlinie des Urans entsprechen;dies kann aber einer Normtabelle des optischen Uranspektrums entnommen werden.

Ein dritter Vorteil bei der Verwendung von Uranatomen zur Durchführung der Erfindung besteht darin, daß der vorerwähnte große Wellenbereich bei dem Ionisierungslaser auf zwei verschiedene Arten ausgenutzt werden kann. Erstens ist die bereits wiederholt angeführte 5O27.4Ä-Linie als Wellenlänge für den zweiten Laser zulässig; d.h. durch die Absorption eines zweiten Photons von dem ersten Laser durch ein einziges erregtes Uranatom U "^ kann die gewünschte Ionisation durchgeführt werden. In diesem Fall ist die zweite Lichtquelle vollständig entbehrlich. Zweitens lann in dem großen, für den zweiten Laser brauchbaren Wellenbereich der Vorgang der Selbstionisierung ausgenützt werden. Durch die Selbstionisierung wird die Wahrscheinlichkeit einer Fotoionisierung bei bestimmten, eindeutig festgelegten Wellenlängen vergrößert. Bei Verwendung einer derartigen Wellenlänge kann der Wirkungsgrad einer Trennungsanlage vergrößert oder die optimale Größe einer solchen Anlage reduziert werden. Wenn eine molekulare

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verbindung als Arbeitsmedium wie bei dem in der USA-Patentschrift beschriebenen Verfahren verwendet wird,dann ist die Möglichkeit, die zweite Lichtquelle einzusparen oder die Selbstionisierung auszunützen, sehr gering.

Ein vierter Vorteil bei der "Verwendung von Atomen anstelle von molekularen Verbindungen besteht darin,daß bei der Verwendung von Atomen die in Verbindung mit chemischen oder fotochemischen Reaktionen auftretenden Schwierigkeiten -vollständig vermieden sind. Beispielsweise kann die Beleuchtung von UFg mit ultraviolettem Licht zu einer Ionisierung, einem Zerfall oder zu beidem führen. Wenn daher nuyfein Zerfall stattfindet, kann keine Trennung mittels elektromagnetischer Einrichtungen vorgenommen werden. Wenn dagegen sowohl ein Zerfall als auch eine Ionisation stattfindet, kann nur eine Komponente ionisiert werden; hierbei ist es dann aber nicht sicher, ob die richtige Komponente ionisiert worden ist. Solche Schwierigkeiten können nicht auftreten, wenn gemäß der Erfindung Atome verwendet werden.

Zur Durchführung der Erfindung wird das Arbeitsmedium vorzugsweise in Form eines parallelen atomaren Strahls verwendet. Ein derartiger Strahl kann beispielsweise in atomarem Uran mittels eines Ofens ausgebildet werden, in dem Urandampf erzeugt wird und der durch einen Collimator mit einer evayfkuierten Kammer verbunden ist. Die Atome eines solchen Strahls werden im w,es entlichen auf einer gekühlten Platte an dem Collimator aufgefangen, an dem das Uran kondensiert. Wenn weitere Auffangplatten in der evakuierten Kammer angeordnet sind, die die vorerwähnte Auffangplatte an geeigneten, nicht an dem Collimator vorgesehenen Stellen enthält, können die einmal ionisierten Uranatome

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υ ^ "beispielsweise durch elektromagnetische Einrichtungen aus dem Strahl abgelenkt werden und dann auf solchen zusätzlichen Auffangplatten aufgefangen werden.

Bas Trennungsrerfahren gemäß dar Erfindung läuft teilweise kontinuierlich und teilweise pulsierend ab: Der Ofen und der Collimator arbeiten am besten fortlaufend, da ein Uranatomstrahl ständig aus dem Collimator austritt. Aufgrund der kurzen Lebensdauer sollten, bevor die erregten Uranatome von selbst in den Grundzustand zurückschwingen, die Laser wiederholt mit hohen Leistungsimpulsen arbeiten. Die natürliche Lebensdauer eines von einem Photon erregten Uranatoms bei 5027.4-Ä beträgt ungeführ 55 risek. Der Wirkungsgrad des Verfahrens wird daher verbessert, wenn die Erregungs- und lonisierungsstufen in einer Zeit von weniger als 55 nsek abgeschlossen sind. Vorteilhafterweise paßt diese Forderung gut zu den Eigenschaften der in diesem Verfahren verwendeten Laser. Die zwei Laser müssen SQangeordnet sein, daß sie dasselbe Volumen beleuchten; die Zündung der zwei Laser muß etwa gleichzeitig erfolgen. Die Wiederholfrequenz ist dadurch bestimmt, daß das gesamte an dem Collimator austretende Uran mindestens einem Lichtimpulspaar der Laser ausgesetzt sein sollte* Das Intervall zwischen den Impulsen sollte dann ungefähr gleich der Zeit sein, die ein von dem Collimator austretendes Uranatom in dem Strahl benötigt, um die der Bestrahlung durch die Laser ausgesetzte Zone zu durchqueren.

Unter anderem ist die Vorrichtung gemäß der Erfindung so angeordnet, daß eine einwandfreie Urantrennung in größerem Rahmen in einer einzigen Stufe durchführbar ist; in

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jedem Fall ist die Trennung besser und wirkungsvoller als bei dem inder erwähnten USA-Patentschrift beschriebenen Verfahren. Die mit dem Verfahren gemäß der Erfindung erreichbare und durchführbare Trennung wird bei einem Vergleich mit einem Idealverfahren besser verständlich:

a) hierbei besteht der von dem Collimator austretende Uranstrahl ganz aus neutralen Atomen im Grundzustand;

b) das Verfahren zum Scheiden der Ionen von den Atomen ist frei von Verlusten, die beim Mischen, beim Ladungsaustausch etc. auftreten;

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c) jedes Erregungsphoton wird durch ein U ^-Atomen im

Grundzustand absorbiert und jedes Ionisierungsphoton

2⁷>^cy

wird durch ein erregtes U -^-Atorn absorbiert;

d) die Laserimpulse erregen und ionisieren jedes U ^-⁷-Atom, aber kein U ^ -Atom .

Wenn all diesen Bedingungen genügt wird, ist die erreichte Trennung derart vollkommen, daß jeder austretende Strahl isotopisch rein ist; das Verfahren ist im Idealfall sogar so wirkungsvoll, daß lediglich ein Erregungsphoton und ein Ionisierungsphoton erforderlich ist, um ein Atom U -³^ zu trennen. Die im folgenden beschriebene Einrichtung sowie das beschriebene Gerät dient zur Annäherung zumindest an einige der angeführten, idealen Bedingungen.

Die Bedingung (a) ist für die Erzielung einer guten Trennung wesentlich, da, wenn einiges des von dem Collimator austretenden Urans vor einer Beleuchtung erregt oder ionisiert wird, der Bereich, in dem die nach der Beleuchtung

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bestehende Ionenbesetzung nur aus Uran U ·" gebildet sein kann, deutlich verschlechtert ist. Im allgemeinen hängt die Erregung auch nicht von den Dichten, den !Collisionsfrequenzen und den Ausmaßen ab. Da aber Temperaturen von mehr als ungefähr 200O⁰C in dem Ofen erforderlich sind, tritt ein Ionisierungsgrad des austretenden Uranstrahls, der in der Größenordnung von einigen Prozent möglich ist, als Ergebnis der thermischen Einwirkungen gemäß der bekannten Saha-Gleichung ebenso wie als Ergebnis einer Kontaktionisation auf. Besondere Einrichtungen zur Verminderung der von dem Collimator austretenden Ionenanzahl wird weiter unten in Verbindung mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels besprochen.

Zur Erreichung einer guten Trennung ist die unter (b) angeführte Bedingung ähnlich wichtig. In dem idealen Verfahren liegt nach der Beleuchtung durch die zwei Laser ein Zustand vor, bei dem eine vollständige Trennung in beschränktem Maß erreicht worden ist, daß nämlich das gesamte Uran U *-% aber kein Uran U * ionisiert ist. In dieser Stufe kann aber noch keine physikalische Trennung durchgeführt werden. Eine physikalische Trennung kann nur bei Anlegung geeigneter elektrischer oder magnetischer Kräfte an das teilweise ionisierte Gas durchgeführt wer-

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den, indem die Ionen Uran U -^ und die neutralen Atome Uran U * sind. Eine solche Kraft wirktunmittelbar nur auf die Ionen oder mit anderen Worten nur auf das Uran

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V^. Durch die hierdurch hervorgerufene Beschleunigung erhalten die Ionen (U ^) eine gewisse Beschleunigung rela^tiv zu den neutralen Atomen (U * ). Wenn dieser relative Geschwindigkeitsunterschied erhalten bleibt, dann wird die gewünschte physikalische Trennung zwischen dem Uran U *■> und dem Uran U²^⁸ erreicht.

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Zwei Arten von Zusammenstößen können eine wirkungsvolle Durchführung dieser Trennung störend beeinflussen, nämlich Zusammenstöße mit Ladungsaustausch ind kinetische Kollisionen. Bei den Kollisionen mit Ladungsaustausch

wirkt ein Uran U ^-Ion auf ein neutrales U * -Atom

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ein; nach der Einwirkung ist dann das Uran U -^ neutral, während das Uran U^ ionisiert ist. Bei Zusammenstößen mit Ladungsaustausch ist die. Momentenänderung vernachlässigbar, so daß die relative Geschwindigkeit

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zwischen dem Uran. U -^ und dem Uran U ^J nicht verändert wird. Bei der Ausführung der Erfindung wird vorzugs-weise elektromagnetische Energie an das teilweise ionisierte Gas angelegt, so daß die Beschleunigungsphase durch Kollisionen mit Ladungsaustausch ohne merklichen Energieverlust durchgeführt wird. Die Energie wird als kurzer Impuls zugeführt; die Verschiebung der Ionen während des Impulses ist so kurz,daß kein merklicher Ladungsaustausch auftreten kann· Bei einer Energiezuführungin der beschrie-

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benen Weise halten die U -^-Ionen eine Geschwindigkeit relativ zu den neu/ftralen U ^ -Atomen. Die Energie wird abgeschaltet, wenn eine ausreichende Beschleunigung erreicht ist. Da, wie oben erläutert, bei Kollisionen mit Ladungsaustausch kein merklicher Momentenübergang stattfindet, können solche, nach dem Beschleunigungsimpuls auftretende Kollisionen den schließlich erreichten Trennungsgradjnicht mehr herabsetzen, sondern bloß die Verhältnisse der Ionen zu den neutralen Atomen in dem U *·*- und U ^ -Strom beeinflussen. Diese Verhältnisse haben keine Bedeutung bei der Bestimmung des erreichten Trennungsgrades oder bei dem Wirkungsgrad des gesjrfamten Verfahrens.

Bei der zweiten Kollisionsart, die eine wirksame Trennung der Isotopen störend beeinflussen kann, finden Kollisionen mit einer Momentenübertragung statt; diese Kollisionen wer-

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•den auch als gaskinetische Kollisionen bezeichnet. Wenn das Uran U ^ eine relative Geschwindigkeit bezüglich des Urans U * besitzt, stören solche Kollisionen möglicherweise den relativen Geschwindigkeitsunterschied und ma- ' chen dann eine Trennung (oder zumindest hohe Trennungsgrade) unm^öglich.

Um daher den Einfluß der gaskinetischen Zusammenstöße zu vermindern, ist der atomare Uranstrahl vorzugsweise so ausgebildet, daß die Ausdehnung des StraKfe in einer Richtung unter einem Winkel zu der Richtung der durchschnittlichen Atombewegung gering ist. Die der geringen Ausdehnung des Strahls zugeordnete Richtung wird auch als Extraktions-Richtung bezeichnet. Genauer gesagt sollte für große Trennungsvorgänge die Dicke des atomaren Strahls in der Extraktionsrichtung nicht größer als ungefähr eine gaskinetische, mittlere freie Weglänge sein. Die genaue Wahl dieser Größe hängt unter anderem von dem gewünschten Trennungsgrad, der Dichte des Urandampfes, des gaskinetischen Querschnitts für Uran und von anderen Paktoren ab.

Die Bedingung (c) betrifft eher die wirtschaftliche Verwendung von Laser-Ausgängsenergie als den Trennungsgrad. Wenn die Laser wirtschaftlich eingesetzt werden sollen, dann müssen sie eine genügende Gasmenge bestrahlen, damit ihre gesamte Ausgangsenergie absorbiert wird. Genauer ausgedrückt, muß das Produkt der Dichte von U -^-Atomen und der Ausdehnung des Dampfes in der Bestrahlungsrichtung ausreichend groß sein. Die tatsächliche Größe hängt von dem Wirkungsquerschnitt der zu absorbierenden Erregungs- und lonisierungsphotonen ab. Von diesen beiden Wirkungsquerschnitten ist der für eine Photoionisation bei weitem der kleinere Wirkungsquerschnitt; das gerade erwähnte Produkt wird daher von dem Querschnitt für die

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Photoionisation "bestimmt. Obwohl dieser Wirkungsquerschnitt nicht genau bekannt ist, ist er sicherlich so schmal, daß beträchtliche Längen Urandampfs erforderlich sind. In diesem Zusammenhang ist auch die Erscheinung der Selbstionisation von Bedeutung, da diese Erscheinung, wenn sie vorhanden ist, die Auswahl von Wellenlängen ermöglicht, bei denen der Photoionisationsquerschnitt ungewöhnlich groß ist.

Die Richtung des Laserlichtes sollte senkrecht zu der Richtung der durchschnittlichen Bewegung des atomaren Strahls verlaufen. Wie aber bereits oben erläutert, muß aufgrund der Bedingung (d) die Ausdehnung des atomaren Strahls in einer Richtung (der Extraktionsrichtung) bei einem Winkel zu der Richtung der Durchschnittsbewegung des atomaren Strahls kurz sein. Andererseits muß entsprechend den Bedingungen (c) die andere Ausdehnung des atomaren Strahls (die Beleuchtungsrichtung) senkrecht zu der Richtung der Durchschnittsbewegung des atomaren Strahls groß sein. Der Wirkungsquerschnitt des atomaren Strahls soll daher vorzugsweise in einer Ejfbene senkrecht zur Richtung der durchschnittlichen Bewegung des atomaren Strahls lang und dünn ausgebildet sein. Die Richtung der Durchschnittsbewegung, die Extraktionsrichtung und die ^Beleuchtungsrichtung verlaufen mehr oder weniger senkrecht zueinander. Das Gerät zur Durchführung dieser Aufgabe und die üblichen Abmessungen werden unten in Verbindung mit dem bevorzugten Ausführungsbeispiel besprochen.

Die abschließende Überlegung, die sich auf den Grad sowie den Wirkungsgrad der Trennung bezieht, betrifft die Bedingung (d). Wenn das erregende Licht viel mehr von dem Uran U ^ als von dem Uran U^ absorbiert wird, fin-

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det trotzdem zumindest eine gewisse Absorption auch durch das Uran U ^D statt. Das lonisierungslicht ionisiert alle erregten Atome_s ohne hierbei zu unterscheiden, ob es ein Isotop ist« Die Absorption von erregendem Licht durch das Uran U ^J vermindert den erreichten Trennungsgrad und den Wirkungsgrad deszzugeführten Lichts. Zusätzlich müssen gemäß der Bedingung (d) mindestens so viele Photonen in gedem Beieuchtungsimpuls vorhanden sein, wie Uranatome in der Säule des beleuchteten Urandampfs vorhanden sind.

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Wenn die Säule aus Uran U ■'-Dampf eine Länge in der Beleuchtungsrichtung in der Größenordnung der Absorptionslänge eines lonisierungsphotons aufweist, besitzt sie in derselben Richtung eine Länge, die vielen Absorptionslängen eines Erregungsphotons gleich ist. Die Absorptionslänge zur Absorption eines Erregungsphotons in der U^- Säule ist größer als die entsprechende Länge der Absorp-

236 tion eines Erregungsphotons in der U "^-Säule aufgrund

des Verhältnisses der entsprechenden Wirkungsquerschnitte, aber sie ist kürzer im Verhältnis zu den entsprechenden Dichten des Urans U²^⁸ und U²⁵^. In einigen Fällen kann

die Absorptionslänge eine bedeutende Absorption des Er-

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regungsüjehtes durch das Uran U bei einem entsprechenden Verlust an Gesamtleistung beinhalten. Zur Überwindung dieser Schwierigkeit werden weiter unten mehrere optische Einrichtungen in Verbindung mit dem bevorzugten Ausführungbeispiel besprochen. Hierbei sind immer Einrichtungen zur Einführung des Erregungslichtes in den Urandampf vorgesehen, so daß das Erregungslicht nicht die Gesamtlänge der Dampfsäule durchmißt, bevor es den Einwirkungspunkt erreicht. In allen Fällen müssen die zwei Beleuchtungen räumlich und zeitlich in dem Einwirkungsbereich übereinstimmen.

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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand der Beschreibung in Verbindung mit den anliegenden Zeichnungen im einzelnen erläutert. Es zeigen:

Pig. 1 in perspektivischer Darstellung eine Vorrichtung mit einer Reihe von Einheiten, mit denen das Verfahren gemäß der Erfindung durchführbar ist.

Fig. 2 eine Seitenansicht einer der in Fig. 1 dargestellten Einheiten; und

Fig. 3 eine schem#atische Darstellung der in Fig. 2 dargestellten Elektrodenanordnung.

Wie bereits ausgeführt,sollte ein sbomarer Strahl mit einem langen, dünnen Wirkungsquerschnitt erzeugt werden. Während die Dicke des Strahls beispielsweise in der Größenordnung von Zentimetern liegen kann, liegt die Gesamtlänge in der Größenordnung von 10Om und mehr; sie isb im Prinzip nur durch die verfügbaren Laserleistungen und durch die optischen Beugungseffekte begrenzt. Um den Aufbau einer solchen Vorrichtung zu vereinfachen, ist, wie in Fig. 1 dargesbellt, eine Anzahl weitgehend ähnliclEr Einheiten 1 ausgeführt, die entlang der optischen Achse angeordnet sind und diese einschließen. Jede Einheit kann beispielsweise eine Länge in der Größenordnung von 1 m aufweisen, während ihre Querausmaße in der Größenordnung von einigen Zentimetern liegen. Die Einheiten sind vorzugsweise gegeneinander austauschbar.

In Fig. 1 sind die Einheiten 1 miteinander über Rohre 2 verbunden, von denen jedes ein Vakuumventil j5 enthält.Die Vakuumventile 3 sind so ausgeführt, daß, zumindest wenn sie offen sind, für die Laserstrahlen eine ununterbrochene Bahn über die gesamte Länge der Einheiten vorhanden ist.

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Jede Einheit 1 ist vakuumdicht und über eine Öffnung 4-an eine nicht dargestellte Vakuumeinheit angeschlossen, um mit üblichen Einrichtungen einen Solldruck in der Größenordnung von ungefähr ΛΟ~-^? mmHg in allen Teilen der Vorrichtung aufrecht zu erhalten. Jede Einheit be- · nötigt weiterhin Kühl- und elektrische Energie für die Öfen und für andere Funktionen, die im folgenden genauer beschrieben werden. Die elektrische Energie wird allen Einheiten von einer herkömmlichen Energiequelle 5 über die Leitungen 6 und 7 zugeführt. Die Kühlung kann mittels Wasser aus einer nicht dargestellten Quelle durchgeführt werden, das über Leitungen 8 zugeführt wird.

In Fig. 1 sind zwei Laser 9 und 10 auf der einen Seite der Säule dargestellt. In dieser Ausführungsform bestrahlen die Laser tatsächlich das gleiche, durch alle Einheiten verlaufende säulenförmige Volumen. Dies ist beispielsweise in Fig. 1 auf folgende Weise erreicht: Der Strahl 11 des Lasers 9 und der Strahl 12 des Lasers 10 treffen beide auf dieselbe Fläche eines zweifarbigen Spiegels auf. Der Aufbau des zweifarbigen Spiegels 13 ist so gewählt, daß der Strahl 11 von dem zweifarbigen Spiegel durchgelassen und der Strahl 12 reflektiert wird.Wenn die Winkel entsprechend eingestellt sind, kann die gewünschte Bestrahlung desselben säulenförmigen Volumens durch beide Lasersbrahlen erreicht werden. Der den zweifarbigen Spiegel 13 verlassende Strahl 14 stellt dann den Erregungs- und denlonisierungslaserstrahl dar. Hierbei ist es nicht wichtig, ob der Laser 9 oder der Laser 10 der Erregungs- oder lonisierungslaser oder umgekehrt ist. Der einzelne dargestellte Laser 9 und 10 kann genauso eine Anordnung solcher Laser darstellen, die dann entsprechend ausgeridfcet und synchronisiert sind.

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Das Laserlicht fällt in die Säule der Einheiten und in das Vakuumsystem durch ein Fenster 15 ein, das beispielsweise aus einer optischen Quarzsorte zusammengesetzt sein kann. Ein langes evakuiertes Rohr 16 ist zwischen dem Fenster und der Eintrittsstelle der ersten Einheit vorgesehen, um eine mögliche Verunreinigung der Fensteroberfläche beispielsweise durch Urandampf zu vermeiden. Um die Darstellung zu vereinfachen und zu verdeutlichen, ist eine derartige elektronische oder eine andere Einrichtung, die benötigt wird, um den Betrieb der gesamten Anordnung zu steuern, nicht dargestellt. In Fig. 2 ist ein Querschnitt einer Einheit dargestellt, der senkrecht zur Laserstrahlrichtung 14 verläuft. Die meisten Bauelemente besitzen eine Länge in Richtung des Laserstrahls von ungefähr 1 m. Die Wandungen der Einheit sind aus einem für Vakuumzwecke besonders gut geeignetem Material wie beispielsweise rostfreiem Stahl zusammengesetzt und sind in der Querschnittsdarstellung mit den Bezugs zeichen 17 "bis 23 bezeichnet .Die Teile 21 bis 23 umschließen den Ofen und den Uranvorrat; die Teile 17 bis 20 umschließen den Einwirkungsbereich der Laserstrahlen, den Bereich zum Anlegen der elektromagnetischen Trennvorrichtung und die Speicheranordnungen für die getrennten Isotopen. Ein Teil, beispielsweise das Teil 18, ist abnehmbar ausgebildet, um einen Zugang zum Inneren der Einheit zur Isotopenentnahme, zum Nachfüllen des Brennstoffes, zur Instandsetzung und Erhaltung u.a., zu ermöglichen. Abschlußplatten zur Vervollständigung der Anlage, die mit den Rohren 2 der Fig. 1 verbunden sind, sind nicht dargestellt.

Die Kühlrohre 8 sind in den verschiedenen Wandungen der Einheit fortgeführt, um die Einheit auf einer mittleren Temperatur zu halten. Jede der zusammengesetzten Einheiten ist vakuumdicht und über eine Verbindungsleitung *}· an

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eine nicht dargestellte Vakuumpumpe zur Aufrechterhaltung des Vakuums in den Einheiten angeschlossen.

Im unteren Teil der Einheit sind ein Uranofen 24 und eine Collimationseinrichtung 28 angeordnet. Diese weisen Heizelemente 25j einen Schmelztiegel mit flüssigem Uranmetall 27, einen Collimator 28 und in einem Abstand zueinander angeordnete Strahlungsumlenkbleche 29 und 30 auf. Der Schmelztiegel 26 und der Collimator 28 bestehen aus geeignetem Mtzebeständigen Material wie beispielsweise Graphit. Die Temperatur an der dem Uran ausgesetzten Fläche beträgt ungef-ähr 230O⁰C; in diesem Fall beträgt dann die Dichte der Uranatome in dem Urandampf ungefähr 10 Atome/cm . Aufgrund der Ausführung des Collimators ist der Strahl aus Urandampf leicht divergent. Ein Grund, warum der Bereich der flüssigen Uranoberfläche außerhalb der Fläche verläuft, von der eine gerade Linie direkt durch den Collimator gezogen werden kann, ist der folgende: Eine Kontaktionisation von Uranatomen ist an Graphitoberflächen wahrscheinlicher als an flüssigen Uranoberflächen. Die dargestellte Anordnung vermindert daher den lonenanteil in dem austretenden Uranstrahl.Mithilf e der Umlenkbleche 29 und 30 werden die Wärmeverluste des Ofenbereichs vermindert. Durch die vertikale Anordnung des Ofens ist sichergestellt, daß Uranatome, die auf den Collimator aufprallen (da sie zu den Atomen, die durch den Collimator strömen, entgegengesetzt ausgerichtet sind), in der flüssigen Form kondensieren, (der Schmelzpunkt von Uran liegt ungefähr bei 115O⁰C) und unter der Schwerkraft in das Hauptbecken des flüssigen Urans 27 zurückfließen. Der Collimr „or 28 wird hierbei auf einer Temperatur gehalten, die niedriger ist als die flüssige Uranschmelze 27, aber über dem Schmelzpunkt des Urans liegt.

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Der von dem Collimator in den oberen Teil der Einheit austretende atomare Strahl füllt im wesentlichen den Bereich 31 aus. Das von dem Laser bestrahlte Teil 32 des Bereichs 31 ist in Pig. 2 kreisförmig dargestellt; es braucht aber nicht unbedingt diese Form aufzuweisen, aber es sollte so ausgebildet sein, daß alle Atome in dem Strahl durch den bestrahlten Bereich hindurchmüssen. Gleichzeitig sollte das Teil 32 nicht weit über die Ränder des atomaren Strahls hinausstehen. Die Wiederholungsfrequenz der Laser entspricht vorzugsweise der von einem Uranatom benötigten Sollzeit, um das bestrahlte Teil 32 zu durchqueren; eine Frequenz von 10 kHz kann hierbei als üblich angenommen werden.

Vier Auffangplatten 33 bis 36 sindum das bestrahlte Teil 32 herum angeordnet. Diese Platten können aus rostfreiem Stahl oder einem anderen geeigneten hitzebeständigen Material zusammengesetzt sein. Die Auffangplatten liegen auf den Wandungen der Einheit auf; hierbei sind aber die mechanischen Verbindungen (wie üblich) so angeordnet, daß die Platten elektrisch von den Wandungen ebenso wie voneinander isoliert sind. Die Platten werden auf einer hinreichend niedrigen Temperatur gehalten, so daß auf die Platten auftreffende Uranatome in fester Form sich niederschlagen. Hierzu können, wenn es notwendig ist, die Platten gekühlt werden. Bei Fehlen eines Abscheidungssystems würde das meiste Uran auf die Platten 33 und 35 auftreffen. Mithilfe des unten beschriebenen Abscheidungssystems wird das Uran U -^ auf die Platte 36 gelenkt, während das Uran U ^ in der Hauptsache auf die Platten 33 und 35 auftreffen. Auf der Platte 3²J- wird nicht viel Uran eingefangen, aber sie dient zur Aufrechterhaltung der Symmetrie der elektrischen Felder während der Abscheidungsphase.

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Die in den Fig. 2 und 3 dargestellte Abscheidungsanordnung arbeitet nach dem Prinzip eines magnetohydrodynamischen Querf eld-Beschleunigeis niedriger Belegung. Me Arbeitsweise dieser Einrichtung wird im einzelnen beschrieben, wenn seine Einzelteile angegeben sind. Die gesamte Einheit liegt auf einer Tragplatte 37 auf und ist von einem Stück Magneteisen 38 mit Polschuhen 39 bis 41 umgeben. Jeder Polschuh besitzt eine dargestellte, aber nicht näher bezeichnete Erregungsspule. In dem von den Lasern bestrahlten Bereich verläuft die Richtung des'Magnetfeldes von dem Polschuh 39 zu dem Polschuh Dieses Magnetfeld ist für die Arbeitsweise des Querfeld-Beschleunigers wesentlich.

Im Bereich des Collim'ators 28 verläuft das Magnetfeld von dem Polschuh 39 zu dem Polschuh 41, d.h. es bildet einen Winkel mit der mittleren Bewegungsrichtung des atomaren Strahls in dem Collimator. Mittels des Polschuhs 41 wird ein Magnetfeld an oder im den Qilimator 28 erzeugt, der die Strömung von ionisiertem Uran aus dem Collimator unterbindet.

Die Magnetfeldstärken liegen üblicherweise zwischen 100 und 1000 Gauss.

Die weiteren Einzelheiten des magnetohydrodynamischen Querfeld-Beschleunigers sind am besten in Fig. 3 zu erkennen. An jedem Ende jeder von den Lasern bestrahlten Säule sind Elektroden 42a, b, c und 43a, b, c vorgesehen, die ungefähr einen Meter in jeder Einheit auseinanderliegen. Zur Regelung des elektrischen Stroms durch die Säule des teilweise ionisierten Urandampfes in dem Teil 32 wird den einander gegenüberliegenden Elektroden 42a, b, c und 43a, b, c Energie von einem Netzgerät 44

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zugeführt. Das Netzgerät 44 ist vorgesehen, um die Elektroden 42a, b, bzw. c auf geregelten unterschiedlichen Spannungen zu halten. Me Elektroden können hierbei aus einem geeigneten Material, beispielsweise Graphit, aufgebaut sein. Die Unterteilung der Elektroden dient hierbei zur Steuerung des Beschleunigerbetriebs und die Zahl der Unterteilungen kann hierbei größer oder kleiner als 3 sein. Die Elektroden müssen hierbei so angeordnet sein, daß sie die Laserstrahlen nicht schneiden; sie können an den Enden der Säule in einer Richtung parallel zu dem Magnetfeld leicht verschoben sein. Wenn die Elektroden wie in der Darstellung unterteilt sind, werden die Potentiale an benachbarten Elektroden an jedem Ende der Säule aufrechterhalten, damit durch ein elektrisches Feld die Ionen gegen die Auffangplatte 36 gelenkt werden.

Im allgemeinen wird davon ausgegangen, daß das Netzgerät einen konstanten Stromimpuls liefert, obwohl in der Praxis auch andere Anordnungen verwendbar sind. Wenn der Strom und die Stromdichte konstant bleiben, bleibt auch die Gröese der pro Volumeneinheit angelegten Kraft konstant. Die ionisierte Komponente des Urans ist dann einer konstanten Beschleunigung unterworfen. Wenn beispielsweise der Strom 1 AmpSre beträgt, der Querschnitt

ρ
der Säule 1 cm ist, das Magnetfeld 1000 Gauss beträgt

, g

und die Dichte der Ionen des Urans U ^ 10 cm ist, dann ergibt sich eine Beschleunigung von ungefähr 2,5

11
mal 10 cm/sek. Wenn diese Beschleunigung eine yusek aufrechterhalten wird, dann beträgt die Endgeschwindigkeit der Uran U²⁵^-Ionen in Richtung der Platte 36 2,5 mal ΙΟ-⁷ cm/sek. Da diese Geschwindigkeit wesentlich größer ist als die Eigengeschwindigkeit des atomaren Strahls,

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die in der Größenordnung von 3 mal 10 cm/sek liegt, reicht die Laserbeschleunigung aus. Die Verschiebung des Urans U-^ während der Beschleunigungsphase beträgt 1,25 mm, eine Distanz, die erheblich kleiner ist als ähnliche Werte für die mittlere freie Weglänge bei Ladungsaustausch. Diese Stichprobenwerte stimmen mit dem vorerwähnten Merkmal der Erfindung überein, nämlich daß die Abs cheidungs geschwindigkeit für die Uran U -^-Ionen dadurch gewonnen wird, daß ihre Versetzungen während der Beschleunigungsphase wesentlich geringer sein sollen als eine mittlere freie Weglänge bei Ladungs aus taus ch.

Das Netzgerät 44 muß den erforderlichen Strom liefern, obwohl zwei Spannungen entgegenwirken. Die erste dieser Spannungen ist niedrig und entspricht dem elektrischen Widerstand des Mediums, etwa 10 V, wenn die Einheit 1 m lang ist. Die zweite Spannung ist die durch die Beschleunigung der Ionen induzierte Gegen-EMK. Diese Spannung ist anfangs Null und nimmt bis auf einen Endwert von ungefähr 250 V zu, wenn die Ionengeschwindigkeit 2,5 mal 1O^ cm/sek beträgt.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wechselt die Richtung des Magnetfeldes und des Stromflusses in aufeinanderfolgenden Einheiten jeweils ab, wodurch der Aufbau von unnötig großen Spannungen entlang der Säulenlänge verhindert ist.

Die tatsächliche Ionenbeschleunigung wird durch ein elektrisches Feld in Richturg der Auffangplatte 36 erreicht. Das elektrische Feld wird durch den Strom und das MagnetSLd in den in diesem Bereich arbeitenden magnetohydrodynamischen Querfeld-Beschleunigern erzeugt, wobei

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die Elektron-Zyklotron-Frequenz erheblich höher liegt als die Kollisionsfrequenz (^ 71/M). Die Größe des

e s

elektrischen Feldes bei den angeführten Parametern beträgt ungefähr 60 V/cm; dieses Feld regelt die relativen Potentiale der Elektroden an jedem Ende der Säule, wenn diese Elektroden unterteilt sind. Je größer der Unterteilungsgrad ist, um so mehr nehmen die Verluste ab, die auf Inhomogenitäten an den Enden der Säule beruhen. Die elektrische Isolation der vier Auffangplatten voneinander trägt ebenfalls zur Aufrechterhaltung einer genauen elektrischen Feldverteilung bei.

Wenn die Beschleunigungsphase abgeschlossen ist, wird das Netzgerät 44 abgetrennt, damit keine weiteren Kräfte von außen auf die Ionen ausgeübt werden. Wie bereits

2-55 früher ausgeführt, bewegen sich dann die Uran U -^-Ionen mit ihrer Endgeschwindigkeit weiter auf die Auffangplatte 36 unbeschadet der Kollisionen mit Ladungsaustausch zu.

Die Betriebsweise des oben beschriebenen Trennungssystems ist nun ebenfalls besprochen. Der atomare Uranstrahl strömt fortwährend aus dem Ofen durch den Collimator hindurch. Die Laser arbeiten gleichzeitig mit Impulsen von ungefähr 10 nsek-Dauer. Unmittelbar nach den !Laserimpulsen liefert das Netzgerät für den magnetohydrodynamischen Querfeld-Beschleuniger einen Impuls von 1 A für eine Dauer von 1yusek; dann wird der Schaltkreis für die Energieversorgung geöffnet. Dieser Vorgang wird mit einer solchen Frequenz wiederholt, daß das gesamte an dem Collimator austretende Uran bestrahlt wird, was bei einer Frequenz von etwa 10 kHz geschieht. Schließlich ist dann das gesamte natürliche Uran in dem Ofen

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verdampft worden; zu diesem Zeitpunkt kann dann die Einheit von der Säule entfernt und geöffnet werden. Die Auffangplatten mit angereichertem und verarmten Uran werden herausgenommen, ein neuer Vorrat unbearbeiteten Materials und neue Auffangplatten werden eingesetzt,die Einheit geschlossen und wieder in Betrieb genommen·

Die bevorzugte Äusführungsform ist in Verbindung mit den Fig. 1 bis 3 beschrieben worden; es sind aber auch noch viele Abänderungen und Modifikationen möglich, von denen einige im folgenden beschrieben werden.

Die beträchtliche Länge der in Fig. 1 voagßschlagenen Anlage hängt von der Notwendigkeit ab, daß eine lange Wegstrecke durch den Urandampf erforderlich ist, wenn die Ionisxerungsphotonen tatsächlich absorbiert werden sollen. Die Länge der Anlage kann verringert werden, wenn die Laserstrahlen nicht nur einmal, sondern mehrere Male durch den Urandampf hindurchgehen. Dies kann beispielsweise mithilfe von Spiegeln erreicht werden. Wenn beispielsweise an der gegenüberliegenden Seite der Säule ein Spiegel angeordnet ist (hierbei ist ein langes evakuiertes Rohr verwendbar, das dem ßohr16 in Fig. 1 ähnlich ist), durchqueren die Laserstrahlen die Säule zweimal} mithilfe zusätzlicher optischer Einrichtungen sind noch weitere Durchquerungen möglich. Da die Absorption der Ionisxerungsphotonen von der Gesamtweglänge durch den Dampf abhängt, kann die Länge der Säule entsprechend der Anzahl der Durchquerungen verkürzt werden. Auf diese Weise kann dann ein kleineres System aufgebaut werden, das (abgesehen von den Verluien in den zusätzlichen optischen Einrichtungen) genau so leistungsfähig ist wie ein größeres Sjsbem.

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Genau so kann auch das optische System modifiziert werden, wenn die obenerwähnte Schwierigkeit bei der Äbsorp-

O7.Q

tion der Erregungsstrahlung durch das Uran U ^ berücksichtigt wird. Diese Schwierigkeit kann vermindert werden, wenn die Erregungsstrahlung (aber nicht die Ionisierungsstrahlung) gesondert jeder der einzelnen Gruppeneinheiten oder sogar gesondert jeder Einheit zugeführt wird. In jedem Fall sind dann zusätzliche optische Bauelemente und Synchronisierungseinrichtungen erforderlich. Weiterhin ist es auch nicht erforderlich, daß die beiden Photonenstrahlen dem Urandampf aus derselben Richtung zugeführt werden.

Wenn aus irgendeinem Grund zur Erregung mehrere Laser verwendet werden, kann ein Laser geringer Leistung mit einer Frequenz-Rückkopplungssteuerung verwendet werden, der dann als Frequenznormal für die übrigen Erregungslaser dient. In diesem Fall arbeitet dann der Steuerlaser als sehr genauer Oszillator, während die anderen Laser als Verstärker arbeiten.

Genauso könnte natürlich auch das Uran U ^ anstelle in Richtung der Platte 36 auch in Richtung der Platte 35 beschleunigt werden; hierbei müßte dann entweder die Stromrichtung oder die Richtung des Magnetfeldes umgekehrt werden. Es wurden dann auch noch einige Veränderungen in dem geometrischen Aufbau erforderlich sein, damit die Platte 35 nicht den neutralen atomaren Strahl unterbricht; eine solche Änderung hat sdbh aber für den Fall als brauchbar erwiesen, wo als Folge von Uran U -Ansätzen, die sich von den Platten 35 und 33 ablösen, Schwierigkeiten bei der Verunreinigung der Platte 36 auftreten.

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Eine Modifikation des magnetohydrodynamischen Querfeld-Beschleunigers ^r kann aus einer Grundeinheit gewonnen werden, die abgesehen von dem Magneten- und dem Elektrodenaufbau der in Verbindung mit Fig. 2 beschriebenen Ein- hext ähnlich ist. Wenn die Richtung des Stroms und des Magnetfeldes gegeneinander ausgetauscht wird, bleibt die resultierende Kraft in der Richtung unverändert, aber ihr Vorzeichen wird umgekehrt. Es ist dann ein Beschleuniger möglich, bei dem das Magnetfeld parallel zu dem Laserstrahl ausgerichtet ist; der Strom fließt dann in dem Dampf in einer Richtung der Auffangplatten 34- und 35 in KLg. 2. Ein derartiges Feld könnte dann beispielsweise durch Einschluß jeder Einheit in einem großen Solenoid geschaffen werden. Die Elektronen verlaufen in diesem Fall entlang der Dampfsäule in jeder Einheit und sind auf den Seiten der Säule sehr dicht an den Platten 34- und 33 angeordnet; eine Unterteilung der Elektro-den ist auch hier wieder von Vorteil. Verglichen mit der dargestellten Ausführungsform erfordert ein Beschleuniger dieser Art,um das gleiche Ergebnis zu erzielen, eine Versorgungseinrichtung mit einem höheren Strom bei niedrigerer Spannung. Beide Systeme weisen somit Vor- und Nachteile auf.

Es ist aber auch möglich, vollkommen ohne den magnetohydrodynamischen Querfeld-Beschleuniger auszukjrfommen. Diese Möglichkeit ergibt sich aus der Tatsache, daß, wenn die durch die Ionisierungsstrahlung von den Uran U -^>-^>-Atomen befreiten Elektronen-Energien in der Größenordnung von einigen Elektronen-Volt aufweisen, das aus den

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Uran U "^-Ionen und denElektronen zusammengesetzte Gas mit einer Geschwindigkeit expandiert, die größer ist als die thermische Geschwindigkeit in dem atomaren Strahl; hierbei entsprechen die Geschwindigkeitsverhältnisse der

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Quadratwurzel aus der Elektronenenergie zu der mittleren Energie der Atome in dem Strahl. Durch die von den elektrischen Kräften hervorgerufene Expansion wird das Uran

U -^ von dem atomaren Strahl entfernt, so daß es getrennt

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von dem Uran U ^ eingefangen werden kann. Bei Beachtung der auf dem Ladungsaustausch beruhenden Einflüsse ist dieses Trennungysverfahren nur bei Höhten zweckmäßig, die niedriger als die oben wiedergegebenen Dichtewerte liegen. Zur Beschränkung der Richtungen, in denen eine derartige Expansion möglich ist, kann ein Magnetfeld verwendet werden.

Schließlich sind auch noch verschiedene Verfahren möglich, um den atomaren Dampfstrahl zu erzeugen. Die Erwärmung mittels eines Strahlungsofens könnte durch eine Elektronenstrahl- oder Hochfrequenz-Induktionserwärmung des Schmelzfriegels und dessen Charge ersetzt werden. Andererseits kann die bei Verwendung eines Schmelztiegels auftretende Schwierigkeit gänzlich dadurch vermieden werden, daß entweder ein Elektronenstrahl oder ein starker Laserstrahl benützt wird, um die Oberfläche des Metalls zu erhitzen und dadurch eine unmittelbare Oberflächenverdampfung anzuregen. Hierbei braucht dann nicht die Temperatur des gesamten Material-Körpers erhöht zu werden. Weiterhin können selbstverständlich die beschriebenen Verfahren und Einrichtungen auch zur Trennung von anderen Uranisotopen als dem Uranisotop U *-* aus einer Mischung von Uranatomen verwendet werden, wobei lediglich die Wellenlänge der Erregungsstrahlung abgeändert zu werden braucht.

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Claims

-30-Patentansprüche

1. Verfahren zur Trennung von Isotopen eines Materials mit einem eisten und einem zweiten Isotop, dadurch gekennzeichnet, daß

(a) ein Dampf mit Atomen des Materials erzeugt wird;

(b) der Dampf einer von einer ersten Strahlungsquelle emittierten Strahlung vorbestimmter Frequenz ausgesetzt wird, durch die die Atome des ersten, aber im wesentlichen nicht die Atome des zweiten Isotops erregt werden;

(c) der Dampf einer von einer zweiten Strahlungsquelle emittierten Strahlung vorbestimmter Frequenz ausgesetzt wird, durch die die erregten Atome des ersten Isotops, aber im wesentlichen nicht die Atome des zweiten Isotops ionisiert werden; und

(d) die ionisierten Atome von den nicht-ionisierten Atomen getrennt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet, daß der Dampf einen atomaren Strahl enthält.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet, daß der Dampf ein einatomiges ^as des Materials darstellt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch g e k e η η zeichnet, daß das einatomige Gas senkrecht zur Emissionsrichtung der zweiten Strahlung eine Ausdehnung aufweist, die klein ist im Vergleich zu der Ausdehnung

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-31-in der Emissionsrichtung.

5. Verfahren nach Anspruch^ dadurch gekennzeichnet, daß die von der ersten Strahlungsquelle emittierte Strahlung im sichtbaren Spektrum liegt.

6. Verfahren nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge der zweiten Strahlung so gewählt wird, daß ein Übergang von dem erregten Zustand in ein Selbsterregungsniveau der erregten Atome des ersten Isotops möglich ist.

7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennung der ionisierten von den nicht-ionisierten Atomen durchgeführt wird durch:

(a) ein magnetisches Feld, das unter einem Winkel zu der senkrecht zu der Strahlungsrichtung der zweiten Strahlung verlaufenden Abmessung des Gases verläuft und durch

(b) ein elektrisches Feld, das unter einem Winkel zu der Richtung des magnetischen Feldes und der senkrecht zu der Strahlungsrichtung der zweiten Strahlung verlaufenden Richtung angelegt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Feld gepulst wird, und jeder Impuls eine Dauer aufweist, die kürzer ist als die mittlere freie Zeit für eine Kollision in dem Dampf mit Ladungsaustausch.

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9. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ionisierten Atome eine Energie von mindestens einem Elektronenvolt aufweisen,damit sie mit einer Geschwindigkeit expandieren, die größer als die thermische Geschwindigkeit der ionisierten Atome in dem Dampf ist, wobei die Geschwindigkeitsverhältnisse etwa der Quadratwurzel des Verhältnisses der Elektronenenergie zu der mittleren Energie in den Atomen des Dampfes entsprechen, und wobei die ionisierten Atome von den nicht-ionisierten Atomen getrennt werden.

10. Verfahren nach Anspruch 4·, dadurch gekennzeichnet, daß ein magnetisches Feld an der Dampfquelle unter einem Wirtel zu der Strömungsrichtung des Dampfes angelegt wird.

1*3. Verfahren nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampf in Form eines langen, schmalen Strahls mit rechtwinkeligem Querschnitt ausgebildet ist, daß die Breite des Strahls senkrecht zu der Strömungsrichtung groß ist im Vergleich zu seiner Stärke senkrecht zu der Strömungsrichtung und der Breite, und daß der Dampf einer ersten Strahlung und einer zweiten Strahlung unterworfen wird, die in Richtung der Strahlbreite wirkt.

12. Verfahren nach Anspruch H₁ dadurch gekennzeichnet, daß das Material Uran und der Dampf aus dem Uran in einer evayikuierten Umgebung bei einer über dem Schmelzpunkt liegenden Temperatur erzeugt wird, und daß die Verdampfung des Urans so durchgeführt wird, daß der Dampf nur aus von der Flüssigkeitsoberfläche des Materials verdampften, neutralen Atomen besteht.

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13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Isotopen des Materials, die getrennt werden, Uran U **·* und Uran U ^ sind.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Isotop"U ^ von dem Strahl senkrecht zu dessen Dicke getrennt wird.

15- Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet,, daß die erste von der ersten Strahlungsquelle emittierte Strahlung im sichtbaren Spektrum liegt.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge der ersten Strahlung ungefähr 5O27.3A* beträgt und die Wellenlänge der zweiten Strahlung ausreicht, um das durch Absorption eines Photons von der ersten Strahlungsquelle erregten Isotops U ^ zu ionisieren, und nicht ausreicht, um das Isotop U * aus dem Grundzustand zu ionisieren.

17. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Trennung von Isotopen eines Materials mit einem ersten und zweiten Isotop nach Anspruch 1,' gekennzeichnet durch:

(a) einen dicht verschließbaren, an eine Vakuumpumpe anschließbaren Behälter mit einer zu einer optischen Achse konzentrischen Öffnung, durch die die Strahlung in das Innere des Behälters gelangt;

(b) eine in dem Behälter untergebrachte Einrichtung zur Erzeugung eines atomaren Strahls aus dem Material, der senkrecht zu der optischen Achse verläuft und parallel zu der Achse eine Ausdehnung aufweist, die groß ist im

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Vergleich zu der Ausdehnung senkrecht zu der optischen Achse;

(c) in dem Behälter angeordnete Auffangplatten zur Aufnahme des atomaren Strahls;'

(d) in dem Behälter angeordnete weitere Auffangplatten neben dem Strahl;

(e) eine erste Strahlungsquelle zur Erzeugung eines ersten Strahlenbündels vorbestimmter Frequenz, durch die die Atome des ersten Isotops, aber im wesentlichen nicht die Atome des zweiten Isotops, erregt werden;

(f) eine zweite Strahlungsquelle zur Erzeugung eines zweiten Strahlenbündels vorbestimmter Frequenz, das die erregten Atome des ersten Isotops, aber im wesentlichen nicht die Atome des zweiten Isotops, ionisiert;

(g) eine Einrichtung zur Ausrichtung der Strahlenbündel in den Behälter entlang der optischen Achse; und

(h) eine Einrichtung zur Ausrichtung der ionisierten Atome in Richtung der zweiten Auffangplatten. -_s

18. Vorrichtung nach Anspruch 17» dadurch gekennzeichnet, daß die Verdampfungseinrichtung einen unter der optischen Achse angeordneten Ofen aufweist, um das Material bei einer über dem Schmelzpunkt liegenden Temperatur zu halten.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Ofen eine Einrichtung zur Collimation des atomaren Strahls aufweist.

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20. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Ausrichtung der ionisierten Atome in Richtung auf die zweiten Auffangplatten folgende Einrichtungen aufweist:

(a) eine Einrichtung zum Anlegen eines Feldes unter einem Winkel, unter dem es die optische Achse schneidet; und

(b) eine Einrichtung zum Anlegen eines elektrischen Feldes, das längs und in der optischen Achse verläuft.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß ein Impulsgenerator vorgesehen ist, von dem jeder Impuls eine Dauer besitzt, die kürzer ist als die mittlere freie Zeit für eine Kollision in dem Strahl bei Ladungsaustausch.

22. Vorrichtung nach Anspruch 17» dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Ausrichtung der ionisierten Atome in Richtung auf die zweiten Auffangplatten eine Einrichtung zur Abgabe der ionisierten Atome mit einer Energie von wenigstens einem Elektronenvolt aufweist, so daßdLe Atome mit einer Geschwindigkeit expandieren, die größer ist als die thermische Geschwindigkeit der nicht-ionisierten Atome in dem Strahl, und wobei das Geschwindigkeitsverhältnis etwa gleich der Quadratwurzel aus dem Verhältnis der Elektronenenergie zu der mittleren Energie in den Atomen des Strahls ist.

23. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß Spulen betrieben werden, um ein Magnetfeld an der Strahlquelle unter einem Winkel zu der Strömungsrichtung des Strahls zu erzeugen.

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