DE2120401C2

DE2120401C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Trennung von zwei Isotopen eines Stoffes

Info

Publication number: DE2120401C2
Application number: DE2120401A
Authority: DE
Inventors: George Sargent Lincoln Mass. Janes; Richard Harold Boston Mass. Levy
Original assignee: Jersey Nuclear-Avco Isotopes Inc (ndgesdstaates Delaware) Bellevue Wash Us
Current assignee: Jersey Nuclear-Avco Isotopes Inc (ndgesdstaates Delaware) Bellevue Wash Us
Priority date: 1970-03-25
Filing date: 1971-04-26
Publication date: 1982-12-02
Also published as: NL171231C; DE2120401A1; BE782085Q; NL171231B; US3772519A; CH534538A; FR2094967A5; CA945273A; GB1355714A; NL7105640A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Trennung von zwei Isotopen eines Stoffes, dessen Teilchen mit der einen Isotopenart durch Strahlung bestimmter Frequenz in einen angeregten Zustand überführt werden und die angeregten Teilchen durch Strahlung bestimmter Frequenz ionisiert werden, während die Teilchen mit der zweiten Isotopenart im Grundzustand verharren, und die ionisierten von den im Grundzustand verbliebenen Teilchen auf physikalischem Wege getrennt werden.

Die Trennung von Uran in zwei Teile, von denen der eine mit dem spaltbaren Isotop U²³⁵ angereichert ist, während der andere Teil entsprechend an U²³⁵ verarmt ist, stellt ein wichtiges Verfahren für nukleare Anwendungen dar. Das einzige, zur Zeit in der Industrie benutzte Trennungsverfahren ist das Gas-Diffusionsverfahren. Es wurden zwar noch verschiedene andere Verfahren vorgeschlagen, wie beispielsweise eine elektro magnetische Trennung, eine Zentrifugaltrennung, oder eine Trennung durch thermische Diffusion, aber keines dieser Verfahren brachte irgendwelche Vorteile gegenüber dem Trennungsverfahren mittels Gas-Dsffu- sion.

Die Erfindung stellt eine Verbesserung eines anderen Isotopen-Trennverfahrens dar, das im einzelnen in der US-PS 34 43 087 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 gering-

M fügig von den Wellenlängen der entsprechenden Linien in dem Spektrum eines anderen Isotops desselben Elements unterscheiden. Selbst wenn die Elemente, aus denen eine Molekular/erbindung gebildet wird, isotopenrein sind, ergibt die Spektraluntersuchung der Ver- bindungen mit verschiedenen Isotopen geringfügige Verschiebungen in den Wellenlängen der einzelnen Linien in dem 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 z. B. 3900 A besitzt Bei der Absorption kann ein aus einem Isotopengemisch zusammengesetztes Gas mit Licht bestrahlt werden, das einen schmalen Wellenbereich bei oder in der Nähe der natürlichen Wellenlänge eines einzelnen Isotops enthält Eine Probe Urandampf mit Atomen U²³⁵ und U²³⁸ kann beispielsweie einem Lichtstrahl ausgesetzt werden, dessen Wellenlängen auf ein schmales Band von 0,01 Ä beschränkt t:irt auf eine Durchschnittswellenlänge mittig eingestellt sind. Dieses Licht wird von den U^-Atomen stark, aber von den U²³^AtO-men nur schwach absobiert Durch die Bestrahlung ent- steht ein Gasgemisch, das aus angeregten und im Grundzustand befindlichen Atomen zusammengesetzt ist, wodurch die Population von angeregten Atomen im U²³⁵ angereichert und die Population von Atomen im Grundzustand entsprechend im U²³⁵ verarmt ist

Die Isotopenverschiebung in der vorerwähnten US-PS wird durch die Bestrahlung eines Gases, das aus einer Uran-Verbindung, beispielsweise Uranhexafluorid UFe, zusammengesetzt ist, mittels zweier Lichtquellen en-eicht Hierbei ist die Bandbreite der ersten Licht quelle schmal und ihre Wellenlänge so gewählt, daß vorzugsweise die UFe-Moleküle angeregt werden, die ein Atom U²³⁵ enthalten. Die zweite Lichtquelle dient nur zur Ionisierung der Moleküle, die sich im angeregten Zustand befinden, während die Moleküle im Grundzu stand nicht beeinflußt werden. Da die Besetzung der an geregten Molekülezustände, die von der ersten Lichtquelle erzeugt werden, indem U²³⁵ erhöht wird, wird auch die Besetzung der ionisierten Molekülezustände, die von der zweiten Lichtquelle erzeugt werden, im U²³⁵ vergrößert Die auf die beschriebene Weise erzeugten ionisierten Moleküle können dann von den neutralen Molekülen mittels elektrischer oder magnetischer Felder getrennt werden.

Die der Erfindung.ugrunde liegende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zur Trennung von zwei Isotopen eines Stoffes der eingangs definierten Art zu schaffen, welches besonders einfach und mit hohem Wirkungsgrad durchgeführt werden kann. Ebenso ist es Aufgabt s der Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens anzugeben.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß der aufzutrennende Stoff im elementaren Zustand eingesetzt und vor der Strahlungseinwirkung verdampft wird. Zweckmäßigerweise wird die VerJa.vi>fi!r.i des aufzutrennenden Stoffes in der Art durchgeführt, daß ein atomarer Dampfstrahl erzeugt wird.

Im einzelnen kann die Erfindung dadurch eine vorteilhafte Weiterbildung erfahren, daß ein atomarer Dampfstrahl erzeugt wird, dessen Wirkungsquerschnitt in einer zur Ausbreitungsrichtung des Dampfstrahles senkrechten Ebene lang und schmal ist

Weiterhin ist gemäß der Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen mit einer an eine Vakuumpumpe angeschlossenen Vakuumkammer mit einer konzentrisch um eine optische Achse angeordneten öffnung zum Eintritt der Strahlung, weiter mit einer Strahlungsquelle bestimmter Frequenz zur selektiven Anregung, einer Strahlungsquelle bestimmter Frequenz zur Ionisierung der angeregten Teilchen, mit Einrichtungen zur Ausrichtung der Strahlungen längs der optischen Achse der Vakuumkammer und mit einer Einrichtung zum Trennen der erzeugten ionisierten und der nicht ionisierten Teilchen und zum Auffangen derselben.

Erfindungsgemäß ist im Inneren der genannten Vakuumkammer eine Einrichtung zur Erzeugung eines atomaren Dampfstrahles vorgesehen, die derart ausgerichtet ist, daß der Dampfstrahl senkrecht zur optischen Achse der Kammer verläuft

In weiterer Ausgestaltung der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfaßt die Einrichtung zur Erzeugung des atomaren Dampfstrahles einen Heizofen mit Heizelementen, einen Schmelztiegel, einen Kollimator und Strahlenschutzbleche. Zweckmäßigerweise ist bei diesem Ausführungsbeispiel das Heizelement als Elektronenstrahlheizung ausgebildet

Während in dem in der vorerwähnten Patentschrift beschriebenen Verfahren als Arbeit-medium eine molekulare Verbindung verwendet ist, werden bei dem Verfahren gemäß der Erfindung als Arbeitsmedium Atome, beispielsweise Uranatome, verwendet, deren so 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 Bestrahlung geeignet sind, stellt einen der Gründe dar. Das Spektrum der Uranatome weist viele Beispiele für die Isotopenverschiebung im sichtbaren Bereich des Spektrums auf; hingegen befinden sich die feststellbaren Isotopenverschiebungen in den molekularen Uranverbindungen größtenteils im Infrarotbereich des Spektrums. Auf diesem Anwendungsgebiet sind Laser alsjLichtquellen aufgrund der großen verfügbaren Intensität geeignet; wegen der schmalen Bandbreite und der hohen Anforderungen an die erste Lichtquelle bezüglich ihrer Wellenlänge muß im augemeinen ein fein abstimmbarer Laser verwendet werden. Zur Zeit verfügbare farbstofflaser mit Bandbreiten von 0,01 Ä können über dem gesamten sichtbaren Spektrum abgestimmt werden. Sogenannte »Dial-a-liiic«- Laser können zur Anregung und iunuieruiig von Atomen verwendet werden. Γ&.' . kJrtinere AbänL-magen dieser Lascranordnung notwendig sind, ¹JTi die erforde·:- Mche schmale Bandbreite und Intensität zu erhalten, kann dies mittels eines herkömmlichen Etalon-Filters L.rraächt werden; hierbei ist der Laser in einem Os?.iilator-Leistungsverstärker angeordnet, in dem ein Laser zur Steuerung eines anderen verwendet wird, um so die zusätzlich erforderliche Intensität für die Anregung zu erhalten. Derartige Laser können für die selektive Anregung von IP^-Atomen gemäß der Erfindung verwendet werden. Insbesondere weist das Spektrum das Uranatoms einige hundert von in Verbindung mit der Erfindung verwendbaren Linien auf. Die durch die Farbstofflaser erreichbare Bandbreite von ungefähr 0,01 Ä ist viel schmaler als die meisten der Isotopenverschiebungen zwischen U²³⁵ und U²³⁸. Eine selektive Anregung des U²³⁵ ist also möglich.

Es ist aber, soweit bekannt ist, kein abstimmbarer Laser mit tier erforderlichen schmalen Bandbreite verfügbar, der im Infrarotbereich des L^ektrums arbeitet Es ist daher nicht sicher, ob für das in der angeführten US-PS 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 lonisierungslasers. Diese Freiheit ist unter der Voraussetzung gegeben, daß der erste oder Anregungs-Laser auf eine geeignete Wellenlänge von z. B. etwa 3900 Ä abgestimmt ist Die Energie eines Photons bei dieser Wellenlänge beträgt etwa 3,2 eV. Die lonisierungsspannung von Uran beträgt ungefähr 6,1 eV. Die Energie, die erforderlich ist, um ein Uranatom zu ionisieren, das durch Absorption eines Photons bei etwa 3900 Ä angeregt wird, ist daher etwas größer als 2,9 eV. Die Photonen des zweiten oder lonisierungslasers müssen daher zur Ionisierung der angeregten Atome eine Energie von etwas mehr als 2,9 eV besitzen; anderereits sollten sie keine Energie von mehr als 6,1 eV besitzen, damit keine direkte Ionisierung der Uranatome im Grundzustand stattfindet. Der entsprechende zulässige Wellenbereich reicht daher etwa von 2100A bis ungefähr 4300 Ä. Im Unterschied zu der Größenbereichsauswahl, die verfügbar i«;t, wenn Uranatome zur Durchführung der Erfindung verwendet werden, ist bei der Verwendung von molekularen Verbindungen, die gemäß dem wiederholt angeführten Verfahren selektiv im Infrarotbereich angeregt werden, 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 Verfügung stehenden Wellenbereichs ist nur darauf zu achten, daß die für die zweite Lichtquelle ausgewählten Wellenlängen nicht einer Resonauzlinie 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 lonisierungslaser a-jf zwei verschiedene Arten ausgenutzt werden kann. Erstens istdie bereits wiederholt angeführte Linie bei etwa ">%j Λ als Wellenlänge für den zweiten Laser zuläsrij; d. ii. durch die Absorption einet zweiten Photons von d<.M ersten Laser durch ein einziges angeregtes U'^r-Atom kann die gewünschte Ionisation

durchgeführt werden. In diesem Fall ist die zweite Lichtquelle vollständig entbehrlich. Zweitens kann in dem großen, für den zweiten Laser brauchbaren Wellenbereich der Vorgang der Selbstionisierung ausgenützt werden. Durch die Selbstionisierung wird die Wahrscheinlichkeit einer Fotcionisierung bei bestimmten, eindeutig festgelegten Wellenlängen vergrößert. Bei Verwendung einer derartigen Wellenlänge kann der Wirkungsgrad einer Trennanlage vergrößert oder die optimale Größe einer solchen Anlage reduziert werden. Wenn eine molekulare Uranverbindung als Arbeitsmedium wie bei dem in der US-PS 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 aufcM Schwierigkeiten vc!!stäiid:g vermieder: sind.

den Impulsen sollte dann ungefähr gleich der Zeit sein, die ein aus dem Kollimator 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 jedem Fall ist die Trennung besser und wirkungsvoller als bei dem in der erwähnten US-PS

to beschriebenen Verfahren. Die mit dem Verfahren gemäß der Erfindung erreichbare Trennung wird bei einem Vergleich mit einem Idealverfahren besser verständlich:

a) hierbei besteht der aus dem Kollimator austretende Uranstrahl gatiz aus neutralen Atomen im Grundzustand;

b) das Verfahren zum Trennen der Ionen von den Atomen ist frei von Verlusten, die beim Mischen,

Beispielsweise kann die Bestrahlung von UF₆ mit ultraviolettem Licht zu einer Ionisierung, einem Zerfall oder zu beidem führen. Wenn daher nur ein 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 Kollimator mit einer Vakuumkammer verbunden ist Die Atome eines solchen Strahls werden im wesentlichen auf einer gekühlten Platte an dem Kollimator aufgefangen, an dem das Uran kondensiert Wenn weitere Auffangplatten in der Vakuumkammer angeordnet sind, die die vorerwähnte Auffangplatte an geeigneten, nicht an dem Kollimator vorgesehenen Stellen enthält, können die einmal ionisierten U^-Atome beispielsweise durch elektromagnetische Einrichtungen aus dem Strahl abgelenkt werden und dann auf solchen zusätzlichen Auffangplatten aufgefangen werden.

Das Trennverfahren gemäß der Erfindung läuft teilweise kontinuierlich und teilweise pulsierend ab: Der Ofen und der Kollimator arbeiten am besten fortlaufend, da ein Uranatomstrahl ständig aus dem Kollimator austritt Aufgrund dar kurzen Lebensdauer sollten, bevor die angeregten Uranatome von selbst in den Grundzustand zurückschwingen, die Laser wiederholt mit hohen Leistungsimpulsen arbeiten. Die natürliche Lebensdauer von angeregten Uranatomen beträgt in der Regel ungefähr 100 nsek. Der Wirkungsgrad des Verfahrens wird daher verbessert, wenn die Anregungsund Ionisierungsstufen in einer Zeit von weniger als ungefähr 100 nsek abgeschlossen sind. Vorteilhafterweise paßt diese Forderung gut zu den Eigenschaften der in diesem Verfahren verwendeten Laser. Die zwei Laser müssen so angeordnet sein, daß sie dasselbe Volumen bestrahlen; die Zündung der zwei Laser muß etwa gleichzeitig erfolgen. Die Wiederholfrequenz ist dadurch bestimmt, daß das gesamte aus dem Kollimator austretende Uran mindestens einem Lichtimpulspaar der Laser ausgesetzt sein sollte. Das Intervall zwischen

c) jedes Anregungsphoton wird durch ein U²³⁵-Atom im Grundzustand absorbiert und jedes Ionisierungsphoton wird durch ein angeregtes U²³⁵-Atom absorbiert;

d) die Laserimpulse regen an und ionisieren jedes U²³⁵AtOm, aber kein U^2M-Atom.

Wenn all diesen Bedingungen genügt wird, ist die erreichte Trennung derart vollkommen, daß jeder austre- tende Strahl isotopenrein ist; das Verfahren ist im Idealfall sogar so wirkungsvoll, daß lediglich ein Anregungsphoton und ein lonisierungsphoton erforderlich ist Um ?in Atom U²³⁵ abzutrennen. 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 aus dem Kollimator austretenden Urans vor einer Bestrahlung angeregt oder ionisiert wird, der Bereich, in dem die nach der Bestrahlung bestehende lonenbesetzung nur aus U²³⁵ gebildet sein kann, deutlich verschlechtert ist Im allgemeinen hängt die Anregung auch nicht von den Dichten, den Kollisionsfrequenzen und den Ausmaßen ab. Da aber Temperaturen von mehr als ungefähr 2000° C in dem Ofen erforderlich sind, tritt eine gewisse Ionisierung des austretenden Uranstrahls, die möglicherweise in der Größenordnung von einigen Prozent liegt, sowohl sis Folge der thermischen Einwirkungen

so gemäß der bekannten Saha-Gleichung als auch aufgrund einer Kontaktionisation auf. Besondere Einrichtungen zur Verminderung der aus dem Kollimator austretenden Ionenzahl werden weiter unten in Verbindung mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungs beispiels besprochea

Zur Erreichung einer guten Trennung ist die unter (b) angeführte Bedingung ähnlich wichtig. In dem idealen Verfahren liegt nach der Bestrahlung durch die zwei Laser ein Zustand vor, bei dem eine vollständige Tren- :

eo nung in beschränktem Maß erreicht worden ist, daß -nämlich das gesamte Uran U²³⁵, aber kein Uran U^{238 :} ionisiert ist In dieser Stufe kann aber noch keine physikaiische Trennung durchgeführt werden. Eine physika- ;> tische Trennung kann nur unter Einwirken geeigneter ; elektrischer oder magnetischer Kräfte an das teilweise '"_- ionisierte Gas durchgeführt werden, in dem die Ionen i U²³⁵ und die neutralen Atome U²³⁸ sind. Eine solche \ Kraft wirkt unmittelbar nur auf die Ionen oder mit ande-

ren Worten nur auf das U²³⁵. Durch die hierdurch hervorgerufene Beschleunigung erhalten die Ionen (U²³⁵) eine gewisse Beschleunigung relativ zu den neutralen Atomen (U²³⁸). Wenn dieser relative Geschwindigkeitsunterschied erhalten bleibt, dann wird die gewünschte physikalische Trennung zwischen dem U²³⁵ und dem U²³⁸ erreicht

Zwei Arten von Zusammenstößen können eine wirkungsvi/ e Durchführung dieser Trennung störend beeinflussen, nämlich Zusammenstöße mit Ladungsaustausch und kinetische Kollisionen. Bei den Kollisionen mit Ladungsaustausch wirkt ein U²³⁵-lon auf tin neutrales U²³⁸-Atom ein; nach der Einwirkung ist dann das U²³⁵ neutral, während das U²³⁸ ionisiert ist. Bei Zusammenstößen mit Ladungsaustausch ist die Momentenänderung vernachlässigbar, so daß die relative Geschwindigkeit zwischen dem U²³⁵ und dem U²³⁸ nicht verändert wird. Bei der Ausführung der Erfindung wird vorzugsweise elektromagnetische Energie an das teilweise

se 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 Ener giezuführung in der beschriebenen Weise halten die U²³⁵-Ionen eine Geschwindigkeit relativ zu den neutralen U²³⁸-Atomen. Die Energiezufuhr wird abgeschaltet, wenn eine ausreichende Beschleunigung erreicht ist. Da, wie oben erläutert, bei Kollisionen mit Ladungsaustausch kein merklicher Momentenübergang stattfindet, können „olche, nach dem Beschleunigungsimpuls auftretende Kollisionen den schießlich erreichten Trennungsgrad nicht mehr herabsetzen, sondern bloß die Verhältnisse der Ionen zu den neutralen Atomen in dem U^2J5-und U^-Strom beeinflussen. Diese Verhältnisse haben keine Bedeutung bei der Bestimmung des erreichten Trennungsgrades oder bei dem Wirkungsgrad des gesamten Verfahrens.

Bei der zweiten Kollisionsart, die eine wirksame Trennung der Isotopen störend beeinflussen kann, finden Kollisionen mit einer Momentenübertragung statt; diese Kollisionen werden auch als gaskinetische Kollisionen bezeichnet Wenn das U²³⁵ eine relative Geschwindigkeit bezüglich des U²³* besitzt, stören solche Kollisionen möglicherweise den relativen Geschwindigkeitsunterschied und machen dann eine Trennung (oder zumindest hohe Trennungsgrade) unmöglich.

Um daher den Einfluß der gaskinetischen Zusammenstöße zu vermindern, ist der atomare Uranstrahl vorzugsweise so ausgebildet, daß die Ausdehnung des Strahls 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 hsiKi. yn'er anderem von dem gewünschten Trennungsgrad, aer Dicti-i J- *>3ndampfes, des gaskinetischen Querschnitts für Uran und von anderen Faktoren ab.

Die Bedingung (c) betrifft eher die wirtschaftliche Verwendung von Laser-Ausgangsenergie 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 U²³⁵-Atomen und der Ausdehnung des Dampfes in der Bestrahlungsrichtung ausreichend groß sein. Die tatsächliche Größe hängt von dem Wirkungsquerschnitt der zu absorbierenden Anregungs- und lonisierungsphotonen ab. Von diesen beiden Wirkungsquerschnitten ist der für eine Fotoionisation bei weitem der kleinere Wirkungsquerschnitt; das gerade erwähnte Produkt wird daher von dem Querschnitt für die Fotoionisation 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 auftritt, die Auswahl von Wellenlängen ermöglicht, bei denen der Fotoionisationsquerschnitt ungewöhnlich groß ist.

Die Richtung des Laserlichtes sollte senkrecht zu der Richtung der durchschnittlichen Bewegung des atoma-

*w IWIl klllUllu VLIIfIUIwIf. fT Iw aUwf UwI Clia ULTCIl CliaULCtl, 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 klein sein. Andererseits muß entsprechend den Bedingungen (c) die andere Ausdehnung des atomaren Strahls (die Bestrahlungsrichtung) senkrecht zu der Richtung der Durchschnittsbewegung den atomaren Strahls gro3 sein. Der Wirkungsquerschnitt des atomaren Strahls soll daher vorzugsweise in einer Ebene senkrecht zur Richtung der durchschnittlichen Bewegung des atomaren Strahls lang und schmal ausgebildet sein. Die Richtung der Durchschnittsbewegung, die Extraktionsrichtung und die Bestrahlungsrichtung verlaufen mehr oder weniger

senkrecht zueinander. Das Gerät zur Durchführung dieser Aufgabe und die üblichen Abmessungen werden unten in Verbindung mit dem bevorzugten Ausführungsbeispie! besprochen.
Die abschließende Überlegung, die sich auf den Trennzugsgrad sowie den Wirkungsgrad der Trennung bezieht, betrifft die Bedingung (d). Wenn das anregende Licht viel mehr von dem U²³⁵ als von dem U²³⁸ absorbiert wird, findet trotzdem zumindest eine gewisse Absorption auch durch das U²³⁸ statt Das Ionisierungslicht

ionisiert alle angeregten Atome, ohne hierbei zu unterscheiden, ob es ein U²³⁵- oder U²³MsOtOp ist Die Absorption von anregendem Licht durch das U²³⁸ vermindert den erreichten Trennungsgrad und den Wirkungsgrad des zugeführten Lichts. Zusätzlich müssen gemäß

so der Bedingung (d) mindestens so viele Photonen in jedem Bestrahlungsimpuls vorhanden sein, wie Uranatome in der Säule des bestrahlten Urandampfes vorhanden sind
Wenn die Säule aus LP^-Dampf eine Länge in der Bestrahlungsrichtung in der Größenordnung der Absorptionslänge eines Ionisierungsphotons aufweist, besitzt sie in derselben Richtung eine Länge, die vielen Absorptionslängen eines Anregungsphotons entspricht Die Absorptionslänge zur Absorption eines Anregungsphotons in der U^-Säule ist größer als die entsprechende Länge der Absorption eines Anregungsphotons in der IPss-Säule aufgrund des Verhältnisses der entsprechenden Wirkungsquerschnitte, aber sie ist kürzer im Verhältnis zu den entsprechenden Dichten des U²³⁸ und U²³⁵. In einigen Fällen kann die Absorptionslänge eine bedeutende Absorption des Anregungslichtes durch das U²³⁸ bei einem entsprechenden Verlust an Gesamtleistung beinhalten. Zur Überwindung dieser

Schwierigkeit werden weiter unten mehrere optische Einrichtungen in Verbindung mit dem bevorzugten Ausführungsbeispiel besprochen. Hierbei sind immer Einrichtungen zur Einführung des Anregungslichts in den Urandampf vorgesehen, so daß das Anregungslicht nicht die Gesamtlänge der Dampfsäule durchmißt, bevor es den ^p.inwirkungspunkt erreicht. In allen Fällen müssen die zwei Bestrahlungen räumlich und zeitlich in dem Einwirkiingsbereich übereinstimmen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Hinweis auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 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 schematische Darstellung der in F i g. 2 dargestellten Elektrodenanordnung.

Wie bereits ausgeführt, SOÜ·.? ?'" atomarer Strahl mit

einem langen, schmalen Wirkungsquerschnitt erzeugt werden. Während die Dicke des Strahls beispielsweise in der Größenordnung von Zentimetern liegen kann, liegt die Gesamtlänge in der Größenordnung von 100 m und mehr; sie ist im Prinzip nur durch die verfügbaren Laserleistungen und durch die optischen Beugungseffekte begrenzt. Um den Aufbau einer solchen Vorrichtung zu vereinfachen, ist, wie in I ig. 1 dargestellt, eine Anzahl weitgehend ähnlicher 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 gegeneinaner austauschbar.

In F i g. 1 sind die Einheiten 1 miteinander über Rohre 2 verbunden, von denen jedes ein Vakuumventil 3 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.

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 10~⁵ mmHg in allen Teilen der Vorrichtung aufrecht zu erhalten. Jede Einheit benötigt 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 λμζ einer nicht dargestellten Quelle durchgeführt werden, das über Leitungen 8 zugeführt wird

In F i g. 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 F; g. 1 ayf folgende Weise erreicht: Der Strahl 11 des Lasers 9 und der Strani 12 des Lasers 10 treffen beide auf dieselbe Fläche eines zweifarbigen Spiegel 13 auf. Der Aufbau des zweifarbigen Spiegels 13 ist so gewählt, daß der Strahl 11 von dem zweifarbigen Spiegel 13 durchgelassen und der Strahl 12 reflektiert wird. Wenn die Winkel entsprechend eingestellt sind, kann die gewünschte Bestrahlung desselben säulenförmigen Volumens durch beide Laserstrahlen erreicht werden. Der den zweifarbigen Spiegel 13 verlassende Strahl 14 stellt dann den Anregungs- und den Ionisierungsluicstrahl dar. Hierbei ist es nicht wichtig, ob der Laser 9 oJür Jer Laser 10 der Anregungs- oder Ionisierungslaser oder umgekehrt ist. Der einzeln dargestellte Laser 9 und «0 kann genauso eine Anordnung solcher Laser darstellen, die dann entsprechend ausgerichtet und synchronisiert sind.

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 veieinfachen 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 Bezugszeichen 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 ti. ä.. zu ermöglichen. Abschlußplatten zur Vervollständigung der Anlage, die mit den Rohren 2 der F i g. 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 4 an eine nicht dargestellte Vakuumpumpe zur Aufrechterhaltung des Vakuums in den Einheiten angeschlossen.

Im unteren Teil der Einheit sind ein Heizofen 24 und ein Kollimator 28 angeordnet. Diese weisen Heizelemente 25, einen Schmelztiegel mit flüssigem Uranmetall 27. einen Kollimator 28 und in einem Abstand zueinander angeordnete Strahlenschutzbleche 29 und 30 auf. Der Schmelztiegel 26 und der Kollimator 28 bestehen aus geeignetem hitzebeständigen Material wie beispielsweise Graphit Die Temperatur an der dem Uran ausgesetzten Fläche beträgt ungefähr 2300⁰C; in diesem Fall beträgt dann die Dichte der Uranatome im Urandampf ungefähr 10^M Atome/cm³. Aufgrund der Ausführung des Kollimators ist der Strahl aus Urandampf leicht divergent Ein Grund, warum der Bereich der flüssigen Uranoberfläche außerhalb der Fläche verläuft, von der

so eine gerade Linie direkt durch den Kollimator gezogen werden ka^n, jst der folgende: Eirv* '" -'alAiornssi-cr von Uranatomen ist an Graphitoberf i^ in wahrscheinlicher als an flüssigen Uranoberflächea Die dargestellte Anordnung vermindert daher den Ionenanteil in dem austretenden Uranstrahl. Mit Hilfe der Strahlenschutzbleche 29 und 30 werden die Wärmeverluste des Ofenbereichs vermindert Durch die verdkaJe Anordnung des Ofens ist sichergestellt, daß Uranatome, die

auf den Kollimator aufprallen (da sie zu den Atomen, die liurt'.i den Kollimator strömen, entgegengesetzt ausgerichtet sind), in flüssiger Forv.i kondensieren, (der Schmelzpunkt von Uran liegt ungefähr bei 115O⁰C) und unter der Schwerkraft in das Hauplbecken des flüssigen Urans zurückfließen. Der Kollimator 2U wird hierbei auf einer Temperatur gehalten, die niedriger ist als die flüssige Uianschmelze, aber über dem Schmelzpunkt des Urans liegt.

Der aus dem Kollimator 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 Fig. 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 hindurch müssen. Gleichzeitig sohle 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

Tpil 32 7Il Hurrhnijprpn; FrC¹USHZ ΥΟΓ! !0 kHz ΚΐΐΓ

strahlten Sä: V sind Elektroder *?a, b, c und 43a, b, r. vorgesehen, die ungefähr einen Meter in jeder Einheit auseinanderlegen. Zur Regelung des elektrischen Stroms durch die -säule des teilweise ionisierten Uran- !Jampfcs in dem Teil 32 ν ;rd den einander gegenüberliegender. Elektroden 42a, b, c und 43a, b, c Energie von einem Netzgerät 44 zugeführt. Das Netzgerä¹ 44 ist vorgesehen, um die Elektroden 42a, b, bzw. c auf geregelten unterschiedlichen Spannungen zu halten. Die F.liktrodcn können hierbei aus einem geeigneten Materia', beispielsweise Graphit, aufgebaut sein. Die Unterteilung der Elektroden dient hierbei zur Steuerui.« di? Beschleunigerbetriebs und die Zahl der Unteiteilungen kann hierbei größer oder kleiner als 3 sein. Die Elektroden müssen hierbei so angeordnet sein, dal? sie die Laserstrahlen nicht schneiden; sie können an den Enden der Säule in einer Richtung parallel zu dem Ma gnetfeld leicht verschoben sein. Wenn die Elektroden, wie in der Darstellung unterteilt sind, werden die Potentiale an benachbarten Elektroden an jedem Ende der

^j.'Ull. UUIIl.ulllV.1 IIUIll.1

(.tu ticMi /silica

hierbei als üblich angenommen werden.

Vier Auffar.,jplatten 33 bis 36 sind um 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 Abscheidung;, stems würde das meiste Uran auf die Platten 33 und 35 auftreffen. Mit Hilfe des unten beschriebenen Abscheidungssystems wird das Uran U²³⁵ auf die Platte 36 gelenkt, während das Uran U²³⁸ in der Hauptsache auf die Platten 33 und 35 auftrifft Auf der Platte 34 wird nicht viel Uran eingefangen, aber sie dient zur Aufrechterhaltung der Symmetrie der elektrischen Felder während der Abscheidungsphase.

Die in den F i g. 2 und 3 dargestellte Ausscheidungsanordnung arbeitet nach dem Prinzip eines magnetohydrodynamischen Querfeld-Beschleunigers niedriger Belegung. Die 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 M^snetfeides von dem Polschuh 39 zu dem Polschuh 40. Dieses Magnetfeld ist für die Arbeitsweise des Querfeid-Seschleunigers wesentlich.

Im Bereich des Kollimators 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 Kollimator. Mittels des Polschuhs 41 wird ein Magnetfeld an oder um den Kollimator 28 erzeugt, der die Strömung von ionisiertCiTi Uran aus dem Koilimator iinterbiisiet

Die Magnetreidstärk?*: Siegen üblicherweise zwischen 100 und 1000 Gauss.

Die weiteren Einzelheiten des magnetohydrodynamischen Querfeld-Beschleunigers sind am besten in F i g. 3 zu erkennen. An jedem Ende jeder von den Lasern beFeld die Ionen gegen die Auffangplatte 36 gelenkt v/erden.

Im allgemeinen wird davon ausgegangen, daß das Netzgerät einen konstanten Stromimpuls li.fert,obwohl in der Praxis auch andere Anordnungen verwendbar sind. Wenn der Strom und die Stromdichte konstant bleiben, bleibt auch die Größe der pro Voiumencinheit angelegten Kraft konstant. Die ionisierte Komponente des Urans ist dann einer konstanten Beschleunigung unterworfen. Wenn beispielsweise der Strom I Ampere beträgt, der Querschnitt der Säuie 1 cm^J ist, das Magnetfeld 1000 Gauss beträgt und die Dichte der Ionen des U²³⁵ 10¹² cm"³ ist, danr ergibt sich eine Beschleunigung von ungefähr 2,5 χ 10'¹ cm/sek². Wenn diese Beschleunigung eine μsek aufrechterhalten wird, dann beträgt die Endgeschwindigkeit der U²³⁵-Ionen in Richtung der Platte 36 2,5 χ 10-' cm/sek. Da diese Geschwindigkeit wesentlich größer ist als die Eigengeschwindigkeit des atomaren Strahls, die in der Größenordnung von 3 χ 10⁴ cm/sek liegt, reich' die Laserbesctileunigung aus. Die Verschiebung des U²³⁵ während der Beschleunigungsphase beträgt 1,25 mm, eine Distanz, die erheblich kleiner ist als ähnliche Werte für die mittlere freie Weglänge bei Ladungsaustausch. Diese Stichprobe.' .vertu stimmen mit dem vorerwähnten Merkmal der Erfindung überein, nämlich daß die Abscheidungsgeschwindigkeit für die U^-Ionen dadurch gewonnen wird, daß ihre Verschiebung während der Beschleunigungsphase

so wesentlich geringer sein soli als eine mittlere freie Weglänge bei Ladungsaustausch.

Das Netzgerät 44 mur d~n erforderlichen Strom liefen;, 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 Gttgen-EMIL Diess Spannung ist anfangs NyI! und nimmt bis auf einen Endwert von ungefähr 250 V zu, wenn die Ionengeschwindigkeit 2,5 χ 10^s cm/sek beträgt

Die Richtung des Magnetfeldes und des Strom?lussei wechselt in aufeinanderfolgenden Hinneiteu jeweils ab, w-.xiurch öer Aufbau von unnötig großen Spannungen entlang der Säulen verhindert ist

Die tatsächliche Ionenbeschleunigung wird durch ein elektrisches Feld ifi Rkhlsng i.<t Auffangplatte 36 erreicht Das¹ elektrische ^i?eld wird Ηιιγ,τΗ .i<»n S;.-.-.-i und

das Magnetfeld in den in diesem Bereich arbeitenden magnetohydrodynamischen Querfeld-Beschleunigern erzeugt, wobei die Elektron-Zyklotron-Frequenz erheblich höher liegt als die Kollisionsfrequenz (ω_Ετ_β> 1). Die Größe des 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 Neugerät 44 abgetrennt, damit keine weiteren Kräfte von außen auf die Ionen ausgeübt werden. Wie bereits früher ausgeführt, bewegen sich dann die U²³⁵-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 fortwärend aus dem Ofen durch den Kollimator 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 1 usek; dann wird der Schaltkreis für die Energieversorgung geöffneL Dieser Vorgang wird mit einer solchen Frequenz wiederholt, daß das gesamte aus dem Kollimator austretende Uran bestrahlt wird, was bei einer Frequenz von etwa 10 kHz geschieht Schließlich ist dann das gesamte natürliche Uran in dem Ofen verdampft worden; zu diesem Zeitpunkt kann dann die Einheit von der Säule entfernt und geöffnet werdea 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 Ausführungsform ist in Verbindung mit den Fig. 1 bis 3 beschrieben worden; es sind aber auch noch viele Abänderungen möglich, von denen einige im folgenden beschrieben werden.

Die beträchtliche Länge der in Fig. 1 vorgeschlagenen Anlage hängt von der Notwendigkeit ab, daß eine lange Wegstrecke durch den Urandampf erforderlich ist, wenn die Ionisierungsphotcnen tatsächlich absorbiert werden sollen. Die Länge der Anlage kann verringert werden, wenn die Laserstrahlen nicht nur einmal, sondern mehrere Male durcn den Urandampf hindurchgehen. Dies kann beispielsweise mit Hilfe 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 Rohr 16 in Fig. 1 ähnlich ist), durchqueren die Laserstrahlen die Säule zweimal; mit Hilfe zusätzlicher optischer Einrichtungen sind noch weitere Durchquerungen möglich. Da die Absorption der lonisierungsphotonen von der Gessjmtweglänge 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 Verlusten in den zusätzlichen optischen Einrichtungen) genau so leistungsfähig ist wie ein größeres System.

Genau ro kann auch das optische System modifiziert

werden, wenn die oben erwähnte Schwierigkeit bei der Absorption der Anregungsstrahlung durch das U²³⁸ berücksichtigt wird. Diese Schwierigkeit kann vermindert werden, wenn die Anregungsstrahlung (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,

ίο daß die beiden Photonenstrahlen desn Urandampf aus derselben Richtung zugeführt werden.

Wenn aus irgendeinem Grund zur Anregung mehrere Laser verwendet werden, kann ein Laser geringer Leistung mit einer Frequenz-Rückkopplungssteuerung verwendet werden, der dann als Frequenznormal für die übrigen Anregungslaser dient In diesem Fall arbeitet dann der Steuerlaser als sehr genauer Oszillator, während die anderen Laser als Verstärker arbeiten. Genauso könnte natürlich auch das U²³⁵ 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 werdea Es würden dann auch noch einige Veränderungen in dem geometrischen Aufbau erforder lieh sein, damit die Platte 35 nicht den neutralen atoma ren Strahl unterbricht; eine solche Änderung hat sich aber für den Fall als brauchbar erwiesen, wo als Folge von (./»»-Ansätzen, die sich von den Platten 35 und 33 ablösen, Schwierigkeiten bei der Verunreinigung der

Platte 36 auftretea

Eine Modifikation des magnetohydrodynamischen Querfeld-Beschleunigers kann aus einer Grundeinheit gewonnen werden, die abgesehen von dem Magneten- und dem Elektrodenaufbau der in Verbindung mit Fig.2 beschriebenen Einheit 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 F i g. 2. Ein derartiges Feld könnte dann beispielsweise durch Einschluß jeder Einheit in einem großen Solenoid ge schaffen 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 Elektroden ist auch hier wieder von Vorteil. Verglichen mit der dar gestellten Ausführungsform erfordert ein Beschleuni ger 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 auszukommen. Diese Möglichkeit ergibt sich aus dsrTais* ehe, daß, wenn die durch die Ionisierungsstrahlung von den U²³⁵- Atomen befreiten Elektronen Energien in der

μ Größenordnung von einigen Elektronen-Volt aufweisen, das aus den U²³⁵-Ionen und den F'^tronen zusammengesetzte Gas mit einer Gesch., igkeit expandiert, die größer ist als die thermische Geschwindigkeit in dem atomaren Strahl; hierbei entsprechen die Gees schwindigkeitsverhältnisse der Quadratwurzel aus der Elektronenenergie zu der mittleren Energie der Atome in dem Strahl. Durch die von den elektrischen Kräften hervorgerufene Expansion wird das U^2M aus dem ato-

maren Strahl entfernt, so daß es getrennt von dem U²³⁸ eingefangen werden kann. Bei Beachtung der auf dem Ladungsaustausch beruhenden Einflüsse ist dieses Trennungsverfahren nur bei Dichten 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 Erhitzung mittels eines Strahlungsofens könnte durch eine Elektronenstrahl- oder Hochfrequenz-Induktionsheizung des Schmelztiegels 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 benutzt 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 Isotop U²³⁵ aus einem Gemisch von Uranatomen verwendet werden, wobei lediglich die Wellenlänge der Anregungsstrahlung abgeändert zu werden braucht

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Trennung von zwei isotopen eines Stoffes, dessen Teilchen mit der einen Isotopenart durch Strahlung bestimmter Frequenz in einen angeregten Zustand überführt werden und die angeregten Teilchen durch Strahlung bestimmter Frequenz ionisiert werden, während die Teilchen mit der zweiten Isotopenart im Grundzustand verharren, und die ionisierten von den im Grundzustand verbliebenen Teilchen auf physikalischem Wege getrennt werden, dadurch gekennzeichnet, daß der aufzutrennende Stoff im elementaren Zustand eingesetzt und vor der Strahlungseinwirkung verdampft wird.

2. Verfahren nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß die Verdampfung des aufzutrennenden Stoffes in der Art durchgeführt wird, daß ein atomarer Dampfstrahl erzeugt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein atomarer Dampfstrahl erzeugt wird, dessen Wirkungsquerschnitt in einer zur Ausbreitungsrichtung des Dampfstrahles senkrechten Ebene lang und schmal isL

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3, mit einer Vakuumkammer mit einer konzentrisch um eine optische Achse angeordneten öffnung zum Eintritt der Strahlung, einer Strahlungsquelle bestimmter Frequenz zur selektiven Anregung, einer Strahlungsquelle bestimmter Frequenz zur Ionisierung der angeregten Teichen, mit Einrichtungen zur Ausrichtung der Strahlungen längs oV optischen Achse der Vakuumkammer und mit einer Einrichtung zum Trennen der erzeugten ionisierten und der nicht ionisierten Teilchen und zum Auffangen derselben, dadurch gekennzeichnet, daß im Inneren der Vakuumkammer (1) eine Einrichtung zur Erzeugung eines atomaren Dampfstrahles vorgesehen und derart ausgerichtet ist, daß der Dampfstrahl senkrecht zur optischen Achse der Kammer verläuft

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung des atomaren Dampfstrahles einen Heizofen (24) mit Heizelementen (25), einen Schmelztiegel (27), einen Kollimator (28) und Strahlenschutzbleche (29, 30) umfaßt

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (23) als Elektronenstrahlheizung ausgebildet ist