DE2324779B2

DE2324779B2 - Verfahren zur trennung von gasfoermigen stoffgemischen unter verwendung von laserstrahlen

Info

Publication number: DE2324779B2
Application number: DE19732324779
Authority: DE
Inventors: Eberhard DipL-Chem. Dr.; Kersting Arno; 8520 Erlangen Schuster
Original assignee: Kraftwerk Union AG
Current assignee: Kraftwerk Union AG
Priority date: 1973-05-16
Filing date: 1973-05-16
Publication date: 1977-11-17
Also published as: DE2324779A1; AU495879B2; GB1496125A; AU8029575A; FR2306005A1; US4158614A; DE2324779C3; FR2306005B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Trennung von gasförmigen Sioffgemischen unter Verwendung von Laserstrahlen zur Ermöglichung einer gezielten chemischen Reaktion eines Gemischanteils mit einem Reaktionspartner.

Es ist bekannt, daß Moleküle, die aus mindestens 2 verschiedenen Elementen aufgebaut sind, im Infrarotbereich liegende elektromagnetische Strahlung absorbieren. Die Infrarot-Absorptionsspektren spiegeln dabei die Feinheit im Bau der Moleküle wider und haben ihre Ursache in den Energieübergängen der Rotations-Schwingungszustände. Da die Schwingungsenergie eines Moleküls wesentlich von der Masse der beteiligten Atome abhängt, besitzen Moleküle, die eine Elementsorte mit verschiedenen Isotopen enthalten, auch unterschiedliche Infrarot-Absorptionslinien. Diese Feinstruktur der Rotations-Schwingungsspektren kann zur Isotopentrennung oder ganz allgemein zur Stofftrennung ausgenützt werden, wenn die Emmissionslinie eines Lasers mit der Rotations-Schwingungslinie des betreffenden Moleküls der abzutrennenden Atomsorte in Resonanz gebracht und damit angeregt wird. Das auf diese Weise angeregte Molekül kann dann aus seinem höheren Energieniveau herau; mit geeigneten Partnern zur chemischen Reaktion gebracht werden. Mit anderen Worten ausgedrückt, stellt die Absorption eines Linhtqaants durch ein solches Molekül eine Energiezufuhr dar, die in bezug auf die Einleitung bestimmter chemischer Reaktionen einen ähnlichen Effekt, wie z. B. eine Temperaturerhöhung hat.

Nach diesem Prinzip wurde z. B. bereits eine Mischung von Methanol und deuteriertem Methanol durch Bromierung des normalen Methanols getrennt, siehe »Applied Physics Letters«, Volume 17, Number 12, Seiten 516 bis 519. Nach dem gleichen Prinzip wird außerdem bei dem Verfahren nach der deutschen Offenlegungsschrift 19 59 767 die Trennung von Uranisotopen vorgenommen. Die Durchführung dieses bekannten Verfahrens zur Isotopentrennung ist jedoch an drei Bedingungen geknüpft, erstens müssen Laseran-Ordnungen vorhanden sein, die sich auf die gewünschten Molt'külschwingungsfrequenzen abstimmen lassen, zweitens muß die Energie dieser Strahlung genügend hoch sein, damit die chemische Reaktion ausgelöst werden kann, und drittens muß der Reaktionspartner so gewählt werden, daß eine Trennung des neu entstandenen Stoffgemisches in der Reaktionseinrichtung möglich ist. Da die im Infrarotgebiet, z. B. mit Lasern zuführbare Energie jedoch verhältnismäßig klein ist, ist die Durchführbarkeit des bekannten Verfahrens sehr beschränkt. In dieser Offenlegungsschrift wird zwar auch angegeben, diese Energiefrage durch Erhitzen des Reaktionsgemisches noch vor dem Einstrahlen des Laserlichtes zu lösen. Dies hat jedoch den Nachteil, daß dadurch eine Stoß-Verbreiterung der Rotationsschwingungslinien auftritt, was zu einer Herabsetzung der Selektivität führt. Außerdem sind dabei schädliche Reaktionen des erhitzten Gemisches mit dem Material der Reaktionskammerwandung möglich.

Es stellte sich daher die Aufgabe, dieses bekannte Verfahren so weiter zu entwickeln, daß derartige energetische Beschränkungen und Nachteile an Bedeutung verlieren. Die Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch erzielt, daß die Moleküle des abzutrennenden Stoffes in üblicher Weise durch schmalbandige Lichtquellen angeregt werden und die zur Ermöglichung der chemischen Reaktion benötigte Restenergie lediglich dem anderen Reaktionspartner gezielt zugeführt wird. Im Gegensatz zu dem bisher beschriebenen Verfahren wird also ohne schädliche Beeinflussung der Selektivität des durch Laserstrahlung anzuregenden Stoffes die für die chemische Reaktion benötigte Restenergie nur dem Reaktionspartner zugeführt Dieser Energiebetrag wird dabei so bemes-

sen, daß nur die angeregten Moleküle des einen Isotops mit diesem Reaktionspartner reagieren, picht aber die nichtangeregten Moleküle der anderen Isotopen oder Stoffe. Zur Erzielung einer möglichst großen Trennungsausbeute sollte der Reaktionspartner dabei im Überschuß vorhanden sein, damit die für die chemische Reaktion notwendigen Molekularstöße vorzugsweise zwischen de,ν Reaktionspartnern und weniger zwischen den Molekülen des Isotopen- oder Stoffgemisches stattfinden. In letzterem Falle würde die zugeführte Energie größtenteils für den Trenneffekt verlorengehen und der Trenneffekt selbst sich verschlechtern.

Die Zuführung der Restenergie für den Reaktionspartner kann auf verschiedene Weise erfolgen, z. B. durch Aufheizen desselben, bevor er in die Trennkammer eingeführt wird oder durch Energiezufuhr innerhalb der Trennvorrichtung mit Hilfe von Lasern, Infrarotlichtquellen, Ultraviolettlichtquellen usw.

Wenn auch die Durchführbarkeit dieses Trennverfahrens nicht auf spezielle Isotopen- oder Stoffgemische beschränkt ist, so kommt ihm doch besondere Bedeutung auf dem Gebiet der Kerntechnik zu. Hier ist es insbesondere die Trennung der Uranisotopen U 238 und U 235, wie sie zur Anreicherung der Kernbrennstoffe am spaltbaren Uran 235 für die verschiedenen Reaktortypen in unterschiedlichem Maße notwendig ist. Die bisherigen angewandten Verfahren der Gasdiffusion oder der Ultrazentrifuge sind technisch außerordentlich aufwendig und benötigen zudem einen außerordentlich hohen Energieaufwand. Diese Nachtei-Ie haften dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht mehr

Wie bereits erwähnt, ist zur Durchführung dieses Verfahrens auch ein geeigneter Reaktionspartner notwendig. Für die Trennung der Uranisotopen können beispielsweise folgende Reaktionen Verwendung finden, aus denen die Ausgangspartner sowie die chemischen Reaktionspartner zu entnehmen sind:

oder
oder
oder

UF₆H-SF₄- UF4 + SF6

2 UF₆ + SiCl₄- 2 UF₄+ SiF₄+ 2 Cl₂

UF₆ + 2HC1- UF₄ + 2HF + C1₂

2 UF₄+ SO₂- 2 UF₅ + SO₂F₂

40

45

50

Als weiteres Beispiel aus der Kernreaktortechnik sei die Trennung von Borisotopen genannt, siehe die nachstehende chemische Reaktion:

3(BH₃)₂ + 6NH₃-> 2 B₃N₃H₆+12 H₂

Alle diese Reaktionen laufen normalerweise erst bei erhöhter Temperatur ab. Durch die spezifische Anregung bestimmter Uran- bzw. Borisotopen findet die chemische Reaktion nur zwischen diesen statt, die anderen Isotopenverbindungen bleiben unberührt.

Die für die Durchführung dieser chemischen Reaktionen notwendigen Vorrichtungen werden nachstehend beispielsweise anhand der F i g. 1 bis 3 besprochen. Vorher sei jedoch noch auf einige Verfahrensdaten eingegangen.

Für die beispielsweise genannte Reaktion

UF₆ + 2 HCi - UF₄ + 2 HF ■!- Cl₂

kann z. B. zur Anregung des UF₆ ein mit einem CO-Laser gepumpter abstimmbarer Raman-Spin-Flip· Laser (RSF)-Laser eingesetzt werden. Dieser Laser wird auf eine der zwischen 5,2 und 6,4 μηι liegenden Absorptionsbanden des UF₆ abgestimmt. Die für den Reaktionspartner HCl benötigte Restenergie wird durch Anregung dieses Moleküls bei 3,46 μπι mit Hilfe z. B. eines abstimmbaren Farbstofflasers aufgebracht.

In ähnlicher Weise wird die Anregung zur Durchführung der bereits genannten Bor-Reaktionen durchgeführt. Für die Anregung des Diborans wird wieder ein RSF-Laser verwendet und auf die Absorptionsbande des Diborans bei 5,4 oder 6 μιη eingestellt. Die Absorptionsbande des Ammoniaks liegt bei 3 μιη, die Restenergie wird durch Anregung mit Hilfe einer entsprechenden Frequenz durch einen abstimmbaren Farbstofflaser aufgebracht.

Zur Trennung der Uranisotopen nach der Reaktion

UF₆ + SF₄- UF₄ + SF₆

kann beispielsweise durch Anregung des 235 UF₆ Moleküls mit einem abstimmbaren Leistungslaser, z. B. CO-Laser bei einem der zwischen 5 und 6 μπι liegenden Rotationsschwingungslinien, erfolgen. Die Aufbringung der Restenergie beim Reaktionspartner SF₆ wird durch Aufheizen desselben vor seiner Einspeisung in die Trennkiimmer auf ca. 300° C aufgebracht.

Der Gesamtdruck der Reaktionspartner sollte im Trennraum zwischen 10"² und 760Torr liegen, vornehmlich zwischen 1 und 100 Torr. Die Temperatur der Trennkammer kann dabei zwischen -50 und +200⁰C liegen, vorzugsweise jedoch etwa Raumtemperatur betragen.

Da für die Beurteilung eines solchen Trennverfahrens nicht zuletzt auch die Kenntnis des benötigten Energieaufwandes von Bedeutung ist, sei erwähnt, daß unter Einbeziehung auftretender Verluste für die Abtrennung von lkg U 235 ca. 300 Kilowattstunden elektrischer Energie benötigt werden.

In den F i g. 1 bis 3 sind schematisch drei verschiedene Ausführungsbeispiele von Trenneinrichtunijen dargestellt, die nach dem beschriebenen Prinzip arbeiten. Einander funktionsmäßig entsprechende Bauteile sind dabei mit gleichen Bezugsziffern versehen. Die F i g. 1 zeigt eine Einrichtung, bei der dem Reaktionspartner die benötigte Restenergie in Form von Wärme zugeführt wird. Diese besteht zunächst aus einem Reaktionsrohr ll, das auf seiner einen Seite mit verschiebbaren Sammelbehältern 14 und 15 für die abgetrennten Stoffe versehen ist. Für die Abdichtung ist dabei in an sich bekannter Weise eine Teflonscheibe 16 vorgesehen. An seinem anderen Ende ist der Reaktionsbehälter 1 durch eine strahlungsdurchlässige Scheibe 17 aus z. B. BaF₂ abgeschlossen. Außerhalb dieser Scheibe befindet sich in axialer Richtung ein Hochleistungslaser 4, dessen Strahlung durch das Fenster 17 in den Reaktionsraum eintritt. Das zu trennende Stoff- oder Isotopengemisch befindet sich in einem durch einen Thermostaten 22 auf konstanter Temperatur gehaltenen Sammelbehälter 2 und wird über ein Ventil sowie entsprechende Rohrleitungen in den Reaktionsraum geführt. Ein Manometer dient nach dem Ventil zur Druckkontrolle. Im Reaktionsraum tritt das Stoffgemisch durch eine beispielsweise langgestreckte schlitzförmige Düse 21 aus und wird dabei vom Laserstrahl 5 durchlaufen. Gegenüber der beispielsweise schlitzförmigen Austrittsdüse 21 ist eine gleichartige Austrittsdüse 31 angeordnet, die von dem aus der Vorratseinrichtung 3 entnommenen Reaktionspartner gespeist wird. Vor seinem Eintritt in die Düse durchströmt dieser ein Ventil sowie eine rohrofenförmige Heizeinrichtung 32, die mit einem Temperaturregler 35 und einem Temperatur-

meßgerät 33 versehen ist. Zur Kontrolle des Druckes ist ein Manometer 34 vorgesehen. Beim Zusammentreffen der gasförmigen Stoffe im Reaktionsraum tritt die bereits beschriebene Reaktion ein, der abzutrennende Stoff bzw. das abzutrennende Isotop reagiert chemisch mit dem zugeführten Reaktionspartner 3 und ergibt mit diesem eine neue Verbindung, die sich vorzugsweise in fester Form im Sammelbehälter 14 bzw. 15 ablagert. Die Abgase, bestehend aus den nichtverbrauchten Stoffanteilen des zugeführten Gemisches 2, dem Überschuß am Reaktionspartner 3 und nicht Uran enthaltenden Reaktionsprodukten, gelangen über die Leitung 12 in die Kühlfalle 19. An diese Leitung ist auch die Vakuumpumpe 6 angeschlossen. Die Kühlfallen dienen dabei der Abscheidung der Reaktionspartner und sind von Dewargefäßen 61 umschlossen. Zur Kontrolle des Druckes im Reaktionsbehälter 1 ist ein Manometer 11 vorgesehen, eine nicht dargestellte Regeleinrichtung sorgt für die Konstanthaltung des gewünschten Druckes.

Die in F i g. 2 dargestellte Einrichtung entspricht im wesentlichen der Fig. 1, mit dem Unterschied, daß dem Reaktionspartner 3 die Restenergie über einen Laser oder über eine andere Lichtquelle 6 durch das Fenster 17 zugeführt wird. Die Sammelbehälter 14 und 15 sind hier nicht seitlich verschiebbar zum Zwecke des Auswechselns angeordnet, sondern um eine Achse 13 drehbar. Die nichtdargestellten Elemente entsprechen jenen der Fig. 1. Die Länge der Schlitzdüsen beträgt dabei mehrere Meter, damit eine möglichst große Menge der Reaktionspartner von der Strahlung 5 und 6 erfaßt wird. Wegen der Abscheidung der vorzugsweise festen Reaktionsprodukte sind die Anordnungen nach F i g. 1 und 2 vertikal aufgebaut.
Im Gegensatz dazu ist die in Fig.3 dargestellte Anordnung horizontal angeordnet. Die auf der linken Seite über das Fenster 17 eintretende Strahlung 5 und 6 wird durch einen Spiegel 18 am anderen Ende des Reaktionsraumes 1 reflektiert und durchlaufen also die über die Schlitzdüsen 21 und 31 eintretenden Reaktionspartner wenigstens zweimal. Wird eine optische Faltung des Lichtweges mit Spiegeln 18 vorgesehen, so ergibt sich durch eine mehrfache Reflexion der Strahlen 5 und 6 eine erhebliche Wirkungsgradverbesserung. Dieser ermöglicht außerdem eine wesentliche Verkürzung der gesamten Einrichtung.

Die Sammelbehälter 14 und 15 für die Reaktionspartner befinden sich dabei unterhalb der horizontal angeordneten Schlitzdüsen 21 und 31, deren gegenseitige Zuordnung beispielsweise aus der Nebenfigur 3a zu entnehmen ist.

Selbstverständlich sind noch weitere Varianten im Aufbau solcher Einrichtungen möglich. Auch Kombinationen hinsichtlich der Einbringung der Restenergie für den Reaktionspartner können vorteilhaft sein.

Abschließend sei nochmals betont, daß sich dieses Trennverfahren auch für normale Stoffgemische — also nicht nur für Isotopengemische — eignet, vorzugsweise dann, wenn eine Trennung mit rein chemischen oder physikalischen Mitteln auf erhebliche Schwierigkeiten Stößt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Trennung von g: migen Stoffgemischen unter Verwendung von L ..aerstrahlen zur Ermöglichung einer gezielten chemischen Reaktion eines Gemischanteiles mit einem Reaktionspartner, dadurch gekennzeichnet, daß die Moleküle des abzutrennenden Stoffes in üblicher Weise durch schmalbandige Lichtquellen angeregt werden und die zur Ermöglichung der chemischen Reaktion benötigte Restenergie lediglich dem anderen Reaktionspartner gezielt zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktionspartner so gewählt wird, daß die mit ihm ablaufende chemische Reaktion zu einem nicht gasförmigen, von alleine ausfallenden Produkt führt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Isotopengemische im gasförmigen Zustand getrennt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Restenergie dem Reaktionspartner über eine elektromagnetische Strahlung innerhalb der Trennvorrichtung zugeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der elektromagnetischen Strahlung entsprechend einer Eigenschwingungsfrequenz des Resonanzpartners eingestellt bzw. über Filter aus einem Frequenzgemisch ausgesondert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Trennung eines natürlichen Isotopengemisches von ²³⁵UF₅ und ²³⁸UF₆ als Reaktionspartner SF4 verwendet wird, wobei eine der zwischen 5 und 6 μιη liegenden Rotationsschwingungslinien des ²³⁵UF6-Moleküls durch einen abstimmbaren Leistungslaser, z. B. einen mit einem CO-Laser gepumpten RSF-Laser, in einer Trennkammer angeregt und der Reaktionspartner vor seinem Eintritt in die Trennkammer auf ca. 300° C aufgeheizt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Reaktionspartner SiCl₄, HCl oder SO2 verwendet wird und die Restenergie durch eine elektromagnetische Strahlung innerhalb der Trennvorrichtung und/oder Aufheizung vor Einführung in die Trennvorrichtung zugeführt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Trennung der Isotopen ¹⁰B und "B die Vorverbindung (BH₃J₂ verwendet und mit einem CO-Laser gepumpten RSF-Laser auf den Schwingungslinien 5,4 oder 6,2 μπι angeregt sowie als Reaktionspartner Ammoniak vorgesehen wird, das durch einen abstimmbaren Farbstofflaser innerhalb der Trennvorrichtung auf seiner Absorptionslinie bei 3 μηι angeregt wird.