DE2353002A1

DE2353002A1 - Verfahren und vorrichtung zur isotopenabtrennung

Info

Publication number: DE2353002A1
Application number: DE19732353002
Authority: DE
Inventors: George Sargent Janes; Richard H Levy
Original assignee: Jersey Nuclear Avco Isotopes Inc
Current assignee: Jersey Nuclear Avco Isotopes Inc
Priority date: 1973-02-02
Filing date: 1973-10-23
Publication date: 1974-08-08
Also published as: SE7314325L; FR2216005A1; GB1440139A; ES420112A1; JPS49105094A; AU6174373A; NL7314885A; IL43511A; IL43511A0; FR2216005B3; CH570192A5; BE807443A; IT999140B; ES428125A1

Description

DR. KARL TH. HEGEL · DIPLo-ING. KLAUS DICKEL

P A T E N T A N W Ä LTB

~I 2OQO Kamburg 50

Größe Bergstraße 223

Postfach 5ΟΟ6Θ2

Telefon: (Ο4Π) 3Θ62Θ5

Telegramm-Adresse: Doellnerpatent

Ihr Zeichen: Unser Zeichen.: Datum

Jersey iiuclear-Avco Isotopes, Inc»

777 106th Avenue, if.E., Bellevue, Washington, V.St«A.

Verfahren und Vorrichtung zur Isotopenabtrennung

Die Erfindung bezieht sich auf die Abtrennung von Isotopen und im besonderen auf ein Terfahren und eine Vorrichtung zur Abtrennung ionisierter Partikel, eines Isotopentyps aus einem Plasma unter "Verwendung von hochenergetischen Elektronen.

Nahezu alle Spaltreaktionen, die das Uranisotop Up^_n- verwenden, erfordern eine Up^c-Isotopkonzentration, die größer ist als"in dem natürlich vorkommenden Stadium. Das Anreicherungsverfahren, bei welchem die Konzentration des Up^₁- in natürlichem oder verbrauchtem Uran bis zu einem gewünschten Niveau erreicht wird, bestand in der Vergangenheit aus vielen Verfahrensschritten, bei welchen im allgemeinen das ^p-zc. von den anderen Uranisotopen, im wesentlichen Up^o? aufgrund des geringen chemischen Unterschiedes oder der Massendifferenz abgetrennt wurde. Die Anreicherung

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nach, diesen Verfahren macht oft hintereinandergeschaltete Vorgänge erforderlich, wobei die gleichen Verfahrensschritte in einer Folge jeweils wiederholt werden und jeder Schritt'zu einem geringen Anstieg der Konzentration des gewünschten Up-^-Isotops führt.

Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Isotopenabtrennung geschaffen, womit ausgewählte Partikel des gewünschten Isotopentyps in einer Umgebung von vielen Isotopen erregt und von den erregten Partikeln ein Ionenpläsma dieses Isotopentyps sowie hochenergetische Elektronen erzeugt werden, und zwar durch die Anwendung einer Energie, die wesentlich über die hinausgeht, die erforderlich ist, um aus dem erregten Stadium Ionisation zu erzeugen», Die hochenergetischen Elektronen dehnen sich mit einer kinetischen Energie aus, die wesentlich größer ist als die thermische oder Grundenergie der Umgebung und die die ionisierten Partikel des gewünschten Isotops mit sich führen.

Obwohl die Erfindung allgemein auf viele Isotopen und Partikel in atomarem, molekularem oder einem anderen Zustand anwendbar ist, eignet sie sich im besonderen für die Anreicherung des Uranisotops Upzc- Hierbei wird ein Dampf elementaren Urans erzeugt und als Dampfstrom in einen Bereich gestrahlt, in welchem er einer Strahlungsenergie von genau vorbestimmter Frequenz und Energie ausgesetzt wird, um wahlweise die Up^(--Partikel zu erregen, ohne daß gleichzeitig die Partikel anderer Isotopentypen in der Dampf Umgebung erregt werden. Die erregten Up, [--Partikel werden aus dem Dampfstrom abgetrennt, indem ihnen eine Energie übertragen wird, die über diejenige hinausgeht, die erforderlich

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ist, um sie zu ionisieren. Im "besonderen wird ein Plasma aus den Ionen dieser Partikel und hochenergetischen Elektronen geschaffen«

Die hochenergetischen Elektronen besitzen eine durchschnittlidie Energie, die wesentlich über der thermischen oder Grundenergie in dem Dampf strom liegt, so daß sie dementsprechend schneller expandieren als die thermische Expansion des Dämpfstromes. Die ionisierten Partikel dieses Isotopentyps werden durch die Erfordernisse der Ladungsneutralität des Plasmas beeinflußt, die expandierenden, hochenergetischen Elektronen zu begleiten, so daß im Prinzip eine Ionenexpansion auf solchen !Flugbahnen erzeugt wird, die sich von derjenigen des Gesamtdampfes wesentlich unterscheidet. Die schnell expandierenden Ionen können dann infolge ihrer unterschiedlichen Geschwindigkeitsvektoren von dem Dampf strom abgetrennt werden. Die lonenf lugbahnen, können zusätzlich beispielsxieise durch die Anwendung eines Haftfeldes, wie ein Magnetfeld, in eine vorbestimmte Expansionsrichtung gelenkt werden. -

Die verbleibenden Bestandteile des Dampfstromes können ebenfalls auf weiteren, in der Bahn des Dampfstromes placierten Platten gesammelt werden, wodurch zwei getrennte Ionensammelstellen für Partikel entstehen, die ^pweils durch die entsprechenden Isotopentypen angereichert sind.

Die Erfindung soll im folgenden anhand einer bevorzugten Aüsführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigt:

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Fig. 1 ein Energieniveau-Diagramm, in welches die für die Erfindung typischen Energieschritte eingezeichnet sind,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Vorrichtung nach der Erfindung,

Pig. 3 eine schematische Darstellung eines Teiles der in Fig. 2 gezeigten Vorrichtung,

Pig. 4 eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform der Vorrichtung gemäß Fig. 3>

Fig. 5 eine schematische Darstellung zur näheren Erläuterung ^c der Erfindung.

Bei der Erfindung handelt es sich um eine Methode zur Abtrennung von Isotopen aus einer Umgebung von mehreren Isotopen, indem man die Partikel eines Isotopentyps erregt und die erregten Partikel ionisiert, um ein Ionenplasma und entsprechende Elektronen zu schaffen. Die Elektronen werden hoch energetisiert, womit gemeint ist, daß ihnen eine zusätzliche Energie übertragen wird, die über diejenige hinausgeht, die erforderlich ist, um die erregten Partikel zu ionisieren. Diese zusätzliche Energie bewirkt, daß die Elektronen aus diesem Umgebung herausexpandieren und wegen der ßTeutralitätserfordernisse der Eaum- oder Plasmaladung die Ionen des gewünschten Isotops mit sich reißen und hinter sich eine höhere Konzentration oder Anreicherung der nichtionisierten Isotope zurücklassen, womit die schnell expandierenden Ionen eine größere Konzentration des einen Isotops aufweisen.

Die Erfindung wird nachfolgend zwar anhand der Anreicherung des U₂-,,--Isotops des Urans beschrieben, die Methode eignet

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sich, jedoch, auch, für andere Isotopen und Materialien. Außerdem können die abzutrennenden Partikel auch, in einer atomaren, molekularen oder einer anderen zweckmäßigen Form vorliegen. Bei der nachfolgenden Beschreibung soll der Begriff "Übergang" allgemein für einen oder mehrere Energieschritte für einen Partikel gelten. Es ist noch, herauszustellen, daß das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung sich zur Anreicherung oder Keinigung von Isotopen in ein oder auch zwei voneinander getrennte Bestandteile eignet.

Die Vorgänge sollen zunächst anhand der IPigur 1 näher erläutert werden. Sie stellt ein Energieniveau-Biagramm dar, an dessen y-Achse die Partikelenergie aufgetragen Ist. Die x-Achse stellt das Grundenergieniveau 12 dar. Nach der Erfindung wird die Erregung der U^-, (--Partikel in einem Urandampf strom bis zu einem Zwischenenergieniveau 14 durch einen Übergang 16 erreicht, und zwar mit Hilfe von Strahlungsenergie mit normalerweise einem oder Iiaserstrahlen, die so abgestimmt sind, daß gerade die Partikel des Up-J₅C--Isotopentyps im allgemeinen von dem G-rundniveau 12 bis zu einem Zwischenenergieniveau 14- erregt werden, ohne daß es dabei gleichzeitig zu einer Erregung der anderen Isotopen, im wesentlichen des ϋ^,ρ-Isotops,des Urans kommt.

Uach der Erfindung werden die Ur an^ -* π -Partikel von dem Zwischenenergieniveau 14 bis "oberhalb des Ionisationsniveaus 18 ionisiert, wobei hinreichend zusätzliche Energie zugeführt wird, um ein Plasma ionisierter Up^-Partikel und entsprechende hochenergetische Elektronen zu erzeugen, die eine Energie besitzen, und zwar in der Hauptsache kinetische Energie, die über das Niveau 18 hinausgeht und beispielsweise im Fall des

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Up₅,j- in etwa bei einem Elektronenvolt (eY) liegt. Man kann diese Überschußenergie so "betrachten, als übertrage man auf die Elektronen des Plasmas eine kinetische Bewegungsenergie, die wesentlich oberhalb der thermischen Energie in dem Urandampf liegt. Die hochenergetischen Elektronen neigen dazu, als Elektronenwolke schneller zu expandieren,als der Urandampf als ganzes infolge von Wärmeeinwirkungen expandiert. Wenn man die Elektronen expandieren läßt, und zwar über eine Entfernung, die in bezug auf die Debye-Länge des Plasmas groß ist, werden sie einaa Punkt erreichen, an welchem die elektrischen ffeldkräfte zwischen ihnen und den Ionen nicht, mehr willkürlich in dem Plasma verteilt sind, sondern sie werden dazu neigen, die Ionen herauszureißen, wobei die Elektronen und die Ionen im wesentlichen gleiche Geschwindigkeiten besitzen. Durch eine theoretische Berechnung kann man bestimmen, daß die Geschwindigkeit dieser hochenergetischen Expansion der Elektronen und Ionen der Quadratwurzel der gesamten Überschußenergie, die zur Erreichung des Niveaus 22 zugeführt wurde, proportional ist.

Wie die Figur 1 zeigt, kann diese Expansion auf verschiedene Art und Weise erreicht werden. So kann beispielsweise die Dampfumgebung mit den erregten Partikeln des U^c-Isotops einer zusätzlichen Strahlungsenergie ausgesetzt werden, um den übergang 20 bis auf ein Energieniveau 22 zu erzeugen, das als ungefähr 1 eV oberhalb des Ionisationsniveaus 18 angezeigt ist. Es können höhere oder geringere Energien eingesetzt werden, um die Elektronen von den U₀ .,,--Partikeln freizumachen, und zwar mit einem hinreichend großen, aus der Umgebung herausgerichteteh Moment, um die U₀.,^-Ionen ebenfalls aus der Umgebung herauszuführen. Der Energieunterschied zwischen dem Niveau 22 und dem

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Niveau 24 tritt im allgemeinen als eine kinetische Energie der Elektronen und damit · verbundenen Ionen des ^o-x^ auf, eine Energie also, an welcher die übrigen.Bestandteile der Bampfumgebung keinen Anteil haben, was zu einer anderen Flugbahn und einer im allgemeinen schnelleren Expansion der I^^₁--Ionen aus dem verbleibenden Rest des Dampfes führt.

Dieser Vorgang kann auch auf eine Weise erfolgen, die ebenfalls in S¹Ig. 1 dargestellt ist, nach welcher ein Übergang 26 von einem Zwisehenenergieniveau 14 die Energie der TS^-zc-Faxtikel.., die bis zu dem Niveau 14 erregt sind, bis in die Kachbarschaft des Ionisationsniveaus führt (etwas ober- oder unterhalb). An diesem Punkt wird zusätzliche Energie auf den Dampf übertragen, um einen Energieanstieg 28 zu erzeugen, der die Energie bis auf das Hxveau 22 anhebt, wodurch eine schnellere Partikelexpansion; wie oben beschrieben, bewirkt wird.

Eine Torrichtung, die zu der Trennung.nach dem anhand der IFig. 1 beschriebenen Verfahren geeignet ist, ist in Fig. 2 figürlich abgebildet. Dabei ist ein Lasersystem 32 vorgesehen mit einem Lasermaterial 34, das mit Hilfe eines an sich bekannten Systems 36 derart abgestimmt wird, daß es einen Ausgangsstrahl 38 mit einer Strahlungsenergie erzeugt, die eine vorbestimmte enge Bandbreite an Photonenenergie aufweist, um die spezielle Erregung des U^^c-Ispfcops. für äsn Übergang 16 zu erzeugen. Falls es notwendig ist, die Bandbreite der Laserstrahlung in dem Strahl J>8 zu begrenzen, kann in dem Abstimmsystem 36 ein Etalon-Filter eingesetzt werden« Für das hier beispielhaft beschriebene Up^S §i^* ^es viele Absorptionslinien, die verwendet werden können, um die Energie der Up._j;t--Partikel

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von dem Grundniveau 12 auf das Zwischenniveau 14- anzuheben. Diese können aus Fachbüchern oder Tabellen des Atomspektrums des Urans oder allgemein für andere Elemente entnommen werden. In dem speziellen Beispiel des Urans findet man sie beispielsweise in LA 4-501 '^Present Status of the Analyses of the First and Second Spectral of Uranium (IiI undUII) as Derived from Measurements of Optical Spectra", Los Alamos Scientific Labo^ ratory of the University of California, verfügbar über das National Technical Information Service, U.S. Department of Commerce, 5285 Port Royal Road, Springfield, Virginia.

Vie die Figur 2 zeigt, ist dem Lasersystem 32 ein Erregersystem 4-0 zugeordnet, welches mit einem weiteren Laser versehen sein kann, um in dem Medium 34- zur Erzeugung des Lasereffektes eine Besetzungsumkehr zu bewirken. Ein Zeitgebersystem 4-1 wird dureh einen Zeitgeber 4-2 betätigt, um einen Laserstrahlungsimpuls in dem Strahl 38 zu erzeugen. Die Dauer des Strahles liegt allgemein in der Größenordnung eines Bruchteiles einer Mikrosekunde und wird durch die Eigenschaften des Systems 32 und im besonderen des Lasermaterials. 3^ bestimmt, wie den Fachleuten hinlänglich bekannt ist.

Bei einer speziellen Anwendung kann das Lasermaterial 34- aus einer Lösung eines Laserfarbstoffes sein, die einen weiten Abstimmbereich für die spezielle Ausgangsfrequenz des Strahles besitzt, um die Erzeugung der Frequenz und der entsprechenden Photonenenergie, die hier gewünscht wird, zu ermöglichen. Ein Farbstoff-Laser des "Dial-A^Line" der Avco Everett Research Laboratory, Everett, Massachusetts, bei welchem es sich um einen im Handel verfügbaren Laser handelt, kann für das Lasersystem 32 Verwendung finden.

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Der Strahl 38 wird mit einem Strahl 44, dessen Strahlungsenergie durch ein zweites Lasersystem 46 erzeugt wird, mit Hilfe eines dichroischen Spiegels 48 oder einer anderen Verbindungsvorrichtung vereinigt, um einen zusammengesetzten Strahl 50 zu erhalten. Das Lasersystem 46,kann ein herkömmliches sein, um die gewünschte Photonenenergie in dem Strahl 44 zu erzeugen. Ein Zeitgeber 42 betätigt beide Lasersysteme 32 und 46, um in einem speziellen Pail zur gleichen Zeit Ausgangsimpulse zu erzeugen.

Nachdem man die Energiemenge für den Übergang 16 ausgewählt hat, kann man den Übergang 20 mit Hilfe eines Energieüberganges erreichen, der dem Unterschied zwischen dem Niveau 22 und dem Niveau 14 entspricht. Bei einem speziellen Beispiel, wenn nämlich die Absorptions linie für U^c in der Nähe von 5027,4- 2. für den Übergang 16 ausgewählt wird, kann der Übergang 20 durch eine Energie in der Nähe von 2625 & unter Verwendung von 6,18eV als Ionisationspotential für das Uran erreicht werden.

Der Strahl 50 wird einer Vakuumkammer 52 über ein langes Rohr 24 und ein Fenster 56, bei welchem es sich im allgemeinen um einen optischen Quarzkristall handelt, zugeführt. Das Rohr 54- soll eine Verschmutzung des Fensters 56 durch den Urandampf innerhalb der Kammer 52 verhindern. Der Strahl 50 durchquert die-Kammer 52 durch einen Isotopenkollektor 58 und tritt durch ein weiteres Rohr 60 und ein Fenster 62 aus und kann ähnlichen Kammern zugeführt werden, um die Energie des Laserstrahles 50 wirtschaftlich auszunutzen.

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Die Kammer 52 ist an ein Vakuumsystem 64 angeschlossen, um innerhalb der Kammer einen sehr niedrigen Druck zu schaffen, so daß fremde Partikel nicht in das Isotopentrennungsverfahren eingreifen, wie beispielsweise durch Verbrennung mit dem Urandampf, Partikelkollisionen oder sonstiges.

Innerhalb der Kammer 52 erzeugt eine Urandampfquelle 66 einen Urandampf strahl, der auf die Isotopenkollektoren 58 zur Erzeugung des hochenergetischen Plasmas gerichtet ist, das dann auf Platten innerhalb der Kollektoren 58 gesammelt wird. Einen vollständigeren Einblick in die Wirkungsweise der Erfindung in bezug auf die Dampfquelle 66 und die Kollektoren 58 ergibt sich aus Pig. 3, die eine Teilsicht der Kammer 52 darstellt.

In Fig. 3 ist ein Schmelztiegel 68 (von dem auch mehrere vorhanden sein können) gezeigt, der mit Kühlöffnungen 70 versehen ist und Uranmetall 72 aufzunehmen vermag, das.zur Verdampfung von der Oberfläche 74- aus beheizt wird. Das Beheizen kann durch einen Ofen, durch Induktionserhitzen oder mit Hilfe der Anwendung eines Energiestrahles 7^, wie beispielsweise durch die von der Quelle 78 ausgehenden Elektronen, geschehen. Ein einzelner langer Strahl kann magnetisch auf eine Linie auf der Oberfläche 74· ausgerichtet sein, Es kann auch eine Anzahl von Strahlen auf entsprechende Stellen bei mehreren Schmelztiegeln unter Verwendung von lokalen magnetischen Feldern 82 gerichtet werden. Die magnetischen Felder 82 können von den Kollektoren 58, falls erforderlich, abgeschirmt werden, um eine Störung des Sammelvorganges zu verhindern. Das auf der Oberfläche 74- verdampfte Uran dehnt sich in einem Dampfstrom 88 in Richtung auf die Isotopenkollektoren 58 aus und kann durch die Schlitze 90

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ausgerichtet werden, "bevor es in die Kollektoren 80 eintritt. Die Schlitze 90 können außerdem als Magnet schirm dienen.

Innerhalb der Isotopenkollektoren 58 verläuft eine Anzahl radial ausgerichteter Platten über die ganze Länge der in Pig. 2 dargestellten Kollektoren 58, Sie sind in Richtung auf die Urandampfquelle auf der Oberfläche 74 angeordnet, um eine Behinderung des Stromes 88 zu vermeiden. Ein Bereich 94, der die Platten 92 umgibt, begrenzt den Einflußbereich der Strahlungsenergie des Laserstrahles 50· Er kann auch eine andere geometrische Form als die dargestellte besitzen. Die Ausdehnung der Platten 92 in radialer Richtung ist im allgemeinen groß in bezug auf ihren seitlichen Abstand, während der seitliche .Abstand groß in bezug auf die Debye-Länge des in dem Bereich 94 erzeugten Plasmas ist.

Die Anwendung des Laserstrahls 50 nach der ersten Alternative erzeugt eine Ionisation des Up-,{--Isotops und bildet in dem Bereich 94 ein hochenergetisches Plasma, das aus Elektronen und dazugehörigen Ionen besteht. Die überschüssige Energie erzeugt eine schnellere Expansion der Ionen als die thermische Expansion innerhalb des Dampfstromes 88. Die grundsätzlich schnellere Expansion der U--,--Partikel führt zu einer Absolutgeschwindigkeit, die eine Ansammlung eines mit Up^j- angereicherten Niederschlages 96 auf den Platten 92 verHTsaeht. Die verbleibenden Bestandteile des Dampfstromes 88, die speziell mit Upxg ange-* reichert sind, sammeln sich als Niederschlag 98 auf einer Plat^ te 100 hinter den radial ausgerichteten Platten 92. Es i türlich auch möglich, die Sammelstellen des ^₂*5- ^1U1^ ^2^58 ^aus"" zutauschen, indem man stattdessen das JJp^s ^erreS"b W& ionisiert.

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Im Zusammenhang mit Fig. 5 wird die Wirkung der Hochenergetisierung der Elektronen erläutert, die diese veranlaßt, die Ionen auf Flugbahnen zu führen, die sich von denjenigen der restlichen Partikel unterscheiden. Ein Partikel 108 stellt ein Atom des tU-jc- vor seiner Ionisation dar und "besitzt wie die anderen Partikel des Dampfstromes 88 eine in der Nähe der Schleife 110 im Bereich zwischen, den Platten 92 übliche Geschwindigkeit. Nach der Ionisation des Partikels 108 und der Hochenergetisieruqg des Elektrons, das von diesem Partikel emitiert wurde, ändert sich die !Flugbahn des Partikels 108 alsFolge des Zuges von der expandierenden Elektronenwolke, so daß seine Flugbahn in irgendeinem Winkel im Bereich der Verteilungsschleife 112 liegt. Daraus ergibt sich, daß eine "beträchtliche Zahl der Partikel, die ionisiert und deren Flugbahn geändert wurde, in !Richtung auf die Platten 92 gelenkt wird, während nahezu alle nichtionisierten Partikel zwischen den Platten 92 hindurchgeführt und auf der rückwärtigen Platte 100 gesammelt werden.

Je dichter die Platten 92 nebeneinanderliegen, umso mehr ionisierte Partikel werden dort gesammelt. Der begrenzende Faktor für den Abstand der Platten liegt darin, daß sie nicht so dicht nebeneinanderliegen sollen, daß die hochenergetischen Elektronen die Platten 92 berühren, bevor wesentliche Veränderungen in den Ionenflugbahnen erzeugt worden sind. Es ist außerdem wünschenswert, daß die mittlere freie Weglänge und der Ladungsaustauschabs tand in dem Plasma hinreichend großsLnd, daß Ablenkungsköllisionen oder Ladungsaustauschreaktionen die Sammlung der ionisierten U₀-, (--Partikel nicht zu stark behindern. Um dieses sicherzustellen, kann die Partikeldichte in dem Dampfstrom 88 entsprechend eingestellt werden, indem man die Energie steu-

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ert, mittels welcher das Uran 72 auf dem Schmelztiegel 68 verdampft wird.

Die Bewegungsrichtung innerhalb der hochenergetischen Expansion der Elektronen und Ionen in dem Bereich 94- kann eingeschränkt oder abgegrenzt werden, indem man ein Magnetfeld in dem Bereich 94- zwischen .den Magnetpolen 102 von der Erregungsquelle 103 anlegt, so daß die schneller expandierenden Partikel Flugbahnen folgen, die im allgemeinen parallel zu den Feldlinien zwischen den Polen 102 liegen. Bei der Verwendung dieses Magnetfeldes kann es mögrich sein, eine geringere Anzahl von Platten 92 oder sogar lediglich Platten auf Jeder Seite der Region 94- anzuordnen.

Wie bereits im Zusammenhang mit Fig. 1 ausgeführt wurde, kann das Energieniveau 22 auch beispielsweise durch den Übergang 26 mittels der Strahlungsenergie, die von dem Laser., system 4-6 ausgehen kannj bis etwa zu einem Biveau 104-und durch den Schritt 28 bis zum Niveau 22 erreicht werden. In diesem Fall kann das Lasersystem 4-6 auf eine niedrigere Frequenz des Ausgangs Strahles 44 abgestimmt werden, wobei die Photonenergie so bemessen ist, daß lediglich das Uiveau 104 erreicht wird, das sich normalerweise gerade oberhalb des Ionisationsenergieniveaus 18 befindet. Von diesem Energieniveau 104 aus kann das Endenergieniveau 22, das die hochenergetischen Elektronen und die sich ergebende Ionenexpansion erzeugt, auf verschiedene Weise erreicht werden. Es kann die Energie auf das ionisierte u^n-Isotop und die Elektronen durch ein schwingendes Magnetfeld, wie z.B. durch die Polschuhe 102 in Fig. 3 übertragen werden. Außerdem kann, wie in Fig. 4 dargestellt ist, ein elektrisches Feld oder ein Strom in dem Bereich zwischen den Platten 92 er-

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zeugt werden, indem man wechselweise die Platten an ein gemeinsames oder ein Grundpotential anschließt und die übrigen. Platten mit den elektrischen Signalen von der Quelle 106 versorgt. Es ist natürlich auch möglich, äußere Elektroden anzulegen, um das elektrische Feld oder den Strom in dem Bereich 94 zu erzeugen. Andererseits kann die Quelle 106 auch eine Strahlungsenergiequelle sein, die beispielsweise ein Mikrowellensignal zwischen die Platten -92 sendet und als Übertragungsleitung wirkt, wobei die Plasmaelektronen die Mikrowellenenergie absorbieren, um das hochenergetische Stadium zu erreichen. Es -können auch zusätzlich Partikel wie Elektronen eingesetzt werden, um die Energie der Plasmaladungsträger zu erhöhen.

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Claims

Patent a ηs ρ r ü c h e

Vexfahren zur Abtrennung von Isotopen, wobei ein hochenergetisehes Plasma ionisierter Partikel des einen Isotopentyps sowie entsprechenden Elektronen in einer Umgebung mehrerer Isotopentypen erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß man

die Umgebung der verschiedenen Isotopen einschließlich des einen Isotopentyps einer Strahlungsenergie aussetzt,

die Strahlungsenergie so auswählt, daß sie bei einem Übergang auf die Partikel des einen Isotopentyps dort eine Erregung bis auf ein Zwisehenerregungsniveau unterhalb des lonisationsniveaus erzeugt, ohne daß eine Erregung der anderen Partikel der Umgebung eintritt, und

ein Plasma erzeugt mit ionisierten Partikeln des einen Isotopentyps mit einer kinetischen Eneggie, die wesentlich über die -Grundenergie der Umgebung hinausgeht, wo-■ .bei eine Expansion der ionisierten Partikel des einen Isotopentyps in der Umgebung auf Flugbahnen eintritt, die sich von denen der anderen Partikel in dieser Umgebung unterscheidet.

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2. Verfahren nach. Anspruch. 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die expandierenden,ionisierten Partikel des einen Isotopen-, typs unabhängig von den anderen Partikeln der Umgebung sam-

• melt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man ohne eine wesentliche Störung der anderen Komponenten der Umgebung die expandierenden, ionisierten Partikel des einen Isotopentyps auf eine Anzahl von in der Umgebung angeordneten Sammelflächen auffängt.
4-. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß man einen Dampfstrom eines Materials, das verschiedene Isotopen enthält, mit einer vorbestimmten Strömungsrichtung, die die Umgebung abgrenzt erzeugt, wobei die vorbestimmte Strömungsrichtung ein Vorbeistreichen des Dampfes an den Sammelflächen erlaubt, ohne daß in einem wesentlichen Ausmaß neutrale Partikel aus dem Dampf hierauf gesammelt werden mit Ausnahme der expandierenden, ionisierten Partikel des einen Isotopentyps.
5- Verfahren nach Ajispruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man auf die expandierenden, ionisierten Partikel eine Kraft ausübt und deren Expansionsrichtung in eine vorbestimmte Richtung lenkt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraft durch ein Magnetfeld erzeugt wird.

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7. Verfahren nach. Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß man die schneller expandierenden, ionisierten Partikel des einen Isotopentyps auf SammeIflachen auffängt.
8. .Verfahren nach Jinspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das Plasma erzeugt, indem man auf die erregten Partikel des einen Isotopentyps zu deren Ionisation eine zweite Strahlungsenergie überträgt und dem die ionisierten Partikel des einen Isotopentyps enthaltenden Plasma und den.entsprechen-. den Elektronen weitere Energie zuführt,· um ein hochenergetisches Stadium zu erzeugen, wobei die kinetische Energie beträchtlich oberhalb der Purchschnittsenergie der Umgebung liegt, ·...-.'.
9« Verfahren nach Anspruch S, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Erzeugung des hochenergetischen Stadiums eine dritte Strahlungsenergie auf das Plasma überträgt.
10, Verfahren nach Anspruch 9j dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der dritten Strahlungsenergie um elektromagnetische Strahlung handelt.
11, Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Übertragung der weiteren Energie einen Partikelstrahl ■verwendet. ., ,-
12, Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß man das hochenergetische Stadium erzeugt, indem man die. Elemente d§s Plasmas einem Kraftfeld aussetzt, um deren kinetische Energie zu erhöhen.

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13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß man ein oszillierendes Kraftfeld verwendet.
14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß man als Kraftfeld ein elektrisches Feld verwendet.
15· Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß man als Kraftfeld ein magnetisches Feld verwendet.
16. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß man das hochenergetische Stadium erzeugt, indem man das Plasma einem elektrischen Strom aussetzt,
17. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Erzeugung des Plasmas der die erregten Partikel des einen Isotopentyps enthaltenden Umgebung eine weitere Strahlungsenergie zur Ionisation der Partikel zuführt, wobei die zugeführte Strahlungsenergie zur Ionisation der selektiv erregten Partikel des einen Isotopentyps größer ist als die zur Ionisation erforderliche, so daß innerhalb des Plasmas ein hochenergetischer Zustand erreicht wird, womit die ionisierten Partikel des einen Isotopentyps infolge ihrer beträchtlich höheren kinetischen Energie als diejenige der übrigen Partikel der Umgebung schneller expandieren,
18. Verfahren nach einem der vorangehenden ,Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Flugbahnen der .ionisierten Partikel des einen Isotopentyps mittels der expandierenden Elektrons geändert werden.

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19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß man mit Hilfe der geänderten Flugbahn der Ionen,diese auf Sammelstellen auffängt, die außerhalb der Flugbahn der übrigen Partikel der Umgebung angeordnet sind.
20. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem einen Isotopyntyp um das Uranisotop U_o:zt- handelt.

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21. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß den Elektronen eine Energiemenge zuführt, die in etwa ein Elektronenvolt oberhalb derjenigen Energie liegt, die für die Ionisation erforderlich ist.
22. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 21, gekennzeichnet durch eine Anordnung (34, 4-6) zur selektiven Erregung der Partikel des einen Isotopentyps ohne entsprechende Erregung der Partikel des anderen Isotopentyps sowie eine weitere Anordnung (102, IO3) zur Erzeugung eines Plasmas, wobei die erregten Partikel des einen Isotops ionisierbar und die entsprechend freiwerdenden Elektronen hochenergetisierbar sind bis zu einer kinetischen Energie, die beträchtlich oberhalb der Energie der übrigen Bestandteile der Umgebung ist.
23. Vorrichtung nach Anspruch 22, gekennzeichnet durch radial angeordnete Sammelplatten (92) zur Aufnahme der in ihrer Flugbahn geänderten, ionisierten Partikel» '

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24. Vorrichtung nach Anspruch 23, gekennzeichnet durch eine Anordnung (68, 76, 78, 82) zur Erzeugung eines Dampfes eines mehrere Isotopen enthaltenden Materials (72), wobei die Strömungsrichtung des Dampfes parallel zu den Sammelplatten (92) liegt.
25. "Vorrichtung nach den .Ansprüchen 22 "bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß eine Führungsanordnung (90) zur Einstellung der Strömungsrichtung des Dampfes vorgesehen ist.
26. Vorrichtung nach den Ansprüchen 22 "bis 25, gekennzeichnet durch eine Anordnung (34, 46) zur Zuführung zusätzlicher Strahlungsenergie auf die erregten Partikel.-,'
27. Vorrichtung nach den Ansprüchen 22 bis 26, gekennzeichnet durch eine Anordnung (32, 42, 46, 48) zur selektiven Ionisierung der erregten Partikel des einen Isotopentyps sowie eine Anordnung (102, IO3) zur Zuführung zusätzlicher Energie zu den Elektronen des Plasmas, mittels welcher eine Umgebung hochenergetischer Elektronen erzeugbar ist.
28. Vorrichtung nach Anspruch 27? gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (32, 46) zur Übertragung zusätzlicher Strahlungsenergie auf das Plasma.
29- Vorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß zur Zuführung zusätzlicher Energie ein Partikelstrahl auf das Plasma richtbar ist.

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30. Vorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß zur Zuführung zusätzlicher Energie das Plasma einer elektromagnetischen Strahlung aussetzbar ist.
ο Vorrichtung nach Anspruch 2?» dadurch gekennzeichnet, daß zur Übertragung einer zusätzlichen Energie auf die Elektronen das Plasma einem Kraftfeld aussetzbar ist*
32. Vorrichtung nach Anspruch 31 _s dadurch gekennzeichnet, daß das Kraftfeld ein oszillierendes Kraftfeld ist«.
33, Vorrichtung nach Anspruch 31? dadurch gekennzeichnet,
daß dem Plasma ein elektrischer Strom zuführbar ist»
34-O Vorrichtung nach Anspruch 22_s dadurch' gekennzeichnet, daß das Isotop das TJ_5X£--Isotop des Urans ist»
35. Vorrichtung nach Anspruch 34-, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Elektronen eine Energie übertragbar ist, die um
mindestens etwa ein Elektronenvolt stärker ist als diejenige Energie, die zur Ionisierung der Partikel" des einen
Isotopentyps erforderlich ist.

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