DE2426842A1

DE2426842A1 - Verfahren und vorrichtung zur isotopentrennung

Info

Publication number: DE2426842A1
Application number: DE19742426842
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: 1973-06-08
Filing date: 1974-06-04
Publication date: 1975-02-27
Also published as: GB1470320A; SE7407517L; FR2232354A1; ES427093A1; JPS5032398A; IT1013409B; AU6981574A; US4038549A; IL44941A0; SE409820B; CH573266A5; FR2232354B1; CA1015692A; JPS585092B2; IL44941A; BE816057A; NL7407671A

Description

Otpl.-lng. R, BEETZ β·η Dlpl.lng. Kt LAMPRECHT

Dr.-lng. R< BEETZ Jr. IMtnohtnll, ft«iMdortotr. ie.

052-22.718P(22.719H) 4. 6. 1974

Jersey Nuclear-A vco Isotopes, Inc., Bellevue, Washington (V. St. A.)

Verfahren und Vorrichtung zur Isotopentrennung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Isotopentrennung, insbesondere durch selektives Anregen aus im allgemeinen niedrigen angeregten Niveaus.

Nahezu alle Spaltreaktionen mit dem Uranisotop U 235 werden mit einer größeren Konzentration dieses Isotops durchgeführt als der üblicherweise in natürlichem oder verarmtem Zustand des Uranelements vorhandene. Anreicherungsverfahren werden normalerweise angewendet, um den Anteil des spaltbaren Isotops U 235 gegenüber den

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anderen Uranisotopen, insbesondere U 238, zu erhöhen. Die Anreicherung wird normalerweise durch Trennverfahren aufgrund der geringen chemischen oder physikalischen Unterschiede zwischen den Isotopen U 235 und U 238 erreicht. Da diese Unterschiede gering sind, ist auch die Anreicherung, die mittels eines einzigen Trennschrittes erreicht wird, normalerweise sehr gering, und demzufolge wird der Trennschritt in Kaskadenfolge mehrfach wiederholt, um schließlich die notwendige Anreicherung zu erhalten.

Ein bereits entwickeltes .^Verfahren zur Isotopentrennung und insbesondere zur Urananreicherung benutzt selektives Anregen der Energieniveaus eines Uranisotops in einer mehrere Uranisotope enthaltenden Umgebung. Bei üblicher Anwendung wird Urandampf erzeugt und durch Laserstrahlung mit Photonenenergien bestrahlt, die das Isotop U 235 selektiv anregen und schließlich ionisieren, ohne gleichzeitiges Anregen und Ionisieren anderer Uranisotope, hauptsächlich U 238. Zum Erreichen eines bedeutend höheren Anteils des Isotops U 235 im ionisierten Zustand als im nichtionisierten Zustand wird die Laserstrahlung und insbesondere die Strahlung, die die erste Anregung der U 235-Teilchen erreicht, so gewählt, daß sie einen sehr geringen Photonenenergiebereich aufweist, die einer U235-Absorptionslinie, jedoch keiner U238-Absorptionslinie entspricht. Es ist daher möglich, einen beträchtlichen Anteil des Isotops U 235 in Urandampf anzuregen, ohne das Isotop U 238 anzuregen.

Das angeregte und schließlich ionisierte Isotop U 235 wird dann üblicherweise aus dem Urandampf beschleunigt durch Zufuhr von Energie in einer von verschiedenen Formen zu den Ionen, wodurch sie Bahnen einnehmen, die sie auf Sammelplatten oder Fangelektroden bringt.

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Das .nichtionisierte Uran in Urandampf, das hauptsächlich aus U 238 und restlichem, nichtionisierten und nichtgesammelten U 235 besteht, setzt seinen normalen Weg zu einer weiteren Sammel- oder Fangfläche fort.

Ein wirksames Trennen und Sammeln des Isotops U 235 setzt voraus, daß im Anfangs-Anregungsschritt alle oder fast alle Teilchen des Isotops U 235 in Urandampf auf Zwischen-Energieniveau angeregt werden. Eine derartige hohe Wirksamkeit erfordert weiterhin, daß eine Frequenz der Anregungsstrahlung gewählt werden muß, die U 235-Teilchen in ihrer Energie aus einem Anfangsenergieniveau auf ein zweites erlaubtes Energieniveau anhebt. Die tatsächliche Strahlungsfrequenz wird bestimmt durch die Energiedifferenz zwischen den beiden Niveaus. Dazu muß das Anfangsniveau für die Teilchen bekannt sein.

Es ist anzunehmen, daß sich eine beträchtliche Anzahl der Teilchen am Grundniveau und sich infolge selektiven Anregens durch eine entsprechende Laserfrequenz auf einem Zwischenniveau befindet. Wie jedoch festgestellt wurde, läuft das Anreicherungsverfahren hinaus auf bedeutende Besetzungen des Isotops U 235 in Urandampf auf anderen Energieniveaus als dem Grund- oder Nullenergieniveau. Die Anregungsstrahlung ist dann im allgemeinen nicht in der Lage, die Besetzung des Isotops U 235 anzuregen, die nicht aus Grundniveaus sind, weshalb sie nicht zusammen mit den U235-Teilchen getrennt werden, die ursprünglich am Grundniveau sind.

Das Vorhandensein einer beträchtlichen Besetzung an U235-Teilchen über dem Grundenergieniveau vor Einwirken der Anregungsstrahlung kann als Ergebnis von zufälligen oder vereinzelten Energievertei-

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lungen in Urandampf erklärt werden. Das Vorhandensein der Energie in Urandampf kann zurückzuführen sein auf wesentliche Wärmeenergiemengen, denen das Uran ausgesetzt ist, um es zu verdampfen und im gasförmigen Zustand zu halten, auf Teilchenzusammenstöße einschließlich Wechselwirkungen mit Energiestrahlenbündeln oder auf andere Erscheinungen, die sich aus den besonderen Umgebungen ergeben, die bei der Anwendung der selektiven Anregung zur Erzeugung der Anreicherung geschaffen werden.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Isotopentrennung zu entwickeln, die diese Nachteile nicht aufweisen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß

ein erster Übergang in den Teilchen des ersten Isotops in der Umgebung von einem ersten dicht besetzten Energieniveau zu einem wesentlich höheren Energieniveau erzeugt wird,

daß der erste Übergang gesteuert wird zum selektiven Erzeugen des ersten Übergangs in den Teilchen des ersten Isotops ohne gleichzeitiges Anregen der anderen Teilchen der Umgebung,

daß ein zweiter Übergang in weiteren Teilchen der Umgebung von mindestens eines m anderen besetzten Niveau zu einem höheren Energieniveau erzeugt wird, und

daß der zweite Übergang gesteuert wird zum selektiven Erzeugen des zweiten Übergangs in den Teilchen am anderen besetzten Niveau

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auf das im wesentlichen höhere Energieniveau ohne gleichzeitiges Anregen anderer Teilchen der Umgebung.

Bei der Anwendung der Erfindung zur Isotopenanreicherung werden die Teilchen einer Isotopenart in einer Umgebung mit verschiedenen Isotopenarten selektiv angeregt oder ionisiert typischerweise sowohl vom Grundenergieniveau als auch von bedeutend besetzten anderen Energieniveaus, die thermisch oder auf andere Weise geschaffen sein können, durch Anwenden einer Anregungsenergie mit im allgemeinen mehreren Frequenzen entsprechend den diskreten Energiesprüngen oder -stufen des einen Isotops von seinem Grundniveau und von seinen angeregten Niveaus auf mindestens ein Zwischenenergieniveau. Die Anreicherung wird dabei typischerweise vervollständigt durch nachfolgende Photoionisation, elektromagnetische Trennung und schließlich Sammlung der getrennten Isotope in angereicherten Mengen.

Gemäß einer besonderen vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Dampfstrom eines Werkstoffs mit mehreren Isotopen erzeugt. Mindestens ein Isotop soll getrennt und gesammelt werden. Strahlungsenergie in Form von Strahlung mehrerer Laser wird dem Dampf strom zugeführt, um eine Ionisation des einen Isotops ohne gleichzeitige Ionisation anderer der mehreren Isotope in der Umgebung hervorzurufen. Typischerweise wird eine Frequenz in der Strahlung ausgewählt, die einem spezifischen Energiesprung oder -übergang des einen Isotops von seinem Grundenergieniveau auf ein Zwischenenergieniveau entspricht. Mindestens eine Laserstrahlung in der zugeführten Strahlungsenergie wird auf spezifische Energiesprünge oder -stufen des einen Isotops von mindestens einem, im allgemeinen niedrig liegenden Anregungsenergieniveau des Isotops auf ein Zwischen-

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energieniveau abgestimmt. Die Zwischenenergieniveaus für die vom Grundenergieniveau und anderen Energieniveaus selektiv angeregten Teilchen können gleich sein, wenn die Übergänge es zulassen (sog. erlaubte Übergänge).

Die angeregten Energieniveaus, von denen weitere Teilchen des einen Isotops auf ein Zwischenenergieniveau selektiv angeregt werden, sind typischerweise die, von denen es bekannt, vermutet oder gemessen wird, daß sie besondere Besetzungen von Teilchen des einen Isotops haben, und das sind normalerweise das erste, zweite uswr. thermische Niveau über dem Grundniveau, können jedoch andere Niveaus umfassen, die sich durch spezifische Energieaustausch-Wechselwirkungen besetzt haben.

Um das Anreicherungsverfahren der bevorzugten Ausführungsform zu vervollständigen, werden die auf mindestens ein Zwischenenergieniveau angeregten Teilchen durch die Wechselwirkung von mindestens einem Photon mit zusätzlicher Strahlungsenergie auf jedes angeregte Teilchen ionisiert. Die Teilchen des derart ionisierten einen Isotops können elektromagnetisch getrennt werden zur Sammlung entfernt von den zurückbleibenden Anteilen des Dampfstroms durch Kreuzfeld-MHD-Beschleunigung.

Die Erfindung gibt also an bei einem Verfahren zur Isotopenanreicherung ein Verfahren zum selektiven Anregen erhöhter Mengen einer Isotopenart in einer Umgebung mit mehreren Isotopenarten durch Anwendung einer Anregungsenergie mit mehreren Frequenzen, die das eine Isotop selektiv anregt von seinem Grundenergieniveau und mindestens einem typischerweise niedrigen angeregten Niveau.

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— ι —

■ Die Erfindung wird anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein Energiezustandsdiagramm zur Darstellung der erfindungsgemäßen Verfahrensschritte,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Vorrichtung zur Anregung und Trennung gemäß der Erfindung,

Fig. 2 A eine Abwandlung eines Teils der Vorrichtung nach Fig. 2, Fig. 3 einen Schnitt 3-3 gemäß Fig. 2.

Die Erfindung bezweckt ein wirkungsvolles Verfahren und eine Vorrichtung zur Photoanregung oder Ionisation von Teilchen einer Isotopenart in einer Umgebung mit Teilchen verschiedener Isotopenarten durch Hervorrufen verschiedener Übergänge des einen Isotops von verschiedenen besonders besetzten Energieniveaus.

Bei einer besonderen Ausführung ist die Erfindung vorteilhaft zur Anreicherung des Uranisotops U 235 aus natürlich vorkommenden oder verarmten Uranquellen. Es ist beabsichtigt, daß andere Isotope und Elemente zugeführt sein können, und daß die Teilchen, die photoionisiert werden, als Atom oder Molekül vorkommen oder mit anderen Elementen verbunden sein können. Einige Definitionen sollen ebenfalls erläutert sein. Der Begriff Strahlungsenergie soll dabei mindestens eine irgendwie erzeugte Strahlungsfrequenz beinhalten. Der Begriff Übergang soll die Möglichkeit mindestens eines Energieschrittes ausdrücken, der typischerweise beim Anregen oder Ionisieren ausgeführt

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Anhand der Fig. 1 werden die Einzelheiten der Erfindung näher erläutert. Im einzelnen sind in Fig. 1 auf einer modifizierten logarithmischen Skala beispielhafte Energieschritte oder -stufen dargestellt, die bei der Photoionisation gemäß der Erfindung ausgeführt werden. Ein Grund- oder Ausgangsenergieniveau 12 ist angegeben und allgemein definiert als Nullenergieniveau. Ein Ionisationsniveau 14 ist ebenfalls dargestellt, das für den beispielhaften Fall von Uran etwa auf dem Energieniveau mit der Wellenzahl von ca. 50000 oder mit ca. 6,2 eV liegt. Die Wellenzahlangabe ist ein allgemein verwendetes Energiemaß und entspricht der Anzahl der Wellenlängen/cm. Vom Grundniveau 12 wird gemäß der Erfindung ein erster Energieübergang 16 hervorgerufen durch sorgfältig abgestimmte Laserstrahlung, die selektiv Teilchen des Uranisotops U 235 anregt, ohne eine gleichzeitige Anregung von Teilchen des Isotops U 238 oder anderer Isotope hervorzurufen. Ein Zwischenenergieniveau 18 unter dem Ionisationsniveau 14 wird durch den Übergang 16 erreicht. Vom Energieniveau 18 wird ein zweiter Übergang 20 durch weitere Strahlungsenergie hervorgeru fen , um die angeregten Teilchen über das Ionisierungsniveau 14 in den Bereich 22 zu bringen. Bei üblicher Durchführung kann der Übergang 16 mit einer einzigen Frequenz der Laserstrahlung erreicht werden und enthält daher kein Zwischenniveau. Der Übergang 20 kann ähnlich erzeugt werden, ist jedoch darauf nicht beschrankt.

Es wurde festgestellt, daß bedeutende Besetzungen des Isotops U 235 auf anderen Energieniveaus verteilt sind als dem Grundniveau 12, wie das beispielhaft durch ein erstes Niveau 24 und ein zweites Niveau 26 dargestellt ist, von denen festgestellt wurde, daß sie Ener gieniveaus haben, die etwa den Wellenzahlen 620 bzw. 3 801 entsprechen. Von den thermisch angeregten Energieniveaus 24 und 26 werden

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Übergänge 28 bzw. 30 durch entsprechende Frequenzen der Laserstrahlung erzeugt auf das Zwischenniveau 18 oder auf ein weiteres Niveau 18', wenn der Übergang zum Niveau 18 nicht erlaubt (verboten) ist. Alle angeregten Isotope am Niveau 18 oder 18' können dann über das Ionisationsniveau 14 durch den Übergang 20 bzw. 20', wenn das Niveau 18' verwendet wird, angehoben werden. Die sich durch den Photoionisationsübergang 20 bzw. 20' ergebenden Ionen werden getrennt und gesammelt, um Mengen an angereichertem Uran zu erhalten.

Selbstverständlich kann auch von mehr als nur dem ersten und zweiten thermisch angeregten Niveau ausgegangen werden oder von anderen Niveaus, als den direkt über dem Grundniveau 12, oder einem anderen anstelle des Grundniveaus 12. Außerdem kann dort, wo ein oder mehrere Zwischenniveaus 18, 18' verwendet werden, um weniger Frequenzen verwenden zu müssen, von mehr als einem niedrigen Niveau auf mehr als ein Zwischenniveau angeregt werden, ohne gleichzeitige Anregung von anderen Teilchen als des Isotops U 235 zu ermöglichen. Außerdem sind die in Fig. 1 angegebenen Werte lediglich beispielhaft und für Uran können die exakten Werte der Literatur entnommen werden (vgl. z. B. LA 4501, Present Status of the Analyses of the First and Second Spectral of Uranium (UI and UII) as Derived from Measurements of Optical Spectra, Los Alamos Scientific Laboratory der University of California, erhältlich beim National Technical Information Service, US Department of Commerce, 5285 Port Royal Road, Springfield, V).

Beim Durchführen des Verfahrens der gemäß Fig. 1 erläuterten Erfindung kann die in Fig. 2 dargestellte Vorrichtung typischerweise

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verwendet werden. Wie dargestellt, enthält eine erste Lasereinrichtung 32 ein Lasermedium 34, das gemäß einer Weiterbildung der Erfindung eine Farbstoff-Laser-Lösung ist, um im wesentlichen kontinuierliche Abstimm bar keit über einen Laserstrahlungsfrequenzbereich vorzusehen, so daß die gewünschte Frequenz zur Verwendung in der Erfindung angewendet werden kann. Farbstoffe für diesen Zweck sind für sich bekannt. Das Lasermedium 34 wird auf eine spezifische Frequenz in seinem möglichen, wirksamen Laserfrequenzbereich abgestimmt durch ein Abstimmglied 36. Das Abstimmglied 36 kann ein Etalon-Filter enthalten, wenn das erwünscht ist, um die Frequenzbreite oder -streuung auf eine geeignete enge Bandbreite zu begrenzen. Ein Anregungsglied 38, das eine zusätzliche Laser- oder Lichtenergiequelle enthalten kann, ist vorgesehen, zum Erzeugen der Laserpumpenergie zum Hervorrufen einer Besetzungsumkehr und schließlich zur Laserstrahlungsanregung beim Medium 34. Ein Zeitgeber 40 ist dargestellt, um das Einsetzen eines Impulses der Laserstrahlung 42 vom Medium 34 vorzusehen. Die Lasereinrichtung 32 kann typischerweise einer der sogenannten "Dial-A-Line"-Laser der Avco Everett Research Laboratory, Everett, Massachusetts, sein. Der Strahl 42 wird mit zweiten, dritten und vierten Laserstrahlen 44, 46 und 48 von Lasereinrichtungen 50 bzw. 52 bzw. 54 über dichroitische Spiegel 56 bzw. 58 bzw. 60 vereinigt, um einen zusammengesetzten Strahl 62 einer Strahlungsenergie zu erzeugen, die die vier Laserstrahlen enthält.

Typischerweise wird die Lasereinrichtung 32 abgestimmt, um den Übergang 16 hervorzurufen, während die Einrichtungen 50, 52, 54 entsprechend abgestimmt werden zum Hervorrufen der Übergänge 28, und 20.

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Eine mehr oder weniger große Anzahl von Lasereinrichtungen kann verwendet werden, wenn das aufgrund der erzeugten spezifischen Energiestufen oder -übergänge für notwendig erachtet wird. Zusätzlich können eine oder mehrere Verstärkerstufen in den Lasereinrichtungen vorgesehen sein, wenn das bei der Durchführung der Erfindung als wünschenswert erachtet wird.

Wenn es sich als nicht sinnvoll zeigen sollte, einen von den beiden getrennten Laserstrahlen mittels eines dichroitischen Spiegels gemäß Fig. 2 zu vereinigen, kann die in Fig. 2 A dargestellte Weiterbildung verwendet werden. Dort sind ein erster und ein zweiter Laserstrahl 64 bzw. 66 vorgesehen, die zu einem einzigen zusammengesetzten Strahl 68 vereinigt werden sollen. Das kann bequem erreicht werden durch Reflektieren des Strahls 64 mit einem Spiegel 70 in einen Weg, der nahezu parallel zum Strahl 66, jedoch leicht konvergent ist, so daß nach einer bestimmten Strecke der vereinigte Strahl erreicht ist. Ebenso kann das Vereinigen direkt durch ein Prisma erzielt werden.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach Fig. 2 wird der Strahl 62 einer Kammer 72 durch ein langes Rohr 74 zugeführt, das ein für den Strahl 62 durchlässiges Fenster 76 besitzt. Das Fenster 76 kann au* optischen) Quarz bestehen ,und das Rohr 74 setzt Dampfniederschläge am Fenster 76 herab. Die Kammer 72 ist über eine Pumpeneinrichtung 78 evakuiert, um einen Niederdruck in der Kammer 72 zu halten, so daß Störungen oder Überlagerungen der atmosphärischen Bestandteile mit dem erfindungsgemäBen Verfahren, z. B. durch Teilchenzusammenstöße, Verbrennung des Urandampfes oder andere Vorgänge, vermindert werden. Der Strahl 62 durchläuft eine Trenneinrichtung 80 und tritt aus der Kammer 72 durch ein weiteres Rohr 82 und ein im we-

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sentlichen durchlässiges Fenster 84, wo es mindestens einer zusätzlichen Kammer, ähnlich der Kammer 72, zur weiteren Verwendung der Energie im Strahl 62 zugeführt werden kann.

In der Kammer 72 wird durch eine Dampfquelle 86 Urandampf erzeugt und hauptsächlich in die Trenneinrichtung 80 gerichtet, wo die Strahlungsenergie im Strahl 62 zum selektiven Ionisieren der U 235-Teilchen des Urandampfes verwendet wird. Die selektiv ionisierten Teilchen werden dann durch einen üblichen Kreuzfeld-MHD-Beschleuniger beschleunigt, der ein gepulstes elektrisches Feld und ein kontinuierliches Magnetfeld einer Erregerquelle 88 für das elektrische Feld bzw. einer Magnetfelderregerquelle 90 verwendet.

Ein Zeitgeber 92 sieht typischerweise eine gleichzeitige Betätigung der Zeitgeber 40 in allen vier Lasereinrichtungen 32, 50, 52 und 54 vor und setzt darüber hinaus die Erregerquelle 88 für das gepulste elektrische Feld in Betrieb, um einen kurzdauernden elektrischen Feldimpuls genau nach jedem Strahlungsenergieimpuls von den Lasereinrichtungen vorzusehen.

Weitere Einzelheiten der Trenneinrichtung 80 und der Dampfquelle 86 in der Kammer 72 können aus der Fig. 3 ersehen werden, die schematisch einen Schnitt durch die Kammer 72 entlang der Linie 3-3 in Fig. 2 wiedergibt. In der Kammer 72 kann die Dampfquelle 86 typischerweise einen Tiegel 94 enthalten, der darin eine Versorgung mit elementarem Uran 96 enthält und durch ein Fluid in Leitungen 98 gekühlt ist. Das Uran 96 kann durch Erwärmen verdampft werden z. B. mittels eines Ofens, durch Induktion oder durch die Zufuhr eines Energiestrahlenbündels wie z. B. eines Elektronenstrahlenbündels auf die

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freiliegende Oberseite 100. Durch Zufuhr dieser Energie wird ein Urandampf erzeugt, um einen sich ausbreitenden (expandierenden) Dampf strom 102 vorzusehen, der auf die Trenneinrichtung 80, ggf. durch die Spalte eines Kollimators 104, gerichtet ist. Der Dampfstrom 102 besitzt einige angeregte U235-TeiIchen aufgrund z.. B. thermischer Anregung, Teilchenstößen, Wechselwirkungen mit dem Elektronenstrahlenbündel o. ä.

Der Dampfstrom 102 tritt in die Trenneinrichtung 80 und in mindestens einen Bereich 106- ein, der die gleiche Ausdehnung aufweist wie der Bestrahlungsbereich durch die Strahlungsenergie im Strahl 62. Nach Zufuhr der Strahlungsenergie werden Ionen des gewünschten Isotops U 235 im Bereich 106 erzeugt, und diese können anschließend an eine der Seitenplatten 108 durch gepulstes Ausüben einer Kreuzfeld-MHD-Beschleunigungskraft im Bereich 106 angezogen werden. Der nicht abgelenkte Teil des Dampfes schreitet weiter fort zur Sammelplatte oder Fangelektrode 110.

Das Kreuzfeld kann vorgesehen werden durch Magnet-Erregerspulen 112 zur Erzeugung eines Magnetfeldes parallel zum Laserstrahlenbündel 62 und durch die Erregerquelle 88 des elektrischen Feldes an Elektroden 114, die in irgendeiner Form angeordnet werden können, wie z. B. bei 116 und 118, um zueinander senkrechte elektrische und. magnetische Felder im Bereich 106 vorzusehen, die typischerweise so eingestellt sind, um die Ionen auf eine der Platten 108 zu treiben.

Die Strahlungsenergie im Strahl 62 wird typischerweise durch periodische Impulse mit eingestellter Grundfrequenz vorgesehen, um sicherzustellen, daß alle Teile des Dampfstroms 102 während eines

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Impulses des Strahls bestrahlt werden. Die Dauer der Laserimpulse, die wie bekannt, normalerweise bestimmt werden durch die Eigenschaften des Mediums 34, können typischerweise ein festes Bruchteil einer Mikrosekunde dauern. Sofort nach der Anwendung jedes Laserimpulses im Strahl 62 wird das elektrische Feld durch die gepulste Erregerquelle 88 angelegt, um in Wechselwirkung mit dem kontinuierlich angelegten Magnetfeld ein Kreuzfeld zumindest im Bereich 106 vorzusehen. Das Kreuzfeld wird eingestellt zum Beschleunigen der Ionen auf Bahnen, die sich von ihrer Richtung im Dampfstrom 102 unterscheiden, und vorzugsweise auf eine der Sammelplatten 108 an

der Seite der Trenneinrichtung 80. Der Impuls des elektrischen Feldes ist üblicherweise kleiner als 2 us, da es vorzuziehen ist, die Beschleunigung skr äf te zu beenden, bevor wesentliche Ladungsanderungsreaktionen mit den U235-Ionen auftreten. Das verhindert die Beschleunigung der U238-Teilchen, die eine elektrische Ladung angenommen haben, bevor die Beschleunigungskräfte beendet sind, lh ähnlicher Weise sind die Abmessungen zwischen den Platten 108 und anderen Bauteilen in der Kammer 72 typischerweise in ihrer Größe begrenzt durch die kinetische mittlere Weglänge der Teilchen im Dampfstrom 102, so daß erhebliche oder bedeutende Teilchenzusammenstöße nicht auftreten, um entweder die nichtionisierten Teile des Dampf Stroms 102 oder die ionisierten und beschleunigten Teile des gewünschten Isotops U 235 abzulenken.

Selbstverständlich können auch anstelle der selektiven Ionisation Selbstionisations verfahr en verwendet werden, die typischerweise nur einen Energieschritt verwenden.

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Isotopentrennung zum selektiven Erzeugen von Übergängen in Teilchen eines ersten Isotops in einer Umgebung mit einem Werkstoff mit mehreren Isotopen,

dadurch gekennzeichnet,

daß ein erster Übergang in den Teilchen des ersten Isotops in der Umgebung von einem ersten dicht besetzten Energieniveau zu einem wesentlich höheren Energieniveau erzeugt wird,

daß ein zweiter Übergang in weiteren Teilchen der Umgebung von mindestens einem anderen besetzten Niveau zu einem höheren Energieniveau erzeugt wird, und

daß der zweite Übergang gesteuert wird zum selektiven Erzeugen des zweiten Übergangs in den Teilchen am anderen besetzten Niveau und das im wesentlichen höhere Energieniveau ohne gleichzeitiges Anregen anderer Teilchen der Umgebung.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

beim Erzeugen der ersten und zweiten Übergänge Strahlungsenergie der Umgebung zugeführt wird, und

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beim ersten und zweiten Steuern mindestens eine bestimmte Photonenenergie für die Strahlungsenergie zum selektiven Anregen der Teilchen des einen Isotops von den verschiedenen Energieniveaus zu dem höheren Energieniveau erreicht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die Strahlungsenergie mindestens eine Laserstrahlung verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Übergang in den Teilchen des angeregten einen Isotops von den mehreren Energieniveaus auf ein höher angeregtes Energieniveau über dem Ionisierungsenergieniveau der Teilchen des ersten Isotops erzeugt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ionisierten Teilchen von den restlichen Teilchen der Umgebung getrennt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die von den anderen Teilchen der Umgebung getrennten Teilchen des einen Isotops gesammelt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kreuzfeld über die ionisierten Teilchen des einen Isotops angelegt wird zum Beschleunigen der ionisierten Teilchen auf verschiedene Bahnen.

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8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß als Umgebung ein Dampfstrom vorgesehen wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen des einen Isotops mit wesentlich höherem Energieniveau von den restlichen Bestandteilen der Umgebung getrennt werden.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß beim Trennen die angeregten Teilchen des einen Isotops auf Bahnen beschleunigt werden, die von ihrer Bahn im Dampf strom verschieden sind.

11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß beim Trennen die angeregten Teilchen des einen Isotops ionisiert werden und die ionisierten Teilchen auf Bahnen beschleunigt werden, die von den Bahnen im Dampf strom verschieden sind.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-11, gekennzeichnet durch das Uranisotop U 235 in den Teilchen des ersten Isotops.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-12, gekennzeichnet durch das Grundenergieniveau und mindestens ein niedriges Energieniveau bei den verschiedenen Energieniveaus.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch .gekennzeichnet, daß als die anderen Energieniveaus die thermisch ange-

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regten Energieniveaus verwendet werden, die bedeutende Besetzungen von Teilchen des einen Isotops besitzen.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß zu den thermisch angeregten Niveaus mindestens das erste thermisch angeregte Niveau direkt über dem Grundniveau der Teilchen des ersten Isotops gehört und das erste Energieniveau das Grundniveau ist.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß als erste und zweite Strahlungsenergie mindestens eine Laserstrahlung verwendet wird, die isotopenselektive Photonenenergien aufweist zum Erzeugen der angegebenen selektiven Anregung der Teilchen des ersten Isotops von dem mindestens einen Energieniveau.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 - 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserstrahlung von mindestens einem Farbstofflaser erzeugt wird.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß eine dritte Strahlungsenergie den von den ersten Energieniveaus selektiv angeregten Teilchen des einen Isotops in der Dampfumgebung zugeführt wird zum Ionisieren der Teilchen mit der dritten Strahlungsenergie.

19- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 18, dadurch gekennzeichnet, daß als das eine Isotop ein Uranisotop verwendet wird.

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20. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1-19,

gekennzeichnet durch

eine erste Einrichtung zum Erzeugen des ersten Übergangs (16) in den Teilchen des ersten Isotops in der Umgebung,

eine erste Steuereinrichtung zum Steuern des ersten Übergangs (16) zum selektiven Anregen der Teilchen des ersten Isotops von einem ersten besetzten Energieniveau (12) auf ein wesentlich höheres Energieniveau (18),

eine zweite Einrichtung zum Erzeugen eines zweiten Übergangs (28, 30) in weiteren Teilchen des ersten Isotops von mindestens einem anderen besetzten Energieniveau (24, 26) des einen Isotops und

eine zweite Steuereinrichtung zum Steuern des zweiten Übergangs (28, 30) zum selektiven Anregen der weiteren Teilchen des einen Isotops von den anderen Energieniveaus (24, 26) zu einem wesentlich höheren Energieniveau (18, 18') ohne gleichzeitiges Anregen anderer Teilchen der Umgebung.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Einrichtung zum Erzeugen des ersten und zweiten Übergangs (16, 28, 30) eine Strahlungseinrichtung zum Zuführen von Strahlungsenergie bei mindestens einer bestimmten Frequenz auf die Umgebung enthalten.

22. Vorrichtung nach Anspruch 21, gekennzeichnet durch ein Pulsglied zum Erzeugen impulsförmiger Strahlungsenergie.

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23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß

die wesentlich höheren Energieniveaus (18, 18') unt er dem Ionisierungsniveau (14) liegen und ein Trennmittel enthält,

eine Ionisierungseinrichtung für die angeregten Teilchen des einen Isotops, wobei die ionisierten Teilchen auf bestimmte Bahnen beschleunigt sind, und

eine Einrichtung zum Anlegen eines Magnetfeldes und eines gepulsten elektrischen Feldes an die Umgebung.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 - 23, gekennzeichnet durch eine Trenneinrichtung (80) für die angeregten Teilchen des einen Isotops von den restlichen Bestandteilen der Umgebung.

25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 - 24, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Übergang (16) vom Grundenergieniveau (12) auf ein wesentlich angeregtes Energieniveau (18) erfolgt.

26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 - 24, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Ionisieren der selektiv angeregten Teilchen des einen Isotops.

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