DE2443216A1 - Verfahren zur isotopenanreicherung. - Google Patents

Description

KRAFTWERK UNION AKTIENGESELLSCHAFT Erlangen, 9* 9. 74

Werner-von-Siemens-Str.

Unser Zeichen: VPA 74/9438 Mue/Di

Verfahren zur Isotopenanreicherung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Isotopenanreicherung mit Hilfe einer Laserstrahlung, die von Molekülen des einen Isotops einer zu trennenden Isotopenmischung absorbiert wird und diese dadurch angeregten Moleküle zu einer chemischen Reaktion mit einem Reaktionspartner veranlaßt. Ein solches Verfahren ist z.B. aus der DAS 2 296 355 bekannt geworden. Dabei wird ein G-emisch aus isotopen Molekülen und einem Reaktionspartner von einem Laserstrahl einer bestimmten Frequenz durchsetzt, die einer Absorptionsfrequenz des anzuregenden Isotops entspricht. Dieses selektiv angeregte Isotopenmolekül ist dadurch in der Lage, mit einem geeigneten Reaktionspartner eine chemische Reaktion einzugehen, so daß im Reaktionsprodukt im wesentlichen nur das angeregte Isotop enthalten ist und somit eine Trennung bzw. Anreicherung desselben gegenüber dem Ausgangsisotopengemisch erzielt wird.

Neben diesen erwünschten Reaktionen treten aber auch thermisch aktivierte Reaktionen auf, die nicht an die durch die Laserstrahlung angeregten Moleküle des einen Isotops, gebunden sind, so daß dadurch die Selektivität des Verfahrens verschlechtert wird. Diese Möglichkeit ist besonders dann gegeben, wenn die für die Durchführung der chemischen Reaktion benötigte Aktivierungsenergie relativ niedrig ist.

Da die Wirtschaftlichkeit eines Trennverfahrens aber sehr stark

- 2 609813/0453

- 2 - VPA 74/9438

von der Selektivität desselben abhängig ist, stellte sich die Aufgabe, eine Verfahrensführung für diese Art der Isotopentrennung zu finden, bei der die "thermische Konkurrenz", also die unerwünschten Reaktionen durch thermische Aktivierung möglichst gering gehalten werden.

Dieses Ziel wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß das Isotopengemisch sowie der Reaktionspartner in abgemessenen Mengen aus Vorratsgefäßen in das Reaktionsgefäß eingelassen werden, dann ein Laserstrahl hoher Dosisleistung kurzzeitig durch das Reaktionsgefäß geschickt wird und anschließend der Inhalt des Reaktionsgefäßes adiabatisch in ein Vakuumgefäß entleert wird. Das Verfahren wird also in einzelnen Takten gesteuert, wobei die Zeitdauer dieser einzelnen Takte, insbesondere des Bestrahlungstaktes, zeitlich so begrenzt werden, daß eine thermische Aktivierung der im Bestrahlungsgefäß enthaltenen Stoffe und damit unerwünschte Reaktionen größtenteils vermieden werden. Durch den Auslaß des Inhalts der Bestrahlungskammer - nach durchgeführter Bestrahlung - in ein Vakuumgefäß findet eine adiabatische Entspannung desselben statt, die mit einer derartigen Abkühlung verbunden ist, daß thermische Aktivierungen sofort unwirksam werden.

An Hand einer schematischen Darstellung der Trennung einer Isotopenmischung aus UFg sei nun dieses Verfahren beispielsweise näher erläutert. Die Fig. 1 zeigt schematisch die Zuordnung der für die Durchführung des Verfahrens benötigten Einrichtungen, die Fig. 2 zeigt einen Schnitt senkrecht zur optischen Achse des Bestrahlungsgefäßes, das in Fig. 1 sozusagen als Seitenansicht dargestellt ist.

Der aktive Teil eines Lasers 8, z.B. eines OO-Lasers und das Reaktionsgefäß 3, in dem die gewünschte chemische Reaktion zwischen dem angeregten Isotop und dem Reaktionspartner stattfindet, befinden sich innerhalb eines Spiegelsystems 9 und bilden damit gemeinsam einen optischen Resonator. Dies ist

809813/0453

- 3 - VPA 74/9438

zur Erzielung einer möglichst hohen Bestrahlungsleistung zweckmäßig. Der optische Resonator wird dabei ait technisch bekannten Mitteln auf eine einzelne Spektrallinie des anzuregenden Isotopenmoleküles abgestimmt. Diese Mittel sowie weitere Einrichtungen zur Frequenzabstimmung sind nicht Gegenstand dieser Erfindung und daher - auch aus Gründen der Übersichtlichkeit - nicht dargestellt. In einem Vorratsgefäß 1 befindet sich das Isotopengemisch UFg und im Vorratsgefäß 2 der Reaktionspartner. Beide Gefäße sind mit Dosiereinrichtungen 12 und 22 versehen, die über Ventile 6 und 7 genau dosierte Mengen dieser Stoffe dem Reaktionsgefäß 3 zuführen. Diese Dosiereinrichtungen können dabei mit einer Heiz- oder Kühleinrichtung zur Einstellung der günstigsten Temperatur für die miteinander reagierenden Stoffe versehen sein. Die Zuführungsleitungen 11 und 21 zum Reaktionsgefäß 3 werden dabei als sich praktisch über die ganze Länge des Reaktionsgefäßes 3 erstreckende Schlitzdüsen gestaltet. Dies ist in Fig. 2 etwas realistischer dargestellt, dort sind auch die Ventile 6 und 7 innerhalb der Dosiereinrichtungen 12 und 22 angeordnet. Die Einrichtungen zur Temperatureinstellung sind der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt. Das Reaktionsgefäß wird zweckmäßigerweise als ein den Laserstrahl relativ eng umschließendes Rohr ausgebildet, damit ein möglichst großer Anteil der darin befindlichen Stoffe der Wirkung des Laserlichtes ausgesetzt wird. Über eine schlitzförmige Düse 31, die über ein Ventil 5, z.B. auf magnetischem Wege geöffnet werden kann, entspannt sich das bestrahlte Stoffgemisch in die Vakuumkammer 4 und kühlt sich dabei außerordentlich stark ab, so daß keine thermischen Reaktionen mehr stattfinden können. Die Herstellung des Vakuums im Auffanggefäß 4 erfolgt vorzugsweise kryotechnisch, also durch Ausfrieren. Die dafür nötige Einrichtung ist schematisch mit 44 bezeichnet. Wenn das Reaktionsprodukt in fester Form ausfällt, verbleibt es im Vakuumgefäß 4 und kann von Zeit zu Zeit durch eine daran angebrachte Klappe 46 entnommen werden. Dieses feste Reaktionsprodukt wird dann in nicht dargestellten Schritten

SU9813/Ö453

- 4 - VPA 74/9438

auf chemischem Wege wieder zu UPg mit einem gegenüber dem Ausgangs-UFg wesentlich erhöhten Anteil an U 255 umgewandelt und dann z.B. in herkömmlicher Weise zu UOp verarbeitet.

Der restliche Anteil der Ausgangsstoffe gelangt in bestimmten Zeitabständen zu einem Trenngerät 43, das z.B. nach dem Prinzip der fraktionierten Destillation arbeiten kann. Über leitungen 42 und 41 können dann die getrennten Anteile des Ausgangsisotopengemisches und des Reaktionspartners in die entsprechenden Vorratsbehälter zurückgeführt werden.

Für den Fall, daß das Reaktionsprodukt nicht in fester Form innerhalb des Vakuumgefäßes 4 ausfällt, wird dieses mit Hilfe des bereits erwähnten Trenngeräts 43 in ein Konversionsgerät 45 überführt, das das Reaktionsprodukt wieder in den Ausgangsstoff UFg zurückverwandelt und damit für eine Weiterverarbeitung z.B. zu UOp geeignet macht. Das UFg ist dabei an dem bestrahlten Isotop, z.B. Uran 235, angereichert. Sollte der bei einem einmaligen Durchgang erzielte Anreicherungsgrad noch nicht ausreichend sein, so ist es möglich, auch dieses bereits angereicherte UFg wieder dem Vorratsgefäß 1 zuzuführen und erneut einem weiteren Trennschritt auszusetzen. Als Reaktionspartner können dabei verschiedene Stoffe Verwendung finden. Für dieses Beispiel UFg können beispielsweise HBr oder HCl verwendet werden.

Der Ablauf dieses Verfahrens wird zweckmäßigerweise automatisch durch ein Steuergerät geführt, das außerdem für die Heiz- und Kühleinrichtungen die Sollwerte vorgibt. Der innere Aufbau desselben kann in an sich bekannter Weise vorgenommen werden, er ist nicht näher dargestellt, zumal er für das Verständnis der vorliegenden Erfindung nicht notwendig ist. Abschließend sei darauf hingewiesen, daß sich dieses Verfahren selbstverständlich nicht nur zur. Trennung von Uranisotopen eignet, auch ist es nicht unbedingt

- 5 809813/0453

- 5 - VPA 74/9438

nötig, das Reaktionsgefäß in den optischen Resonator zu integrieren, wesentlich ist eine möglichst hohe Strahlungsenergie, die kurzzeitig zur Verfügung steht. Es können daher technisch bekannte Laserimpulsschaltungen Verwendung finden. Weiterhin sei darauf hingewiesen, daß es selbstverständlich auch möglich ist, höhere Anreicherungsgrade durch kaskadenförmig angeordnete weitere Trenneinrichtungen zu erreichen.

4 Patentansprüche
2 Figuren

- 6 609813/0453

Claims (1)

1. - 6 - VPA 74/9438

   Patentansprüche

   Verfahren zur Isotopenanreicherung mit Hilfe einer Laserstrahlung, die von Molekülen des einen Isotops einer zu trennenden Isotopenmischung absorbiert wird und diese dadurch angeregten Mole zu einer chemischen Reaktion mit einem Reaktionspartner veranlaßt, dadurch gekennzeichnet, daß das Isotopengemiech sowie der Reaktionspartner in abgemessenen Mengen aus Vorratsgefäßen in ein Reaktionsgefäß eingelassen werden, dann ein Laserstrahl hoher Dosisleistung kurzzeitig durch das Reaktionsgefäß geschickt und anschließend der Inhalt des Reaktionsgefäßes adiabatisch in ein Vakuumgefäß entleert wird.

   Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionsprodukt sowie die Restanteile der Ausgangsstoffe aus dem Vakuumgefäß in ein Trenngerät überführt werden, aus dem sie einzeln den Vorratsgefäßen bzw. das Reaktionsprodukt zur Umwandlung in eine angereicherte Ausgangsisotopenmischung einem Konversionsgerät zugeführt werden.

   Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß es diskontinuierlich in drei Haupttakten "Einlaß", "Bestrahlung" und "Auslaß" gesteuert wird, dem Nebentakte wie "Dosierung der Ausgangsstoffe", "Überführung des Inhalts des Vakuumgefäßes in das Trenngerät", "Weiterleitung der darin getrennten Stoffe" usw. zugeordnet werden. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionsgefäß zusammen mit dem aktiven Teil des Lasers zu einem optischen Resonator integriert ist.

   6CJ9813/0A53