DE2447762A1

DE2447762A1 - Verfahren zur isotopentrennung

Info

Publication number: DE2447762A1
Application number: DE19742447762
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl Phys Gregorius; Karl Dipl Phys Janner
Original assignee: Kraftwerk Union AG
Current assignee: Kraftwerk Union AG
Priority date: 1974-10-07
Filing date: 1974-10-07
Publication date: 1976-04-08
Also published as: AU8519375A; IL47756A0; IL47756A; ZA756033B; FR2287262B1; DE2447762C2; FR2287262A1; AU501570B2; GB1506766A; CA1061744A

Description

⁴· ΟΚΤ. 1974

KRAFTWERK UNION AKTIENGESELLSCHAFT Erlangen,

Hammerbacher Str. 12 u.

VPA 74/9445 Mü/Ant

Verfahren zur Isotopentrennung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Trennung von Stoffgemischen, insbesondere von Isotopen bzw. Isotopenverbindungen nach dem Grundprinzip der selektiven Anregung, Dissoziation bzw. Ionisation des einen Stoffes, vorzugsweise zur Ermöglichung einer chemischen Reaktion mit einem gesondert zugeführten anderen Reaktionspartner. Eine solche Anregung kann mittels elektromagnetischer Wellen, insbesondere einer Laserstrahlung, deren Frequenz so eingestellt ist, daß sie von dem zu trennenden Isotop selektiv absorbiert wird, durchgeführt werden. Ein solches Verfahren ist z.B. aus der DOS 1 959 767 bekannt geworden. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß neben den durch die selektive Laseranregung ermöglichten chemischen Reaktionen, die eine normale Abtrennung des nur das angeregte Isotop enthaltenden Reaktionsproduktes erlauben, auch andere Reaktionen stattfinden, die die Selektivität verschlechtern. Letztere werden verursacht durch Überlappung der Absorptionsbanden, Resonanzaustausch und thermisch aktivierte Reaktionen.

Ea stellte sich daher die Aufgabe, dieses Verfahren so zu verbessern, daß einerseits die Selektivität erhöht und andererseits auch die Ausbeute wesentlich verbessert wird. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die zunächst dampfförmigen Stoffe adiabatisch auf Temperaturen unter 100 K entspannt und noch vor ihrer Kondensation mit einer elektromagnetischen Welle, vorzugsweise einem in einen Resonator geführten Laser-

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strahl entsprechender Frequenz durchstrahlt werden. Dabei wird die elektromagnetische Welle hinsichtlich Bandbreite und Frequenzlage so eingestellt, daß der Q-Zweig des Rotationsschwingungsspektrums des anzuregenden Stoffes erfaßt wird. Die Abkühlung bewirkt dabei und wird soweit getrieben, daß die Molekülvibrationen weitgehend einfrieren und die Häufigkeitsverteilung der Rotationsenergien so ausgebildet ist, daß der P- bzw. R-Zweig des nichtanzuregenden Isotops mit dem Q-Zweig des anzuregenden sich nicht stark überlappt. Weiterhin wird dabei insbesondere von der an sich bekannten stufenweisen Anregung Gebrauch gemacht.

Zur weiteren Erläuterung soll dieses Verfahren an einem Beispiel der Trennung der Uranisotopen 235 und 238 näher erläutert werden, wobei selbstverständlich darauf hinzuweisen ist, daß'der Anwendungsbereich dieses Verfahrens dadurch in keiner Weise beschränkt wird.

Die Wirkung dieses erfindungsgemäßen Verfahrens beruht auf der Kombination von zwei Maßnahmen:

1) Einer TemperatürSenkung unter 100 K. Dadurch wird eine sehr starke Verschmälerung der Absorptionsbanden der Isotopenmischung, in diesem Falle von UFg, erreicht. Normalerweise sind die Absorptionsbanden der beiden Isotopenverbindungen U 235 Fg und U 238 Fg seitlich gegeneinander nur wenig verschoben und überlappen sich daher. Durch Einstrahlung einer bestimmten Frequenz mit Hilfe eines lasers werden daher beide Isotopenverbindungen durch Absorption angeregt, wenn auch unterschiedlich stark. Die auf diese Weise erreichbare Selektivität ist naturgemäß verhältnismäßig gering. Durch die infolge der starken Abkühlung erreichten Verschmälerungen, insbesondere der Q-Zweige dieser Absorptionsbanden tritt praktisch keine Überlappung derselben mehr auf bzw. wird stark vermindert.

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Die Absorptionsmaxima beider Isotopenverbindungen liegen dann über der Frequenz aufgetragen deutlich nebeneinander. Dies bedeutet aber nichts anderes, als daß bei der Einstrahlung einer Laserfrequenz, die dem Absorptionsmaximum der Uran 235 IV-Verbindung entspricht, die andere Isotopenverbindung Uran 238 Fg praktisch nicht bzw. wesentlich schwächer angeregt wird.

2) Die stufenweise Anregung, die an sich bekannt ist, ermöglicht es mit den relativ niedrigen Frequenzen anzuregen, bei denen das Molekül eine starke Absorption aufweist (bei Infrarot-aktiven Grundschwingungen und einfachen Kombinationsschwingungen) und trotzdem die für eine selektive chemische Reaktion hohe Anregungsenergie zu erreichen. Dadurch und durch Anregen in einem Resonator kommt man mit relativ kleiner Laserleistung aus. Diese kann um mehrere Größenordnungen kleiner sein als für die gleichstarke Anregung in einem Einquantenprozeß gleicher Endenergie, obwohl die stufenweise Anregung nur dann mit geringen Verlusten möglich ist, wenn die Leistungsdichte so groß gewählt wird, daß die Aktivierungsraten größer als die störenden Desaktivierungsraten (ohne stimulierte Emission) sind. Die Anregung erfolgt dabei vorzugsweise mit der Grundfrequenz V₅, die für U 235 F₆ bei 624 cm"¹ liegt. Es können jedoch je nach Verfügbarkeit von Lasern auch andere Schwingungen, z.B. die Kombinat ions schwingungen (/*- +tf-z des U 235 Fg angeregt werden. Diese stufenweise Anregung mit Hilfe der Grundfrequenz ist möglich, weil die Energiedifferenzen zwischen den unteren Anregungsstufen wenig verschieden sind. Es werden bevorzugt die in Resonanz befindlichen U 235 F₆ Moleküle erfaßt. In Fällen, in denen dieser Anteil zu klein ist, wird durch geeignete Wahl der Dichte oder weniger divergente Strömungsführung die Stoßzahl auf so hohe Werte

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eingestellt, daß die übrigen Moleküle während des Aufenthaltes in der Reaktionszone in den für Absorption notwendigen Zustand kommen. Die Besetzungsdichte der angeregten Zustände wird also vergrößert.

Zum weiteren Verständnis dieser Zusammenhänge sei nun die in den Pig. 1-3 dargestellte Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens näher beschrieben. Selbstverständlich sind auch noch andere konstruktive Einrichtungen zur Durchführung desselben denkbar.

Wie bereits erwähnt, sollen an diesem Beispiel die beiden Isotopen-Uranverbindungen U 235 Fg und U 238 Fg getrennt werden, und zwar mit Hilfe einer chemischen Reaktion mit Wasserstoffbromid.

Entsprechend der in Fig. 1 schematisch dargestellten Trenneinrichtung befinden sich die Uranverbindungen im Vorratsbehälter 2 und der Reaktionspartner im Vorratsbehälter Über Ventile 31 und 21 werden sie Verteilerräumen 32 und zugeführt und gelangen von dort in einen Mischraum 23, an dem sich eine spaltförmige Austrittsdrüse 24 anschließt. Diese bildet bereits einen Teil der Vakuumkammer 1, die mit Kühlwänden 14, 15 und 16 versehen ist. Über angeschlossene Pumpen 5 und 6 können nichtverbrauchte Reaktionspartner sowie flüchtige Reaktionsprodukte abgesaugt werden. Vor der Düse 24 durchsetzt der Laserstrahl 4 den aus dieser austretenden Dampfstrahl, der ein Gemisch aus UFg und HBr darstellt. Dieser Laserstrahl 4 wird in der .eigentlichen Lasereinrichtung 41 erzeugt - siehe Fig. 2 - und durch Spiegel 42 und 43 auf so hohe Werte aufgeschaukelt, bis die Verluste gleich der zugeführten Energie sind. Durch gestrichelte Linien 1 ist dabei die Lage der Wandungen des Vakuumbehälters 1 bzw. dessen Fenster angedeutet (siehe Fig. 2). Im Inneren des Vakuumgefäßes befindet sich der Ab-

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schaler 11, der die Gestalt einer schlitzförmigen Düse hat und dafür sorgt, daß die aus dem Bereich der Laserstrahlung kommenden !Teilchen von jenen, die dort nicht beeinflußt wurden, getrennt werden.

Der Dampfdruck des UFg wird durch Temperaturregelung im Vorratsbehälter 2 auf einen geringfügig über den gesamten Druck in der Mischkammer 23 liegenden Wert von 3300 Torr eingestellt. Die Temperatur des Reaktionspartners im Vorratsbehälter 3 sei so eingestellt, daß sich im Mischraum 23 eine Gemischtemperatur einstellt, die ein wenig über der Kondensationstemperatur beim gewünschten UFg-Partialdruck liegt. Bei 300 Torr Partialdruck des UFg entsprechend einer Behältertemperatur von 314 K wird eine Gemischtemperatur von 320 K gewählt. Dann muß das HBr-Gas mit einer Temperatur von 290 K zugeführt werden. Bei dieser Temperatur hat HBr einen Dampfdruck von I5OOO Torr. Über die Ventile 31 und 21 wird das gewünschte Mischungsverhältnis, das Verhältnis der Molekülkonzentration UEg/HBr = 1:10 eingestellt. Damit im Mischraum möglichst wenig thermische Reaktionen auftreten, wird dieser und damit - bei gegebenem Volumendurchsatz die Aufenthaltsdauer möglichst klein gehalten. Letztere liegt in der Größenordnung von 10 Sekunden. Um Reaktionen an der Wandung zu vermeiden, werden diese Räume strömungstechnisch so ausgelegt, daß das richtige Mischungsverhältnis erst in der später durch den Laserstrahl zu erfassenden Zone des DampfStrahles auftritt. Vor allem soll sich in den Randzonen möglichst wenig UIg befinden. Durch eine Kunststoffauskleidung der Wandungen, z.B. mit Polytetrafluoräthylen (Teflon) wird deren katalytische Wirkung zur Auslösung chemischer Reaktionen weitgehend verhindert. Durch diese Maßnahmen wird ein Verstopfen des engen Austrittsspaltes vermieden und der vom Laserstrahl nicht erfaßte, abgeschälte UiV-Anteil vermindert.

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Die Austrittsdüse 24 stellt einen Spalt von etwa 1/100 mm Breite sowie 50 cm Länge dar und mündet in die Vakuumbehälter 1. Der Gemischstrahl entspannt sich dabei adiabatisch sehr stark bei gleichzeitiger starker räumlicher Aufweitung. Da dabei eine Wandreibung nicht auftreten kann, tritt eine erhebliche Abkühlung auf. Bei einem Adiabaten-Koeffizienten für HBr von 1,42 genügt eine Drucksenkung um den Paktor 10 um die Temperatur des DampfStrahles auf ca« 20.K zu senken. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, daß es allgemein zweckmäßig ist, Reaktionspartner mit möglichst großem Adiabaten-Koeffizienten auszuwählen, damit die notwendige niedrige !Temperatur mit möglichst kleinen Drucksenkungen erreicht wird. Dies kann natürlich auch mit Hilfe eines nicht an der Reaktion teilnehmenden Stoffes erreicht werden. Dabei tritt dann die bereits erwähnte starke Konzentrierung des Q-Zweiges des Rotationsschwingungsspektrums ein und als Folge davon die hohe Selektivität. Dieser Zustand tritt etwa 2,5 mm hinter der Austrittsöffnung 24 ein, dort verläuft parallel zu der Düse 24 der etwa 3 mm dicke Laserstrahl, dessen Frequenzbereich auch den ganzen Q-Zweig einschließlich der Verschiebung der Banden mit zunehmender Anregungsstufe überdecken soll. (Mit zunehmenden Zahlen der Anregungsstufen werden die Anregungsfrequenzen etwas kleiner). Der Zentralteil des aus der Düse 24 austretenden Gasstrahles durchquert den Laserstrahl und wird dabei selektiv in Stufen angeregt. Da die durch stimmulierte Emission erzeugten Quanten dem Laserstrahl wieder zugeführt werden, erfolgt die Anregung mit relativ hohem Wirkungsgrad. Die Energiedichte des Laserstrahles im Resonator wird dabei so gewählt, daß bei dem vorhandenen Wirkungsquerschnitt und ausreichend hoher Stoßzahl im Bereich des Laserstrahles (ca. 50 Stöße jedes Moleküls) gerade der wesentliche Teil des U 235 Fg umgesetzt wird. Infolge der großen Selektivität wird von der Isotopenverbindung U 238 Fg nur ein kleiner Teil umgesetzt, da die reaktionsfähigen hohen Anregungsstufen von Molekülen dieses Isotops nur schwach besetzt sind.

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Der "bereits erwähnte Abschäler 11 läßt nur jenen Teil des Strahles durch, der den laserstrahl durchsetzt hat, der übrige Teil wird entweder kondensiert - TJiV an den Kühlwänden 14 oder abgepumpt - HBr über die Pumpe 5. Die durch den Abschäler hindurchfliegende Mischung aus Reaktionsprodukten und Ausgangsstoffen kann durch fraktionierte Destillation getrennt werden. Auf der Auffangplatte 16 schlagen sich angereicherte Reaktionsprodukte 7 nieder, diese bestehen z.B. aus angereichertem UP₅ oder TJi₄. Auf den Kühlwänden 15 kondensieren dann hauptsächlich U 238 Fg. Die flüchtigen Produkte wie z.B. UP und HBr werden über die Pumpe 6 abgesaugt. Es wäre auch möglich, HBr auszufrieren und. HF chemisch zu binden.

Wesentlich für das geschilderte Funktionieren dieser Einrichtung ist, daß der Stoffstrahl im Bereich der Düse noch dampfförmig ist, also noch nicht kondensiert. Eine wesentliche Kondensation tritt erst beim Auftreffen des Stoffstrahles auf die gekühlte Wand ein, da die Kondensationswärme abgeführt werden muß, was durch die geringe Stoffstrahldichte im Bereich der Laserstrahlung, deren Leistungsdichte

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etwa 10 Watt pro cm beträgt, nicht gegeben ist.

In der Fig. 3 ist eine Laseranordnung, ähnlich wie in Fig. 2, dargestellt, bei der noch ein zweiter Laser 44 vorgesehen ist, dessen Strahlung 4¹ in dem durch die Spiegel 46 und 45 gebildeten Resonanzsystem gehalten wird. Die Laser 41, 44 und ihre Strahlungen 4,4' sind praktisch gleichachsig angeordnet und nur zur Verdeutlichung des Strahlungsverlaufes gegeneinander versetzt gezeichnet. Ein derartiger zweiter Laser ist zweckmäßig, wenn von einem selektiv angeregten Zustand ausgehend noch eine höhere Anregung, eine Dissoziation oder Ionisation der Isotopenmoleküle durchgeführt werden soll. Die entstehenden Produkte können dann in an sich bekannter Weise mit ehemischen und/oder physikalischen Methoden voneinander getrennt werden. Beispiele hierfür sind: Selektive chemische Reaktion, evtl. verbunden mit nachfolgender fraktionierter Destillation - fraktionierte Des"illation der

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Dissoziationsprodukte - Ablenkung der selektiv erzeugten Ionen im elektrischen und/oder magnetischen Feld.

Je nach Wahl der Strömungs- und Strahlungsparameter sind nach diesen Verfahren sehr hohe Anreicherungsgrade und sehr geringe Restgehalte erreichbar. Bei den angegebenen Parametern ergibt sich eine Anreicherung auf ca. 22 $, ein Restgehalt von 0,08 io sowie effektiver Durchsatz an TJFg von ca. 30 Tonnen pro Jahr.

Abschließend sei erwähnt, daß dieses im Hinblick auf die Isotopentrennung beschriebene Verfahren auch zur Erzeugung sonst nur schwer oder mit geringer Ausbeute herstellbarer chemischer Verbindungen anwendbar ist.

11 Patentans prüche
3 Figuren

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Claims

- 9 - VPA 74/9445 Patentansprüche

1. Verfahren zur Trennung von Stoffgemischen, insbesondere von Isotopen bzw. Isotopenverbindungen nach dem Grundprinzip der selektiven Anregung, Dissoziation bzw. Ionisation des einen Stoffes, vorzugsweise zur Ermöglichung einer chemischen Reaktion mit einem gesondert zugeführten anderen Reaktionspartner, dadurch gekennzeichnet, daß diese zunächst dampfförmigen Stoffe adiabatisch auf Temperaturen unter 100 K entspannt und noch vor ihrer Kondensation mit einer elektromagnetischen Welle, vorzugsweise einem in einem Resonator geführten Laserstrahl entsprechender Frequenz, durchstrahlt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetische Welle hinsichtlich Bandbreite und Frequenzlage so eingestellt wird, daß der Q-Zweig des V^ Rotationsschwingungsspektrums des anzuregenden Stoffes erfaßt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch entsprechende Einstellung der Intensität der Welle sowie der Dichte des anzuregenden Stoffes in an sich bekannter Weise eine stufenweise Anregung desselben bewirkt wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erreichung der letzten Anregungsstufe, also z.B. der Dissoziation, ein weiterer laserstrahl angepaßter Frequenz vorgesehen ist.

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5. Verfahren nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die "beiden Reaktionspartner über eine gemeinsame schlitzförmige Düse adiabatisch entspannt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Reaktionspartner über getrennte Düsen bzw. Düsensysteme adiabatisch entspannt werden.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die gebildeten Reaktionspartner sowie unveränderte Teile des Stoffgemisches auf der Wandung des Vakuumraumes zur Kondensation gebracht, durch fraktionierte Destillation voneinander getrennt und damit weiter verarbeitbar gemacht werden.

8. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1-6, dadurch gekennzeichnet,daß die Wandungen der Düsenkanäle auf gegenüber den durchströmenden Stoffen höheren Temperaturen gehalten sind.

9. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandungen der Düsenkanäle mit einem Überzug aus Polytetrafluoräthylen (Teflon) versehen sind.

10. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abtrennung der nicht vom Laserstrahl durchsetzten Anteile der Reaktionspartner blendenartige Abschälwände innerhalb einer Vakuumkammer vorgesehen sind.

11. Anwendung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1-10 zur Erzeugung chemischer Verbindungen.

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