DE2517173C3

DE2517173C3 - Verfahren zur Trennung von Isotopen

Info

Publication number: DE2517173C3
Application number: DE2517173A
Authority: DE
Inventors: Hans-Joachim Dipl.-Chem. Dr. 8520 Erlangen Niemann
Original assignee: Kraftwerk Union AG
Current assignee: Kraftwerk Union AG
Priority date: 1975-04-18
Filing date: 1975-04-18
Publication date: 1980-10-02
Also published as: FR2307569A1; DE2517173B2; AU502013B2; IL49419A0; DE2517173A1; IL49419A; ZA762235B; US4139435A; GB1512873A; FR2307569B1; AU1295876A; CA1072488A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Trennung von Isotopen, die als dampfförmiges Gemisch von Verbindungen vorliegen, durch selektive Anregung der einen Isotopenart im Bereich ihres Rotationsschwingungsspektrums mit einer Laserstrahlung, deren spektrale Breite maximal der Größe der Isotopenverschiebung entspricht und Abtrennung der angeregten Jsotopenart von der nicht angeregten auf physikalischem oder chemischem Wege. Solche Verfahren sind schon verschiedentlich empfohlen worden, siehe die iDE-OS 2150232 und DE-AS 1296611, und wurden insbesondere auch schon für die Uranisotope U 238 und U 235 vorbeschrieben, in der Hoffnung, auf diesem Wege die Anreicherung von? Kernbrennstoffen gegenüber den bisherigen Verfahren der Gasdiffusion und des Trenndüsenverfahrens wesentlich wirtschaftlicher gestalten zu können. Grundlage der bekannten Verfahren ist dabei, daß die Unterschiede der Absorptionskoeffizienten der verschiedenen zu trennenden Isotope bei einer bestimmten Wellenlänge möglichst groß sind, damit nur das eine Isotop angeregt, d. h. in einen höheren Energiezustand gebracht wird und aus diesem durch an sich bekannte physikalische oder cheTiische

ίο Methoden abgetrennt werden kann. Es ist jedoch sehr schwer, in den Spektren gasförmiger Uranverbindungen geeignete Linien zu finden, die die Erzielung eines ausreichenden Effektes versprechen.

Es stellte sich daher d'e Aufgabe, ein Verfahren zu finden, das auch in Fällen eines sogenannten quasikontinuierlichen Spektrums, bei dem die verschiedenen Banden aufgespalten und überlagert sind, einen effektiven Trennungsprozeß ermöglicht. Dieses Ziel wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Frequenz der Laserstrahlung so eingestellt wird, daß Haufungsstellen von Rotationsschwingungslinien der die eine Isotopenart enthaltenden Verbindung im UV- oder im sichtbaren oder im IR-Spektrum erfaßt werden, daß die Intensität der Laserstrahlung so groß ist, daß deren Absorption den Sättigungsbereich erreicht, und daß die Strahlungsdauer bei gepulstem Laser kleiner als die Rotationsrelaxationszeit ist Das Verfahren kann dabei auch so geführt werden, daß anstelle eines gepulsten Lasers ein kontinuierlich strahlender Laser

ω verwendet wird, dann muß jedoch der chemische oder physikalische Abtre/inprozeß so eingestellt werden, daß er schneller als die Rotationsrelaxation ist. Die Auffindung der Häufungsstellen kann mit Hilfe der Fluoreszenzspektroskopie durchgeführt werden.

Wenn das erfindungsgemäße Verfahren zur Trennung von Uranisotopen bei der Verbindung UF₆ angewendet wird, ist eine Laserstrahlung von 16 μηι Wellenlänge vorgesehen, die den Q-Zweig der Vy Bande des "⁵UF* erfaßt.

Dieses Verfahren sei nun am Beispiel der Trennung der Uranisotopenverbindungen des UFi, näher erläutert, es wird jedoch ausdrücklich darauf hingewiesen, daß aufgrund dieses Prinzips selbstverständlich auch andere Isotopenverbindungen getrennt bzw. angereichert werden können. Derr Verfahren liegen nun folgende theoretische Überlegungen zugrunde:

Das Spektrum der Isotopenverbindung ist, wie bereits erwähnt, quasikontinuierlich, die Unterschiede im Absorptionsspektrum sind daher nicht ausreichend

-,o groß, um eine selektive Erfassung einer einzelnen Isotopenverbindung nach dem bisherigen Stand der Technik zu erreichen. In solchen Spektren treten aber Haufungsstellen von Rotationsschwingungslinien im Infrarot, im sichtbaren oder im ultravioletten Bereich auf. An solchen Stellen (im Q- und R-Zweig) kann die Linienzahl innerhalb eines engen Wellenzahlenbereiches sehr groß werden, z. B. 100 und mehr, bezogen auf den UFf,Isotopieefekt der VrBande, der bei 0,55 cm ' liegt. Strahlt man nun an solchen Häufungsstellen, die durch die Frequenzen ν 1 und ν 2 begrenzt sind, mit Laserlicht hoher Intensität ein, so können nur jene

^Moleküle Licht absorbieren, die sich in bestimmten

Rotationszuständen befinden. ■ Diese Zustände sind dadurch charakterisiert, daß ihre Übergänge oder Absorptionsfrequenzen in dem genannten Gebiet liegen. Sie werden dadurch sehr stark angeregt d. h^ sie befinden sich dann auf einem höheren Ehergiehiveäü. Dies gilt insbesondere dann, wenn bei impulsförmigem

Laserlicht die Impulsdauer kleiner ist als die Rotationsrelaxationszeit, d. h. jene Zeit, die verstreicht, bis die Moleküle in ihren energetischen Grundzustand zurückgefallen sind.

Die angeregten Moleküle stellen nur einen Bruchteil Q aller Moleküle dar, die Licht des Frequenzbereiches ν 1 —v 2 absorbieren können. Wählt man die eingestrahlte Lichtintensität so groß, daß sogenannte Sättigung eintritt, dann befindet sich als Konsequenz der Tatsache, dad die Übergangswahrscheinlichkeit von dem Grundzustand zum angeregten Zustand gleich groß wie in umgekehrter Richtung ist die Hälfte der absorbierenden Moleküle im angeregten Zustand.

Benennt man nun die Konzentration der Moleküle der das Isotop 1 enthaltenden Verbindung Ά und jene, der das Isotop 2 enthaltenden Verbindung ²A und bezeichnet den angeregten Zustand mit einem Sternchen, so ergibt sich die Konzentration der angeregten Moleküle ¹A* zu

"^ = UiLe

2
und jene des angeregten Moleküls ²A* zu

A = —-j .

'Q und ²Q stellen die obenerwähnten Bruchteile für die die Isotope 1 und 2 enthaltenden Verbindungen dar. Der Unterschied zwischen ¹Q und ²Q ist somit verantwortlich für die Größe der unterschiedlichen Anregung der die unterschiedlichen Isotopen enthaltenden Verbindungen, er ist also für den Trennfaktor

bestimmend, wenn alle angeregten Moleküle ²A* durch chemische und physikalische Verfahren abgetrennt werden können.

Dieser Trennfaktor ist dann erzielbar, wenn, wie erwähnt eine Häufungsstelle im quasikontinuierlichen Spektrum gefunden wird, wo die Moleküle M und ²A in den Frequenzbereichen zwischen ν 1 und ν 2 verschieden viele und/oder verschieden stark besetzte Rotationslinien besitzen. Da hierbei die Selektivität als Folge der Sättigung erreicht wird, kann man dieses Anregungsverfahren mit dem Ausdruck »selektive Sättigung« beschreiben.

Der Absorptionsquerschnitt, der die Isotopen enthaltenden Verbindungen, z. B. UF₆, bestimmt also nicht mehr den Trenneffekt, er bestimmt bei diesem Verfahren nur die Leistungsdichte, mit der eingestrahlt werden muß, um Sättigung und damit den gewünschten Trenneffekt zu erreichen. Diese Sättigungsintensität ergibt sich aus dem Absorptionsquerschnitt σ der abzutrennenden Substanz, z. B. ²³⁵UF₆ und der Lebensdauer τ des angeregten Zustandes zu

/it

2 λ ' τ ■ σ

Wirkungsquantum,
= Wellenlänge des

c = Lichtgeeingestrahlten

(h = Plancksches
schwindigkeit, λ =
Lichf.cs).

Statt mit gepulstem Licht kann auch mit gleichförmig eingestrahltem Licht gearbeitet werden, sofern der Abtrennprozeß (chemisch oder physikalisch) schneller ist, als die Rotationsrelaxation und sofern die Lichtintensität die Sättigungsbedingung nach vorstehender Gleichung erfüllt

Als Beispiel sei erwähnt, daß sich für UF_b bei der Bestrahlung der starken Bande bei 2200 A eine Leistungsdichte I₅ von 20 MW pro cm³ ergibt. Der Absorptionsquerschnitt beträgt dabei 2,5· 10 "cm² und die Lebensdauer des angeregten Zustandes

lor = 10-⁹SeIc

In der F i g. 1 sind die Banden der Verbindungen ²³⁵UF₆ und ²³⁸UF₆ bei einer Wellenzahl von 623 cm-¹ (entspricht einer Wellenlänge von 16 μπι) dargestellt Wegen der geringen Isotopieverschiebung findet man

keine Wellenlänge, die sich für ein bisher bekanntes Laserisotopentrennverfahren eignet Anders liegen aber die Verhältnisse beim Verfahren der selektiven Sättigung, wo es auf die Liniendichte ankommt

Das in F i g. 2 dargestellte Rotationsschwingungs-Spektrum ds j UF₆ zeigt daß im Q-Zweig eine wesentlich höhere Liniendichte als im P- und R-. weig vorhanden ist Innerhalb der für den Q-Zweig dargec bellten Kurve liegen nämlich 150 Linien, die von nahezu 100% aller möglichen Molekülgrundzustände herrühren, während für den P- und den R-Zweig nur jede 10. Rotationslinie eingezeichnet ist Durch die Rotationsaufspaltung ist dieses Spektrum noch weiter verwaschen, jedoch stellt der Q-Zweig eine für das vorliegende Verfahren geeignete Häufungsstelle dar. Bei einer Einstrahlung mit einer Frequenz von vo + 0,25 cm -' und einer Laserbreite von Ay » 0,5 cm ~' errechnet sich ein Trennfaktor von F = 2400.

Dies bedeutet das vorliegende Trenn- bzw. Anregungsverfahren eignet sich vorwiegend für solche Banden im Infrarot, Sichtbaren oder Ultraviolett, die keine Bandkante im R-Zweig zeigt, aber einen, wenn auch schwach absorbierenden Q-Zweig aufweisen.

Unter der Annahme, daß die ²¹⁵UF₆-Verbindung aus mehreren Schwingungsbandensystemen besteht, die geringfügig gegeneinander verschoben sind, ergeben sich folgende Verhältnisse: Wird in den ²ⁱ⁵UF„-Q-Zweig eingestrahlt, der am kurzwelligsten liegt, so absorbiert hier schon der R-Zweig der ²ⁱ⁸UF₆-Bande relativ stark. Im ungünstigsten Fall liegt das Maximum des ²³⁸UF₆-R-Zweiges an der Stelle, an der der Q-Zweig des ²¹⁵UF₆ absorbiert. Für diesen Fall ergibt sich ein Trennfaktor von F etwa 6.

Dies bedeutet, wenn der Q-Zweig des ²³⁵UF* dort absorbiert, wo der R-Zweig einer ^2J8UF₆-Bande liegt, so

so ergeben sich die für das Verfahren der selektiven Sättigung je nach Überlappung der Banden, Trennfaktoren, die zwischen 6 und 2400 liegen.

Aus dem Gesagten ergibt sich, daß dieses Verfahren au^h dim; zur Isoitopentrennung geeignet ist, wenn die spektralen Unterschiede der beiden Uranverbindung en ²³HJF^ und -'"¹UFi, gering sind. Auch bei einer »Strukturlöschung des Spektrums«, wie sie z. B. durch Linienaufspaltung, durch Überlagerung von »hot bands« und durch eine dichte Folge von Bandenprogressionen möglich sind, ergeben sich bei Ausnutzung der Häufungssteilen große Trennfaktoren, Die erfordern·

> chen hohen Leistungsdichten können im Piilsbetrieb

leicht erzeugt werden, während dieser kurzen Pulszeiten sind keine Rotationsrelaxationen möglich, dies ist

jedoch kein Nachteil, sondern eine für das Funktionieren des eigentlichen Abtrennvorgangs notwendige Voraussetzung.

Das Verfahren wird auch dadurch erleichtert, daß der

verwendete Läsef nicht extrem sehmäilsandig sein maß, im Grenzfall kann seine spektrale Breite der isotopen* yerschiebung Δγ iso entsprechen. Solche breilbaridige Laser, insbesondere Farbstofflaser, lassen sich mit höherer Ausgangsleistung und größerem Wirkungsgrad betreiben als schmalbandige.

Wesentliche Voraussetzung für das vorliegende Verfahren ist die Bestimmung der zur Anreicherung geeigneten Laserwellenlänge* Diese läßt sich nicht von vornherein angeben, sondern muß für jede Verbindung iö experimentell bestimmt werden^ Mit herkömmlichen Spektrometern, die mit Licht geringer Intensität arbeiten, läßt sich diese Wellenlänge nur dann ermitteln, wenn aus der Bandenkontur der Typ der Teilbande (P-, Q-, R-Struktur usw.) eindeutig identifiziert Werden kann. (5 ■ Der erzielbare Trennfaktor dieses Verfahrens läßt sich aus einem solchen Spektrum grob bestimmen. Bei einem stark quasikontinuierlichen Spektrum stellt die fluores-,-.iC-nz-Spektrometrische Untersuchung ein geeignetes ■Verfahren zur Findung der Häufungsstellen dar. Dabei wird die Substanz ¹A mit Laserlicht bestrahlt, dessen Impulsdauer kleiner als die Rotationsrelaxationszeit ist und mindestens gleich groß ist, wie die Sättigungsintensität is. Man mißt das Fluoreszenzlicht, das proportional zur Zahl der damit angeregten Moleküle *A* ist. Dieselbe Messung wird für die Substanz ²A wiederholt.

Der Tfeitfifäktöf ist darm gleich dem Verhältnis der beiden Meßwerte. Durch Variation der eingestrahlten Wellenlänge und der Bandbreite des Läsers läßt sich der Trennfaktör experimentell optimieren.

Ergänzend zu den bisherigen Ausführungen sei erwähnt; daß sich als Abtrennprozeß besonders die fotochernische Reaktion des angeregten ÜlVIsotöps mit H2, GO, CO2, Ö2 Xe und änderen Verbindungen eignet, die bei· Raumtemperatur nicht oder nur langsam mit ÜFe reagieren.

J Es können jedoch auch noch andere Prozesse in Frage kommen, wie z. B.

a) Prädissoziatiori

b) Photoionisation

c) Zwei-Phoion^Photoreaktion

d) Zwei-Photon-Prädissoziation

e) Zwei-Photon-Dissoziation

f) Zwei-Photon-Ionisation

Selbstverständlich läßt sich das beschriebene Verfahren auch zur Trennung anderer Isotopen verwenden, so können z. B. die Kohleristöffisötöpe '³C und ¹²C über die selektive Sättigungsanregung durch Einstrahlen in die CH4-Deformätionsbande (sehr schwach gekrümmter Q-Zweig) getrennt und angereichert werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Trennung von Isotopen, die als dampfförmiges Gemisch von Verbindungen vorliegen, durch selektive Anregung der einen Isotopenart im Bereich ihres Rotationsschwingungsspektrums mit einer Laserstrahlung, deren spektrale Breite maximal der Größe der Isotopieverschiebung entspricht und Abtrennung der angeregten Isotopenart von der nicht angeregten auf physikalischem oder chemischem Wege, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Laserstrahlung so eingesetzt wird, daß Häufungsstellen von Rotationsschwingungslinien der die eine Isotopenart enthaltenden Verbindung im UV- oder im sichtbaren oder im IR-Spektrum erfaßt werden, daß die Intensität der Laserstrahlung so groß ist, daß deren Absorption den Sättigungsbereich erreicht, und daß die Strahlunpsdauer bei gepulstem Laser kleiner als die Rotationsrelaxationszeit ist.

2. Verfahren zur Trennung von Isotopen, die als dampfförmiges Gemisch von Verbindungen vorliegen, durch selektive Anregung der einen Isotopenart im Bereich ihres Rotationsschwingungsspektrums mit einer Laserstrahlung, deren spektrale Breite maximal der Größe der Iiotopieverschiebung entspricht und Abtrennung der angeregten Isotopenart von der nicht angeregten auf physikalischem oder chemischem Wege, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Laserstrahlung so eingestellt wird, daß Haufungsstellen von Rotationsschwingungslinien der die ein-. Isoto enart enthaltenden Verbindung im UV- oMer sichtbaren oder im IR-Spektrum erfaßt werden und die Intensität der Laserstrahlung so groß ist, daß deren Absorption den Sättigungsbereich erreicht, und daß bei kontinuierlich strahlendem Laser die chemische oder physikalische Abtrennung schneller als die Rotationsrelaxation verläuft.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auffindung der Haufungsstellen mit Hilfe der Fluoreszenzspektroskopie durchgeführt wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es zur Trennung von Uranisotopen bei der Verbindung UF6 angewendet wird, wobei eine Laserstrahlung von 16μιτι Wellenlänge vorgesehen ist, die den Q-Zweig der v₍-Bande des ² "UF,, erfaßt.